【研究成果】從大氣濕靜能與能量循環觀點  看熱帶季內震盪強弱差異

撰稿  /  余嘉裕 (國立中央大學大氣科學系教授)、科學推展中心編輯部

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我們時常能夠在新聞、氣象報告中看見許多劇烈的天氣或氣候現象，如我們所熟知的颱風、聖嬰現象等。影響這些現象的其中一部分原因，來自「馬登-朱利安震盪（Madden-Julian Oscillation, MJO）」，又可稱「熱帶季內震盪」。其特徵在沿赤道向東傳播的行星尺度緯向風和對流波動，並可能對熱帶印度至太平洋暖池區的降雨模式產生重大影響。也因此，了解與 MJO 的啟動、傳播和衰變的相關物理機制，對於中長期天氣預報的優化十分重要。

MJO每次向東傳遞的過程中，會出現不同程度的衰減或加強，其行經海洋大陸區（Maritime Continent）後的變化是一關注重點。國立中央大學大氣科學系余嘉裕教授與碩士生蔡雨虔的研究團隊，將MJO的對流生命周期視為一個充電-放電循環過程，並透過大氣濕靜能（Moist static energy）收支觀點，選取了42個MJO事件，包括16個強傳播型（SP）、13個弱傳播型（WP）和13個向東衰減型（ED），探討三者間之差異。此項研究成果，發表於2023年2月的氣候動力學核心期刊《Climate Dynamics》上。

MJO事件由起始地區的印度洋西側，依序可分為8個不同相位。在MJO不同相位的診斷分析中（圖1），強傳播、弱傳播和向東衰減型MJO於起始階段（即相位1）之差異很小，強、弱傳播型和向東衰減型MJO在相位2和相位3逐漸出現差異，強傳播型MJO的對流和傳播訊號最為明顯，其次是弱傳播型和向東衰減型MJO。在相位4和相位5，三者間的差異逐漸擴大，僅強傳播、弱傳播型MJO對流訊號繼續向東傳播、並穿越海洋大陸的地形障礙，向東衰減型MJO對流訊號在接近海洋大陸區域前就已迅速消散。而隨著積雲尺度對流和大尺度環流耦合作用增強，對流強度提高，MJO傳播速度也開始減緩。

若透過大氣濕靜能收支和能量循環分析，定性、定量地探討能量充放電過程對於MJO傳播能力的影響，可發現對流強度與能量通量變化之間有一明確關聯（如圖2），越強的對流往往伴隨著顯著的能量循環變化。換句話說，如果將大氣想像成充電式電池，對流的生長、消散過程則可用氣柱充電-放電循環作為解釋。尤其是強傳播型MJO，在印度洋以及海洋大陸區皆伴隨著非常顯著的充電-放電循環；反之，向東衰減型MJO的充電-放電循環非常微弱，能量供給不足以克服海洋大陸的地形障礙。

最後，研究藉由能量傳輸主導項、大氣穩定度、降水型態及對流雲種將MJO能量循環分成四種不同對流發展階段，闡述MJO對流與能量充放電間的物理意義（如圖3）。發現當能量循環過程位於淺對流（濃積雲）開始發展的第四階段時，能量輸入由水平平流項主導，此時大氣處於充電過程而趨向不穩定。接著當循環過程進入第一階段時，深對流（積雨雲）發展成熟，充滿電的大氣開始透過垂直平流項移除能量（放電），使大氣趨於穩定。進入第二階段之後，深對流逐漸消散而轉化為層積雲，此時大氣能量主要透過水平平流項移出，使大氣進一步趨於穩定。在對流完全消散（晴空）的第三階段，大氣透過垂直平流項再次輸入能量（充電），因此大氣又趨於不穩定。隨著能量循環再次進入第四階段，則為下一個MJO事件提供有利的條件。

綜觀而言，能量充電／放電階段必須領先對流加強／對流減弱達四分之一週期，如此的週期差距關係對於驅動MJO向東傳播頗為關鍵。研究中還注意到MJO事件若在印度洋區域啟動階段的強度夠強，越大的MJO緯向尺度所引起的更廣泛低層對流，加上對流中心以東的低層大氣濕化現象等條件，皆會促進MJO東移的速度與強度。而強傳播型MJO比弱傳播型和向東衰減型MJO展現了更強烈的能量充放電幅度，較能夠突破海洋大陸屏障並繼續向東傳播至太平洋西側。這對於南海及熱帶太平洋的天氣或氣候現象發展，給予了預報參考的依據。