2017年4月28日

從衛星看颱風形成過程

作者/黃椿喜,氣象預報中心課長、賴竟豪,氣象預報中心預報員。

德氏方法估計颱風強度
西北太平洋是颱風發展的溫床,而廣大的海面上缺乏傳統的觀測資料,因此遙測衛星雲圖是作業單位監測或預報颱風不可或缺的重要資料。在衛星雲圖上,發展成熟的颱風通常具有幾個重要特徵,這些特徵可以在薔蜜(2008)颱風的結構示意圖(圖一)上找到,分別是颱風眼(eye)、眼牆區的雲牆(Wall Cloud, WC)、中心冷雲覆蓋區域、外圍雲帶(outer raind band)及嵌入雲頂(外圍雲帶之最冷雲頂,embedded cloud top)。不同階段的颱風呈現在衛星雲圖上的特徵也會有所不同,德氏(Dvorak)方法就是利用連續衛星雲圖與颱風強度的統計關係歸納所得到的重要分析方法。

圖一:颱風結構示意及衛星觀測的成熟颱風結構,右側3張圖右上至下分別是可見光、
紅外線及紅外線BD色調強化衛星雲圖。(中央氣象局衛星中心齊祿祥技正提供)
德氏方法首先由美國加州大學的氣象科學家德沃夏克(Vernon F. Dvorak)在1969~1980年間利用衛星觀測資料,發展熱帶氣旋(颱風)的衛星強度估計方法。依據紅外線及可見光雲圖在颱風上的特徵,比對當時美軍對西北太平洋地區例行性的颱風飛機觀測資料,進行一連串的分類、歸納、比對後得到颱風分析的數個重要型態,這些型態與颱風強度的關係可由圖二表示,包括彎曲雲帶(Curve Band, CB)、切離或風切型態(shear pattern)、可見光中心密雲型(Central Dense Overcast, CDO)、紅外線中心冷雲覆蓋(Central Clod Cover, CCC)、彎曲眼型(banding eye)以及眼型(eye pattern)等。《科學月刊》曾在2013年刊登由文化大學王嘉琪教授撰寫有關公民科學的「判讀衛星雲圖,網民智慧搞定」文章,詳細介紹該方法如何估計颱風強度,網民也可以在「氣旋中心(cyclonecenter.org)」的網站上協助科學家重新分析過去的衛星影像。

梅姬颱風的生命史
梅姬颱風是2016年西北太平洋的第17號颱風,前身是副熱帶太平洋高氣壓南側東風帶中的熱帶擾動,9月23日8時才在關島附近海面生成,之後逐漸向西移動併入南海至菲律賓東側一帶的夏季西南季風槽線之中,梅姬受到高壓南側氣流導引,以穩定的速度朝西北西往臺灣移動並逐漸發展而增強。24日增強為中度颱風,中央氣象局在25日深夜發布颱風警報,中心在27日14時於花蓮市登陸,當時氣象站量到最低的中心氣壓是950.9百帕,瞬間最大風速為每秒44.2公尺,最大平均(10分鐘)風速是每秒22.4公尺。梅姬颱風於27日21時10分由雲林縣麥寮出海進入臺灣海峽,並於28日5時左右由金門北方進入福建之後逐漸消散減弱為熱帶性低氣壓。以下是梅姬颱風的生命期中以德氏分析方法得到的T指數和強度的描述。

圖二:德式方法分析颱風不同類別及強度圖。(cyclonecenter.org)

梅姬颱風彎曲雲帶階段:
颱風在初生期大多呈現「彎曲雲帶」或「切離(Shear)」的型態,也就是圖二的第1、2行。切離型態是由於對流層低層(1~3公里)和高層(6~15公里左右)風速的差異(稱之為垂直風切)造成颱風隨高度產生傾斜,會不利於颱風之增強,或使其減弱消散,常見於颱風初生或減弱階段,尤其當颱風生命期後段移到高緯度西風帶以後,受強烈的垂直風切影響而經常快速減弱。切離型在雲圖上呈現高、低層的雲系分離,可見光雲圖常見到低層中心和深厚對流積雲分離的特徵。

彎曲雲帶比較常出現在颱風初生階段,彎曲雲帶形成時,颱風開始具有比較好的積雲對流發展條件,雲帶延伸一定的長度後,颱風就會加速發展,雲圖上的特徵是彎曲的帶狀雲系,依照不同階段,延伸長度會不同;雲帶越長且雲頂溫度(以顏色表示)越低時,對應的T指數越高。圖三是梅姬颱風達到輕度颱風強度後之彎曲雲帶演變的階段,判別圖形時,需先選定颱風中心,然後在其中心附近找到連成完整彎曲雲帶的最低溫度(或最高雲頂,紅外線BD色調強化衛星雲圖)代表之顏色。圖三左圖是梅姬颱風剛由熱帶性低氣壓(TD)發展為輕度颱風時的紅外線BD色調強化衛星雲圖,可以找到雲圖上深灰色(dark grey)完整彎曲雲帶、延伸幅度0.5圈,其T指數訂為2.5,對應的強度是輕度颱風的下限。圖三中圖是梅姬颱風逐漸發展後,對流雲系增強,積雲發展高度增加,雲頂的溫度降低,雲圖上的顏色呈現淺灰色(light grey)的彎曲雲帶、延伸0.75圈,T指數訂為3.0;當颱風繼續增強,彎曲雲帶延伸的幅度增加,圖三右圖顯示淺灰色彎曲雲帶延伸1.2圈,但因為沒有封閉變成環狀的牆雲結構,仍是屬於彎曲雲帶,此時T指數訂為3.5,對應強度是輕度颱風上限或強烈熱帶風暴(Severe Tropical Storm, STS)。

圖三:梅姬颱風在彎曲雲帶階段之分析,紅色曲線表示彎曲雲帶環繞的長度。
(美國海軍艦隊數值氣象及海洋研究中心)
圖四:梅姬颱風在中心嵌入階段之衛星分析,紅色+符號表是颱風中心,黃色箭頭為中心嵌入密雲下之距離。
(美國海軍艦隊數值氣象及海洋研究中心)
梅姬颱風中心嵌入階段:
彎曲雲帶發展過程中,颱風的旋轉程度隨強對流積雲發展逐漸增加,延伸有時會超過1圈以上,如果彎曲雲帶捲成封閉的環狀結構,則進入彎曲眼型或眼型階段。不過彎曲雲帶發展一段時間後,有時颱風中心附近先會產生旺盛的對流積雲,在可見光雲圖上呈現中心密雲(CDO),紅外線雲圖則是冷雲覆蓋中心的特徵,此時德氏方法針對颱風的強度估計改則為中心嵌入型(Embedded Center, EC),T指數範圍在2.5~5.0間。估計德氏強度時先給定中心嵌入雲型的大分類後,再依據雲頂溫度及中心嵌入密雲下的距離微調T值,圖四左圖是梅姬颱風T值達4.0時的紅外線雲圖,此時梅姬颱風中心已經嵌入至中心的密集冷雲之下,高層冷雲完整覆蓋的顏色是深灰色,嵌入中心最短距離大約0.4度(0.4個緯度距離,約0.4×110公里=44公里),T指數訂為4.0,對應的強度是中度颱風下限。而颱風中心對流爆發後,颱風的旋轉會再明顯加快,圖四右圖是梅姬颱風T值4.5時的雲型,此時還是中心嵌入型,但覆蓋中心的冷雲最低溫度降低,在雲圖上呈現淺灰色,嵌入中心的最短距離0.5度(約55公里)。
......【更多內容請閱讀科學月刊第569期】

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