未來氣候變遷對台灣北部地區降雨沖蝕指數影響之研究

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1 未來氣候變遷對台灣北部地區降雨沖蝕指數影響之研究
范正成 楊智翔 劉哲欣 廖雯雯 連琮勛 指導老師：鄭皆達 報告學生：諸予涵

2 內容大綱 研究緣起及目的 文獻回顧 研究方法 結果與討論 結論與建議

3 緣起 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
自18世紀工業革命以來由於石化能源大量使用，加上人為活動，導致全球暖化、氣候變遷等後果 氣候變遷造成降雨特性及氣溫上的改變，將增加土壤沖蝕發生機率 在土壤沖蝕量的量化評估，一般採用Wischmeier and Smith (1978)發展之通用土壤流失公式 (USLE)，公式中的降雨沖蝕指數 ( Rainfall Erosivity Index，簡稱 R 指數 ) ，能具體描述降雨對土瓖造成沖蝕之影響潛能，故降雨沖蝕指數於土瓖沖蝕的評估為一個相當重要之指標 􀟻􀭯􀏣􀞑􀻆􀏯􀺑􀕗􀎢􀇴􀎋􀫓􀯦􀒔􀓧􀎲􁝆􀘑􁇑􀻆􀞑􀻆􀏯􀺑􀕗􀎢􀇴􀎋􀫓􀯦􀒔

4 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 參照 Wischmeier and Smith (1978) 之定義，降雨沖蝕指數之計算，必須判定每一場降雨事件是否為有效降雨，再計算該場有效降雨之降雨總動能（E ) ，並求得該場有效降雨之最大三十分鐘降雨強度（I30) ，而兩者之乘積即為該場有效降雨之降雨沖蝕指數（R） 目前台灣地區降雨沖蝕指數之修訂（黃俊德， 1979 、盧光輝， 1999 、盧昭堯等人， 2005 ) , 均以過去歷史的雨量資料為基礎

5 目的 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
為因應氣候變遷此一全球性之議題，本研究擬根據氣候變遷衛擊評估之標準流程，進行氣候變遷對台灣北部地區未來降雨沖蝕指數影響之評估

6 降雨沖蝕指數 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
降雨沖蝕指數受到區域氣候特性之影響會有所不同，國內學者紛紛投入台灣地區降雨沖蝕指數之研究 盧昭堯等人（2005）針對台灣地區之降雨沖蝕指數，以染色濾紙法實測天然雨滴之粒柱分佈，修正 USLE 降雨動能公式，並依據歷年之有效降雨記錄，計算其年降雨沖蝕指數及月分佈，完成台灣地區年等降雨沖蝕指數圖之修訂

7 R = aPb 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
Yu (1996）及盧昭堯（2005）利用歷年的降雨紀錄，建立年降雨沖蝕指數與年降雨量之關係式如下： R = aPb 其中， R 為年降雨沖蝕指數（MJ-mm/ha-hr-year) P 為年降雨量（mm）；a、b 為待定係數

8 氣候變遷對降雨沖蝕指數之影響 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
Sauerborn et al.(1999)於德國R-Westphalia的北部地區研究發現，未來氣候變遷此區域之降雨沖蝕指數有增加的趨勢 Nearing (2001)依據降雨沖蝕指數與修正傅利葉指數之關係，以兩種全球環流模式之輸出值，評估未來氣候變遷全美地區降雨沖蝕指數之潛在變化，其研究結果發現未來氣候變遷美國大陸地區之降雨沖蝕指數將有很大的改變

9 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 Zhang et al .(2005）以 HADCM3 全球環流模式模擬未來兩種不同的降雨情境，研究中國大陸黃河流域地區降雨沖蝕指數之短期、中期、長期的變化，發現短、中、長期均有顯著的增加 楊文仁、范正成（2006）利用兩種預設情境模擬未來台灣降雨沖蝕指數之變化，除了少部分地區為減少，其餘不論短、中、長期均有增加之趨勢，尤以長期之影響為最，其中又以西南部地區影響較大，花東一帶影響較小

10 CLIGEN 氣候生成模式 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
Elliot and Arnold (2001）在非洲烏干達兩個站點，20 年的日雨量資料作為 CLIGEN 模式之輸入項，在年雨量、月雨量及分布、降雨事件機率及降雨延時等參數，模擬結果與歷史觀測值無顯著之差異，而在標率偏差部分，兩個站點的結果皆顯示，模擬值小於實際值 史婉麗等人（2006）以安塞氣象站西元 年之氣象資料，驗證CLIGEN 模式在黃土高原地區之適用性，結果顯示 CLIGEN 模式在模擬降雨事件機率之表現是較為良好的

11 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 雨量資料收集 數化 計算降雨沖蝕指數 建立降雨沖蝕指數推估模式 未來短中長期降雨沖蝕指數影響評估 驗證CLIGEN模式之適用性

12 研究區域選取及其雨量資料數化 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
根據盧昭堯（2005）之研究，台灣地區可畫分為 10 個降雨氣候分區，本研究擬蒐集台北、新竹及宜蘭站的歷年雨量資料（ ） 台北、新竹之資料係採用楊智翔、范正成（2007）數化且經過驗證之5 分鐘雨量紀錄，而宜蘭站則以相同方法進行數化之工作

13 (1)一場降雨雨量大於12.7mm且與該場降雨間隔 6小時以
文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 歷史降雨沖蝕指數計算及推估公式建立 依照下述基準，找出三個研究地區歷年有效降雨事件： (1)一場降雨雨量大於12.7mm且與該場降雨間隔 6小時以 上無降雨 (2)一場降雨雨量小於12.7mm，但在15分鐘內達6.35mm 利用盧昭堯（2005）所推估降雨動能公式，如表1所示，計算降雨動能

14 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 台北地區有少數年份資料缺漏過多，因此僅有 24 年的歷史資料，新竹及宜蘭則有完整的 30 年資料，其歷年之年降雨量與年降雨沖蝕指數變化如圖2 所示 若延用前人研究之年降雨沖蝕指數推估公式，就無法探討降雨沖蝕指數季節性的變化趨勢。緣此，本研究係將利用月降雨量及月降雨沖蝕指數之關係，建立台灣北部地區降雨沖蝕指數推估公式，如式2 所示

15 CLIGEN氣候生成模式 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
在 CLIGEN模式中降雨的分布是根據二階馬可夫鏈，計算前一日無降雨而今日降雨之機率P ( W |D )及前一日降雨而今日無降雨之機率 P ( D | W ) 以計算出每月份的降雨機率 P ( W ) ，如式3 降雨量 P 模擬的部分， 利用式4計算

16 漸變試驗預設情境 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
漸變試驗為根據 SRES ( Special Report on Emissions Scenarios ,SRES）之溫室氣體排放情境模擬氣候逐年之變化，童慶試等人(2002）將CGCM2、HADCM3、CSIRO-MK2等漸變試驗模式之A2情節及B2 情節與台灣之歷史氣溫與降雨資料進行比對 在雨量之模擬則以 HADCM3模式之模擬結果最好，本研究擬採用 HADCM3漸變試驗中的A2 及 B2情節來評估氣候變遷對台灣北部地區降雨沖蝕指數之衝擊

17 降雨沖蝕指數推估公式建立 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
將各地區歷年降雨資料整理為每月一筆，剔除月降雨沖蝕指數為零的月份，以前人研究(Yu，1996、盧昭堯，2005) 建議之乘冪函數為基礎，進行迥歸分析，結果如圖3 及表 2所示 圖 3為月雨量與月降雨沖蝕指數對應資料點之散佈圖，由迴歸趨勢線中可看出資料點的分佈情形大致符合乘冪函數之形式，其中判定係數(R2)介於 至 0.752之間，顯示其相關性良好，後續可應用此模式於氣候變遷衝擊評估

18 CLIGEN 氣候生成模式適用性驗證 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
在CLIGEN氣候生成模式適用性之驗證部份，本研究擬利用中央氣象局台北、新竹及宜蘭三個雨量站的歷史日雨量資料作為 CLIGEN模式的輸入項，針對降雨量、標準偏差及降雨強度等三項參數，初步驗證模式於台灣北部地區之適用性

19 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 首先 CLIGEN 模式降雨量及月分布趨勢模擬之結果如圖4 所示，由各站的結果發現在月平均降雨量的模擬上，程式模擬值與歷史觀測值之誤差相當小，僅在新竹站 6月及宜蘭站9月之差異較為顯著，其差值分別為42.5mm及49.5mm 整體而官，雨量的程式模擬值與歷史值並無顯著之差異，而月分布趨勢之模擬結果亦相當良好，證明 CLIGEN模式能準確的模擬年降雨量、月降雨量及其月分布趨勢

20 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 圖 5 為 CLIGEN 模式模擬之雨量標準偏差與歷史實際值的驗證結果，顯示模擬值與歷史值之間並無顯著之差異，惟有新竹站的 9 月模擬之誤差較大，但整體模擬結果亦是相當良好

21 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 降雨強度之模擬則如圖 6，結果顯示模擬之降雨強度皆小於實際值，且其月分布趨勢亦不相同，模擬的降雨延時與真實情況差距頗大 推測原因可能為CLIGEN模式係根據美國本土的氣候資料所建置，其地區為大陸型氣候，降雨多為中、低強度的雨場，而台灣地區於每年 6-9 月皆有高降雨強度的雷雨、颱風雨，兩種降雨型態極為不同，造成模擬值遠小於歷史值之結果

22 台灣北部地區未來短、中及長期降雨沖蝕指數之影響評估
文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 台灣北部地區未來短、中及長期降雨沖蝕指數之影響評估 圖 7 及表 3 為 HADCM3 模式 A2 情節的模擬結果，包括台灣北部地區未來短、中、長期的月平均雨量及年平均降雨沖蝕指數變化情形 由圖 7發現三個區域月平均雨量在未來短、中、長期的變化趨勢頗為一致，在各站的 4 月至10 月間，多是呈現雨量增加之狀態。整體而言，在 A2 模擬情境中，未來台灣北部的月降雨量變化趨勢為豐水期雨量增加，枯水期減少

23 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 表 3的模擬結果顯示台灣北部地區未來短、中、長期的年平均降雨沖蝕指數均有增加的趨勢，其中台北的增加幅度較其餘兩站為大，短、中、長期之增加幅度依序為 19.0 ％、 22.7 ％及 29.7 % ，而新竹及宜蘭的部份，同樣也是以長期的增加幅度最為顯著，分別為 28.9 ％及 26.6 ％。

24 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 台灣北部地區於 HADCM3 模式 B2情節模擬未來短、中及長期的月平均雨量、年平均雨量及年平均降雨沖蝕指數變化情形，整理如圖 8 及表 4 所示 圖 8 為 B2情境月平均雨量未來增減之模擬結果，由圖 8 中可發現在 B2 情境的模擬中台灣北部地區未來短、中、長期的月雨量變化並不一致。以短期變化而官，各地的 2 月及 6 -9 月的雨量為增加，其餘月份為減少；而中、長期的部份，大致呈現1-3 月的雨量減少，而 4-12月的雨量則是增加之狀態

25 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 未來台灣北部地區於 B2 情節中模擬未來短、中、長期年平均降雨沖蝕指數的結果（如表 4) ，顯示各地年平均降雨沖蝕指數之增幅係以台北地區為最大，且此一結果與A2 情境之模擬結果相似，各地降雨沖蝕指數的增加幅度也以長期變化最為顯著。

26 結論 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
由歷年變化趨勢而言，年平均降雨沖蝕指數在台北及新竹明顯有微幅上升之趨勢，宜蘭則是年與年之間之變異大，但較無明顯上升之趨勢 台灣北部地區降雨沖蝕指數推估公式之判定係數介於0.703 至 之間，顯示其相關性良好，可應用於後續氣候變遷衛擊評估之中

27 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議 CLIGEN 氣候生成模式在年雨量、月雨量分布及雨量標準偏差之模擬與歷史實際值並無顯著之差異，模擬結果相當良好；而在降雨強度的模擬部份則有顯著之差異 以 HADCM3 模式之 A2 及 B2情境模擬台灣北部地區未來降雨沖蝕指數的變化，其結果顯示各地區未來短、中及長期在 A2 及 B2情境中，年降雨沖蝕指數皆有增加之趨勢，其中 A2 情境的增加率較 B2情境為大，而增加最顯著的皆為長期變化

28 建議 文獻回顧 研究緣起及目的 研究方法 結果與討論 結論與建議
由各地區歷年雨量與年降雨沖蝕指數之變化圖發現，兩者之間存在著不同程度之變異，若僅用降雨量與降雨沖蝕指數之關係建立推估公式，將使推估公式在預測能力上產生嚴重的誤差，因此建議在後續研究中在推估公式中加入降雨強度的因子，期能增進推估模式之準確性 CLIGEN 氣候生成模式的模擬結果顯示模擬的降雨型態與台灣北部地區仍存在著差異，建議在後續研究中以其模式的原理、特性為基礎，持續針對此點進行改善，以便於配合上述降雨沖蝕指數推估公式使用

29 報告完畢 謝謝指教