Friday, February 15, 2008




格陵蘭的秘密

王寶貫

長年為冰雪覆蓋的格陵蘭﹐在一般人想像中除了『冷與荒涼』之外﹐大概很難想出它能在世界事務上扮演什麼角色。然而實際上﹐它在氣象學術界(尤其是氣候學上)是個名氣響亮的地方﹐而它的『招牌』就是冰雪。正是由於冰雪的作用﹐使得這個地區在春夏的氣壓通常較其周遭地區為高﹐高壓導致好天氣﹐是故春夏是對格陵蘭旅遊有興趣的人的好季節(當然風暴偶爾還是會有)。然而秋冬季節就完全符合咱們印象中的風雪交加的酷寒之地了。

這麼一塊蠻荒不毛的嚴寒地方﹐要是古人知道的話﹐一定是編入《山海經》裡的<大荒北經>裡﹐配上一些半真半假﹐有些傳說﹐有些純粹掰出來的怪物怪獸。然而近代科學一發展﹐連這樣的蠻荒之地也不能自外於人們的注視。


二次世界大戰的極地秘密氣象站


194412月是第二次世界大戰歐洲戰場的末期。同盟國聯軍已經成功地在法國諾曼第海岸登陸﹐入侵歐洲大陸﹐節節進逼﹐而相對地﹐納粹德國軍隊則節節敗退﹐其中一部分在法國東北方盧森堡及比利時境內的亞丁(Ardennes)森林區嚴陣以待﹐試圖作最後一摶。

德軍此時還有兩種武器優於盟軍。其一是剛剛發明出來的噴射引擎飛機﹐ 但是這時德軍已經沒有足夠的資源來量產了。其二是德軍傳統就有優勢的坦克車﹐而這時新發展出來的虎王二型坦克更是王牌﹐無論裝甲之厚﹐動力之大﹐火力之強均比聯軍坦克要高出許多。美軍那時的M4謝曼(Sherman)坦克一遇上虎型坦克﹐下場不是『棄甲曳兵』就是『落荒而逃』。

然而坦克卻有一個致命的剋星-飛機。這時節空中優勢幾乎完全掌控在盟軍手裡﹐任何德軍坦克若被盟軍軍機發現﹐多半難逃被炸毀的命運。

虎型坦克能為德軍扳回一城的唯一機會是在天氣惡劣﹐滿天烏雲密佈的掩護之下出動。在晴空狀況下﹐坦克只能龜在森林裡躲藏。於是二次大戰有名的『保積之役』(Battle of the Bulge)便是以氣象預報為序幕轟轟烈烈地展開了。保積( Bulge)意為凸出之處﹐指的是德軍突入盟軍戰線的部份。正式戰史稱之為亞丁之役(Battle of the Ardennes)1965年有部好萊塢戰爭片便是以此為片名(台譯﹕《坦克大決戰》)來演譯這段戰史。

電影開始不久﹐德方戰區指揮官某將軍與新被任命的坦克司令海斯勒上校在密室會商軍機。

上校﹕將軍﹐盟軍現有的空中優勢會夷平我們的坦克﹐機槍﹐部隊﹐炸斷橋及切斷我們 的通信。。

將軍﹕假使我告訴你不會有盟軍飛機呢﹖

上校﹕另一種秘密武器﹖

將軍﹕來自挪威的史必茲堡﹐全世界最北端的氣象站﹗我等這份報告已經兩個月了。低 氣壓自1210日起南下﹐雲霧皆濃﹐任何飛機不能起飛。

上校﹕有多久﹖

將軍﹕夠久了。


電影中的故事有很大部份是虛構的﹐海斯勒上校恐怕是查無此人﹐連電影中德軍的『虎型坦克』也是用美國的M47巴頓坦克改裝的。挪威的史必茲堡的確在北極圈內﹐德國海軍在此設立了氣象站。然而德軍在同為北極圈內的格陵蘭東部也偷偷架設了氣象站(不只一個)這件事也是千真萬確的。德軍用潛艇運送氣象觀測人員在格陵蘭偷偷登陸﹐架設了的氣象觀測站﹐並把資料傳回德軍總部。這批氣象人員一直在格陵蘭待到1949年才被遣回德國﹐而二次大戰都已經結束四年了。

格陵蘭的氣象站有什麼神秘的奇效﹖自從近代氣象預報的創始者--挪威學派的畢耶克尼士(Bjerknes)父子--創立了『極鋒學說』(見《經典》108)之後﹐氣象學界了解到極地氣象對中緯度天氣預報的重要性﹐尤其是在秋冬季節極地冷氣團為控制天氣變化的主力之時。在格陵蘭的天氣波動往往幾天之後便會影響到西歐。因此誰能先獲悉格陵蘭的氣象波動﹐誰便掌控了未來幾天西歐的天氣動向。

德國的氣象專家們對這理論一點也不陌生﹐因而才有了這幾個如此接近北極的氣象站的設立。當時德軍裡的最高氣象技術長官乃是許渥菲格博士(Werner Schwerdtfeger)﹐他在二次大戰後被『請』到威斯康辛大學氣象系任教職﹐於1980年退休﹐而我則在該年來到威大氣象系任教﹐實際上便是頂了這空缺﹐因而頗與他聊了不少關於氣象預報的一些看法(不過我從未與他談過他在二次大戰中的往事)。當年幾次大戰役(例如諾曼地之役以及保積之役)的氣象預報都有他的份。

根據許渥菲格去世後所發表的回憶(見拙著<二次大戰氣象秘史“Z-W-G的最後兩年>《氣象預報與分析》111期﹐39-48)﹐他們為這場戰役報準了三天的惡劣天氣﹐甚至第45兩天也幾乎是陰雲天氣﹐因之虎型坦克的確在這一役中大展雄風。在電影中﹐虎型坦克之最後慘敗是因為缺乏油料﹐然而實際上有許多戰史家的意見認為﹐是因為接下來天氣好轉﹐能見度大為提高﹐盟軍飛機一出動﹐坦克就變成了蹲著待宰的鴨子了。不過在這次戰役的氣象預報中﹐格陵蘭和史必茲堡的的資料哪個比較重要卻是至今無法確定的事。許渥菲格教授已於多年前過世﹐所以也無法再問他了。


北極振動


格陵蘭這麼一塊長年冰雪皚皚﹐面積約為台灣60倍的大島﹐可想而知﹐它一定會對長期的天氣及氣候產生不小的影響﹐因為大氣長期的運動主要是受到所謂的『非絕熱過程』(non-adiabatic processes)的制約﹐而冰雪覆蓋會影響地面吸收太陽輻射的強度﹐正是一種非絕熱過程。因此除了短期的天氣過程之外﹐格陵蘭的天氣資料在氣候的一種年際(interannual 長於一年的)變化-北極振動(Arctic Oscillation﹐簡稱AO)-上也扮演了一個重要角色。北極振動是一種海平面氣壓的振動型式﹐其特徵是北極地區的氣壓異常(anomaly﹐例如某年的平均氣壓高於或低於當地長期平均氣壓--所謂的正常值--的差值)和北緯37-45度的大西洋區氣壓異常常有反相關的形勢。當格陵蘭區氣壓偏高時﹐中緯度的北大西洋則偏低﹐反之亦然。

當北極圈地區的氣壓是低於正常值時﹐AO指標為『高指標』時期﹐而此時的AO稱之為暖相(warm phase)期。由於暖相期的北極圈是偏低壓﹐導致北大西洋區的地層西風較強勁﹐使得北歐天氣比正常情況要溫暖而潮濕些。與此同時﹐在通常阻隔了大西洋暖水進入北極圈的冷水層也便薄﹐結果也使得此區的海冰變薄。

在中緯度的北大西洋區則於此時呈現偏高的氣壓異常﹐幫助了暖空氣往北歐地區推動。而地中海區倒反而會發生乾旱的情況。

由於強勁的西風﹐也使得極地冷空氣局限在極區而不容易南下﹐結果也使得美國會享受一個比較溫暖的冬天。

在冷相期間(低指標期)則與此相反。此時北極地區為偏高的氣壓異常狀態(可並不是說這裡是高壓區)﹐結果西風減弱﹐極地冷空氣容易往南移動﹐冷水層也較厚﹐足夠阻絕大西洋暖水進入極區﹐海冰不易溶解﹐於是美國﹑北歐及亞洲便會有較寒冷的冬天了。中緯度的北大西洋區則於此時呈現偏低的氣壓異常﹐使得地中海區較容易有風暴產生。

長期以來﹐氣象界都一直以為『冷相』是北極區的『正常狀態』。可是從上世紀80年代末期起一直到目前﹐北極區倒是大部份時間處於『暖相』﹐這就使得人們開始懷疑是否此區的氣候已經發生基本上的改變了。不過目前的氣候研究尚很困難去精確指出﹐這改變是否長久性的﹐而若是如此﹐是由於什麼機制(例如是否二氧化碳增多)造成的。

另一個與此有密切關聯的現象是『北大西洋振動』(North Atlantic Oscillation 簡稱NAO) 有人甚至認為兩者是同樣的現象﹐我們在此就不討論了。


格陵蘭冰岩芯與長期氣候振動


近年來﹐格陵蘭在世界長期氣候振動的研究上也扮演了一個重要的角色。 格陵蘭由於它終年冰雪皚皚﹐許多冰層至少在過去一萬年左右大概從未融解過﹐因而被氣候學家們當成是一個長期氣候的活化石﹐基本上結冰當時的氣候情況應當會保存在這個未溶解的冰層裡。因此只要您有辦法想出一個和當時結冰氣候有關的物理機制﹐那麼原則上您應該有辦法從冰層的物理化學特性去反推出當時的氣候概況。

這項工作其實已經行之有年。 它的第一步工作便是要取得所謂的冰岩芯(ice core)﹐其做法就如同石油公司要開採石油礦時所進行的鑽探工作一樣﹐必須用鑽管去鑽取冰層樣本。如此取得的冰岩芯有時有數公里長﹐必須小心記錄﹑分段密封保存(當然一定需要放在冷凍庫裡保存了)。分析冰岩芯內涵時的基本假設是﹐越深層的冰層乃是年代越久遠之前所堆積的冰雪﹐而越近表面則越是靠近當前的年代。

其次當然就是要想出一個辦法來從冰層特性分析推論出相對於冰層深度當時的氣候環境狀況了。就古環境溫度的推論﹐比較常用的是用冰層內氧同位素18O的含量作為溫度的指標。實驗室的研究指出﹐18O在溫度低的時候比起一般的16O較不易凝結於雪中﹐因而如果冰層中18O/16O 的比例少﹐應當即相對於當時下雪的環境溫度較低。瑞典氣候學家丹斯嘉德(W. Dansgaard)曾利用這種方法對在格陵蘭採得的冰岩芯樣本作了上述的分析﹐結果 顯示出﹐格陵蘭的18O含量(以及由之推得的氣溫)在過去幾千年來有很明顯的波動﹐例如﹐在公元400-600年期間(大約相當於中國魏晉南北朝)有一個冷期﹐600-900年期間(大約相當於隋唐)有一個暖期﹐而大約1000年左右開始﹐氣候波動變劇﹐振動頻率加快﹐在1000-1400年期間(宋朝元朝)有一個冷期﹐而另一尖峰冷期則在1600-1700年間(明代)

我曾利用中國史書上記載的『冬雷』資料來作統計分析﹐原因是因為中國古代一向認為冬天不應該打雷﹐如果竟然發生『冬雷』的現象﹐依照古人『天垂象﹐見吉凶』那一套邏輯﹐一定是國家政治系統出了問題。漢代易學專家京房就曾經說過﹕『天冬雷﹐地必震﹐不救之則冬溫。』的看法﹐而此乃國家大事﹐太史或欽天監有責任把這些事件記錄下來﹐至於夏天的雷就一點不稀罕﹐因此也沒有什麼值得記載的了。因為有此迷信﹐結果反倒留下了冬雷這算是相當連續(雖則不見得完整)的一樣氣象記錄﹐可以拿來當作一種氣象因素的時間序列來看待。

我曾將這時間序列作了簡單的統計分析﹐發現中國歷史上冬雷頻率的分佈竟然與格陵蘭的18O含量或氣溫的分佈頗為相似﹐雖則並不能說是相似到『若合符節』的程度﹐可是如以長期觀點來看﹐則上述格陵蘭的『冷期』也幾乎相對於『冬雷曲線高峰期』。更妙的是﹐如果再和中國氣象學者竺可禎利用中國史書上的物候資料(例如江河的結凍﹑候鳥的到達﹑或花開日期之遲早等等)所做出的中國歷史時期溫度波動曲線相比較﹐我們更發現﹐冬雷高鋒期幾乎都相對於中國歷史上的寒冷期(例如明代末年)﹐而冬雷的低谷期則相對於歷史上的溫暖期(例如唐代)﹐假如竺可禎的溫度曲線可靠的話﹐那麼冬雷頻繁的時期正是氣候冷期﹐和京房所說的正好相反。這個現象的物理解釋到目前為止仍然不太清楚。

而中國歷史上的冷暖氣候期則又與格陵蘭的冷暖期幾乎相合﹐換句話說﹐格陵蘭的長期氣候波動似乎與中國地區的氣候波動有正相關(而之前的AO則是建立在負相關的基礎上)。這種相隔幾千哩的相關關係氣象上稱之為『遙關連』(teleconnection)﹐表示兩地的氣候振動有某種同步的關係﹐不過通常很難找出真正的解釋﹐因為這些相關關係有時只是偶然性的﹐不見得真有物理關係也不見得會一直持續下去﹐然而如果能有物理解釋﹐那卻又是相當有氣候預報價值的發現﹐因此無論如何﹐氣象學家們對像格陵蘭這種冰天雪地的大荒異域的氣候研究是不會輕易放手的。

2 Comments:

Anonymous 牧羊神 said...

google資料的時候
不小心走進來
看到太多的寶藏了
將詩文和科學結合的文章太精彩了
因此還特地到博客來訂購了您的兩本書
可以放在身邊慢慢欣賞

11:46 PM  
Blogger Pao K. Wang said...

歡迎來訪。這裡有點人跡罕至,但希望您喜歡白雲清流水、鳥啼碧草香。您大概是訂《洞察》及《微塵大千》是吧?希望他們還有存本。

閣下號牧羊神,是否善吹笛?

12:03 PM  

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