災害管理科技與知識專欄

『台灣天氣研究計畫』之推動與執行

周仲島
國立台灣大學大氣科學系教授

 
前言

近年來,我國氣象災害頻仍,災害日益擴大。由1996年的賀伯颱風到去年(2009)的莫拉克颱風,不論是颱風引進西南氣流或是兩者的交互作用,都在台灣烙下了難以磨滅的痛。這些災害不僅造成重大人員傷亡及財務損失,更造成國家基礎建設重創,社會大眾不安心理。如何透過基礎與應用氣象科技之整合研究,確實達到防災與減災的目標,已是氣象界無可旁貸的責任。鑑於社會的實際需求以及氣象界自發的省思,氣象學界和作業單位研究人員在2000年8月共同組成【台灣地區災變天氣研究群】,配合國家型防災計畫之氣象防災規劃內容,針對影響台灣地區主要災變天氣系統(以侵台颱風和梅雨季豪雨為主),採用新遙測探測技術、資料診斷分析方法、以及數值模擬與同化等研究工具,進行災害性天氣的基礎與應用研究,以改善現有預報準確率。

台大大氣科學系 周仲島 教授

美西雅圖華盛頓大學大氣科學博士
西南氣流觀測與豪雨預報實驗』計畫主持人
中華民國氣象學會理事長
研究範圍/興趣

1. 中尺度天氣動力學:梅雨鋒結構動力,
大氣對流系統,劇烈雷暴天氣

2. 雷達氣象學,都卜勒雷達之颱風監測與
預警,降雨雷達之觀測原理與應用

為使整合研究群推動之工作得以順利進行,學界與作業單位共同成立台灣天氣研究計畫Taiwan- WRP (Taiwan Weather Research Program)規劃小組,由本人擔任召集人進行台灣地區災變天氣整合研究之規劃工作。原本預計以10年為期,分三階段規劃執行。第一期和第二期計劃已分別於2003年和2006年完成。第三期計畫則由2006年開始,預定執行至2010年,然而鑑於實際需要,延長至2012年。規劃研究內容包括定量降雨預報、登陸颱風、以及地形效應三個主題。研究群針對上述主題分別進行了綠島中尺度實驗計畫(2001)、飛機投落送觀測規劃(2002)、車載雙偏極化雷達規劃(2004)、定量降雨系集數值模擬實驗(2000)、以及西南氣流實驗(又稱季風影響之地形降雨實驗)計畫(2008)等。

台灣天氣研究計畫

綠島中尺度實驗

為了探討複雜地形與海陸邊界所引發的局部環流對於豪大雨天氣系統的影響,於2001年5-6月在台灣東南海域進行了綠島中尺度實驗(Green Island Mesoscale Experiment: GIMEX),利用無人飛機探空(aerosonde)、多頻微波輻射計、以及聲波和微波雷達之整合探空系統進行複雜地形下的密集氣象觀測 (Jou and Shieh 2001)。根據過去多年的研究指出,台灣複雜地形和海岸對於局部地區風場和降雨系統的生成和維持、以及降雨強度和分布具有決定性的影響。決定因子除了熱力穩定度之外,地形斜坡陡度、低層水氣分布、以及盛行風之垂直風切等都扮演重要角色。GIMEX實驗期間無人飛機觀測結果顯示氣流通過複雜地形對於台灣東南部局部地區水氣分布產生顯著變化,此種短距離內水氣不均勻分布並無法由常規氣象觀測獲得,這也許可以解釋為何氣象局在台灣東南部地區降雨預報相對其他地區較不準確的原因。

飛機投落送計畫

飛機投落送觀測計畫由台灣大學吳俊傑教授和林博雄教授負責推動執行,稱之為追(颱)風計畫,在過去幾年每逢颱風接近台灣都有順利執行投擲任務,而且研究成果斐然,在國際氣象界大放異彩(詳細內容可參考http://typhoon.as.ntu.edu.tw/)。車載雙偏極化雷達計畫則由中央大學廖宇慶教授和陳台琦教授負責推動執行,所建置之移動式3公分(X波段)偏極化雷達(TEAMR)也在2008年順利完成,並在2008年5和6月加入參與西南氣流實驗的密集觀測,收集到許多與降雨相關的寶貴資料。

定量降雨預報系統

在定量降雨系集數值預報計畫方面,從2000年開始,在國科會、氣象局、以及水利署的支援下,進行國內大學聯合(台大、中大、師大、以及文化)降雨系集預報模擬實驗(Mesoscale Ensemble Forecast in South East Asia http://pblap.atm.ncu.edu.tw/mefsea),利用同一數值模式系統但不同之參數設定(或是多模式),進行連續多年梅雨季鋒面豪雨和登陸颱風之降雨系集預報,實驗結果顯示系集預報之準確度較已往單一模式預報結果有顯著改善。此一工作在第二期計畫中擴大持續進行測試,並已接近作業化之可行性。這個工作最近由台灣颱風洪水研究中心(TTFRI)接續規劃推動,將進行超過40個member的系集預報實驗,若是能據此將預報結果延伸發展至機率降雨預報,相信對於我國防救災工作將有很大的幫助。

西南氣流實驗

台灣地區地處副熱帶,為亞洲地區最顯著之季風區。此一地區暖季豪雨現象包含梅雨季鋒面豪雨天氣系統(5-6月)以及颱風季豪雨天氣系統(7-9月或更長至10或11月)。梅雨是台灣春末夏初的主要天氣現象。它是由歐亞大陸中高緯度來的乾冷氣團和從亞洲南方熱帶海域來的暖濕氣團,在華南及台灣地區交互作用的結果。梅雨現象最主要的特徵,包括在地面天氣圖有一滯留鋒,伴隨顯著水汽梯度,在850hPa以風切線形式出現。伴隨此地面鋒在衛星雲圖常可觀測一明顯濃密雲帶,由日本南方海面往西南延伸經台灣至華南地區。此梅雨鋒雲帶內經常有組織良好的中尺度對流系統,伴隨顯著中尺度天氣現象,帶來劇烈豪雨,造成重大災害。影響台灣梅雨期之豪雨系統其結構與一般孤立之對流系統不同,主要表現在組織性中尺度對流系統或嵌在鋒面大尺度雲帶內,或位於鋒前暖區不斷的生成與發展,並常形成多條雨帶和多個大降水中心的結構。此種結構特徵顯示,台灣梅雨季之豪雨現象乃是多重尺度天氣系統交互作用的結果。有利的大尺度環境條件是中尺度天氣系統發展的主要能量來源,而複雜之中尺度過程,尤其是台灣本島和鄰近之複雜地形,則決定豪雨發生的時間與位置。

為了改進豪雨預報準確度,本研究群於2008年5和6月進行了西南氣流實驗。實驗時間:2008年5月15日至6月30日,實驗地點:南中國海和台灣本島及臨近海域。實驗目標:針對豪雨預警和防減災需求,加強西南氣流導致的豪大雨天氣系統之基礎科學認知,改進現有短期定量降雨估計與預報精確度。實驗內容:經由增加南中國海和台灣海峽大氣探空(機載投落送和船舶探空),針對台灣梅雨季(東亞夏季西南季風肇始)探討南中國海西南氣流的熱動力性質,並利用環島都卜勒雷達,國科會新增車載X 波段雙偏振雷達,美國NCAR S-波段雙偏振雷達(SPOL),文化大學測雨雷達,以及自動氣象測站和地面GPS測站等儀器,進行西南季風環境下豪雨個案密集觀測和分析診斷研究,深入了解西南氣流引發之豪大雨天氣系統的激發機制,中尺度對流系統(MCSs)的內部雲微物理和雲動力結構,以及大氣邊界層過程對MCSs的發展與維持等機制,同時進行高解析度

定量降雨預報數值模擬與雷達資料同化實驗,以改進現有定量降雨預報的精確度。實驗之國際合作: 本實驗與多國科學家合作共同進行,美方提供NCAR之S波段雙偏極化雷達來台參與實驗。來台參與實驗之美國科學家包括科羅拉多州立大學大氣系Johnson 教授,猶他大學氣象系Zipser教授,夏威夷大學氣象系YL Chen 教授,和加州大學洛衫磯分校大氣系Fovell 教授,以及國家大氣研究中心(NCAR)資深研究員Jim Wilson, Tammy Weckwerth, Bill Kuo, Chris Davis, Jenny Sun, Guywon Lee, J. Vivek, and Wen Chau Lee等博士。台美科學家利用S 波段雙偏振雷達,在台灣進行不穩定大氣下,山區降雨定量估計和預報實驗,了解台灣地形對豪大雨系統之影響。另外,本實驗並吸引澳洲氣象局P. May 博士,日本名古屋大學水文大氣研究所Uyeda所長和 Tsuboki和Shinoda教授,以及韓國釜慶大學(PKNU)Dong-In Lee教授和湧浦大學(KPNU)Kyung-Eak Kim教授等,攜帶高解析度雨滴譜儀以及自行研發雲動力模式,來台參與高解析度定量降雨監測以及資料同化預報實驗。
西南氣流實驗將進行至2012年,多年實驗的目的是希望能夠探討年際變化的一些線索。相關實驗的一些實驗設計與初步研究成果可以參考http://sowmex.cwb.gov.tw/。實驗預期獲得成果:

(一) 建立豪雨期間有效之機載投落送探測方法,奠定預測梅雨季豪雨投落送作業化數值模式初始場和資料同化的基礎。

(二) 收集豪雨系統雲物理和雲熱動力資料,深入了解豪雨發生的原因,建立豪雨系統生命期包括形成、發展、維持、以及消散過程之物理特徵,作為數值模式參數化所需參數設定的基礎,有效改善現有定量降雨預報能力。

(三) 建立雷達衛星資料同化技術的測試平台與校驗資料來源,加速研究人員對高精密度氣象儀器使用的能力(如雙偏振都卜勒雷達等)。

(四) 建立並改進現有短期(0-12, 0-24, 0-36hr)和極短期(0-3, 0-6hr)定量降雨預測能力,有效改善現有防災工作上迫切需求之洪水預測以及土石流預警的精確度。

(五) 藉由實驗過程,進行基礎科學研究人才培育,增進國際期刊論文之發表,強化與國際科學界的交流和合作。

結語

台灣天氣研究計畫即將在2012年完成,十年前規劃進行的一些氣象基礎建設,都已順利完成或是進行中,這些都要由衷的感謝全體氣象界大家的合作與努力。然而我們所面臨的環境,較之前更是艱險與困難,氣候暖化所帶來的衝擊可能比預期的更要顯著或是提早。如何界定新的問題,提出具體可行的對策,都是必須及早面對未雨綢繆的。

 

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