2017年12月27日

風雨將臨—從多重時空尺度的天氣預報到即時天氣預報

黃椿喜/中央氣象局氣象預報中心課長。


羅倫茲的蝴蝶在超級電腦中翩翩揮動著數值天氣預報之舞,預報員在多重的時空中描繪著關於即時、今明、周、旬、月、季、年復一年氣象預報的故事。

現代化天氣的基礎及變革
精密的天氣觀測系統是所有天氣預報的基礎,氣象局除了傳統的人工觀測氣象站以外,近年來於全臺各地不斷增設自動雨量站與氣象測站,目前涵蓋全臺的自動氣象站已超過300 個,自動雨量站則超過500 個,若包含其他單位通過檢核的雨量站則達800 個以上,氣象站間的平均距離小於10 公里。雖然臺灣有這麼高密度且精確的氣象站,但仍不足以應付各式各樣的防災需求。因此另外設置了以五分山、花蓮、墾丁及七股為主的4 個雷達氣象站,並整合其他雷達的觀測網。雷達觀測的原理是由主動發射的電磁波偵測空氣中的雲滴或水滴粒子產生的回波,利用回波與降雨的關係則可估計可能的降雨量,其優點是空間涵蓋密度高,且範圍較廣、時間的解析度也高,尤其雷達觀測的目標就是與劇烈天氣最相關的降雨,若利用都卜勒觀測原理也可以估計天氣系統中的風場結構,但缺點是由雷達回波換算成的雨量仍存在不小的誤差,精確度有待提升。除此之外,氣象預報上使用的資料還有衛星、閃電、探空氣球及飛機觀測等,關於氣象觀測的設置及原理,可以參考《科學月刊》第556 期的觀測專刊、第569 期的衛星觀測。

有了大量的天氣觀測之後,傳統的天氣分析會將這些觀測資料填在天氣圖上,預報員就可以畫出等壓、等溫或氣流線等,再依據這些分析知道現在大氣的狀態。早期的天氣學有一部分就是由觀測天氣並記錄,而後產生天氣圖的過程中,逐漸歸納出天氣運行的原理,甚至推估天氣可能的演變,而進行最初步的預報。因此氣象預報員的第一個工作通常是在天氣圖上分析這些觀測資料,再依據經驗、統計或天氣學的原理逐漸學習大氣運作的方式。

二次世界大戰之後高速計算機開始產生革命性的快速發展,與此同時,氣象科學家試著將描繪空氣動力的原始方程式編譯成為電腦的程式語言,經由高速電腦進行運算,便可以進行時間積分,預測天氣未來的演變,這個過程就是「數值天氣預報」。數值天氣預報發展經歷了非常長久的時間,超過半世紀的不斷改進並加速運算之下,現在已經可以精細到數公里的解析能力。在21 世紀以前,由於數值天氣預報的準確度不足,且對其後處理的標準過程未能妥善建立,因此有很長的一段時間,天氣預報是由預報員詳細分析這些數值天氣預報,再經由長期累積的經驗來主觀預報天氣。嚴格來講,這個時期的大部分天氣預報仍是屬於經驗科學,數值天氣預報還不足以精確到成為正式的預報產品,因此需要經由預報員解讀數值天氣預報圖,再依據其長期累積及訓練的經驗,進行全臺20 個以上的縣市分區的天氣預報。這樣的過程難進行以高效率且精密的預報。更重要的是,傳統的預報方式受個別預報員經驗及有限的預報時間限制,難以擴展到非常精細的預報,因此無法有效應用於鄉鎮或更小區域的天氣預報中。

數值天氣預報改良成長
21 世紀以來,隨著超級電腦的運算速度不斷提升,數值天氣預報不斷改良有了爆發性的成長。而另一方面,行動裝置普及化後,資訊量及流通的速度也不斷增加,當然對於氣象預報的需求也不斷增長。因此依據縣市為基礎的天氣預報已不敷需求,需要細緻到鄉鎮、甚至更小區域的天氣預報。氣象局於是在2012 年引入了數位化的圖形預報,導致了臺灣地區天氣預報的革命。傳統上由預報員以純主觀方式分析並轉換成縣市預報的概念被徹底翻轉,在天氣預報的流程中,大量導入數值天氣預報及新的客觀科學方法,再經過一系列的分析與訂正,預報員透過科學化、系統化的訓練,每天詳細分析大量天氣預報數據,以近期的預報校驗及長期的統計分析產生最佳的客觀預報產品,預報員依據長期累積的經驗,主觀進行預報的選擇或調整,產生基於圖形化,具有非常高時間、空間密度的數位資料,再由智慧型的文字產生器發布鄉鎮天氣預報。

臺灣的天氣預報在這個過程中,由傳統上不易檢驗的經驗科學,正式進入可檢驗的數位天氣預報的時代。從自動觀測資料、雷達觀測氣象網整合,到數值天氣預報產生的大數據產品,現代化的天氣預報背後需要非常強大的科學團隊發展天氣預報技術,他們將數值天氣預報產品,經由觀測、統計甚至是預報員的經驗科學進行系統性的量化,產生在臺灣地圖上高時空密度的數位預報。這是氣象預報時代的轉淚點,天氣預報由單純看圖推論及說故事的經驗科學時代,進入高科技的現代化天氣預報。透過歸納、統計、數值天氣預報、系集天氣預報,進而使用大數據、資料探勘與人工智慧產生的科技結晶。因此現代化的天氣預報流程,需要非常精細的氣象觀測系統,精準描述大氣動力的數值天氣預報系統,是多時空維度大數據、資料探勘與人工智慧的支援,最後再加上良好訓練的預報人員才能完成高品質的天氣預報。

圖一:多重時間、空間尺度天氣預報使用之模式、方法及概念。

多重時空尺度的天氣預報
現代化的天氣預報可以將天氣預報分為不同的階段,依據天氣預報信心度及預報方法區分為周以上的展期預報、3~7 日的短中期預報、1~3 日的短期預報、0~6 小時內的極短期預報或即時預報,最後則是現況的監測與分析。

通常在3~10日的短中期天氣預報,對應的是全球預報系統,可以針對全球的大尺度天氣進行預測,這些全球預報系統通常整合國家級以上的資源,系統投入非常充足的資金、人力與技術,因此預報結果通常較穩定,且具有較好的短中期預報技術。全球預報系統的預報長度達7~14 日以上,以解析綜觀尺度的天氣現象為主,預報員通常依據全球預報不同分層的天氣或動力條件綜觀分析天氣,比對概念模式,有時會參考統計或類比方法,再依據其經驗進行定性的診斷或預報。這個階段由於信心度較低,因此通常以分析大範圍的系統為主,預報上大多是定性的描述,相對上定量的預報較少。

1~3 日的短期預報,可以對應區域預報系統或區域系集預報系統,氣象局發展的區域預報系統具有更高的解析度,對於地形、邊界層處理更精細,且導入更多的觀測資料,如果再使用系集預報系統,甚至可以提供預報不確定性或頻率的評估,因此可以進行比較詳細的定量天氣預報。

而現況當然是依據現有的觀測資料進行天氣的監測,包括高密度的地面自動觀測或雨量站、天氣雷達、閃電或衛星等。即時預報則使用雷達分析及外延方法,由現況外延推估未來1 小時之內可能發生的天氣現象及降水量。

圖二:使用雷達資料同化方法,把右邊的雷達觀測回波同化至數值天氣預報模式中產生左圖的初始回波。
(中央氣象局)


圖三:2015 年6 月14 日14:30~17:30 分雷達、60 分鐘雨量及閃電觀測資料,數字是自動氣象站觀測之60 分
雨量、左底圖為雷達估計雨量;右圖底圖為雷達觀測回波,藍色小點則是閃電訊號。(中央氣象局)






















而介於現況與短期預報之間,就是即時天氣預報或極短期(0~6 小時)天氣預報的範疇,也是目前氣象預報上最重大的挑戰之一。一般來說,未來1 小時的預報,如果天氣系統的變化不太大,可以用現在的雷達回波外推得到不錯的預報效果,不過當我們想要繼續外推到2個小時後的天氣預報時,卻常常遇到很大的麻煩。這是因為和劇烈天氣有關的強烈對流風暴生命期通常只有數10 分鐘至數個小時,由於天氣系統變化速度太快,加上臺灣地區的複雜地形影響,導致1 小時以後的預報變得非常困難。這時候我們更關心能否把雷達資料放到數值天氣預報系統的大氣初始狀態中,這個過程稱做「雷達資料同化」,而後依據初始狀態使用數值天氣預報積分,產生0~6小時內的極短期天氣預報。雷達資料同化的原理看起來好像很簡單,也確實可以在很短時間內預報天氣,但是雲裡面的變化速度實在太快,科學家現在還努力克服將雷達觀測放到數值天氣預報中的難題。......【更多內容請閱讀科學月刊第577期】



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