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計畫&論文

颱風渦漩初始化與資料同化對颱風預報的影響

陳致穎


摘要

        本研究探討使用三維變分(3DVAR)和系集調整卡爾曼濾波器(EAKF)同化全球電信觀測系統(GTS)以及GPS無線電掩星(GPSRO)資料對莫拉克颱風預報的影響。從模式預報降雨與地面降雨資料的統計校驗中發現,使用WRF-EAKF同化GTS或GPSRO明顯提高了WRF 模式在24 - 48小時間的降雨預報。主要因為颱風初始渦旋經由2天的EAKF同化方法循環同化後強度增加。然而,當模式預報時間超過48小時後,同化後的降雨預報並沒有顯著改善。綜合而言同化GPSRO資料,對於莫拉克颱風0-24小時降雨預報明顯高估,而48-72小時則是明顯低估。我們發現,使用EAKF同化方式作為低解析度WRF模式的初始化方法可以產生較好的降雨預報。相較之下,3DVAR資料同化的整體表現則較差。這主要是由於不同的循環資料同化是否能產生接近實際觀測的颱風初始渦旋的緣故。
        其次,我們利用18公里解析度模式預報資料對莫拉克颱風進行2公里高解析度降尺度預報。我們發現使用NCEP GFS作為對流尺度高解析度模式的側邊界條件,將會使模式明顯改善24小時以後的降雨預報,而且提供較佳的預報結果。然而使用EAKF或者冷起動模式的預報資料作為側邊界條件,其預報結果並不如預期的好 。由此結果顯示,側邊界條件對小區域的雲解析度模式預報之影響相當重要。因為,模式預報24-48小時颱風的路徑以及降雨是受環境流場影響為主,而初始渦旋強度以及結構主要是影響模式在最初0-24小時內(CTRL,EAKF和GFS)的降雨量預測,這結果相當明顯呈現在我們的敏感度實驗中。
        由於,前兩個部分針對莫拉克颱風的同化與敏感度實驗已證實初始渦旋以及側邊界條件對模式預報的重要性。基於資料同化對於颱風初始渦旋掌握的不確定性,以及無法在模式初始場提供正確的颱風渦旋雨帶結構。因此,我們利用了Nguyen and Chen (2011)的颱風初始化方法針對2004 – 2013年18個西北太平洋的颱風進行颱風初始化對颱風結構的影響以及分析,主要目的是要瞭解這個初始化方法能否初始化出接近實際衛星觀測的雨帶結構。初步結果顯示,透過這個方法可以正確的呈現環境場與颱風渦旋間的交互作用的過程,而且可以有效提供模式初始條件較合理的颱風渦旋結構。因此,最後我們將NC2011以及3DVAR資料同化方法進行結合對2012年颱風杰拉華進行實驗性預報,並討論部分預報結果。初步結果顯示,結合NC2011以及3DVAR資料同化方法是可行的,不過由於杰拉華颱風的路徑預報受到大尺度環流的影響過於顯著,透過使用Nataional Center for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis (NCEP CFSR)作為側邊界條件可以證明模式中LBCs的重要性。雖然預報路徑與實際最佳路徑相比仍有相當差距,不過颱風結構仍舊呈現出與衛星觀測接近的特徵。

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