空氣污染的地形效應
地形效應對空氣污染的影響
Table of contents
- Largeron and Staquet 2016在阿爾卑斯山區發現冬季持續性(>3天)的高層逆溫，誘發了地面逆溫，造成嚴重空氣污染，逆溫的強度大於5K/Km。
地形與重力波
重力波:特殊雲畫的「幕後推手」
2020-12-04 中國氣象局
想像一下，在穩定的雲層中，一股上升的氣流突然進入，引起了一陣擾動。但由於重力的存在，重力會作爲回復力平衡這種擾動，由此，形成了垂直方向上的波動。而這種波動，我們稱之爲重力波。波動改變了雲層的動態曲線，從而產生了印有重力波擺動足跡的雲層畫卷，它們有時像海浪，像沙漠，也像梯田。
正如風雲四號A星這次「捕捉」到的重力波那樣，通常這種波動會在遇到上升氣流或雷暴天氣時形成。雖然看上去很神祕，但重力波在地球上幾乎無處不在，甚至火箭發射也能製造出重力波。
10月21日。在風雲四號A星拍攝的圖像中，神祕的重力波橫掃印度洋。發生在澳大利亞西北部的雷暴引發了這次重力波，波動進而在印度洋上空擴散，產生了這一壯觀的景象。
這些重力波是冷暖空氣交匯的產物。由於冷空氣密度大，暖空氣密度小，兩者交匯後，大氣就會失衡。大氣一旦失衡，重力就會把空氣往下拉，而空氣的浮力會把自己往上頂。假如大氣中存在足量的水汽，那麼它們就會在震盪的空氣波波峯處凝結，並在波谷處消散，形成一圈圈白色的條紋狀薄雲。 圖/文 國家衛星氣象中心
從大氣動力學角度來看，重力波是大氣中的基本波動之一，也是中高層大氣中最重要的動力學過程之一。當氣塊受到擾動離開平衡高度向上移動時，氣塊絕熱冷卻，重力使其回復到平衡位置；當氣塊繼續向下運動時，氣塊絕熱增溫，浮力使其回復到平衡位置。儘管主要存在於中高層大氣中，但事實上它可以發生在大氣層的各個高度上。低至近地面層，高至75~100公里的高空都能觀測到重力波。
通常，發生在大氣層主體中的重力波波動範圍在2 ~ 2000公里之間，持續時間不會太久，一般幾分鐘或者幾個小時就會消失，但也有持續了好幾天的特殊情況。學者阿特金森1987年統計了15名研究者的17份研究報告，他指出，中尺度重力波的波長爲4.4~300公里。同一年，烏切利尼和科赫研究認爲，那些振幅較大、持續時間較長的重力波一般可能與強降水有關。
有時候，在重力和地球自轉偏向力的共同作用下，還會產生一種名爲「慣性重力波」的混合波。2018年7月的一則報導稱，七年前，一羣研究人員在南極發現了巨大而神祕的漣漪，便是慣性重力波。更特別的是，南極上空的慣性重力波令人驚奇地持久。不過，背後的原因，研究人員仍不確定。
因在大氣中的重要作用，重力波可能引發很多其他中尺度天氣系統，觸發對流性風暴，特別是那些振幅大的重力波會對局地天氣產生很大影響。比如，當重力波出現在對流天氣發展之前時，重力波觸發對流天氣；當重力波通過已經產生對流天氣的地方時，對流強度會出現周期性變化。此外，梅雨鋒上往往有許多傳播性的中尺度雨帶，這些雨帶和重力波也有聯繫；在鋒面氣旋、登陸颱風以及低空急流等許多系統中，經常有中尺度重力波活動，它們與暴雨聯繫密切。
當然，大氣並非重力波存在的唯一介質。它還存在於海洋中，波浪能就是存在於海洋表面的重力波，它既有水平運動又有豎直運動。所以，相較於大氣，以水波向周圍擴散、海洋上的波浪起起伏伏等形式出現的重力波，更容易讓人們看到它的樣子。
地形重力波拖曳
當層結穩定的氣流翻越山脈時，可激發出地形重力波，它可在山脈一側形成莢狀高積雲，也可產生強的下坡風或晴空湍流，並且地形重力波可使水平動量傳輸到波動被耗散或被吸收的區域，產生天氣尺度強迫，即地形重力波拖曳。
當層結穩定的氣流翻越山脈時就可能激發出地形重力波 ，它可在山脈一側形成莢狀高積雲，也可產生強的下坡風或晴空湍流。地形重力波可使水平動量傳輸到波動被耗散或被吸收的區域，產生天氣尺度強迫，形成地形重力波拖曳（ Gravity Wave Drag induced by subgrid-scale Orography， 簡稱GWDO） 。研究表明，在不考慮地形重力波拖曳參數化過程時，模式對風場的模擬將出現偏差，對冬季北半球中高緯高層西風急流的預報往往偏強。若考慮地形重力波拖曳，則有利於改善對動量通量的垂直發散度及強度的預報，提高對大尺度環流系統如溫帶氣旋、冬季大陸高壓和熱帶氣旋的強度和移動路徑的預報（Hong，et al，2008 ; 鍾水新等，2014 ），改善大氣模式中因南風偏差以及西風帶偏差引起的冷池等問題，提高模式預報性能。
GWDO的是模式物理過程不斷發展和完善的一個必不可少的過程之一，也是當前數值天氣預報模式物理過程中研究的熱點和前沿。Kim等（2009） 的研究結果表明，大氣低層重力波的破碎可使得波能在下層被捕捉，並通過非靜力波的共振使得拖曳力增強（Kim，et al，1995）。Zhong and Chen (2015) 在GRAPES模式中考慮了地形阻塞拖曳效應，數值試驗表明，發展和改進了包括有地形阻塞流拖曳的地形重力波拖曳參數化方案有效提高了模式的預報能力。
地面鋒
地面鋒（surface front）是指伸展高度離地不到1.5 km的鋒。地面鋒除了受到高空大尺度過程強迫的影響作用外，還要受到與地面有關的過程如邊界層摩擦、非絕熱加熱、湍流動量與熱量通量、地形等的影響作用。
簡介
位於大氣低層的鋒面一般稱為地面鋒或低層鋒, 與位於對流層中上層的鋒面系統相比較, 地面鋒具有明顯不同的動力學特徵. 地面鋒除了受到高空大尺度過程強迫的影響作用外, 還要受到與地面有關的過程如邊界層摩擦、非絕熱加熱、湍流動量與熱量通量、地形等的影響作用。
近地面氣溫不受鋒面影響，地面鋒線兩側沒有明顯的溫差。 背景知識
鋒是指冷暖氣流相遇所形成的一個面，是為冷暖氣團交接口，通常也會伴隨低壓槽。鋒的下方為冷氣團，上方為暖氣團。靠近冷氣團一側為下界面，靠近暖氣團一側為上界面。地面圖上的鋒（或鋒面）一般是指上界面與地面的交割線。鋒面為中尺度系統。鋒面依照性質分為四種，為別為冷鋒、暖鋒、滯留鋒（或 靜止鋒）、錮囚鋒，依照形成過程則可分為地面鋒、高空鋒。
文獻回顧
[]: http://163.28.10.78/content/senior/geo/ks_ks/main/local/low_san_fon/f0.htm “胡金印* 謝俊駒**,恆春地區落山風的特性及小地形對落山風分佈之影響”
有關山地地形對大氣流場影響的研究可依地形對氣流的影響方式分成熱力的強迫作用與動力的機械作用(The thermal and mechanism of dynamic factors)兩類。地表與大氣間因可感熱,潛熱以及輻射熱的交換所引起的效應屬於熱力的強迫作用;而一般摩擦,阻擋等則可歸類為機械之作用。（鄭師中，1995，頁151；林沛練，1988，頁1）
地形熱力作用所引發的大尺度環流為由廣闊山區與低地共同形成的區域性環流，中尺度環流則包括海陸風(Sea-land breeze)環流,山谷風(Mountain and valley winds)環流及都市鄉村間的熱島環流等，小尺度流場則有斜坡風(Slope winds)（鄭師中，1995，頁211；林沛練，1988，頁1）。
地形之動力作用對大氣流場的影響規模可分三尺度：第一是因大尺度的地球自轉效應,而在連綿山系所形成的行星尺度波狀運動(Planetary一scale effects)， 包括下列三個主要的過程:1.經由摩擦和形狀阻力將角動量(Angular momentum)傳送至地表。2氣流的阻塞(Blocking)和偏轉(flection)。3能量通量的調整。第二是因山脈因素而對綜觀尺度天氣系統所生的修正作用(Synoptic一scale effects)，其有兩個重要的作用:1使越山的鋒面氣旋產生結構上的修正作用,2在山脈的背風坡,使氣旋生成獲得加強。（鄭師中，1995，頁151，157）第三是各種尺度的地形因局部重力作用而導致的波狀運動(Local airflow modification)，在迎風坡會產生山前逆流效應或柱狀擾動(Co1umn disturbce)等；在山地上空產生山嶽波；在背風坡會產生背風波(Lee waves)波動和下坡風（Katabatic winds）等現象（鄭師中，1995，頁171-191；林沛練，1988，頁1）。各種尺度的地形也會造成氣流的強度變化，例如：障礙效應（Barrier effect）、角效應（Corner effect）、山谷效應（Valley effect）和漏斗效應（Funnel effect）。
另外，當綜觀形式有利時，地形對氣流的熱力和機械力效應能夠在山脈的背風坡產生好幾種沿山坡吹下的風。在這些所謂「瀑風」（Fall winds）中，有焚風（Foehn）、欽諾克風（Chinook）、布拉風（Bora）、和下坡風（Katabatic winds）等（鄭師中，1995，頁195）。
AIaka(1960 )NichoIls(1973)和Smith(1979a)曾對山地地形對氣流的影響做詳細的說明,Beer(1976)則將有關的研究作簡單的歸納。
在中小尺度內，氣流過山運動的特徵取決於1.垂直風剖面2.大氣穩定度結構3.山脈形狀（鄭師中，1995，頁171）。根據Yabuki和Suzuki(1967)的研究引起強烈陣風的一般條件為(1)因伯努利效應(Bernoulli effect)在迎風坡上升氣流恰好受到位於山脊線以上的逆溫層的影響而得到加強。（2）由於波的結構的影響被迫從山頂下降的強風,這些證據可以從Brinkmann(1974a)的研究中證實,與Aanensen(1965)在英國雪弗德(Sheffield)的破壞性大風的分析後認為此項因素對波長為20-30公里的背風波具有重要意義。(3)陡峭的背風坡地形（鄭師中，1995，頁206-207）。其中有關波的結構機制研究有兩種觀點：Klemp與Lilly(1975)提出共振說，認為在對流層上面的穩定平流層會反射山嶽造成的內重力波,如果對流層頂的高度恰為對流層內重力波垂直波長的一半時,反射波與入射波因相位相同而產生共振,造成強烈的下坡風暴，其以線性理論及實際觀測來認明此過程為下坡風暴的動力機制。Corby等則認為當山脈的寬度相若於山嶽波的波長時，則會因共振效應而使山嶽波的振幅強度大大增加（張能復，1980，頁157）。Peltier與Clark(1980,1983)則另提出擾動渦流說，認為線性理論不能適用於下坡風暴,他們認為下坡風暴的機制為在山嶽波的對流性不穩定區內,由於波破碎(Wave break)而產生許多擾動渦流(Turbulence eddies),這些擾動渦流被對流性不穩定區前緣的下沉氣流運送至地面而形成下坡風暴（胡仲英，1987，頁3）。另外，Smith（1977）強調地形的非線性、高寬比（aspect ratio）、及大氣結構對擾動系統波振幅有很大的相關（翁富山，1986，頁6）。
有關臨界層問題的探討開始於1960年代，在1970年代還有相當進展；Bretherton(1966)，Booker ＆ Bretherton(1967)的線性理論研究，証明當臨界層附近的理查遜數(Richardson number，Ri)大於1∕4時，內重力波無法穿越臨界層，波的振幅會以指數函數形式強烈地訊速衰減，Ri值愈大，衰減愈快，所消失的動能量與能量都被臨界層吸收。在線性理論之中，臨界層是奇異（singularity）所在，所得結果是趨近解，Hazel（1967）加進黏滯性（viscosity）項及熱導項（thermal conduction），消去這奇異狀況，但得到相同的結論。另一方面，Breeking（1971）加進非線性項，考慮Ri值接近1∕4但仍然大於1∕4的穩定情況，發現內重力波與臨界層交互作用的結果，有部分反射。Jones（1968）則探討Ri值小於1∕4的情形，結果臨界層扮演的不再是吸收的角色，而有超反射（over-reflection）現象。所謂超反射就是反射波的振幅比入射波為大，這是因為波在反射時，將平均流場的動量攜出，並重新分佈而增強波動的振幅。1970年代，Acheson（1976）對這方面有更詳細的討論。Davis & Peltier (1976，1977，1979)更經由該機制描述赫恩侯茲不穩定（Helmholtz instability）與共振型(resonant mode)波動的相互影響，導致共振型波動的振幅在不穩定層與地表間隨時間增大，隨後並引發二次不穩定（secondary instability）,用此來解釋在夜間邊界層經常觀測到的數層似波狀亂流擾動。
瀑風(Fall winds)的意義在日本似被視為下坡風(Downslope winds)（Hitoshi ＆Yaousay, 1996,p96）。日人吉野正敏提出焚風或布拉風在山脈高度1000~1400m間較易產生; 如比此高度低，因氣流較少凝結而較少降水，背風坡的焚風效應就不易產生; 如山脈太高(2500m或更高)，則地面氣流傾向繞山而過，無法翻越(Yoshino,1981,pp.85-86)。有關下坡風中的焚風和布拉風的定義問題，日人吉野正敏（1992）認為應以最簡單的定義如下：焚風是山脊背風面的一種瀑風。當它下吹時，氣溫比原來的上升，絕對濕度比原來的下降。布拉風也是一種瀑風，當它下吹時，氣溫比原來的下降，絕對濕度也比原來的下降。無論大氣垂直結構如何，此定義皆可適用，他並以此定義，把日本的地方風分成焚風和布拉風二類型。吉野正敏進一步把此二種風的特性列表做了比較（表1），並把氣流翻越山脈的地形條件和相關的天氣現象繪成簡明的模式圖表來表達（圖1、表2）。Ikawa 和 Nagasawa(1989)以動力模式對焚風做了數值模擬並提出焚風指數來衡量焚風的強度。Saito Ikawa (1991)和Saito(1993,1994)用觀測到的各層氣溫值配合各種不同的大氣狀況作數值實驗，發現有逆溫層時比無逆溫層時能使地面風加強。根據三維實驗的結果，他們提出Yamaji風產生的示意圖。背風波通常會沿山脊出現波狀雲帶，靠此可以判斷是否有背風波產生。Sahashi討論了在強下坡風(downslope)有波狀雲帶狀況下之Hiroto-kaze背風波形成始末。Yokota Nakajima(1992)也報導了Rokko-oroshi風有類似的波狀雲帶，其隨著風速的漸慢而向山脊方向移動。地方風(Local wind)也影響到農業。Maki Kurose(1988)研究Arase下坡風的熱乾性質可保護農作免受露水和霜凍的損害，這使得山腳下可以種植波菜。地風性強風通常沿著狹窄通道或山谷分佈。Kimura()1991)介紹了越過複雜地形沿谷地因動力機械作用而吹的風的模擬模式，此二維模式能將伴隨此風的逆流解釋得很好。Suzuki等(1988)以Kiyokawa-dashi和 Hijikawa-arashi為例，做了地方風沿狹窄通道或山谷分佈的實際觀測，發現水平氣流在越過谷地的背風面後，有一地方性的低氣壓產生。
表1 焚風和布拉風的特性比較 （吉野正敏，1978）
＊沿山脈橫剖面之地形狀況，見圖1。
＊上空的盛行風由左向右吹。
國內有關落山風的研究不多,一般認為落山風是由於越嶺之冷空氣下衝造成的,但是洪秀雄與翁富山(1985)認為是由於重力波在臨界層（風速與波速相等的地方）與地面間反覆反射與共振效果形成的。翁富山(1986)利用一組非彈性、無黏滯性、不考慮科氏效應的二維非線性靜力模式,來研究落山風現象，選取1978年11月19日至20日期間所發生的一次強烈落山風事件，作個案的模擬分析。發現恆春地區強風的形成是三個主要因素配合適當所造成的:地面有強風狀況，臨界層附近的理查遜數接近於1/4但仍大於1/4,以及適當的臨界層高度。三個條件配合適當時,上傳波與臨界層交互作用,有部分反射發生，地面與臨界層間重力波的多次反射造成建設性干涉結果,導致共振增幅,擾動隨時間增強,產生強陣風。蔡清彥等(1987)利用單經緯儀追蹤測風氣球等方式來觀測恆春半島南部之地面和低、高層氣流，發現其冬季地面盛行東北季風，海陸風環流對台灣南端冬季之環流影響並不明顯，低層氣流之繞山效應明顯，其低層風與高層風之界面約為900m左右，並認為風強時調整風場模式較能模擬出大範圍的風場狀況。洪秀雄與胡仲英(1990)認為落山風事件和寒潮爆發沒有特別好的相關。吉野正敏（1990）以氣候學的觀點來研究，比較上下風處的台東、恆春落山風時溫度差與日照時間差、氣溫差、氣壓差、濕度差之關係，認為落山風是焚風性質。並認為高氣壓中心在長江口附近，而低氣壓中心在巴士海峽時，落山風特別強。王元興(1992)利用南迴鐵路工程處在民國77至79年的觀測資料，討論落山風對枋野二號橋鐵路行車安全的影響及人為適應之道。徐森雄(1993)在楓港、車城、恆春、墾丁和鵝鑾鼻設置風速計,觀測分析恆春地區落山風的分佈。其觀測結果為：在1992年10月至1993年4月之間,瞬間風速≧20 m∕s之次數,以恆春最多有59次,墾丁有24次,楓港23次,車城16次,鵝鑾鼻2次,以距恆春機場最近之恆春而言,瞬間風速≧15 m∕s之122次落山風觀測,出現頻率以10月25次最多,12月20次為次多。陳泰然（1995）以應用的觀點，對恆春機場的落山風作大尺度天氣型態、時間變化和側風風切的分析。其認為冬季恆春半島落山風發生時，主要伴隨的綜觀天氣形態可分強寒潮、高壓出海、熱帶擾動三類，各類均有顯著高壓伴隨強度或中度寒潮，或有熱帶低壓在台灣以南。台灣地區附近縱觀尺度之氣壓梯度很強，在許多個案中，沿120°E在22°─28°N間之氣壓差皆大於8hpa。陳國彥（1997）以氣候學的觀點對落山風做初步探討，結果與吉野正敏持大致相同的看法。並認為從風頭台東的低風速至風尾恆春的高風速顯示可能還有來自上空的力量。王愛君(1997)和吳秀美(1998)則分別簡介落山風的慨況及其對人類活動的影響。
綜合以上文獻回顧，我們知道有關山地地形對大氣流場影響的研究多偏於大氣物理觀點的數值模擬和動力分析，實際觀測的分析較少，吉野正敏（1990）和陳泰然（1995）較偏向落山風形成的大尺度天氣條件，而徐森雄(1993)實際觀測過其空間分佈，但只限於線狀的調查，至於地面落山風如何受小地形影響的小尺度面狀空間分析則尚乏人觀測、探討。
中火降載仍擋不住空氣極惡化！招名威曝真相：真的欠東風
新頭殼newtalk | 曾郡秋 綜合報導 2021.02.25 | 17:09 今國民健康署發出新聞稿指出，今、明(26)2日，北部、竹苗、中部地區為「紅色警示」(對所有族群不健康)，雲嘉南、高屏地區為「橘色提醒」(對敏感族群不健康)，提醒民眾增加室內活動，減少外出。毒理專家招名威則表示，彰化縣環保局已要求台電中火降載，緩和空氣品質惡化，但因西半部欠缺東風，完全止不住空氣持續惡化的狀況。
彰化各空氣品質站監測發現，日前PM2.5已飆到74，AQI指標更高達156，呈現空氣品質極度惡化，已對民眾健康有所威脅，因此緊急要求台電中火降載，以緩和空氣品質持續惡化。然據行政院環境保護署2月25日空氣品質監測資料，今日環境風場東風，西半部產生背風渦旋，更易使局部地區濃度上升，北部、竹苗、中部地區為「紅色警示」(對所有族群不健康)，雲嘉南、高屏地區為「橘色提醒」(對敏感族群不健康)。
毒理專家招名威對此表示，中火降載了，為什麼還是有空汙紅害？他表示因為西半部欠缺東風，目前台灣地區的環境風場主要吹東風，因受到中央山脈阻隔所以東風來不了，西半部便產生背風渦旋，PM2.5濃度因此隨之上升。
國健署今提醒民眾，在今明2日空氣品質不良期間，應盡量減少戶外活動，尤其是敏感族群，如孩童、老年人以及患有心臟、呼吸道及心血管疾病的成人，建議改以室內活動，並適當關閉門窗，以減少細懸浮微粒(PM2.5)之暴露。另外，如真要外出應配戴口罩（口罩應儘可能與臉部密合）。而毒理專家招名威也提醒，有好天氣但沒有好空氣，民眾這幾天不要被好天氣騙了，「沒事不要進行戶外活動，如跑步等。」
為降低空污對身體的危害，民眾可隨時注意環保署空氣品質監測網訊息(https://airtw.epa.gov.tw/)，或透過「環境即時通」手機APP查詢相關資訊，強化自身防護。