中央氣象局數值天氣預報作業控制系統

中央氣象局數值天氣預報作業控制系統(NWP operation Control System，簡稱 NCS)已於 2012 年底在第五代高速運算電腦系統 Fujitsu PRIMEHPC FX10 上運行。目前數值天氣預報作業系統包括全球預報 系統(Global Forecast System，簡稱 GFS)、區域模式之非靜力平衡預報 系統(NFS)、天氣研究與預報模式(Weather Research and Forecasting，簡 稱 WRF)以及包含針對颱風調校的成員和系集成員之系集預報系統 (Ensemble Forecast System，簡稱 EFS)等 4 大類模式及 30 餘成員。其 中 WRF 為美國近年來集合美國學術界和作業單位人力所發展之中尺 度天氣研究與預報數值模式；中央氣象局最初於 2002 年開始試用，並 於 2007 年底正式上線使其融合於氣象局數值天氣預報模式作業環境，

建構成中尺度數值天氣資料同化系統，稱為 CWB WRF。

目前中央氣象局各模式成員每日預報作業次數與預報長度如表 3.1 所列，各作業模式啟動及資料間之關係如圖 3.1 所示。其中區域模 式包含非靜力平衡預報系統(NFS)及天氣研究與預報模式(WRF)。

表 3.1 中 NFS 有兩個作業成員分別為 M00 及 M02，二者採用的網 格解析度均為水平解析分為 45km、15km 及 5km 之巢狀網格，垂直層 數為 30 層；M00 及 M02 成員間之差異主要在於使用之側邊界資料上 游模式來源不同。WRF 有四個主要成員分別為 M00、M01、M02 及 M03，其中 M00、M01 及 M02 模式同樣採用水平三層之巢狀網格，各 層解析度分別為 45km、15km 及 5km，垂直層數則為 45 層。

在 WRF 系統中，M00 與 M02 成員之差異為側邊界資料採用的上 游 模 式 不 同 ； 模 式 之 初 始 場 同 為 經 由 WRF 和 WRF 三 維 變 分 (Three-dimensional variational assimilation，簡稱 3DVAR)所建構之資料 同化系統產生。M01 主要為針對颱風預報所調校的模式成員，其 3DVAR 之設定和颱風渦旋處理程序不同。另 M03 成員之模式設定與 M00 成員相同，但數值網格採用水平二層之巢狀網格，各層解析度分 別為 20km 及 4km。WRF 作業系統另有系集調整卡爾曼濾波(Ensemble Adjustment Kalman Filter，簡稱 EAKF)，以及 20 組系集成員(WRF Ensemble Prediction System，簡稱 WEPS)運行。

EAKF 模式採用水平解析度 45 kn 網格，垂直層數為 45 層。初始 係 利 用 美 國 國 家 環 境 預 報 中 心 (National Centers for Environmental Prediction，簡稱 NCEP)全球預報系統預報資料，配合 3DVAR 產生 32 組擾動猜測場；之後，再利用 32 組成員進行 6 小時預報，其產出的 預報場將作為下次預報之猜測場，模式產生的分析場將提供 M00、M02 成員使用。WEPS 模式則利用主要作業模式執行間之空檔時間，採冷 啓動(cold start)方式執行預報作業(每日執行 4 次)，每次產生 72 小時 預報資料。

系集預報系統(EFS)作業分別有 M00、M03 及 M05 等成員運作中，

其中 M00 成員除了採用所有網格點等權重的全球系集預報模式執行預 報時間為 28 天之預報作業外，同時以多模式迴歸法執行的全球超系集 預報模式，亦即採用每個網格點之權重因地點及預報時間而異方式，

每次預報時間長度 7 天。M03 成員則為採用多模式迴歸法進行的觀測

是利用貝氏模型平均（Bayesian Model Averaging）的統計方法對多個 模式的預報進行後置處理後，預報觀測點極端天氣發生的機率。

表 3.1 每日各模式成員的作業趟次與預報長度 模式 成員 預報長度 Major Run 趟次 Post Run 趟次 GFS M00 384 小時 00、06、12、18 00、06、12、18

GFS M02 1080 小時 00、12 N/A

NFS M00、M02 84 小時 00、06、12、18 00、06、12、18 WRF M00、M02、M03 84 小時 00、06、12、18 00、06、12、18 WRF M01 120 小時 00、06、12、18 00、06、12、18 WEPS E01~E20 72 小時 00、06、12、18 N/A

EFS M00 28 天/7 天 12 12

EFS M03 72 小時 00、06、12、18 N/A

EFS M05 24 小時 00、06、12、18 N/A

摘自吳 2014 圖 3.1 氣象局作業模式啟動及資料關係圖

有關中央氣象局目前風場對於颱風路徑預報能力探討，葉(2012) 曾對於氣象局預報風場資料提出說明；圖 3.2 所示為葉(2012)分析 1994 年至 2010 年中央氣象局颱風路徑主要作業模式對西北太平洋颱風路徑 預報之誤差平均值，其中主要作業模式在 1994 至 2003 年為颱風預報 系統(Typhoon Forecast System，簡稱 TFS)，2004 至 2007 年作業模式為 NFS，2008 年作業模式為 WRF，2009 作業模式為 WRF 與 NFS 系集預 報，2010 年作業模式為 TWRF。由圖 3.2 分析結果顯示針對 24 與 48 小時颱風路徑之預測，模式預報之誤差值約由早期的 200 與 400 公里 縮小至 100 與 200 公里，約為原來的二分之一；在 72 小時颱風路徑預 測上模式預報之誤差值約由原來誤差 500 公里縮小至 300 餘公里。此 外，TWRF 作業模式主要改進項目包含引進含質量場之颱風渦旋植入 (bogus scheme)及渦旋移置(relocation scheme)技術之颱風渦旋初始化流 程、partialcycling 作業流程、三維變分資料同化系統中之背景誤差 (background error)與 outer loop、Kain-Fritsch 積雲參數化。顯示採用這 些改進技術之 WRF 模式對 2008，2009 年 11 個颱風 247 個案之 00、

24、48、72 小時颱風路徑預測誤差約為 8、93、148、248 公里。

圖 3.2 1994 年至 2010 年中央氣象局颱風路徑主要作業模式對西北太平