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計畫&論文

利用WRF 3DVAR與EAKF探討GPSRO資料同化對莫拉克颱風模擬之影響

巫佳玲


摘要

        傳統觀測資料大部分集中於陸地,故可藉助雷達、衛星和飛機觀測來彌補資料稀少的海洋觀測之不足。本研究利用WRF 之三維變分資料同化系統(3DVAR)和系集調整卡爾曼濾波器(EAKF)同化FORMOSAT-3 GPSRO 觀測和GTS 資料,針對2009 年侵台的莫拉克颱風探討GPSRO資料在不同資料同化系統下對颱風預報路徑、降水、颱風結構及環境場等之影響。
        本研究四個實驗組名稱為GTS、GPS、GTSe 及GPSe,前兩個使用3DVAR同化GTS 資料和GPSRO+GTS 資料,後兩個實驗和前兩個實驗之設計相同,但使用EAKF 同化系統。由11 個資料同化預報週期的平均路徑誤差顯示GPS 實驗在預報前24 小時的平均路徑誤差比GTS 實驗小。EAKF 無論有無同化GPSRO觀測在預報48 小時內的平均路徑預報皆比3DVAR 好。將重力位高度、溫度、濕度和風場的預報與全球分析場和探空觀測比較發現使用EAKF 同化系統的RMSE比3DVAR 大,推測原因可能為GPSRO 觀測資料太少及模式模擬範圍太小,造成分析場與預報場和真實大氣差異較大。降雨得分方面,對3DVAR 之同化系統而言,GTS 同化對中雨之00 小時至24 小時之預報較好;同化GPS 之預報,大雨的ETS 得分比GTS 高。若使用EAKF 同化GTS 之GTSe 實驗在大豪雨與超大豪雨得分比較高,24-48 小時之累積降水預報,以EAKF 同化GPSRO 之GPSe 實驗的表現明顯比其他組實驗好。
        將預報與觀測24 小時累積降水比較,發現利用3DVAR 同化之實驗GPS 和GTS 之實驗能提早12 小時預報到台灣西南部強降水,而使用EAKF 實驗則可提早30 小時。使用EAKF 同化系統時,GPSRO 增量大部分都是貢獻在颱風環流,對颱風結構有正的作用,因此雖處於較不利的環境仍能預報得到較小的路徑誤差、較好的降水預報及颱風結構。由深層大氣的駛流分析得知3DVAR 預報的颱風路徑通常在最佳路徑的右側、EAKF 在最佳路徑的左側,原因為3DVAR 的東風駛流較快減弱加上南風增強,造成颱風較快往北移,預報路徑就在最佳路徑的右側,EAKF 則是駛引的東風維持較久,把颱風往西帶後再北轉,因此得到的預報路徑都在最佳路徑左側。比較3 小時累積降水時間序列分佈可看到使用3DVAR 同化系統累積降水都只發生在受到地形抬升造成的山區降水,而EAKF 除了也能預報到地形抬升所造成之降水外,也能預報到在外海和沿岸明顯的輻合降水外,EAKF模擬結果和觀測的降水分佈較為一致。

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