地球科學領域開發高中教材及高中生研習活動

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1 地球科學領域開發高中教材及高中生研習活動
教育部「92-95基礎科學教育改進計畫」 九十三會計年度 主持人：許晃雄 協同主持人：吳清吉、林博雄 執行期限：自93年01月01日至93年12月31日止 參與科系所：國立台灣大學大氣科學系

2 聖嬰現象與反聖嬰現象

3 一、你認識聖嬰嗎?! -聖嬰對氣候的影響

4 上帝的警訊？！ 豪雨洪水、乾旱、熱浪等，每年破紀錄的極端天氣狀態。 是否我們的生命、財產、環境、生物正在逐漸受到威脅？！
極端異常天氣情況發生頻率增加？！ 豪雨洪水、乾旱、熱浪等，每年破紀錄的極端天氣狀態。 是否我們的生命、財產、環境、生物正在逐漸受到威脅？！

5 What ? How? Where ? El Nino La Nina When ?

6 海溫、海流、風向、氣壓、氣溫、降水量……
經濟、環境、生物… 赤道太平洋 聖嬰 反聖嬰 12月聖誕節

7 聖嬰現象 「聖嬰」一詞源自西班牙文El Niño，英文翻譯為 Christ Child，意為上帝之子
南美秘魯漁民稱呼發生於聖誕節時期，鄰近熱帶太平洋海域海溫及洋流異常變化之現象

8 El Niño定義 以赤道南北緯 5°，西經90°至150°間為觀測範圍(即 Nino 3 區域)，並使用5個月海面溫度之移動平均值作計算。
若高於氣候標準平均值 0.5 °C時視為聖嬰現象， 若低於氣候標準平均值  0.5°C 時則視為反聖嬰現象。

9 海洋與大氣的特徵 ․東、西太平洋海溫溫差的逆向改變 ․伴隨的大氣變化→氣壓場上蹺蹺板式的東西振盪 ․聖嬰時 海溫變化呈現東高西低時
氣壓場變化則為西高東低

10 二、科學界的研究史 從前受限於科技，無法作宏觀的研究
在聖誕節前後幾個月內，因赤道反流系統之暖流經過與赤道西風南下，為其帶來豐富降雨，稱El Nino 科學界稱聖嬰期間為「暖事件」（warm event）；反聖嬰期間則被稱為「冷事件」（cold event）。

11 祭品遺骸 ․1995年，秘魯科學家挖掘94具遺骸，經證實為第六世紀到第七世紀之間被用來當作祭拜「肅殺之神」的祭品，祈求風調雨順
․此為現今世人所稱之「聖嬰現象」

12 沃克爵士 1920年代，提出沃克環流的理論 發現南方振盪，提出南方振盪指數

13 1960年代後 1960年代，聖嬰現象開始被科學界深入研究 明瞭南美外海水溫變暖並不是孤立現象，隱藏著影響全球氣候型態的巨大能量

14 沃克環流(Walker Circulation)
․沃克爵士在1920年代最早提出的理論 沿著赤道太平洋海面上發展的東西向順時針的垂直大氣環流系統

15 沃克環流-正常情況 低層大氣 大氣上層 ․太平洋上貿易風沿赤道由東吹向西，經暖海水熱能堆積至西太平洋印尼一帶的上層海水
․此區暖水受熱汽化上升至大氣中，使對流活動更易產生 大氣上層 ․風沿著赤道太平洋由西往東吹，在東太平洋出現下沈氣流，導致該區域大多乾燥少雨

16

17 沃克環流-正常情況 太平洋中、東側： 晴朗、乾燥 海溫低、海洋斜溫層淺 太平洋西側： 多雨、溼潤 海溫高、海洋斜溫層深

18 沃克環流-聖嬰狀態 太平洋中、東側： 雨量增加 海溫升高、海洋斜溫層下降 太平洋西側： 雨量減少 海溫降低、海洋斜溫層升高

19 沃克環流-反聖嬰狀態 太平洋中、東側： 雨量變少 海溫較正常低、海洋斜溫層更淺 太平洋西側： 雨量增加 海溫高、海洋斜溫層深

20 南方振盪(Southern Oscillation)
沃克爵士發現：․大溪地（東太平洋）與達爾文島（西太平洋）（圖中黃點及紅點）的氣壓有明顯的高低差異，․將兩地的氣壓差稱之南方振盪

21 南方振盪

22 南方振盪 以達爾文島氣壓變化為基準，將太平洋各地的氣壓變化與其作統計而得出的相關係數分布圖，正值代表正相關，負值代表負相關

23 南方振盪指數（SOI， Southern Oscillation Index)
大溪地與達爾文島兩地的氣壓差值被稱為 南方振盪指數（SOI， Southern Oscillation Index) 當SOI 小於零，且負值越大，聖嬰現象出現 當SOI 大於等於零，為正常狀態、或是反聖嬰現象

24 SOI大於或等於零 SOI大於或等於零時，熱帶東太平洋氣壓高於西太平洋。 ․東太平洋秘魯區：海水溫低，湧升流盛行
․赤道地區：盛行偏東貿易信風強烈向西吹送 ․澳洲北部及亞洲：會出現溫暖潮濕的氣候

25 SOI 小於 0 SOI小於零，熱帶西太平洋的氣壓高過東太平洋 SOI小於零時，且負值越大時，正是聖嬰現象出現的時刻
․太平洋貿易信風減弱，東赤道太平洋秘魯漁場附近的湧升流，所帶來的冷海水的強度會衰減或停止 ․同時海表面溫度會升高，而澳洲及亞洲一帶則會出現乾燥的氣候型態。 SOI小於零時，且負值越大時，正是聖嬰現象出現的時刻

26 南方振盪指數

27 聖嬰/南方振盪(ENSO) 畢雅尼將聖嬰與南方震盪 合併為「ENSO」（EI Nino / Southern Oscillation）
-聖嬰／南方震盪現象。 ENSO是當今學術界對聖嬰現象的正式稱呼

28 地面風向 聖嬰現象時 ․東西向沃克環流的強度減弱 ․在西太平洋地區，地面風甚至可轉為西風

29 海溫增高與降雨 在「聖嬰」年 ․熱帶東太平洋海溫異常增高時，經由上升對流成雲後降雨
․相對的海溫降低之熱帶西太平洋上空之空氣遂下沉，造成地表壓力增加並抑制降雨

30 比較海溫分布情形 1998年12月---反聖嬰 SST偏低 1993年12月---正常年 SST正常分佈 1997年12月---聖嬰

31 海平面不平 海平面具有海水位差異。

32 聖嬰時，風、斜溫層、海平面高度

33 SST and water temperature profile, Equatorial Pacific Ocean
January 1997 November 1997 March 1998 海平面高度（高度起伏）；海溫垂直分佈（顏色）：Red 30 °C ； blue 8 °C ；斜溫層 20 °C，深藍色邊緣

34 海水垂直運動 沃克環流將太平洋能量由東帶到西，為了補償東太平洋的能量，東太平洋會有一波波的湧升流，由深層冷海水上湧來補替暖海水 西移的情況。

35 海水垂直運動 湧升流 將較冷的海水向上帶，影響氣候，並含豐富營養鹽，傳送到海表面利浮游生物生存，故湧升流區域漁業興盛
斜溫層(thermocline) 太陽輻射影響，海水大致可分上層暖海水，底層冷海水，其間的分界稱之

36 海水垂直運動 正常情況 ․東太平洋海平面較低於西太平洋海平面，此時斜溫層較淺，冷海水就較為接近海表面。 聖嬰年
․東太平洋海平面較高，情況相反 ․斜溫層的深度影響深層冷海水垂直運動，由湧升流傳至上層海表面

37 南美洲秘魯的沿岸湧升流 秘魯漁場的魚貨量居全球前五大 南美洲海岸 東南風 湧升流

38 浮游生物分佈

39 三、聖嬰現象的週期性？ 「聖嬰」現象約每二年至七年發生一次，其生命週期歷經發展、成熟、衰退等期，前後可達一年半到二年之久。
聖嬰對祕魯漁民來說是每年都會發生的正常現象，每次大約會持續兩、三個月。但隔幾年會出現規模較大的情況。 「聖嬰」現象約每二年至七年發生一次，其生命週期歷經發展、成熟、衰退等期，前後可達一年半到二年之久。

40 從古至今，聖嬰現象的存在？ 在1989年，安得森(Anderson)在加州離岸，偵測出早在四萬五千年前，就已有類似聖嬰或反聖嬰的現象出現。

41 大氣與海洋的能量循環。

42 四、反聖嬰，La Nina 有令赤道東太平洋變暖的聖嬰，也有變冷的反聖嬰
La Nina 一詞源自西班牙文，其意為女嬰，係為聖嬰 ( El Nino ) 之相對詞 兩者均是指在赤道東太平洋區域，海溫及洋流之異常變化現象

43 聖嬰與反聖嬰現象相較 若高於 Nino 3 區域氣候標準平均值 0.5 C時視為聖嬰現象，若低於氣候標準平均值  0.5°C 時則視為反聖嬰現象 聖嬰---東太平洋海表面溫度較正常狀態暖 反聖嬰---東太平洋海表面較正常狀態冷

44 反聖嬰現象與SOI 反聖嬰現象發生時，SOI值大於等於零；但正常情況亦同。故反聖嬰現象，特別強化其海溫之對比
因為海水溫度之變化是影響大氣氣候變動之重要因素之一

45 反聖嬰的出現 ․反聖嬰必緊接著聖嬰之後出現。 --------錯誤！ ․1950～1997年聖嬰出現機率：31％ 反聖嬰現象出現機率：23％
․1975年後，反聖嬰現象出現機率為聖嬰的1/2

46 北美洲冬季噴射氣流 噴射氣流走向： 聖嬰年：在北美上空分為二，其中一流向高壓帶，另一流向低壓帶
反聖嬰年：集中聚集在美國北部及加拿大南部一帶，帶來濕冷冬季 ＝>反聖嬰年降雪量大於聖嬰年

47 北美洲冬季噴射氣流

48 五、聖嬰與反聖嬰比較 在聖嬰時期之異常氣候情況可能呈現反常之涼夏或暖冬 反聖嬰時期可能變為加強四季之特性，即是熱夏與寒冬

49 聖嬰現象時，氣候變化

50 反聖嬰現象發生時

51 聖嬰現象的夏天

52 聖嬰現象的冬天

53 全球氣候變遷、溫室效應、全球暖化、人為開發活動、自然週期變化…?!
六、變化的氣候 是好是壞？！是正常或異常？！ 真的都是聖嬰跟反聖嬰的錯嗎？ 全球氣候變遷、溫室效應、全球暖化、人為開發活動、自然週期變化…?!

54 聖嬰現象在秘魯 ․帶來豐沛而持續的降雨，使得原本是環境惡劣的沿海沙漠，在幾個星期之間長滿了綠油油的植物，湖泊則取代了乾旱的沙地。
․平時無法生長的香蕉、棉花、椰子樹也迎風飄曳。居民因陸地上不尋常的植物出現，故稱之為「豐盛年」。

55 七、聖嬰現象的影響： CO2與聖嬰：聖嬰年的CO2量遞減約16％～36％之多 海平面上升：1997/11月海平面升到最高峰
聖嬰具有的能量：海水儲存的熱能 日子變長了：中高緯東風增強，地球自轉減緩 季風降雨與聖嬰：聖嬰年季風區降雨量增加

56 95到96年的非聖嬰年， 釋放CO2量超過97～98年聖嬰年的1倍多。

57 短期氣候影響 極端天氣頻傳：氣候變化劇烈 氣候影響生物生存環境，生態遭衝擊或破壞
歷史上的聖嬰與反聖嬰現象，沒有兩個是一模一樣的，週期長短、影響範圍與程度都不固定，故探討異常天氣與El Nino之間的關係時，必須十分謹慎

58 極端天氣頻傳 ․豪雨、洪水 ․乾旱、霾害 ․颱風、颶風 ․熱浪-美國西南部熱浪來襲，風暴增多 ․寒潮-美國東部發生特大寒潮 ․暖冬、冷夏
-日本形成暖冬、大梅雨、冷夏 -台灣形成暖冬、長春雨，長梅雨

59 豪雨、洪水(1997~1998年) ․南美洲西部沙漠地區開始下雨。秘魯沙漠區，受到暴雨的不斷侵襲，竟然出現約兩千平方公里大、三公尺身的間歇湖
․美國密士失必河的洪水 ․中國大陸出現強烈寒流、豪雨或乾旱等災害天氣

60 旱災、霾害(1997~1998年) ․澳洲發生乾旱 ․印尼、菲律賓缺水，發生乾旱 ․印度西南季風減弱而發生乾旱
․ 1998年，印尼乾旱，再配合人為焚林，出現20世紀最嚴重、影響大範圍地區居民健康的「東南亞霾害」

61 Fig 1. A picture from CNN shows the fire in Australia, dry weather and brush fire occur in Australia usually during El Niño.

62 颱風 中、強程度的聖嬰現象，對西太平洋強烈颱風的發生頻率和持續日數有顯著的影響 ․太平洋的颱風，大西洋的颶風發生次數減少
․颱風生成源地向東偏移，颱風可逗留在海面上成長的時間變長，持續的時間也變長，路徑偏北前進，強度偏強

63 有史以來東太平洋最強颱風---琳達 Its arms lashing Mexico’s west coast, Hurricane Linda, spawned during an El Niño, churns northeastward in September Linda’s 185-mile-an-hour [298-kilometer-an-hour] winds made it one of the strongest eastern Pacific storms ever recorded. ©1999 National Geographic Society. All rights reserved

64 環境生態 海溫影響浮游生物、降雨分布改變、氣溫變化等，種種危及食物鏈中的基礎生物，直接或間接影響到海洋和陸上的生態系統，而生物習性也遭到破壞
如：鹹水沼澤、紅樹林、沿海濕地、珊瑚礁、河流三角洲等生態系

65 影響的生物 正常年 聖嬰年

66 經濟活動的影響 氣候左右著全球經濟的興衰 農業、漁業、商業及特殊市場需求，都與氣象有關
如：1982~1983年El Nino，直接造成81億美元的損失。

67 經濟活動的影響 ․1982，聖嬰年，巴西北部因旱災而糧食欠收，影響民生物質供應並波及私人企業經營
․各地頻傳異常的豪雨造成水災，造成農、漁業極大損失、許多人失蹤、死亡、無家可歸，交通橋樑建設損毀、受阻，並引發衛生醫療等問題

68 社會人文的影響 疾病蔓延、糧食短缺 氣溫持續偏高，最容易對老人、 幼兒與體弱多病者帶來危害，往往會造成中暑、熱衰竭甚至死亡的案例
乾旱造成森林大火，導致空氣品質惡化， 使呼吸道疾病流行；空氣污染也會增加交通事故

69 社會人文的影響 豪雨帶來洪水氾濫，常超越自來水系統的淨化功能，使飲水品質大受影響， 與腸胃道傳染病的爆發流行有關
氣候多變，使各種傳染性病媒孳生蔓延，擴展病媒傳染病的流行區域， 而高溫乾旱或洪水帶來的糧食欠收，導致食物缺乏和營養不良，降低人體抵抗力，讓情況雪上加霜 天災造成醫藥物資缺乏，使疾病預防、醫藥治療與身心復健的工作難以進行

70 聖嬰對台灣的影響 ․台灣的春雨提早 ․造成暖冬 ․影響台灣的颱風數量減少，若能影響到台灣多半為強烈颱風

71 台灣的春雨提早

72 造成暖冬

73 八、聖嬰相關研究 ․監測：SST、氣壓、風向、降雨量等 ․回溯：找尋以往聖嬰與反聖嬰相關資料 ․預報、模擬聖嬰模式的研發
․衍生議題：全球生態、環境、社會治安、人文、經濟等

74 監測聖嬰 ․衛星監測(satellites) ․固定觀測浮台(moored buoy)、漂移觀測浮台(drifing buoys)
․海面高度分析數據(sea level analysis) ․熱帶海洋測量系統(TOGA，Tropical Ocean Observing System)、聖嬰南方震盪系統等 持續收集氣溫、風速、風向、濕度、海溫、海流等資料，在利用衛星傳送到世界各地

75 Photo courtesy of M. Neimer, NOAA/Pacific Marine Environmental Laboratory, Seattle.

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77 間接證據：指觀察自然現象，經推論後所得到的間接線索 偵測海洋與陸地之珊瑚、樹輪、湖泥、冰心等古生物標本，以瞭解更完整的聖嬰史
回溯 間接證據：指觀察自然現象，經推論後所得到的間接線索 偵測海洋與陸地之珊瑚、樹輪、湖泥、冰心等古生物標本，以瞭解更完整的聖嬰史

78 過去的文字紀錄(i) ․海洋表面溫度的記錄。其中包括了本世紀商船的航海記錄、從1930年起就由 Puerto Chicama 所定期記錄的秘魯海岸溫度等 ․各地氣壓和雨量的逐日觀測值。有些測站仍保有過去一百多年來的觀測資料，如達爾文測站就是

79 過去的文字紀錄(ii) ․南美洲各國漁獲量的記錄 ․歷史文件。如十五世紀時，秘魯、厄瓜多等地西班牙移民的著作

80 預報聖嬰 完整的氣候資料，進行長期的分析：赤道太平洋地區完整的監測資料 符合自然機制的理論與數值模式：海氣耦合模式、海洋環流模式

81 多重ENSO指數， MEI 在1990年代，美國海洋暨大氣總署（NOAA），科學家經過長期的研究，監測資料發展出新的「多重ENSO指數」（Multivariate ENSO Index，MEI） 正的MEI代表傾向暖事件（即聖嬰期），負值則代表傾向冷事件（即反聖嬰期）

82 多重ENSO指數 MEI綜合了六種熱帶太平洋的觀測數據，分別是： 海平面氣壓、地表風的緯向分量及經向分量、海面海溫、地表氣溫、雲的總遮蔽量
六種數據在每個月取當月及前一月的數值計算，再經過彙整及標準化運算後求出指數

83 預報的好處 1987年、1992年的聖嬰，巴西東北部的雨量變化與穀物產量對比圖

84 2004年八月的預報？！ NOAA’s NEW GLOBAL CLIMATE FORECAST SYSTEM INCREASES CONFIDENCE THAT WEAK EL NIÑO CONDITIONS ARE DEVELOPING Aug. 24, 2004 — NOAA scientists are becoming increasingly confident weak El Niño conditions are developing in the tropical Pacific, based in part on a new Climate Forecast System that became operational Tuesday. The Climate Forecast System was developed at the NOAA Environmental Modeling Center in collaboration with NOAA Research.

85 利用2004年八月前所收集的資料所做的2004/11分析預報

86 聖嬰的衍生議題

87 延伸閱讀 聖嬰事件簿：http://content.edu.tw/senior/earth/tp_ml/enso/
NOAA/TAO 許晃雄 (民87)：聖嬰與反聖嬰現象. 行政院環保署. 柳中明、劉彥蘭 (民89)：尼諾與妮娜. 新新聞文化.