定量降雨預報技術

1.定量降雨系集預報實驗

颱洪中心於2010年起進行「定量降雨系集預報實驗」,其目的在研發測試定量降雨預報技術並增加災防單位應變作業時可參考之資訊,協助提升災害防救效能。

本實驗結合學研界(臺灣大學、中央大學、臺灣師範大學及文化大學)與作業單位(中央氣象局)之研發能量,並結合國家高速網路與計算中心的計算資源及國家災害防救科技中心的實務經驗。於颱風影響台灣期間,每日產出4次即時高解析度台灣地區天氣狀況並利用系集統計方法與機率預報概念,分析颱風路徑與雨量分布,並提供致災性雨量的機率預報。

實驗期間,所有實驗結果均利用數據專線,即時傳輸至氣象局、水利署、災防中心…等供參考應用。此外本中心並將重要結果整理成簡報檔,每日兩次主動即時提供氣象局、災防中心、水利署(含防災應變中心、河川局及協力單位(台大天災中心、成大水利及海洋工程系))、水保局土石流防災中心、陸軍總部、國研院院部、國科會…等災防相關人員參考之用。透過此實驗平台的模擬,可提昇國內定量降雨數值預報的技術,並將研發成果應用在實際作業上,充分達到研發、服務及育才的目標。

展示平台:

為服務防災相關單位應變需求,本中心於今年規畫建置網頁版展示平台,透過網頁平台界面即時展示實驗成果。颱風路徑展示部分可呈現系集平均結果與各系集成員路徑,並疊上中心120公里範圍內進入當地之機率圖。雨量部分可呈現未來24、48、72小時平均累積雨量圖,並搭配各分區、測站之逐時雨量與累積雨量圖;本平台亦提供達到致災性雨量之降雨機率預報,供災防單位參考運用。
圖1、 颱風定量降雨數值模式系集預報實驗成果展示平台
圖1、 定量降雨系集預報實驗展示平台

實驗成果:

•2010年莫蘭蒂颱風:實驗結果顯示,系集預報對於莫蘭蒂颱風之降雨於整體降雨分布(圖2)或區域極大值均有不錯的表現。
圖2、 2010年莫蘭蒂颱風累積雨量(9月9日0000UTC~9月10日0000UTC),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。
圖2、2010年莫蘭蒂颱風累積雨量(9月9日0000UTC~9月10日0000UTC),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。

2010年凡那比颱風:

針對颱風之降雨,系集預報主要可反應出南部山區及東部山區的降雨(圖2),但模式無法模擬出高屏沿海地區之強降雨現象。分析凡那比登陸與出海期間之雷達回波圖顯示,凡那比颱風登陸後中心結構遭地形破壞,強度明顯減弱;但凡那比中心出海後,於台灣海峽重新組織發展,並逐漸形成滯留性雨帶,造成高屏沿海地區出現瞬時之劇烈降雨。由於此滯留性雨帶的出現,導致高屏沿海地區在6小時之內,出現破紀錄的雨量;雖然此雨量較山區的最大累積降雨1128.5 mm(屏東瑪家)為低,但其已明顯超過防洪設計標準(70 mm),同時適逢大潮,因此在短時間造成嚴重淹水災情。此種颱風中心出海後後重新組織導致台灣西部局部地區出現劇烈降雨的現象,目前數值模式仍無法合理掌握,因此無法反應在系集平均結果上。
圖3、 2010年凡那比颱風累積雨量(9月19日0000 LST~9月20日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。
圖3、 2010年凡那比颱風累積雨量(9月19日0000 LST~9月20日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。

2010年梅姬颱風:

下圖為造成蘇花公路重大災情的梅姬颱風,在10月18日所做的系集路徑預報(圖3)與10月21日之24小時定量降雨系集預報成果。利用系集預報技術所得之結果顯示在路徑部分提早預報北轉的趨勢,在2天前即可預報到梅姬颱風在進入南海地區後,路徑出現大角度偏轉的現象,同時也從19日開始,持續預報台灣東北部地區有劇烈降雨現象。
圖4、 2010年梅姬颱風系集路徑,預報起始時間分別為左圖10月18日0000UTC;右圖為10月18日1200UTC。黑色:系集平均,紅色:觀測路徑,其餘色系為系集各成員路徑。
圖4、 2010年梅姬颱風系集路徑,預報起始時間分別為左圖10月18日0000UTC;右圖為10月18日1200UTC。黑色:系集平均,紅色:觀測路徑,其餘色系為系集各成員路徑。

圖5、 2010年梅姬颱風累積雨量(10月21日0000LST~10月22日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。
圖5、 2010年梅姬颱風累積雨量(10月21日0000LST~10月22日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。

2011年南瑪都颱風:

圖6為系集實驗期間南瑪都之路徑誤差,結果顯示系集平均之路徑誤差於24小時約為100公里,72小時則為400公里。主要原因為在南瑪都生命期初期環境變化較難掌握,若分析誤差隨時間變化可發現(圖略),72小時路徑誤差從生命初期的500-600 km到後期降低為200-300km。南瑪都系集平均雨量顯示,可掌握中南部之強降水特性,惟中北部所估計之降雨有略微偏高現象,仍有待進一步分析探討。
圖6、 2011年南瑪都颱風路徑誤差圖。黑色線為系集平均結果,其餘色系為系集各成員結果。
圖6、 2011年南瑪都颱風路徑誤差圖。黑色線為系集平均結果,其餘色系為系集各成員結果。

圖7、 2011年南瑪都颱風累積雨量(8月30日0000LST~8月31日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。
圖7、 2011年南瑪都颱風累積雨量(8月30日0000LST~8月31日0000 LST),左圖為實際觀測;右圖為系集平均。

綜合上述數值模式系集預報實驗結果顯示,系集預報技術對於颱風造成的台灣地區定量降雨有一定的掌握能力,但仍須加強數值模式對於中尺度對流系統的模擬能力。未來本中心將透過數值模擬和診斷分析,發展不同類型颱風的中尺度對流系統變化之概念模式,配合定量降雨系集預報,嘗試改善中尺度降雨之預報能力。

定量降雨整合預報技術:

自2010年至2012年的3年定量降雨系集預報實驗的過程中可知,20個系集成員之平均雨量對於雨量趨勢的掌握程度相當不錯,但是對於極端事件的極端值卻常較為低估。為了提升系集預報實驗結果,利用統計方法(如類神經網路),發展20組系集成員預報雨量的整合技術。針對蘇拉颱風(2012)的測試結果如圖8所示。結果顯示,修正過後之系集平均(圖8右圖)能保持雨量趨勢的分布,能掌握最大值的區域,並確能提高雨量極值。
蘇拉颱風累積雨量
圖8、 蘇拉颱風累積雨量 (8月1日0800LST~8月2日0800LST),左圖為實際觀測;中圖為原始系集平均;右圖為修正後系集平均。

相關論文:

Lee, C.-S., L. Y. Chang, M.-J. Yang, L.-F. Hsiao and H.-C. Kuo, 2011: Typhoon Quantitatively Precipitation Forecast Ensemble Experiment In Taiwan: 2010. 8th Annual Meeting and Geosciences World Community Exhibition (AOGS), Taipei, Taiwan.
于宜強、鄭兆尊、林李耀,2011:颱風定量降雨技術發展與改進。建國百年天氣分析預報與地震測報研討會論文彙編,中央氣象局,167-172。 曹嘉宏、洪景山,2011:系集模式颱風定量降水:個案研究。建國百年天氣分析預報與地震測報研討會論文彙編,中央氣象局,278-282。
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