臺灣博碩士論文加值系統

聖嬰-南方濤動現象(El Niño-Southern Oscillation，ENSO) 是一種全球性氣候現象，各國對聖嬰現象於當地氣候影響的研究相當多，但台灣對於這方面的研究卻相當少數。本研究目的為分析ENSO指數在與台灣氣象與空氣污染物變異之相關性，並找出最適合預測之指數。此外，亦評估ENSO事件間接影響台灣空氣品質之情形。本研究分析常見的3種ENSO指數—Niño1+2、指數Niño3.4及指數ONI與台灣不同地區(台北、台中、高雄、恆春、花蓮及台東) 1951-2010年氣象的相關性，並以1980年為中點比較1980年前後事件年與ENSO指數的相關性。使用Gershunov所提出的方法進行計算(反)聖嬰年超過正常年日最大降雨(75百分位)、日最高溫(95百分位)及日最低溫(5百分位)出現頻率進而判斷何種指數對台灣的影響較大。接著用主成分分析 (Principal component analysis，PCA)分析事件年下空氣污染物(PM10、PM2.5、CO、NO、NO2及O3¬)的組成及濃度變化。
結果顯示聖嬰年及反聖嬰年夏季日最高溫以指數ONI的相關性最為顯著，其中，以高雄地區、恆春地區及東部地區，推測東部地區會較為顯著的原因可能為較為接近太平洋。在3個指數所定義下聖嬰年及反聖嬰年冬季日最低溫出現頻率皆小於正常年出現頻率。聖嬰年/反聖嬰年下冬春季日最大降雨量出現頻率皆小於正常年出現頻率。整體而言，台灣地區與指數ONI的相關性較指數Niño 1+2及指數Niño 3.4來的明顯，指數ONI為適合預測台灣未來在聖嬰/反聖嬰下的氣候變化。PCA的結果顯示，聖嬰年下台北地區 (變異係數，coefficient of variation ，CV= 59.01%) 及花蓮地區 (CV= 67.35%) 的主要組成為CO、NO及NO2，台中地區 (CV= 69.20%) 的主要組成為CO、NO、NO2及PM10，高雄地區 (CV= 63.23%) 的主要組成為CO、NO、NO2及PM10。反聖嬰年下台北地區 (CV= 69.20%) 及花蓮地區 (CV= 63.23%) 的主要組成為CO、NO及NO2，台中地區 (CV= 56.79%) 的主要組成為CO、NO、NO2及PM10，高雄地區 (CV= 52.57%) 的主要組成為NO2、PM10及PM2.5。聖嬰年下濃度變化，台北地區以O3增量最多，台中地區、高雄地區及花蓮地區以PM2.5增量最多。反聖嬰年下濃度變化，台北地區以PM2.5增量最多，台中地區以NO2增量最多，高雄地區及花蓮地區以O3增量最多。

El Nino Southern Oscillation (ENSO) is a global climatic phenomenon which occurs frequently in recent years. This study aims to evaluate the relationships between extreme temperatures and precipitation with ENSO indices (Niño1+2, Niño3.4 and The Oceanic Niño Index (ONI)), moreover, to identify the variations of ambient pollutions in association with ENSO events in Taiwan.
This study evaluates extreme high temperature (daily maximum temperature) in simmer (from Jun. to Aug.), extreme low temperature (daily minimum temperature) in winter (from Dec. to Feb.), and extreme precipitation (daily rainfall above 75th percentile precipitation) in winter and spring (from Dec. to May) in Taipei, Taichung, Kaohsiung, Hengchun, Hualien and Taitung in association with ENSO events using three ENSO indices (Niño1+2, Niño3.4 and ONI) from YEAR to YEAR. Gershunov’s Law was adopted to identify the variations and frequency of extreme temperatures and precipitation during ENSO and normal years. The variations of concentrations of ambient air pollutants (PM10, PM2.5, CO, NO, NO2 and O3¬) were analyzed using principal component analysis during ENSO years and normal years. The findings show that the extreme high temperature in summer significantly associated with ONI index during El Nino and La Nina years in Kaohsiung, Hengchun, Hualien and Taitung. The frequency of the extreme precipitation in winter and spring, and extreme low temperature in winter were fewer in the normal years than that in El Nino and La Nina years. In general, the occurrences of extreme weather was more related with ONI index than Niño1+2 index and Niño3.4 index in Taiwan. ONI index was more suitable to predict extreme high temperatures in Taiwan.
The concentration of O3 was increased in Taipei, and the concentration of PM2.5 was increased in Taichung, Kaohsiung and Hualien during El Nino years. In addition, the concentration of PM2.5 was increased in Taipei, concentration of NO2 was increased in Taichung, and concentration of O3 was elevated in Kaohsiung and Hualien during La Nina years. The PCA analyses show that the main components of air pollutants were CO, NO and NO2 in Taipei with the coefficient of variation (CV) of 59.01%; CO, NO, NO2 and PM10 in Taichung (CV= 69.20%) and Kaohsiung (CV= 63.23%); and CO, NO and NO2 in Hualien (CV= 67.35%) during El Nino years. But, the main components of air pollutants were CO, NO and NO2 in Taipei (CV= 69.20%) and Hualien (CV= 63.23%); CO, NO, NO2 and PM10 in Taichung (CV= 56.79%) ; and NO2, PM10 and PM2.5 in Kaohsiung (CV= 52.57%) during La Nina years.
This study observed elevated O3 concentration during El Nino years and increased PM2.5 concentration during La Nina years in Taipei. And observed elevated PM2.5 concentration during El Nino years and increased NO2 concentration during La Nina years in Taichung. And observed elevated PM2.5 concentration during El Nino years and increased O3 concentration during La Nina years in Kaohsiung and Hualien.

中文摘要 I
Abstract II
致謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VIII
附表目錄 X
第 1 章 前言 1
1-1、研究背景 1
1-2、研究目的 1
第 2 章 文獻回顧 3
2-1、ENSO介紹 3
2-2、氣候變遷與ENSO發生之相關性 5
2-3、大氣環境因子與ENSO的相關性 7
2-3-1、氣溫、降雨與ENSO的相關性 7
2-3-2、空氣污染物與氣候的相關性 21
第 3 章 研究材料、方法與步驟 22
3-1、研究材料 22
3-1-1、氣象資料 22
3-1-2、空氣污染物 22
3-1-3、氣象站簡介 22
3-1-4、ENSO指數 23
3-2、研究方法 24
3-2-1、ENSO事件定義 24
3-2-2、Gershunov 法 25
3-2-2-1、溫度及累積雨量百分比排序 25
3-2-2-2、百分率調整及變異百分率計算 26
3-2-3、主成分分析 (Principal component analysis，PCA) [46-50] 26
3-2-4、研究步驟 27
3-3、研究架構 28
第 4 章 結果與討論 30
4-1、ENSO國際定義 30
4-2、氣象變化與ENSO相關性 40
4-2-1、夏季(6、7、8月)日最高溫平均與ENSO相關性 40
4-2-2、冬季(12月、隔年1月及2月)日最低溫平均與ENSO相關性 47
4-2-3、冬春季(12月、隔年1月至5月)日累積降雨量與ENSO相關性 53
4-2-4、空氣污染物在聖嬰/反聖嬰事件年下的組成及濃度變化 60
第 5 章 結論與建議 67
5-1、結論 67
5-2、建議 67
參考文獻 68
附錄 71
口試委員意見回覆 83

 
表目錄
表 1中外文對照表 2
表2 北美洲地區1875 – 1980年溫度、降雨與ENSO相關表。0為ENSO年當年，+ 為ENSO年後一年 [32]。 18
表3氣象站設立時間及經緯度 24
表4 1951~2010年指數Niño1+2表 31
表4 1951~2010年指數Niño1+2表 (續) 32
表4 1951~2010年指數Niño1+2表 (續) 33
表5 1951~2010年指數Niño3.4表 34
表5 1951~2010年指數Niño3.4表 (續) 35
表5 1951~2010年指數Niño3.4表 (續) 36
表6 1951~2010年指數ONI表 37
表6 1951~2010年指數ONI表 (續) 38
表6 1951~2010年指數ONI表(續) 39
表7指數ONI定義下，聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 45
表8指數ONI定義下，反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 46
表9數ONI定義下，聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 51
表10指數ONI定義下，反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 52
表11指數ONI定義下，聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 57
表12指數ONI定義下，反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 58
表13台北聖嬰年下空氣污染物主要成分 63
表14台北反聖嬰年下空氣污染物主要成分 63
表15台中聖嬰年下空氣污染物主要成分 64
表 16台中反聖嬰年下空氣污染物主要成分 64
表17高雄聖嬰年下空氣污染物主要成分 65
表18高雄反聖嬰年下空氣污染物主要成分 65
表19花蓮聖嬰年下空氣污染物主要成分 66
表20花蓮反聖嬰年下空氣污染物主要成分 66

 
圖目錄
圖1聖嬰 (El Niño)/反聖嬰 (La Niña)示意圖 [14] 2
圖 2 1951 - 2014年SOI示意圖[16] 3
圖 3全球地表及海面溫度觀測 (a)1850 - 2012年全球海洋與陸地平均溫變異觀測 (b)1901 - 2012年全球表面溫度變化觀測[19] 5
圖 4陸地降雨觀測，右為1901 - 2010年降雨觀測，左為1951 - 2010年降雨觀測[19] 6
圖 5 6月聖嬰成熟期降雨頻率變異 (a) 1977年以前 (b) 1977年後，負值以虛線呈現，間隔為30% [22] 7
圖 6 7月聖嬰成熟期降雨頻率變異 (a) 1977年以前 (b) 1977年後，負值以虛線呈現，間隔為30% [22] 8
圖 7 聖嬰成熟期各月500hPa平均高度 (a)、(c) 1977年前(6、7月)， (b)、(d) 1977年後(6、7月)，實線為聖嬰成熟期，虛線為正常年[22] 9
圖 8 超過颱風性降水平均值發生次數與El Niño監測海域的SST有顯著相關的地點示意圖 [23] 10
圖 9 Niño 4(12、1、2月)與南海SST(South China Sea，SCS)(6、7、8月)年度變異。圖中標準差有經過標準化[24]。 11
圖 10 6 – 8月平均降雨 (a) 觀測值 (b) 大氣循環模擬值(atmospheric general circulation model，AGCM) (c) 海洋大氣循環模擬值(Ocean atmospheric general circulation model，CGCM)。等高線間距1、2、4、8、12及16 mm/day [25] 12
圖11 全年度降雨比例 (a) 12、1、2月 (b) 3、4、5月 (c) 6、7、8月 (d) 9、10、11月。等高線間距5%。淡、中及深陰影分別代表25%、50%及75%[28]。 14
圖 12 印度夏季降雨與夏季Niño 3 SST的相關性 (細實線)，印度夏季降雨與冬季西歐表面大氣溫度 (Surface Air Temperature，SAT)相關性 (粗實線)，印度夏季降雨與冬季中歐SAT相關性 (dotted)，Dashed lines是移除1983年及1997年的結果。1%及5%為顯著標準 [30]。 15
圖13 (a) 歐洲ENSO極端暖冬 (b) 歐洲ENSO極端寒冬。由上而下分別為地表氣壓、地面溫度及降雨變異。測站上的數字由長期測站平均減去事件期所得並以10毫巴 (10⁰F及10 mm) 為單位，暖(冷)事件的標準差。下方數字指與暖(寒)冬的相關率 (%) [31]。 16
圖 14 1900 – 1990年23個聖事件平均溫度(⁰C) (a) 11 – 1月(b) 1 – 3月(c) 3 – 5月。陰影為5%顯著值 [33]。 18
圖 15 1900 – 1990年17個反聖嬰事件平均溫度 (⁰C) (a) 11 – 1月(b) 1 – 3月(c) 3 – 5月。陰影為5%顯著值 [33]。 19
圖 16 各ENSO指數(Niño1+2、Niño3、Niño4及Niño3.4)監測海域位置 [15] 23
圖 17 1950-2012年平均溫度趨勢圖 24
圖 18研究架構圖 27
圖 19各氣象站位置圖 28
圖 20指數Niño 1+2定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 40
圖 21指數Niño 3.4定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 41
圖 22指數ONI定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 42
圖 23指數Niño 1+2定義下，聖嬰年/反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 46
圖 24指數Niño 3.4定義下，聖嬰年/反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 47
圖 25指數ONI定義下，聖嬰年/反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 48
圖 26指數Niño 1+2定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 52
圖 27指數Niño 3.4定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 53
圖 28指數ONI定義下，聖嬰年/反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 54
圖 29聖嬰年/反聖嬰年下，台北、台中、高雄及花蓮空氣污染物濃度變化 60

 
附表目錄
附表 1指數Niño 1+2定義下，聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 70
附表 2指數Niño 1+2定義下，反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 71
附表 3指數Niño 3.4定義下，聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 72
附表 4指數Niño 3.4定義下，反聖嬰年大於正常年夏季日最高溫95百分位出現頻率比較表 (%) 73
附表 5指數Niño 1+2定義下，聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 74
附表 6指數Niño 1+2定義下，反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 75
附表 7指數Niño 3.4定義下，聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 76
附表 8指數Niño 3.4定義下，反聖嬰年小於正常年冬季日最低溫5百分位出現頻率比較表 (%) 77
附表 9指數Niño 1+2定義下，聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 78
附表 10指數Niño 1+2定義下，反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 79
附表 11指數Niño 3.4定義下，聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 80
附表 12指數Niño3.4定義下，反聖嬰年大於正常年冬春季日最大降雨量75百分位出現頻率比較表 (%) 81

1.Wenju Cai, S.B., Matthieu Lengaigne, Peter van Rensch, Mat Collins, Gabriel Vecchi, Axel Timmermann, Agus Santoso, Michael J. McPhaden, LixinWu, Matthew H. England, GuojianWang, Eric Guilyardi and Fei-Fei Jin, Increasing frequency of extreme El Niño events due to greenhouse warming. NATURE CLIMATE CHANGE, 2014: p. 1-6
2.許晃雄、陳圭宏, 台灣地區低頻大氣變化與熱帶海洋及的關係. 氣象科技中心技術報告彙編, 1994. 14:33-58
3.行政院國家科學委員會, 臺灣氣候變遷科學報告2011. 2011.http://satis.ncdr.nat.gov.tw/ccsr/index.files/introduce.htm
4.丁一萍, 臺灣地區季節雨量長期變遷之研究. 基隆市: 海洋環境資訊學系, 國立臺灣海洋大學, 2006
5.王俊凱, 台灣重要河川流域疏砂量與氣候關係之研究. 基隆市: 海洋環境資訊學系, 國立臺灣海洋大學, 2011
6.江俊翰, 聖嬰現象與反聖嬰現象時世界各地氣候類型的雨量變化. 2006
7.東沙、東引背景測站, 行., Accessed 2012/11/12, 2012.http://taqm.epa.gov.tw/dongyin-dongsha/default.aspx?pid=b0101&;cid=b0101
8.許偉如, 1958-2008北台灣冬季持續性低溫事件診斷分析. 台北市: 自然科學系碩士班, 臺北市立教育大學, 2010
9.陳逸龍, 1982-2001年全球及區域性海面溫度趨勢變化之探討. 基隆市: 海洋科學系, 國立海洋大學, 2002
10.廖志翔, 台灣地區春季降雨分析及聖嬰／南方振盪(ENSO) 關係之探討. 交通部中央氣象局, 1995
11.Deborah E. Hanley MAB, J.J.O.B., Shawn R. Smith, and Elizabeth R. Spade., NOTES AND CORRESPONDENCE A Quantitative Evaluation of ENSO Indices. 2003
12.Samuel A. Atwood, J.S.R., Sonia M. Kreidenweis, Liya E. Yu, Santo V. Salinas, Boon Ning Chew, Rajasekhar Balasubramanian, Analysis of source regions for smoke events in Singapore for the 2009 El Nino burning season. Atmospheric Environment, 2013. 78: p. 12
13.What is El Niño.http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensofaq.shtml#general
14.El Niño Theme Page.http://www.pmel.noaa.gov/tao/elnino/nino_normal.html
15.El Niño/Southern Oscillation (ENSO) Technical Discussion.http://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/enso/enso-tech.php
16.Southern Oscillation Index (SOI).http://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/enso/indicators/soi/
17.IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007.http://www.ipcc.ch/publications_and_data/ar4/syr/en/mains1.html
18.UNFCCC climate change definition.http://unfccc.int/files/documentation/text/html/list_search.php?what=&;val=&;valan=a&;anf=0&;id=10
19.Climate Change 2013: The Physical Science Basis.http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
20.朝倉正, エルニーニョ現象. 地学雑誌, 1984. 93- 7: p. 122-127
21.川村隆一, 大気海洋相互作用からみた気候変動. 地学雑誌, 2008. 117（6）: p. 1063-1076
22.永田玲奈・三上岳彦, 1970年代後半におけるエルニーニョ現象と東アジア夏季降水頻度の関係にみられる変化, in Quarterly Journal of Geography. 2005.
23.東博紀、松浦德知, 日本における大雨の発生頻度とEl Nino 監視海域における海面水温変動. 土木學會論文集B, 2006. 63: p. 251-257
24.尾瀬智昭, 宋., 鬼頭昭雄, Sea SurfaceTemperature in the South China Sea -an Index for the AsianMonsoon and ENSO System-. Journal of the Meteorotegical Society of Japan, 1997. 75: p. 1091-1107
25.鬼頭昭雄, 行., 野田彰, ENSO-Monsoon Relationship in the MRI Coupled GCM. Journal of the Meteorotegical Society of Japan, 1999. 77: p. 1221-1245
26.盧孟明, 聖嬰現象與台灣異常氣候關係之探討. 大氣科學, 2000. 28: p. 91-144
27.Barnett, G.a., ENSO Influence on Intraseasonal Extreme Rainfall and Temperature Frequencies in the Contiguous United States: Observations and Model Results. 1998
28.RENGUANG WU, Z.-Z.H., BEN P. KIRTMAN, Evolution of ENSO-Related Rainfall Anomalies in East Asia. JOURNAL OF CLIMATE, 2003. 16: p. 3742-3758
29.陳昭銘、汪鳳如、呂芳川、郭漱泠, 聖嬰現象與1998 年台灣異常氣候:全年偏暖與春雨偏多現象. 大氣科學, 2000. 30: p. 331-349
30.C.-P. CHANG, P.H., AND JIANHUA JU, Possible Roles of Atlantic Circulations on the Weakening Indian Monsoon Rainfall–ENSO Relationship. JOURNAL OF CLIMATE, 2000. 14: p. 2376-2380
31.Klaus Fraedrich, K.M., Climate anomalies in Europe associated with ENSO extremes. International Journal of Climatology, 1992. 12: p. 25-31
32.M.S.Halpert, C.F.R.a., North American Precipitation and Temperature Patterns Associated with the El Niño/Southern Oscillation (ENSO). MONTHLY WEATHER REVIEW, 1986. 114: p. 2352-2361
33.Khandekar, A.S.a.M., The Impact of El Nino-Sputhern Oscillation on thé Température Field over Canada. Atmosphere-Ocean, 1995. 34: p. 401-416
34.李思瑩, 盧., 近五十年台灣極端高溫之分析. 台北災害管理研討會論文集, 2010: p. 5-6
35.Kan Huang, J.S.F., N. Christina Hsu, Yang Gao, Xinyi Dong,nSi-Chee Tsay, Yun Fat Lam, Impact assessment of biomass burning on air quality in Southeast and East Asia during BASE-ASIA. Atmospheric Environment, 2013. 78: p. 291-301
36.Cao Dung Hai, N.T.K.O., Effects of local, regional meteorology and emission sources on mass and compositions of particulate matter in Hanoi. Atmospheric Environment, 2013. 78: p. 105-112
37.Sheng-Chieh Chen, S.-C.H., Chuen-Jinn Tsai, Charles C.-K. Chou, Neng-Huei Lin, Chung-Te Lee, Gwo-Dong Roam, David Y.H. Pui, Dynamic variations of ultrafine, fine and coarse particles at the Lu-Lin background site in East Asia. Atmospheric Environment, 2013. 78: p. 154-162
38.Ming-Cheng Yen, C.-M.P., Tsing-Chang Chen, Ching-Sen Chen, Neng-Huei Lin, Ren-Yow Tzeng, Yung-An Lee, Cheng-Chih Lin, Climate and weather characteristics in association with the active fires in northern Southeast Asia and spring air pollution in Taiwan during 2010 7-SEAS/Dongsha Experiment. Atmospheric Environment, 2013. 78: p. 35-50
39.台北氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46692/index.htm
40.台中氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46749/index.htm
41.高雄氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46744/index.htm
42.恆春氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46759/index.htm
43.花蓮氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46699/index.htm
44.台東氣象站.http://cwb.gov.tw/V7/eservice/docs/overview/organ/stations/46766/index.htm
45.謝佳穎、陳韻如、朱容練、陳永明、陳正達, 不同氣候變遷情境下降雨衝擊評估. 建國百年天氣分析預報與地震測報研討會, 2011: p. 7
46.Pearson, K., On lines and planes of closest fit to systems of points in space. Philosophical Magazine, 1901. Vol. 2(No. 6): p. 559-572
47.Sewell, M., Principal Component Analysis. 2008.http://www.stats.org.uk/pca/pca.pdf
48.Hervé Abdi, L.J.W., Principal component analysis. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Statistics, 2010. 2(4): p. 433-459
49.楊至哲, 石化工業區環境大氣中揮發性有機污染物垂直空間分佈及季節變化趨勢分析. 國立中山大學環境工程研究所碩士論文, 2011
50.郭韋翔, 2006年至2010年特定期間臺北與高雄地區氣溶膠之特性分析. 中原大學生物環境工程學系碩士論文, 2014