【研究成果】雨量預測大躍進!中央大學和美國能源局合作,提高定量降水預報精準度

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  楊渝惠 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 色標為氣象雷達折射指數在台灣南部每30分鐘之空間分布。折射指數數值越高,對應到該區域水氣越多。從時間序列上可以看到近地表水氣隨時間、空間的變化與發展。此資訊掌握劇烈降水的發展過程,故同化此資訊預期能改善短期定量降水預報之表現。

我們都知道要看天氣做穿搭,但總是像徐懷鈺唱的,「聞到空氣冷溼溼的,看沒雨就懶得帶著傘了」,導致出了門才被淋成落湯雞。究竟溼溼的空氣代表會降一滴雨還是一萬滴雨,與其相信自己的鼻子,不如還是交給專業的天氣學家吧!中央大學博士生杜芳宜(Phuong-Nghi Do)及其指導教授鍾高陞老師、林沛練老師,和美國能源局的馮雅茜博士攜手合作,利用了系集同化分析方法與兩次密集觀測實驗的評估,找到了提高定量降水預報精準度的秘訣。

目前的氣象觀測,多使用氣象雷達回波、都卜勒風場兩資訊來監測與改善天氣預報。雷達發射電磁波後,大氣中的降水粒子如雨、雪、冰雹等物質將電磁波反射回雷達,這個反射回來的訊號即稱為雷達回波。降水粒子的大小形狀等特質決定了回波的強度,回波的強度越強、降水的強度就越高。都卜勒氣象雷達則利用都卜勒原理,透過雷達觀測雨滴在風中接近或遠離雷達的速度,估算風速。

這兩項資訊若搭配資料同化的技術,即能提升短期天氣預報中,定量降水的預測能力。然而,如交通部中央氣象署的定量降水預報頁面所顯示,定量降水預報功能在極短期預報(又稱即時預報)仍在發展階段、精準度還有改善的空間。其中一部份是因為目前的氣象觀測中,水氣在空間及時間上的分布資訊較為不足;另一方面,則是因為目前的資料同化技術結合氣象雷達資料時,多運用在已經降水的區域、而非無降水的區域。

來自中央大學的博士生杜芳宜及其指導教授,善用了氣象雷達也能透過地面固定目標物獲得折射指數、進而得到靠近地表之水氣資訊的特質,將蒐集到的水氣分布資料與雷達回波、都卜勒風場等資訊進行同化,並善用台灣水氣充裕的先天條件,於2008年國際觀測實驗中,選取密集觀測(Intensive Observation Period, IOP)期間有劇烈降水之情境,進行效益評估。測試的目標之一是了解額外同化雷達折射指數,對極短期降雨預報的影響;目標之二則是進一步比較在降雨系統登陸前後,持續同化折射指數所得的降雨預報精準度差異。

圖2. 研究於2008年6月中旬密集觀測第8次之降雨預報評估。(a)、(d)分別為地面降水觀測3小時與6小時累積量;(b)、(e) 分別為同化回波與都卜勒風場之3小時與6小時累積量;(c)、(f) 分別為同化回波、都卜勒風場與雷達折射指數實驗之3小時與6小時累積量。結果顯示,額外同化折射指數能進一步掌握改善定量降水預報之表現。

實驗結果顯示,將近地表的水氣資料同化,除了調整水氣分布外,也增加了風場的輻合作用等資料,有效地提升了定量降水預報的能力。此外,在劇烈天氣系統登陸台灣沿岸前,便開始同化水氣資訊,且在降水系統登入島嶼後仍持續同化水氣資訊,能進一步提升短期定量降水預報的精準度,獲得最大的效益。

精準的定量降水預報能夠提升防災措施的執行效率,中央大學大氣科學系杜芳宜博士生,在鍾高陞老師、林沛練老師的指導下,提供了提升預測精確度的可能做法,此研究也於2023年4月發表於皇家氣象學會季刊(Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society)。

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