系集动力模式对於西北太平洋的台风季节模拟及预测

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1、系集動力模式對於西北太平洋的颱風季節模擬及預測系集動力模式對於西北太平洋的颱風季節模擬及預測 梁信謙 梁信謙 陳正達陳正達 童裕翔童裕翔 陳建蒲陳建蒲國立臺灣師範大學地球科學系國立臺灣師範大學地球科學系 摘摘 要要 颱風季節預報可以事先幫助沿海附近的居民降低經濟損失及人員傷亡，進一步減少熱 帶氣旋登陸時所造成的災害。因此對於亞洲太平洋地區，建立良好的颱風季節預報系統是 非常迫切的事務。不過近年來利用動力模式從事這方面的研究大多在大西洋地區，而以低 解析度的全球模式為主要的工具，模擬出來的熱帶氣旋具有水平尺度的環流系統以及暖心 結構，不過中心強度並不是非常理想。雖然模式本身會有一些偏差，但仍然有

2、能力去模擬 出近似於氣候平均和年際變化之現象，甚至還可以模擬出與觀測位置、時間大致皆相同的 颱風。本次研究目標是將高解析度的全球模式做為動力預報系統的主軸，進而找尋西北太 平洋上的熱帶氣旋。這種模式內部的方程組是以流體力學、熱力學和物理過程為基礎，而 不是加入自己所設想的方法和定則，因為必須以朝向正確方向去研究颱風和氣候尺度兩者 之間的交互作用。因此在建立預報系統的過程中，我們將會探討及研究一些關於系集模式 的解析度、參數化和資料敏感性等問題。 關鍵字：系集預報，颱風，颱風季節預報 一、前言一、前言 Manabe在1970年使用低解析度的大氣模式 (AGCM)進行熱帶氣旋的模擬，也是第一位利用

3、模式 去模擬颱風的研究人員 。 之後許多科學家開始利用大 氣模式去模擬颱風的年際變化、路徑、分佈等等，當 然IPCC(Intergovernmental Panel on Climate Change) 的報告中，熱帶氣旋的模擬也是非常重要的項目之 一。 西北太平洋是全世界颱風數量最多的地區 ， 而台 灣平均每年有35顆颱風侵襲，因此良好的颱風季節 預報系統必須建立 ， 以利於減少熱帶氣旋登陸時造成 的災害。近年來由於電腦大幅提升，系集動力模式逐 漸成為趨勢 ， 大多作業單位都希望模式可以有越多的 模擬結果，進一步提升可信度。而本次研究是利用 ECHAM4和ECHAM5兩個AGCM，各有5個m

4、ember 及3個member。大致上模式對於年際變化、平均生命 期、ACE(Accumulate cyclone energy)及路徑分佈有不 錯的表現，不過受到解析度的影響，模式對於風速的 模擬有一定的範圍 ， 因此沒有辦法使用對於觀測的定 義去做分類。 從一些研究指出，ENSO(El Nino and Southern Oscillation)對於颱風的生成位置有明顯的改變，本篇 研究也針對此現象進行簡單的分析 ， 可以得知模式對 於ENSO的敏感度是存在的，對於聖嬰及反聖嬰現 象，都可以掌握住。路徑分佈上，模式幾乎沒有Recurved的現象，也許受到了環流場的關係，缺少向 北的駛流，造

5、成模式的偏差；另外在季節變化上，颱 風季前的數量，模式會高於觀測，反觀颱風季時卻是 低於觀測 ， 或許模式對於垂直風切和季風槽的模擬並 沒有掌握到。 本次研究是希望能建立系集颱風季節預報系 統，研究颱風和氣候尺度兩者之間的交互作用，進行 該年度的颱風模擬，進一步提供防災及農業所需，減 少在颱風季的傷害和經濟損失。 此篇內容第二部分為介紹資料(包含觀測資料、 再分析資料)、分析方法及模式；第三部分則是呈現 模擬結果和觀測的比較以及探討偏差原因 ； 第四部則 是做一個結論及討論。 二、資料及分析方法二、資料及分析方法 (一) 觀測資料介紹 為了能與模式所模擬的颱風作比較分 析，使用1979-200

6、7年每6小時IBTrACS(International Best Track Archieve for Climate Stewardship)颱風最 佳 路 徑 資 料 ； 另 外 使 用 ERSST(Extended Reconstructed Sea Surface Temperature V3)全球海平 面溫度資料(Smith and Reynolds, 2004)經緯度網格點 為2。 2。；大尺度環流場資料採用NCAR/DOE Reanalysis-2的重分析資料，網格點為2.5。 2.5。 (二) ECHAM模式介紹 本篇所使用的模式為ECHAM4，採用 最高之水平解析度 T106

7、(120km，換算至經緯網格 點共為320160個網格點)，垂直方向共為19層。驅動 模式的下邊界條件為NCEP-CFS月平均之觀測海溫 資料。 ECHAM5大部分都沿用ECHAM4的物理計算方 法 ， 唯 平 流 法 (advection scheme) 改 採 Lin and Johnson(1996)以及加入估算總水量的預報統計法 (prognostic-statistical scheme)(Tompkins 2002)，水平 解析度為T106(120km，換算至經緯網格點共為320 160個網格點)。 (三) 模式中熱帶氣旋之定義 本次研究對於定義模式中的熱帶氣旋是根據 Walsh(

8、2007)所整理的以不同解析度所應該對應之定 義，然後再加以調整。本篇模式為ECHAM4T106及 ECHAM5T106，標準如下： 1. 850hPa的渦度須大於810-5 2. 最低氣壓中心與正渦度中心之距離不超 過4。 3. 暖心梯度(溫度場)為 -0.4/5。 4. 暖心梯度(高度場)為 -50m/5。 5. 氣壓梯度為 -5hPa/5。 6. 南北緯度為50 7. 底層風速大於15m/s 8. 下一個時間點(6hr)必須在400km以內有 符合前面條件的氣旋才定義為上個時間 點風暴之移動 9. 生命期至少1.5天 三、模擬結果三、模擬結果 (一) Interannual Variab

9、ility 圖1為模式對於年際變化的表現，大致上都可以 掌握到大概的趨勢，尤其在ENSO的部分，模式也是 有模擬出與觀測相同的形態。不過ECHAM4的結果 是明顯優於ECHAM5，可能和所定義的颱風條件有 關，因為兩種模式在一些內部機制上略有不同，因而 產生差異，影響結果。另一個有趣的地方，圖中 ECHAM5的颱風個數幾乎都高於實際觀測，是否跟 上述所提到的條件有關 ， 使得模式將太多渦旋都定義 為颱風。 圖1、1979-2007年颱風個數 模式和實際觀測 之年際變化圖(黑色線為IBTrACS；紅色 ECHAM4 Ensemble mean；藍色為ECHAM5 Ensemble mean) (

10、二) Accumulate cyclone energy(ACE) (3.1) 圖2、1979-2007年西北太平洋Accumulate cyclone energy 模式和實際觀測之年際變化 圖(紅色線為IBTrACS；綠色ECHAM4 Ensemble mean；藍色為ECHAM5 Ensemble mean) 利用(3.1)式，我們可以計算颱風的Accumulate cyclone energy，簡稱為ACE， 它是計算每年的颱風能量，包含了三個部分：個數、 生命期和生存時間，可以進一步分析能量的變化。 從 圖 2 可 以 看 出 無 論 是 ECHAM4 或 者 是 ECHAM5，在年

11、際變化的表現上都有掌握到，特別 的是，ECHAM5在個數上和觀測的相關性不高，卻 在ACE的表現上的相關係數達到0.57。但因為模式解析度大約120km，所以在風速上有一定的極限，因此 ACE的數值一定比觀測值來的低。 (三) Typhoon Lifetime 圖3是每年颱風的平均生命期，單位為 Hours/counts，可以看出ECHAM5的表現比ECHAM4 來的好許多，有可能是這個因素，所以使得ECHAM5 在ACE(圖2)上有不錯的相關。另外從圖3我們又可以 發現在1997年之後 ， 觀測資料的颱風平均生命期有一 個落差，不過在本次研究中，並沒有深入去探討。 圖3、1979-2007年

12、颱風平均生命期 模式和實 際觀測之年際變化圖(紅色線為IBTrACS；綠 色ECHAM4 Ensemble mean；藍色為 ECHAM5 Ensemble mean) (四) Surface pressure-wind Relationship 在之前的論述中有提到，由於模式解 析度的關係，使得風速模擬有一定的極限，不過 ECHAM5可以模擬出較大的風速，可以從圖4和圖5 得知ECHAM4的風速大多集中在1030m/s，最大風 速 大 約 40m/s ； ECHAM5 的 風 速 則 是 其 中 在 1040m/s，最大風速可以達到50m/s。 圖4、1979-2007 ECHAM4(mem

13、ber A)地面風 速和氣壓散佈圖(黑色的點為IBTrACS；紅色 的點為ECHAM4_A) 圖5、1979-2007 ECHAM5(member A)地面風 速和氣壓散佈圖(黑色的點為IBTrACS；紅色 的點為ECHAM5_A) (五) Seasonal Variability 圖6、1979-2007年颱風個數 模式和實際觀測 之季節變化圖(紅色線為IBTrACS；綠色 ECHAM4 Ensemble mean；藍色為ECHAM5 Ensemble mean) 前幾個章節都以年際變化為主，接著 將時間尺度縮小，從圖6發現，模式對於季節變化的 模擬良好，不過可以發現，在颱風季(69月)模式

14、明 顯低於觀測，但在15月及1112月，模式又高於觀 測，造成此現象有可能是因為模式對於垂直風切、季 風槽等等的大尺度環流沒有掌握住 ， 不過整體來說模 式對於季節變化已經有一定程度的表現。 (六) Genesis Location 圖7、1979-2007平均生成位置(經度) 模式和 實際觀測之年際變化圖(紅色線為 IBTrACS；綠色ECHAM4 Ensemble mean； 藍色為ECHAM5 Ensemble mean) 根據Wang and Chen(2002)提出，強聖 嬰年對於西北太平洋的颱風活動有很重要的影響 。 在 平均颱風季(79月)的的生成位置會偏東南象限，意 指生成位置

15、會靠近赤道且接近換日線 ； 則強反聖嬰年 則相反，偏西北象限。因此反觀模式是否可以表現出 雷同的情況，從圖7所示之中可得知，模式在聖嬰及 反聖嬰年都有向東及向西偏向的情形 ， 以最強聖嬰年 1997年為例，模式的颱風生成位置的確有向東，不過 ECHAM5比實際觀測高估，ECHAM4則低估。不過 模式對於緯度的年際變化(圖8)的確不理想， ECHAM4的相關係數只有0.05 ；雖然ECHAM5的相關 係數為0.44，但是生成位置都明顯偏高至少23個緯 度。 圖8、1979-2007平均生成位置(緯度) 模式和 實際觀測之年際變化圖(紅色線為 IBTrACS；綠色ECHAM4 Ensemble m

16、ean； 藍色為ECHAM5 Ensemble mean) (七) Typhoon Track Density 圖9、1979-2007 IBTrACS在西北太平洋颱風 路徑密度 圖9、圖10和圖11是定量計算西北太平 洋每2.5。 2.5的網格點上，平均29年颱風所通過的次數累加。可以利用此方式來看颱風主要的活動範圍。 從圖9可以得知，颱風主要是向西北移動及Recurved 兩種路徑；另外在菲律賓東西兩側為主要是生成位 置，因此為最大值之處。在ECHAM4(圖10)模擬中大 部份的颱風都向西移動；ECHAM5(圖11)也是大部分 向西移動，不過可以看出有些微Recurved的路徑。兩 種模式在菲律賓的東西兩側都是數值大值之處 ， 在路 徑的部分或許受到大尺度環流影響 ， 向北的駛流不明 顯，造成模式的颱風不會向北移動。 圖10、1979-2007 ECHAM4(member A)在西 北太平洋颱風路徑密度 圖11、19