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〈全球沸騰陷危機〉大氣對流層不斷往上擴展,航機遭遇嚴重亂流機率增加

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壹、真鍋淑郎博士為全球暖化模擬研究奠基,獲2021年諾貝爾物理獎

2021年3位同獲諾貝爾物理學獎者之一,美籍日裔氣象學博士真鍋淑郎,他研發氣候模式,以模擬大氣中二氧化碳濃度增加,如何導致地表升溫,現年已逾90歲的真鍋淑郎,自1960年代起即開始研究地球大氣溫室效應議題,於1969年率先發表「大氣、海洋結合模型」,被美國媒體稱為「溫室效應之父」。1990年代一般大眾才開始注意到全球暖化的議題,隨著全球暖化的觀測證據越來越多,科學家們不禁驚嘆30年前真鍋博士的物理直覺,並建構能掌握影響大氣溫度的重要模型,進而能準確預測二氧化碳對氣溫和地表溫度的影響。除準確預測地表升溫幅度外,也能正確的模擬出二氧化碳增加會造成對流層頂上升及平流層冷卻現象,由將近50年來的觀測資料證實,這是人為造成氣候變遷的重要證據之一。

WMO全球大氣監測計畫(Global Atmosphere Watch Programme,GAW)進行溫室氣體和其它大氣成分的系統性觀測和分析,於2023年11月15日公布溫室氣體公報(The Greenhouse Gas Bulletin)指出,2022年導致全球增溫的二氧化碳、甲烷與一氧化二氮等3種主要溫室氣體濃度,都創自觀測以來的新記錄。2024年2月美國NOAA發布「2023年度全球氣候報告」顯示,2023年為自1850年全球記錄以來,以年均溫高出0.15℃之差,成為史上最熱的一年。支持真鍋前述理論的觀測證據越來越多;目前氣候學家們在真鍋的模式基礎下,繼續鑽研多種影響之因子,且跨尺度之間的交互作用;隨著理論、觀測和模式3者的日趨完善,以及近年來大數據第4大工具的加入,氣候學家們正持續研究雲這個複雜的因子對暖化幅度的影響,並定量評估熱帶風暴、暴雨及乾旱等極端天氣事件在未來的變化。

太陽光照射到地表,部分反射回天空,被大氣層中的二氧化碳及甲烷等溫室氣體吸收後向各處釋放,造成近大氣層和地表溫度升高。圖為計算大氣溫度所需考慮的輻射和對流兩個關鍵過程及交互作用。(圖/真鍋淑郎)

貳、溫室氣體增加導致對流層頂上升、亂流強度與頻率加劇

加拿大多倫多大學Jane Liu團隊,2021年11月5日於《科學進展》撰文指稱,研究分析氣壓、溫度和濕度等大氣資料,並使用GPS衛星數據,追蹤1980~2020年期間對流層頂的變化,發現北半球2001~2020年期間,對流層頂高度每10年上升約53.3公尺,比1980~2000年的增高速度略快。這種增高速度業已排除自然氣候變化的任何其它影響,如火山爆發,因此,增高是由氣候變化所獨立造成的。由於目前大氣中溫室氣體濃度正急劇增加,對流層變暖並向上擴展,導致對流層頂被推向更高處,因此對流層頂高度的向上擴展,成為氣候變化的敏感指標,可能影響大氣環流改變,並加劇極端氣候發生。

對流層頂高度增高會使得大氣環流能量更劇烈,由於對流層水汽約占地球大氣層水汽總量的90%,所以出現暴雨、暴雪及冰雹等極端天氣的情況變多,而寒潮、熱浪和熱帶風暴也更容易出現,高低壓形成的風力也更強,極端氣候發生的機率隨之升高。據英國雷丁大學大氣科學教授威廉斯(Paul Williams)指稱,從各項研究和證據顯示,由於極端氣候導致晴空亂流正在增加,自1979年以來,北大西洋的嚴重晴空亂流增加了55%。如果極端氣候繼續惡化,未來幾十年晴空亂流將增加1~3倍。

地球對流層頂約以每10年50公尺的速度向上擴展,雷暴將更為嚴峻,飛機巡行高度必須拉高以避開亂流。(圖/ Emma stein)

参、平流層變薄影響衛星和GPS導航系統,航機巡航過程中遭遇亂流增加

大氣結構中對流層之上層為平流層,位於地表上空20~60公里間,此層之溫度隨高度增加而增加,且終止所有垂直運動。碳排放不只造成溫室效應,也會使平流層變薄,造成人造衛星與GPS定位、無線電通訊潛在的影響。人類生活在對流層裡,二氧化碳在此產生暖化效應並使空氣膨脹,推高了對流層的上邊界。但當二氧化碳進入平流層時,實際上會冷卻空氣,使空氣收縮。2000年代中期以來,科學家已知道對流層正往上擴增,推升對流層頂高度,並壓縮平流層空間,2021年5月12日《衛報》報導,研究首證實,碳排使平流層變薄,可能影響衛星和GPS運作,研究作者之一,西班牙維戈大學學者胡安阿涅爾表示,平流層縮小顯示人為造成的氣候危機,嚴重程度已經擾亂厚度高達60公里的大氣層。

2021年11月11日《科學前緣》發表的研究表示,自1980年代以來,平流層的厚度已經減少了400公尺,如果碳排沒有顯著減少,到2080年可能將再減少約1公里。人類在對流層所導致之溫室效應,因熱脹冷縮效果,對流層隨著全球暖化而增厚,但事實上,對平流層而言,為冷卻效果,會使平流層的溫度降低,並因此收縮而變薄。屆時將可能影響到衛星運行、壽命與其他無線通信設施,如GPS導航定位與手機通訊的性能都有可能遭到影響。2021年英國雷丁大學教授保羅威廉姆採用衛星觀測資料與多種氣候模式研究結果指出,平流層收縮可能導致民航機巡航過程中遭遇亂流數增加2倍。

肆、極端氣候導致劇烈天氣伴隨之亂流正在增加,嚴重影響飛安

「有形的亂流」經常伴隨雲層出現,一是因為強烈日照而產生對流,形成塔狀積雲,而且容易產生不穩定的氣流結構,會使飛機產生強烈顛簸。「無形的亂流」經常發生在晴朗的天氣下,當氣流經過地表或障礙物時,會在後方產生擾動,另外不同的地表環境因為受熱不同,或是高空氣流風速風向或因為高度改變等等,都會產生晴空亂流。不論是有形還是無形,亂流都會對飛行產生威脅。

2023年5月22日晚間鋒面過境挾帶大量雷雨通過台灣,多架航班都以「亂流降落」,其中有乘客搭乘JX746航班曼谷到桃機,當時劇烈晃動,旅客們也尖叫連連,彷彿坐大怒神,星宇旅客也分享是第一次搭飛機搭到哭,還有另一架航班,則是不斷在桃園上空盤旋,軌跡繞出倒8字形,落地後大家都給機長鼓掌。22日當天北部地區強烈雨勢,桃機、松機多架航班受影響,其中桃機截至22日晚間10點統計,一共有4架航班轉降高雄,許多旅客們也都心有餘悸。

2023年8月29日達美航空(Delta Airlines)編號DL175航班以A350機型執飛,自米蘭飛往亞特蘭大的班機,在距離亞特蘭大機場東北方約64公里處空中,接近目的地時遭遇劇烈亂流,驚險萬狀,航機在晚上將近7時緊急降落哈特斐德-傑克森亞特蘭大國際機場(Hartsfield-Jackson Atlanta International Airport),降落後乘客被迫在機艙內待了2小時左右,機上165人有11人受傷送醫。2名空服員在缺乏安全措施的情況下撞上機艙天花板,傷者接受傷檢後依序送醫,有一名女空服員戴著護頸、頭上纏著繃帶,由旁人攙扶下機,有一名乘客手持冰袋替自己的頭部冰敷,航廈也有好幾名機組員戴著護頸坐輪椅等待後送。

2023年5月22日晚間鋒面過境挾帶大量雷雨通過台灣,多架航班都受影響,其中一架航班,則是不斷在桃園上空盤旋,軌跡繞出倒8字形,降落了4、5次才成功。(圖/TVBS)

伍、晴空亂流無法預測且航機難以控制

即令航空科技甚為發達的今天,飛行事故還是時有所聞,這是因為飛機在空中航行時,經常遇到不穩定的氣流,產生顛簸,甚至失去控制,這種在大氣裡小範圍的不穩定氣流,我們叫它「亂流」。可預測的亂流,機長可從雷達螢幕預知將面對的亂流,這個時候會轉航道,或著調整飛行高度來避開,盡量將飛機的顛簸度降到最低,確保飛行組員與乘客平安。 無法預知的晴空亂流,就是在一片晴空萬里當中,肉眼看不到任何亂流發生的跡象,就連飛機的雷達也無法顯示出,機長也沒有辦法事先預知防範。

台灣虎航IT-237班次,於2019年12月25日從日本函館起飛,在回台灣的航程中遭遇晴空亂流,因事發突然,2名空服員被拋飛,1人背部挫傷、1人疑似腳踝骨折。晴空亂流無法預測、難以控制。耶誕節當天一架虎航客機,在九州上空遇上無預警的「晴空亂流」,當時4名組員被摔到天花板再下墜,而沒繫安全帶的乘客同樣撞上天花板,天花版上還有幾個地方被撞出凹痕,真的好恐怖無法想像。

2024年5月21日新加坡航空波音777-300ER型客機,編號SQ321班機遭遇嚴重亂流,從倫敦希斯洛機場起飛,目的地飛往新加坡,於飛經緬甸伊洛瓦底江上空時,飛機5分鐘內就從11,277公尺高度劇降到9,448公尺,約1分鐘後才恢復正常。當時機上有不少乘客並未繫上安全帶,空服員也還在送餐,安全帶警示並未亮起,導致多位乘客因急速下降頭部撞到機體,機上餐點和物品散落一地,導致73歲英國男性疑因心臟病身亡,12人住進醫院接受治療,其中7人頭部重創,空姐也被撞得滿臉血。根據衛星數據顯示,飛機當時飛越緬甸時,一場強烈的熱帶風暴正在形成,對流雲層正向上擴展,顯示大氣層變得更加不穩定,據初步研判該架班機有可能遭遇難以偵測的晴空亂流(clear-air turbulence),造成飛行員措手不及。根據國際航空運輸協會(Iata)飛行技術營運主管福克斯(Stuart Fox)指出,儘管天氣預報能得知即將到來的鋒面或山脈上空的氣流,但僅能預知晴空亂流出現的可能性高,實際並無法看見其氣流方向和強度會急速改變。由於無法預知晴空亂流,專家也建議,確保安全的唯一方法,就是搭機時除了去洗手間外,整個飛行過程中最好都繫好安全帶,雖然亂流可能導致一些輕傷,但造成死亡事件相當罕見。新加坡航空向來被認為是,世上數一數二的飛安標竿航空公司,24年以來並未發生過重大事故,上一次是2000年時在桃園中正機場遇到象神颱風,導致飛機撞上施工機具,發生爆炸意外釀83死,這次時隔多年再次發生致命意外。

2024年5月22日新加坡航空,遭遇亂流,機艙內亂成一團,迫降曼谷釀成1死悲劇,還有座位流有血跡。近幾年來類似亂流事件有增無減,英國雷丁大學研究,過去40年亂流增加了55%。(圖/翻TVBS)

陸、結論

根據英國《太陽報》報導,身為資深機長、英國航空公司飛行員協會的安全資深顧問,克拉克(Stuart Clarke)表示,從英國飛往美國的班機受到大西洋噴射氣流(North Atlantic Jet)影響,亂流發生情況相當普遍,尤其在冬天更是容易遇到。而位於赤道附近的機場,起飛、降落時都容易受到雷雨所造成的亂流影響。例如美國邁阿密、墨西哥坎昆及南非約翰尼斯堡,亞洲則有新加坡、泰國曼谷、中國香港和印度孟買機場位於赤道附近。而飛機在經過阿爾卑斯山和庇里牛斯山脈時,也可能會遇到因山脈地形造成的亂流。這是因為氣流以近垂直方向吹過山勢高又長的山脈時,背風面會形成山岳波(mountain wave),上下震動形成亂流。

人類不當生活模式導致溫室氣體大量增加,並使大氣對流層頂高度每10年上升約53.3公尺,影響大氣環流改變,並加劇極端氣候發生。平流層厚度則自1980年代以來已縮小約400公尺,可能影響GPS導航定位與手機通訊的性能,因此人類正在影響高達60公里厚的大氣層,但暖化恐怕還對大氣層造成更多尚未發現的影響。如受全球沸騰影響,赤道附近,特別是夏天,容易有午後雷陣雨,因此東南亞幾個機場起飛降落,也容易遭遇劇烈雷雨所造成的強烈亂流,以台灣來說,飛往新加坡、曼谷、香港和雅加達等機場都容易遭遇亂流,不過其實每條航線都會有亂流。惟即使竟科技再進步,還是有觀測不到的氣流,搭機時安全帶還是一路繫緊緊,免得被突如其來的一陣強烈亂流給弄傷。

作者張泉湧/歷任飛航總臺主任氣象員、民航局組長及多所大學兼任副教授等職,著有《圖解全球暖化之危機與轉機》、《全球氣候變遷─危機與轉機》、《圖解大氣科學第三版》等書及網路《全球沸騰張泉湧專欄》。

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張 泉湧
張 泉湧
張泉湧博士曾任飛航總臺主任氣象員、民航局組長及多所大學兼任副教授,著有網路 《張泉湧觀點》及《圖解全球暖化之危機與轉機》、《全球氣候變遷─危機與轉機》、《圖解大氣科學》等書。

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