Impact of Rice Paddy Areas Decreasing on Local Climate over Taiwan

人類的農業活動可影響地表能量與水的收支平衡，藉由調整地表各項能量收支之間的比例(例如灌溉)可以讓地表平均溫度下降0~8℃(視區域而定)，同時影響降雨的空間分佈。水稻是亞洲季風區最主要的糧食作物，由於水稻在生長的時候必須要維持底下有數公分水的條件，因此在插秧期可視為開放水體，這對地表的能量收支所造成的影響跟其它作物有很大的不同。過去二、三十年來臺灣地區的水稻田面積有明顯的下降，本研究將會從模式模擬與觀測資料分析的角度來觀察水稻田面積減少後對臺灣的局地氣候可能的影響。 本研究利用天氣研究與預報模式(Weather Research and Forcasting model, WRF)進行物理機制上的探討，並模擬氣溫、風、雨量等氣象參數在休耕的情境之下可能的變化；此外也利用北部地區6個與南部地區2個氣象站的氣溫資料，探討日夜溫差在水稻田面積減少之後的變化。 利用18個弱綜觀條件下的晴朗個案進行模擬，發現白天休耕區域平均有1~2 ℃的氣溫升高，夜晚則有大約1 ℃的降低；同時隨著海陸溫差的改變，在中午時海風在靠海岸線的地方有1~3節的增強。同時也模擬了16個在有雨條件下的個案，結果顯示休耕區域的降雨增強16%至35%，而周圍其他區域的雨量則略有減少。 根據前人的研究，由於全球暖化、熱島效應、氣膠的直接與間接效應，臺灣地區大部分的氣象測站在過去40年有日夜溫差降低的現象，然而在水稻田休耕之後，透過地表能量收支的重新分配，白天胞溫比值加大，使得日夜溫差加大。本研究透過過去20年測站資料的比對，發現在鄰近都市地區的測站日夜溫差有降低的現象，但是在鄰近休耕區域的測站日夜溫差則有升高的現象，顯現不同的土地利用過程可能會對區域或局地氣候造成完全相反的結果。Agricultural irrigation practice is one of the important anthropogenic processes in the land surface modeling. Irrigation can decrease local surface temperature about a few ℃ with alternating surface energy partitioning. Rice paddy is the major food crop in Asian monsoon region. Rice is grown under flooded conditions during the growing season; hence, the rice paddy can be considered as an open water body, which has more impacts on the surface energy budget than other cropland does. In this study, we will explore how the rice paddy area changes affect Taiwan’s regional climate from both observational data and numerical modeling exercise. In this study, the Weather Research and Forecasting (WRF) model is utilized to explore the impacts of rice paddy area changes on the regional climate and energy and water budget changes. In addition, temperature datasets from 6 automatic weather stations in the northern Taiwan and 2 stations in the southern Taiwan are analyzed in this study to explore how the Daily Temperature Range (DTR) changes with the decreased rice paddy areas. WRF is also utilized to test the potential impacts on the wind pattern and precipitation changes. Simulations from 18 weak synoptic environment cases show that temperature increases about 1℃ to 2 ℃ in the daytime, but decreases about 1 ℃ in the night time. Onshore wind component also increases 1~3 kts in the afternoon due to an increased in the land-sea heat contrast. Simulations from another 16 cases in the unstable environment show that precipitation is more in the fallow region, but fewer in the surrounding areas around the fallow region. Previous studies showed that due to the urban heat island effect, aerosol direct and indirect effects, and global warming, the DTR has decreased in the past 4 decades observed from most of the weather stations around Taiwan. However, the declined rice paddy area may increase the DTR with higher Bowen ratio during the daytime. In this study, DTR is decreased in weather stations near the urban area, but increased in weather stations near fallow areas in the past 20 years. It shows that different land use changes may have opposite impacts on local and regional climate.口試委員審定書 致謝 I 摘要 II Abstract III 目錄 V 圖目錄 VII 表目錄 XVII 第一章 文獻回顧與研究動機 1 1.1 文獻回顧 1 1.1.1 灌溉活動對氣候的影響 1 1.1.2 水稻田的生長與能量收支特性 2 1.1.3 臺灣地區土地利用改變對氣候的影響 2 1.2 研究動機與論文架構 5 1.2.1 研究動機 5 1.2.2 論文架構 5 第二章 研究工具與方法 7 2.1 數值模式模擬 7 2.1.1 WRF模式簡介 7 2.1.2 CLM模式簡介 7 2.1.3 個案挑選 7 2.1.4 WRF模式設定 8 2.1.5 實驗設計 8 2.2 測站資料分析 10 2.2.1 測站資料之時空分佈 10 2.2.2 測站資料處理方法 10 第三章 WRF模式模擬結果分析 11 3.1 晴朗條件個案下之能量收支情形 11 3.1.1 潛熱通量 11 3.1.2 可感熱通量 11 3.1.3 胞溫比值 12 3.1.4 淨短波輻射通量 12 3.1.5 向下長波輻射通量 12 3.1.6 向外長波輻射通量 12 3.1.7 地熱通量 13 3.2 晴朗條件個案下之各氣象場變化情形 14 3.2.1 兩米高溫度場 14 3.2.2 邊界層厚度 14 3.2.3 地表氣壓場 14 3.2.4 風場 14 3.2.5 兩米高水氣混合比 15 3.2.6 兩米高相對濕度 15 3.3 有雨條件個案下各氣象場變化情形 16 3.3.1 兩米高溫度場 16 3.3.2 邊界層厚度 16 3.3.3 表面氣壓場 16 3.3.4 風場 16 3.3.5 兩米高混合比 16 3.3.6 兩米高相對濕度 16 3.4 有雨條件個案下降雨分析 17 3.4.1 午後降雨之空間分佈 17 3.4.2 降雨區域與降雨強度之統計 17 第四章 測站資料分析 19 4.1 最高溫、最低溫、日夜溫差變化 19 4.2 風速變化情形 21 第五章 總結與未來工作 23 5.1 結論 23 5.2 討論 24 5.2.1 與前人研究結果相比較 24 5.2.2 模式與觀測結果異同 24 5.2.3 模式中胞溫比值估算誤差 25 5.3 未來展望 26 參考文獻 27 附錄 2