【科學史沙龍】〈SDG11 永續城市與社區:海綿城市〉

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近十年來,氣候變遷已不再是個陌生的名詞,都市洪災發生頻率不斷增加,如何打造與強降雨共存共榮的都市變成刻不容緩的議題。本次科學史沙龍邀請到臺灣大學大氣科學系郭鴻基教授和土木工程學系施上粟教授,為我們分析臺灣降雨模式的特殊性,並認識將生態系統服務納入考量的都市減洪建設。

講師|臺灣大學大氣科學系 郭鴻基 教授、臺灣大學土木工程學系 施上粟 教授

撰文、整理|周書瑋

臺灣的降雨模式和特殊性

臺灣主要降雨來源可分為三大類,包括冬季東北季風帶來的地形雨、春夏之交滯留鋒面造成的梅雨,和夏季盛行的颱風。東北季風為蘭陽平原帶來豐沛的雨水,特別是蘇澳西帽山地區,年降雨量高達4400毫米,但數十公里外的宜蘭年降雨量僅有2800毫米,兩地區總降雨日數卻差不多都是200天,如此懸殊的差異導因於地形,西帽山承接了大環境的東北風和來自蘭陽平原的西風或西南風,兩勢力相輻合帶來豐沛雨量。此外,春夏之交的梅雨也是臺灣重要的降雨來源,其降雨強度雖小,但滯留鋒面上的一個對流胞能為臺灣帶來將近一萬顆廣島原子彈的能量,威力不容小覷。

在臺灣所有劇烈天氣中,最有名的非颱風莫屬。長期的氣象觀察數據顯示,移動緩慢的颱風,造成的降雨比快速移動的颱風顯著許多,主要是因為前者造成的效應類似滯留鋒降雨,像莫拉克颱風就屬於慢速颱風,移動速度僅每小時五公里。由於總雨量等於降雨強度和颱風停留時間的乘積,要討論颱風總降雨量,就需要分別調查這兩個變因的觀測值。調查結果發現,過去五十年颱風總降雨量增加60%,但並不是因為颱風本身變強,而是颱風移動速度變慢,在陸地停留時間增加,其他數據也顯示,帶來劇烈降雨的颱風,通常不是強颱,而是走得慢,停留時間長的颱風。為什麼颱風速度會減慢呢?最主要的原因是,從北邊登陸的颱風在登陸前,路徑會因雲雨向南偏折打轉,使登陸前本來就慢的颱風觸陸後變更慢,出海時又和西南氣流交互作用,海上降雨再次減慢移動速度。有趣的是,統計資料也顯示慢的颱風多由北邊登陸,快的颱風多由南邊登陸,北邊登陸的颱風,外圍環流打轉撞上中央山脈引進西南氣流,往往在中南部造成劇烈降雨。一言以蔽之,颱風登陸位置和中央山脈決定了降雨型態,中央山脈對降雨有鎖定作用。

聖嬰現象也對颱風強度有一定的影響,聖嬰年的颱風多在大洋中央形成,颱風有較大的空間生長成較強的颱風;反聖嬰年的颱風則多在大洋靠近陸地處形成,生長空間較小,形成的颱風也較弱。不過,颱風帶來的災害和颱風強度不一定相關,像是反聖嬰年的九月或十月反而容易有強颱侵襲中國東南沿海。

老師在演講中強調,氣象研究的重點不在於平均值,而在變異度和極端值,氣象學家必須關心空間和時間的極端值。氣候科學是門重大的科學,而數學和觀測分析是天氣科學的兩根柱子,二者相輔相成,再搭配近幾年來竄紅的人工智慧,氣象學家就能更進一步的改善激烈天氣和各種尺度的預報能力,降低誤報和缺報的機率。

 

都市化對水文循環的挑戰

氣象學家透過預測降雨來減低劇烈天氣帶來的災害,都市設計學家則藉由改善都市規劃來減輕氣象災害對都市的影響。當市區道路鋪面有樹木和植生覆蓋時,雨水較能入滲,都市土地也能協助水循環順利完成,因此進行都市設計時,不論是明渠或暗渠排水,皆應盡可能的增加植被覆蓋、模擬自然環境,以排開一定強度的降雨。當都市化程度提高、植被覆蓋率降低後,土地入滲功降低,地表逕流增加,流入都市排水系統的水量也大增,因此同樣降雨強度下,都市化前後,對排水系統的負擔會增加不少。此外,高溫水體入滲後會和地面生物產生生化反應,在植被覆蓋率較低的都市地區,強大水流帶著都市揚塵,流入並汙染河川,降低都市水質。

 

生態系統服務 (Ecosystem service)

氣候變遷和都市化程度大幅提高下,人類面臨的不再是傳統的工程問題,而要思考如何在建設過程中重新檢視自然條件是否能結合傳統工程設計?都市設計如何和天然災害、都市條件協和?增加都市植被後,是否能降低都市開發後大幅提高的洪峰歷線?要回答這些問題,首先要了解生態系統服務。

討論生態系統服務之前,必須先認識生態系統。生態系統可以細分為兩部分,一部份是非生物因子,包括化學和物理因子,另一部分是生物因子,包括生產者、消費者和分解者。健全的生態系統是個「物美價廉」的完美系統,能不斷提供我們各種生態系統服務,這些服務包括四大項。第一是供給 (Provisioning),亦即生態系統提供優質水資源和空氣;第二是調節 (Regulating),像是海嘯來臨時,濱海生態系破碎巨浪,減少對沿海聚落的破壞;第三是支持 (Supporting),像是土壤能防止樹木坍塌;第四是文化 (Cultural),像是人們習慣小時候長大的環境,該環境成為人類的記憶資本。這些生態系統服務所提供的價值和服務,遠遠超過一年的國民生產總值,且它的價值往往被低估,甚至忽略,因此都市規劃時可以思考,有無可能將這些服務和都市化結合形成近自然的都市化生態系統?

生態系統服務也可以被量化。量化生態系統服務時,首先要確定該生態系統結構,一般來說具備金字塔完整各層的生態系,其結構較健康,遇到重大變化時,較能恢復原有狀態。健康的生態系統能提供較多功能,較可能提供完善的生態系統服務。

紅樹林就是健全生態系統的絕佳例子。其一,它是海岸生態系中重要的碳封存系統,固碳能力甚至比森林系統強。其二,它能攔截海岸漂沙,避免海岸線倒退。其三,海平面上升時,紅樹林能透過攔截泥沙,提高所處的海平面位置,根據國內外科學調查和統計,紅樹林透過攔截泥沙提高所在高度的速度,和海平面上升的速度相當接近,因此紅樹林是海岸保護相當重要的資材。其四,紅樹林於颱風期間近岸浪花的破碎化和降低侵蝕非常有幫助,強浪進入紅樹林區後,會因紅樹林複雜根系結構而快速破碎。第五,由於紅樹林生態系中複雜的微生物和植生系統,能截獲、吸收、沉降陸地營養物和汙染源,它也是很好的水質處理媒介。

 

都市滅洪

近幾年來,北部地區夏天開始出現劇烈的午後雷陣雨,每小時降雨量有幾次甚至超過百毫米,導致部分排水系統不堪使用,審慎的都市減洪計畫就格外重要。綠屋頂是目前常見的減洪方式之一,能隔絕熱源進入建築物、提供都市生物微棲地、提升自然地景、減輕都市熱效應,還能吸收二氧化碳進行碳封存,因此近年來非常受歡迎,也被推廣到校園和政府大樓。透水鋪面是另一個可行方式,此類鋪面能初步過濾雨水、恢復自然條件下的水循環、減少地表逕流洪澇、減輕都市熱島效應,同時降低路面噪音衝擊。此外,雨水桶和雨水花園也受到不少青睞,前者收集並回收利用屋頂排水管的雨水,後者則是在雨水進入排水系統前先行過濾,且可收集鄰近不透水鋪面的逕流並提供植生使用。

過去對於水,我們希望它來得快也去得快,只要截留的水夠用的就可以了,因此總在快速集流後快速排至都市外圍的河川系統。然而,考慮到排出的水可能是髒水,且髒水水量會隨著氣候變遷和都市化增加,最終超出預期。髒水流入周邊水域系統,可能會弱化周邊水域生態系統,汙染最終集中到下游。永續思維下,我們可以思考,有無可能讓這些髒水在進入都市前,在滯洪池先進行前處理,例如讓懸浮固體沉降、利用微生物系統淨化水質,流動過程中若有位能高低差,甚至可以進行小規模的水力發電,供給小型社區或校園,讓地區能夠自給自足。大自然提供我們多樣化的資源,人類若能師法自然,建構近自然的都市化生態系統,就能和生態系和諧共處,達成永續的目標。

 

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