面對「極端降雨」工程人的省思

極端降雨(Precipitation Extremes)對工程師的設計有何影響?國內的工程設計規範是否到了修正的時候?國內不同主管機關對於降雨強度的設計思維是否需要整合?本文先以氣候領域學者的研究成果,說明極端降雨的變更趨勢;接著說明由上述趨勢,如何跨領域整合來進行規範修訂;最後亦期許國內各主管機關,在治水這件事上,同心協力,建立一致的思維,讓工程師及社會大眾有所遵循。事實上,莫拉克颱風在今(98)年為台灣東部及南部帶來極大的豪雨,一再修正的雨量紀錄,大自然似乎一再提醒萬物之靈的人類,你們的能力終究有限,但身為工程師的各位,難道面對如此的災難完全束手無策嗎?答案顯然不是肯定的,因為,隨著科技的發展,人類累積的知識相信能解決部份的問題,關鍵就在於是否願意面對及是否虛心接受其他領域的研發成果。

極端降雨的趨勢

談到極端降雨的評估,必須先確定,這並非一般工程師或是水土保持四大類科技師的專長,而是氣象科學領域的專長。因此,從氣象領域的研發成果,較能找到較精確的答案。本文的資料,大多根據中央研究院環境變遷研究中心劉紹臣博士的研究成果。氣象領域相當重要的一個概念,即是目前該領域,對於全球的氣候模式與預測能力,遠高過對於個別區域的預測能力,例如可能對於亞洲的年平均溫度預測準確度,將高過對於台灣某縣市的溫度預測。對於天氣 (weather)的定義是﹕空氣的短期狀態與變化(短期﹕~ 10天以內) ,例如明天的?度、今天的天氣很好。對於氣候 (climate)的定義是﹕天氣的長期平均值(長期﹕WMO世界氣象組織定義30年平均才有氣候的代表性),例如全球平均氣?、一年平均幾個颱風侵台?同樣的情況,10天後的?度較難預報,因其受許多小尺度機制影?,10年後台灣的年平均氣??容易預報。因此,對於某一開發基地的微氣候掌握與監測,是一件相當困難的工作。

極端降雨目前的趨勢是大雨增加及小雨減少(圖1及圖2),從台灣及美國的降雨強度統計資料,可以發現近年來的極端降雨強度皆是最大值,同時較小之降雨強度有減少之趨勢(如圖1之藍線)。而降雨強度與全球氣候變遷是否有相依(dependence)之關係,劉紹臣博士進一步分析15個台灣中央氣象局的測站自1961年~2005年資料(圖3),將降雨強度分成10級,其中最熱的2年在最大1級(前10%)之降雨遠大於最冷的2年;但在最熱的2年最小1級之降雨卻遠低於最冷的2年。劉博士進一步將降雨強度增加之趨勢與全球溫度變化之相關性加以分析(圖4),在最大1級降雨強度的任2年的降雨差值()除以那2年的溫度差值(),其比值約140%。意思是說,台灣地區每增加溫度1?C,最大降雨強度會增加1.4倍。

若配合目前全球對於溫度預測之模式(圖5),B1狀況下(即有效節能減碳的情況)在21世紀末約增?2度,全台灣前10%強降雨會增加~280%。而A2(即無節能減碳的情況)在21世紀末約增?4度,全台灣前10%強降雨會增加~560%! 根據上述推論,工程師是否意識到,假若上述的推論正確,將如何設計新的工程構造物?

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圖1 台灣降雨強度之趨勢
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圖2 美國降雨強度之趨勢
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圖3 最冷及最熱2年之不同等級降雨強度圖
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圖4 降雨差值/溫度差值與不同降雨等級關係圖
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圖5 21世紀末全球溫度預測成果

水土保持技術規範的修訂

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根據目前的水土保持技術規範第16條,坡地開發計畫的降雨強度公式,是根據無因次降雨強度進行設計:

前項之年平均降雨量,應採計畫區就近之氣象站資料。當計畫區附近無任何氣象站時,應從台灣等雨量線圖查出計畫區之年平均降雨量值。A、B、C、G、H等係數,依前述計算式分別計算之。

根據上述無因次降雨強度公式估計之降雨強度,是否能反應全球氣候變遷所造成降雨強度增加之事實,是一個值得考慮的問題。在降雨強度公式尚未修正前,目前實務上的作法,是將公式中之年平均降雨量,依最近5年中央氣象局之氣象站平均雨量作為計算依據。但基地若是距離氣象站過遠,或是選用氣象站之海拔高度與基地有差距時,則會有估計上之誤差。

但是真正的作法,應該是結合氣象學與水文統計領域之專家學者,進行跨領域的整合,根據足夠期間的參考資料,進行降雨強度公式修正的研究。水文統計學家根據機率與水文可靠度模式,應可得到較正確的降雨強度公式;但是其得到的成果,應與氣象學領域之全球氣候變遷成果進行校正,才能得到較正確與前瞻的公式。因為,根據前一節研究成果顯示,極端降雨強度的資料,與全球溫度暖化,具有極大的因果相依(dependence)關係。當然在規範修正前,仍應與實務的水利、土木、水土保持及大地技師,進行充分的討論與交流,充分讓技師瞭解公式的來源與定義,才不致造成實務上盲目的應用。

不同降雨強度公式之整合

目前在水土保持領域使用的降雨強度公式及重現期距(或稱回歸週期),與下水道設計或是水利工程領域使用之公式,並不相同。例如水土保持技術規範在設計滯洪設施之入流歷線採用重現期距50年以上之洪水,坡地農地內排水系統之設計洪水量,以重現期距10年之降雨強度計算,其他非農業使用以重現期距25年之降雨強度計算;但台北市下水道工程設施標準,在山坡地以10年一次之暴雨強度,平原地區以5年一次之暴雨強度,計算社區開發後之雨水逕流量;台北市山坡地開發建築基地規畫設計規範,則考慮重現期距為20年之洪峰流量做為調節池設計標準。不同規範公式所代表某特定重現期距,其物理意義不完全相同,但是給一般民眾的感受是,為何有這麼多不同的設計標準。

原則上,不同的水利工程設施與設計目的,其所要解決的問題與複雜度並不相同,例如集水區的大小、集流時間、開發狀況及地表坡度皆不相同,降雨強度設計值有其因地制宜之需要,但不論工程種類,政府所要提供給人民或是使用者的保障程度應要明確。即使因重要程度不同,而有不同的重現期距,但不同規範間,所代表的重現期距年意義卻應有適度的簡化對應。但更重要的,同一設施,例如在山坡地興建一棟住宅,若因主管機關不同,則採用不同的規範與數據,則這個政府的整體效能是有問題的!而目前確實在實務上,已造成開發單位的業主與設計者一定程度的困擾。

就如同全流域管理局的想法,政府的施政是一體,而上天降在淡水河流域某一基地的降雨強度,並不會因水土保持局、都發局或是水利署所使用的降雨強度公式不同,而有所改變。且當我們所面對的降雨強度越強且越難掌握時,各單位實在應就工程設計規範集中經費,進行相關的研擬與整合。

參考文獻
1.Temperature Dependence of Precipitation Extremes, Shaw Chen Liu, Congbin Fu, Chein-Jung Shiu, Jen-Ping Chen, and Futing Wu, GRL, 2009.
2.水土保持技術規範。
3.台北市下水道工程設施標準。
4.台北市山坡地開發建築基地規畫設計規範。

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