書上在描述黑潮路線時,我發現季風對於黑潮的路徑、流速都有影響。
我覺得季風就和大洋環流一樣迷人,究竟是什麼原因讓地球的風像有個規律一樣的在吹拂呢?又是怎麼樣的規律在改變風向,最後變成照著四季改變的季風?
台灣就正處在季風盛行的地方,氣候被季風深深影響。
國中時學過地理,書上大概的描述過成因,對於當時的我來說已經相當複雜,儘管原因複雜,環環相扣,我也想要試著去理解。
季風如何形成呢?
風:
要了解空氣如何流動,就要考慮溫度與壓力的影響。
太陽的照射造成空氣溫度上升,空氣中的分子、原子的活動程度與範圍變大,空氣的體積因此膨脹而開始上升。
相反,冷空氣中分子、原子距離近,空氣密度大因此向下沉降。
一般理解的氣壓就是因為空氣的垂直運動所造成,上升的空氣使地表氣壓較低,沉降的空氣使地表的氣壓上升。
空氣自然會從氣壓高的地區流向氣壓低的地區,兩地之間氣壓差距越大,空氣流速也越快,風速也越快。
赤道地帶接受的太陽輻射最強,空氣受熱亦大,因此上升氣流旺盛,當氣流不能再升高,便開始往南北方移動,此時空氣逐漸冷卻並約在緯度30度形成副熱帶高壓下沉氣流,接著以信風的形式吹回到赤道,如此周而復始循環形成哈德理環流圈 Hadley cell。
中緯度有一個同樣的環流圈稱為費雷爾環流圈 Ferrel cell。
高緯度有極地環流圈 Polar cell。
這些環流讓赤道不至於太熱,兩極不至於太冷。
先前提過地球的自轉產生了科氏力,科氏力可以讓風向在北半球向右偏轉,在南半球向左邊轉。
哈德理環流圈與科氏力的結合產生了信風帶,在北半球吹東北風,在南半球吹東南風。這也造成北半球的颱風或颶風都自東向西移動。
位於中緯度的費雷爾環流圈與科氏力結合產生了西風帶,因此中緯度天氣系統大多由西向東移動。
(可參考前篇洋流中出現的行星風系圖或參考文獻中的 熱帶輻合帶)
風場特性:
風是驅動海水運動的重要營力,風除了能直接拖曳表層海水流動、加強上層海洋垂直混合作用外,風場在水平面上的不均勻分布,也會導致上層海洋發生海水輻合或輻散因而產生沉降或湧升流,大範圍風系經由風應力旋度 wind stress curl 所引發的艾克曼汲吸作用Ekman pumping,更是大尺度*海流系統的重要因素。
此外風還會生浪,風浪的成長和風速、風域(指順風方向吹風區域的長度距離)及吹風延時(指風持續吹襲的時間長度)等因素息息相關,通常風浪的浪高、波長與前述三個因素的大小成正比。由於海面上風浪與風場有這種相期相伴的關係,故一般均將二者綜合稱海況 Sea state。
亞洲陸塊東側與南側分別鄰接太平洋與印度洋,此二處也是全球受季風影響最明顯的區域。
由於太陽輻射*隨季節變動會使大尺度的大氣環流系統產生季節性的南北移動,大陸與海洋在熱力特性上的差異,以及海陸在地理分布上的差異,又使大尺度大氣環流系統會在緯度圈方向上出現不均勻性,如此便造成了冬、夏相反的氣流而生成季風現象。
東亞地區冬季時,亞洲大陸高緯度地區是全球最強的冷空氣源地,冷空氣受高原地形阻擋,多沿高原東側的東亞沿海一帶南下,形成冬季風,強烈的冬季風氣流可直抵熱帶地區,並可越過赤道到南半球。
東亞夏季風平均都在5月中旬(從南海北部由海南島至台灣南部連線一帶)開始建立,逐步向北推進,於7月底到達中國東北一帶停滯,隨後9月中旬至10月,西南夏季風開始向南撤退,同時偏北冬季風開始建立。
台灣附近海域位於東亞季風帶內,隨季風不同,會分別受到源自東亞大陸的冷氣團或是源自西太平洋熱帶或副熱帶海洋性暖氣團影響。
冬季時以東北季風為主,受西伯利亞大陸冷高壓系統所主控。夏季因南太平洋副熱帶高壓結合東南信風,形成過赤道氣流,後者受科氏力影響,在北上過赤道後轉為西南風形成東亞季風區的夏季西南季風,另一方面,台灣附近海域也會受西太平洋副熱帶高壓影響,因此夏季季風風向不只有西南風,也常出現由太平洋副熱帶高壓西南方下沉的偏東南風。
台灣附近海域除季風更迭外,每年6~9月期間颱風侵襲,帶來強風暴雨對海洋環境會造成劇烈的衝擊效應。
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*海洋大尺度 Large scale、中尺度 Mesoscale 、次中尺度 Submesoscales:
是在海洋各種運動中以科氏力對海洋運動的影響重不重要來衡量。重要的屬於中到大尺度,次要到不重要的屬於中尺度以下的運動。
實際而言,跨好幾個緯度到大洋海盆大小約上千公里尺度的運動,向大洋環流、向南北跨數個緯度的海面高度震盪等,皆為大尺度。
中尺度在海洋裡是如順時針、逆時針海洋渦旋,直徑大約100~300公里,甚至再大一些的運動。
次中度是變動幅度或震幅比中尺度小的運動,大約10~幾十公里,像渦漩邊緣出現的波動現象、小圈渦流等,科氏力在此等運動的力平衡是次要的。
尺度再小下去如海流在流過島嶼背後產生的渦流、流過海脊之後產生的水下垂直波動等,均屬小尺度運動。
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*太陽輻射:
太陽角度對氣候的影響,主要在於地球上不同地點所接收到的能量,這是基於不同地點、日中時間和季節會有不同的陽光射入角,原因是地球公轉和自轉軸傾斜。
由於太陽輻射量在地球各地區的分佈不平均,導致各地區熱量差異,引起大氣運動。
大氣環流將熱量和水氣從地球一處輸送到另一處,從而交換高低緯度間、海陸之間的熱量和水氣,促進地球的熱量平衡與水平衡,同時引起各類天氣變化及特地不同氣候。
太陽輻射量多寡:低緯度區太陽直射,地表單位面積接收的熱量多、氣溫較高,高緯度則反之。
太陽輻射是維持地球生命的關鍵,依賴這種輻射最重要的過程之一是光合作用,植物將太陽能轉化為化學能的過程,使植物能夠生長,最終為地球上多數生物提供食物。
溫室效應是使地球保持適居的平均溫度的另一個關鍵過程。如果沒有太陽輻射以及大氣中部分保留的輻射,地球的平均溫度將為-18℃。
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台灣的季風:
每年10月至隔年3月為東北季風盛行期,其中又以11月至2月這四個月平均風力最強;6、7、8月為偏南風(南或南南西風)盛行期間,也就是西南夏季風期。
3月為東北風減弱期,4月台灣至呂宋以東的西太平洋海域呈現偏東風,後者在呂宋海峽以西的南海東北部與南下的東北風交會,至南海西半部右轉為偏東風。
5月為東亞夏季季風建立建立時段,海域西北部的東北風與東南至南部的偏南風,在南海海盆的西北東南軸線及台灣附近交會,然後形成東南風吹往華南大陸,這就是習稱的「梅雨季」典型風場型態(台灣梅雨期通常由5月上中旬開始至6月上旬結束,在此期間南海常會出現熱帶低壓甚至形成颱風)而這交會帶便是梅雨滯留風或低壓帶的位置。
9月為東亞夏季風(偏南風)轉換為冬季風(偏北風)的轉換期,此期間海域的西北半部已轉為東北風,但海域南半部仍為西南風或偏弱的偏南風,南北氣流在南海中部交會。
10月則全部轉為東北風。
台灣周邊海域冬半年以東北風為主,具有風力較強且持續較久的特性,至於夏半年雖以南風為主,但風向變化多端較不穩定,平時風力多半較弱,有時也會有強風出現但持續時間不長。
夏半年期間強風的出現主要與西南季風、熱帶低壓或颱風有關。
當颱風來襲,除了暴風圈內外海面生成狂濤巨波及浪湧外,在開放海域裡,颱風的強勁風力也會增強上層海洋的垂直混合能力,而使混合層加深變厚,在水層中產生慣性週期運動 inertial motion 及慣性內波 internal inertial wave,經由艾克曼汲吸作用在暴風圈內、外產生海水湧升與沉降現象;海水等密度面的上升或下降又會使水層的重力位能增加,並沿颱風經過路徑附近(特別在右側)海面出現冷尾跡 cold wake。
當颱風通過天氣和緩後,此時除了太陽輻射會使上層海洋再度增溫,並重建斜溫層*外,原先在強勁風力作用下被迫改變的海水密度場分布,會因動力不穩定而需要進行調整,其中有部分位能以羅士培波Rossby wave或內波型態向外、向下方深水層傳播,其餘部分則可能藉的轉調整作用Geostrophic adjustment形成在被湧升抬高的冷海水水體四周,呈逆時針繞轉流動的斜壓性海流。
參考文獻: