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利用MM54DVAR模式和加入福卫三号及虚拟同化资料来研究台风个案珊珊
利用 MM5 4DVAR 模式和加入福衛三號及虛擬同化資料來 研究颱風個案珊珊 吳俊澤 黃清勇 國立中央大學大氣物理研究所 摘 要 本研究同時採用中尺度數值預報模式 MM5 及其 4DVAR 系統 (MM5-adjoint 模式),探討福衛三號GPS 掩星反演折射率資料同化與加入的虛擬渦旋資料同化 (bogus data assimilation, BDA ),了解颱風初始分析場的改進對珊珊颱風預報的 影響。結果發現加入虛擬渦旋(僅海平面氣壓)同化為初始觀測場,可以提供較 為接近實際的強勁颱風,BDA 主宰對預報的影響,明顯改善了路徑提早北偏的 現象,逐日降雨量和 72 小時路徑預報上都有優越的表現。而折射率探空資料同 化則對環境熱力水汽場有些影響,但基本上遠不及 BDA 的顯著效果。未來的研 究將結合更多資料的同化,期望能對於颱風路徑和降雨強度預報的模擬能更加精 確地掌握。 一、前 言 台灣是亞熱帶地區的一個海島,每年從 5 月開始到 10 月都可能受到颱風的 侵襲。台灣所有的氣象災害之中,以颱風的影響為最大。西北太平洋是全球熱帶 氣旋活動最旺盛的地區,平均每年約有 25.7 個颱風生成(Neumann ,1993); 台灣位處於西北太平洋之濱、颱風路徑之要衝,平均每年有 3-4 個侵台颱風,約 6 個對台灣有影響的颱風(謝等, 1998)。李(1988)調查分析台灣位於太平洋 西濱,幅原雖然不大,但因為是在颱風移動的主要路徑之上,平均每年約有 6 個左右颱風影響台灣和附近海域,Yeh and Elsberry (1993)更進一步分析之中更 有 2 至 3 個颱風其中心直接侵襲台灣。Willoughby (1995)認為各颱風雖有其特 異而複雜的中尺度結構,但颱風之暴風雨大多集中於中心附近,因此準確的路徑 預報成為颱風預報的關鍵。 本研究亦使用 4DVAR 來探討資料同化對颱風路徑及強度預報的影響。 4DVAR 同化為最具有效和最具吸引力的方法之一,其以估計理論(estimation theory)為基礎,且能最小化(minimization)分析資料的偏差,並且構成此變分分析 (variational analysis)的理論基礎(Gelb,1980) 。這個數學處理方法可得到一理想的 分析解,並提供於資料分析。由於模式會受到物理及動力方面的限制,將所有資 料同化為一時間窗內,藉以改善初始場,對於模式積分的結果將有所助益。此方 法(4DVAR)藉由模式的調整過程,透過不斷地積分計算,直到找到一最佳的解, 使資料與分析變數的誤差最小化。 二、研究方法與實驗設計 MM5 4DVAR 主要是建構在 MM5 非靜力中尺度模式上的四維變分資料同化 系統。此系統可以將所有資料同化為一時間窗區內,藉由模式的調整過程,使資 料與分析變數的誤差達到最小值,來改進模式的初始分析場,使其更接近實際的 大氣狀態而提高數值模式預報的準確度。 MM5 4DVAR 在變分問題的數學處理上,採用一個客觀函數的最小化(即 cost function 價值函數) ,定義為如下: 1 T −1 1 T −1 [ ] [ ] { [ ] } { [ ]} J = x (t ) − x B x (t ) − x + ∑ h x (t ) − y O h x (t ) − y 0 b 0 b r obs r obs 2 2 tr (r =0,R ) 其中
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