2015 美國加州乾旱事件探討

美國國家環境資訊中心(National Centers for Environmental Information, NCEI)統計1980年至2014年全美國境內所有災害情況，本文從中取得經濟損失十億美元以上的美國乾旱年度資料，其中1988年乾旱事件造成400億美元損失最高(圖1)，其次為2012年乾旱造成310億美元，排序第三為1980年290億美元。

圖1. 美國損失十億以上之乾旱年度( NCEI、災防中心彙整) ^[1]

圖2為洛杉磯時報(Los Angeles Times) 使用美國乾旱指標(表1)做出的加州乾旱時序，時間起源為2011年至2015年，隨著時間越來越多的行政區從黃色異常乾燥D0(Abnormally Dry)或中度乾旱D1(Moderate Drought)，2014年加州的乾旱分布呈現極端乾旱D3(Extreme  Drought)，至今年2015年大多數的加州都陷入了極端乾旱D3(Extreme  Drought)(紅色)和罕見乾旱D4(Exceptional Drought) (暗紅)階段。根據美國乾旱監測結果顯示:加州乾旱從2000年至2015年乾旱各類型之面積百分比，2015年1月94%的土地都處於劇烈乾旱D2(圖3)，其中40%土地面積屬於罕見乾旱(D4)等級(超過50年以上頻率年的乾旱程度)，而此情況遠超過2014年及過去15年乾旱結果。

表1. 美國乾旱指標五等級^[3]

圖2. 2011-2015加州乾旱等級變化^[2]

圖3. 加州乾旱等級百分比(U.S. Drought Monitor )^[3]

^{註:圖2與圖3繪製乾旱等級之色塊並不一致，請參考各圖之圖例。}

美國加州(State of California)位於美國西部一州，加州西側臨太平洋，加州面積是美國第三大州，大多數城市位於太平洋沿岸較涼爽的地帶，包括舊金山、洛杉磯和聖地亞哥。加州是美國人口最多之州，人口分布為南加州大於北加州，其中南加州10個郡之總人口約為2300多萬，占加州總人口的61%。

根據2010年的統計數據，加州GDP占全美的13.34%，達19364億美元，為全美最高，而加州經濟的主體是農業位於中央谷地，但農業的規模是加州第二大產業(加州第一大產業為矽谷科技產業)。其他重要的產業包括航空、娛樂和輕工業，及硼砂開採。

加州年平均降水約580毫米，主要雨季在11月至隔年3月，佔全年75%之雨量，而降雨分布南北大不同，降水主要集中在北加州，而南加州年平均約50至250毫米。從降雨分布與人口分布可得知二者間分布相反，人口稠密和經濟發展主要集中在南加州，但南加州降水量卻不足，已導致水資源短缺，因此加州政府在1950年起開始計畫「加州北水南調工程」，欲從北加州舊金山灣上游的三角洲地區引水至南加州，以解決北澇南旱的水資源不均問題，在1960年經過全民公投通過後便開工，主體工程於1973年竣工，1990年達到設計輸水能力，輸水幹道全長約1060 公里，整個調水工程中建有28 座大壩和水庫，22 座抽水站和一些發電站，年調水量近50 億立方米，調水量用於城市與灌溉農田的比例約7:3，受益人口達2300萬，是目前世界上最大的調水工程。

加州最大的水庫-Shasta水庫位於Sacramento 河上游，庫容56億立方公尺，水庫的水主要來自冬季的降雨，此地區的冬季降雨量幾乎接近水庫的蓄水量，以供應春夏大量用水的需求。

乾旱的嚴重情況也可以從Shasta水庫的水位變化中看出，從2010年以來水庫水位持續下降，到2014年更為嚴重，根據Earth Observatory網站提供的衛星影像照片(圖4)，可以看出在2005年9月庫區影像(水位309.4公尺)與2014年9月庫區水位(水位278.3公尺)的差異，水庫周圍明顯多出一圈露出的土壤顏色。

圖4. Shasta水庫衛星影像圖(左圖 2005年9月、右圖2014年9月)^[4]

依據加州水資源部門(Department of Water Resources. CA)的資料交換中心(California data exchange center)所提供自1976年起的月水位資料紀錄中，目前的水位僅高於2014年9月到12月的水位紀錄(圖5)。1982-1983年溼季水位最高，2010-2011年的水位紀錄與其接近，幾乎到達最高水位，而水位從2011年後一路下降，近五年以去年(2014)同一時期的水位最低，但是去年(2014)在進入冬季雨季後，水位就開始上升，但是今年(2015)水位截至目前(12月7日)資料還沒開始上升，12月5日的資訊顯示Shasta 水庫蓄水約29%(圖6)，水位低於1976-1977年乾季最低水位，面臨嚴峻的乾旱情況。

圖5.  Shasta 水庫現在水位與歷史水位比較圖(California Department of  Water Resources)^[5]


圖6. 2015年12月5日的水庫容量(California Department of  Water Resources) ^[5]

(一)長期高壓壟罩

觀測資料顯示，近年來加州長期處於高壓籠罩的狀態(圖7)，研究指出，此高壓系統為”Triple R”環流結構的一環。Triple R 是存在於大尺度環境中一負-正-負的環流結構，由副熱帶太平洋經過加州、夏威夷並延伸至阿拉斯加北部，該環流結構於2014年一月時達最大強度，其中高壓結構的部分長期駐留於加州上空，導致暴風路徑北抬且加州地區處於下沉氣流區而降雨不易，使當地乾旱情況持續惡化(Stanford News)。

圖7. 加州高壓籠罩示意圖 (American Meteorological Society. WeatherWest.com) ^{[6] [7]}

(二)高山雪線退移

在美國融雪是供應淡水的關鍵條件，而融雪佔加州70%的降水量(正常情況下)，因此融雪是加州主要的水源之一。但因氣溫上升的關係，促使降雪減少，使得水資源供給受限。NASA在加州東側圖奧勒米河(Tuolumne)流域比較積雪量情況，圖奧勒米河是主要供給加州重要的灌溉區，也是供應舊金山和周邊社區，而圖8為美國NASA拍攝加州與內華達州得積雪的影像，左為2010年影像與圖8右為2015年皆為當年度3月影像，由色差明顯發現，山區積雪明顯減少。而圖9為圖奧勒米河流域2014年與2015年雪水量的比較，當紅色區塊愈多和愈深，表示2015年雪水量相較2014來得更少，反之，藍色區塊越多表示2015年來得多。

註:2015右側白色部分為雲
圖8. 奧勒米河流域影像圖(左:2010年；右:2015年)^[8]


圖9. 奧勒米河流域積雪量比較^[8]

（一）節約用水政令宣導

2013年9月起乾旱加劇，2014年1月發布乾旱應變啟動，透過州政府發布宣導節約用水，其內容包括:家戶用水減量，每戶購買所需的水量，倘若用水量增加，其水價因有所加乘；另外，用水超過制定違規罰則，第一次超量施行警告，超過二次以上施行罰鍰並安裝截流器甚至強制停水；而家戶外的草坪和景觀用水，水量削減或暫停供應；在報章媒體上倡導節約用水觀念和免費節約用水教育訓練課程。

（二）用水轉移介紹

美國加州由於降雨分配不均，且人口分布南大於北的情況下，缺水可分三種供水階段(圖10):1.緊急用水階段:水轉移時間為三個月以下，主要水源以休耕或轉作用水支應；2.短期用水階段:係指三個月至一年用水時間，主要水源來自節水或水庫剩餘水；3.長期用水階段:時間長度為一年以上，主要水源來自節水或水轉移之水。取得水資源的方法眾多，而用水轉移便成為長期缺水期間，水資源供應的來源之一，用水轉移最常用在加州農田間灌溉用水的轉移，1991年加州水資源機構辦理短期水轉換，並成立加州水資源部門(Department of Water Resources, DWR)，購買農業用水轉移至缺水特定區使用，至1992年漸漸發展地區性用水轉移，不過加州用水轉移指的是用水量的轉移，並非水權的轉移。

圖10. 加州用水轉移協調所(San Joaquin River Water Authority Exchange Contractors &災防中心彙整) ^[9]

（三）加州乾旱應變網頁

加州政府建置網站(California DROUGHT)紀錄本次乾旱事件，如下圖11所示，且主動說明各項因應措施，包括從2013年、2014年的政策措施，2015年每個月的乾旱情況說明，今年12月的更新紀錄顯示，加州居民在過去五個月來已經降低的27%的用水量，然而嚴峻的乾旱現象依舊持續並未解除。

圖11. 加州政府建置之乾旱紀錄網站(California DROUGHT) ^[10]

美國彙整各單位(縱向)提出的計畫，及該計畫可以幫助的對象(橫向)，各單位計畫包括州政府的各部門與聯邦政府，共計50個計畫，如下圖12所示。州政府包括：水資源部門California Department of Water Resources (DWR)、環境保護署California Environmental Protection Agency (Cal/EPA)、緊急應變辦公室California Governor's Office of Emergency Services (Cal OES)、住宅社區發展部California Department of Housing and Community Development (HCD)、社會福利部California Department of Social Services (CDSS)、公共衛生部California Department of Public Health (CDPH)；聯邦政府包括：聯邦緊急事務管理署Federal Emergency Management Agency (FEMA)、美國工兵團U.S. Army Corps of Engineers (USACE)、農業部U.S. Department of Agriculture (USDA)、內政部U.S. Department of Interior (DOI)墾務局Bureau of Reclamation (USBR)。對象分為：州、城市、郡、農夫、漁夫、護理之家、公園、學校、民營企業、民營非營利組織…等。

圖12. 加州乾旱各單位協助計畫與對象(California DROUGHT) ^[10]

（四）乾旱新興技術-避免水分蒸發

2015年4月起發布加州史上第一個限水令，用水減少25%供給，8月為了避免水分蒸發，加州政府在洛杉磯水庫裡倒下9600萬顆「遮光球」（Shade Balls）計畫(圖13)，當局公布今年10月用水量為22.2%，首次未達規定，由於當月遭遇25年來最嚴重的熱浪。

圖13. 洛杉磯市市長埃里克Garcetti隨著工人釋放遮光球到洛杉磯水庫( Los Angeles Department of Power and Water) ^[11]

乾旱期間，植物明顯枯黃，河流水位減少，湖泊和水庫水位下降， 以上幾個現象都是肉眼立即可以看見的乾旱現象，而本文蒐整了美國乾旱造成的後續衝擊影響。

（一）空氣汙染持續

「今日美國」（USA Today）報導指出，由於持續乾旱降雨不足，空氣中微粒會停留在接近地面處，被人們吸進肺裡，導致肺部出現感染現象或氣喘病發作。缺乏水氣造成更加炎熱，臭氧含量增高，廢氣也會形成，空氣品質因此下降。

（二）野火事件頻繁

溫度上升造成森林大火頻繁、空氣品質惡化，引發呼吸系統問題。而引發的野火事件，在2014年1月1日至10月3日野火發生數約3885件(表2)，而2015年同一期間盡發生5635件，比近五年平均多出1.4倍之多，2015年因野火燒毀的土地面積約有305,958英畝。

表2. 加州森林野火統計(Drought Impact Reporter) ^[12]

（三）農作物產量下降

農作物(玉米、小麥和牧草等)由於乾旱產量下降供給短缺因此價格上升(圖14)，而畜牧業飼料成本增加，間接導致肉品及乳製品價格上升，農作物保險因乾旱賠償創下歷史新高的賠償紀錄。

圖14. 2000年至2014年農作物價格(USDA NASS) ^[13]

（四）糧食價格上揚

由於美國是全球最大玉米出口國，而乾旱導致產量減少全球糧食價格大幅變動，玉米也不例外，玉米又是用來提煉生質燃料之原料，因此能源價格也上漲。

（五）人口增加，水利設施新建阻饒

時代雜誌(Times):「擁有3900萬人口的加州，其人口比十年前增加一倍，但環保人士團體阻撓興建水庫，加州近五年來沒有興建水利設施」而加州水資源管理局統計，2001年至2010年間，因浪費的用水佔加州總用水量的47%，其中農業用水佔43%，都市用水佔10%，其浪費用水可支應260萬戶家庭用水。

（六）「遮光球」減少水資源蒸發?!

洛杉磯市政府為了喝止加州乾旱影響，傾倒9600萬黑色遮光球於洛杉磯水庫，以減緩水庫水蒸發。但美國各家新聞媒體深入探討，包含:遮光球的效益問題，估計遮光球的遮光效用可以減少一年3億加侖用水，但3億加侖價值200萬美金，而9600萬顆的遮光球費用約34.5億美元；另外，遮光球為塑料材質，長期暴露陽光底下，將會釋放出化學物質影響水源。

乾旱雖然不像颶風、龍捲風及山洪爆發來得快去得快，但造成後續的衝擊影響很大，而美國每年都發生乾旱，乾旱在美國氣象災害上付出昂貴的損失。因應極端氣候可能造成的豐水期間雨量更多、枯水期雨量更少情境，強化枯旱預警指標，水資源調配機制，及早因應水資源不足之調配，減緩乾旱情況持續惡化。

在2012年美國乾旱發生時，紐約時報(New York Times)將美國乾旱情況展示，自1896年至2012年期間，乾旱最嚴重時期為1934年，乾旱涵蓋面積最廣泛，而從圖15更顯示美國每年幾乎發生乾旱，可說美國乾旱發生頻率高。

圖15. 1896年至2012年美國乾旱分布圖(New York Times) ^[14]

從2012年乾旱以來至今美國乾旱並無中斷，雖然部分地區乾旱情況因降雨而有所趨緩，或部分地區在過去四年當中反覆發生乾旱，但仍有地區持續惡化下去。圖16分別為近四年的溼度分布圖，紅色系代表乾燥，當顏色越深紅表示越乾燥，而藍色系反之相較潮濕，2012年除了西北部及部分中部地區呈現潮濕，其餘地區呈現乾燥階段，特別是德州；2013與2014中部與東部地區乾燥轉為較潮溼，但西部地區乾燥情況更加劇烈到達濕度2等級，至今2015年亦是如此，因此本文針對美國加州乾旱深入探討。就連美國境內最大人工水庫-胡佛水壩(Hoover DAM)，也因長期乾旱關係，水位持續下降，圖17是2013年與2014年水庫空照圖，水庫中央的土地明顯變大，而水庫歷線由2013年約1105英尺至2014年1080英尺，在一年之中下降25英尺(相當7公尺)(圖18)。

圖16. 美國2012(左上)2013 (左下)2014 (右上)2015 (右下)濕度分布(NASA) ^[15]


圖17. 美國境內最大水庫胡佛水壩(Hoover DAM)2013年和2014年水庫空照圖^[16]


圖18. 美國境內最大水庫胡佛水庫2013年1年至2014年7月水庫歷線^[16]

美國乾旱相關監控和情資說明，皆公開於網頁上(表3)，美國乾旱監測(United States Drought Monitor) ^[3]、美國乾旱網(U.S. Drought Portal) ^[18]、乾旱衝擊記者(Drought Impact Reporter) ^[12]、植生乾旱衝擊指數網(Vegetation Drought Response Index) ^[18]、美國地質調查所水資源監控(USGS Water Watch) ^[19]以及USGS Science for a changing world^[20]等網頁，將美國乾旱甚至部分網頁涉及全世界乾旱議題，都呈現在網頁上，有利於乾旱相關資訊傳達。

表3. 美國乾旱相關網頁展示