額外飛機觀測資料對僅同化路徑實驗的影響

在僅同化颱風特殊觀測量中路徑部份（中心位置與移動速度）的組別（TK、TK-DOT），圖 50、51 分別為 9 月 10 日 3 時、11 日 3 時開始的預報。由圖中可見兩者 10 日的預報差 異並不明顯， 在路徑上相較 於觀測都有較 大的向東偏差 ，但多同化 DOTSTAR 資料的實驗（TK-DOT）在 11 日的預報有明顯的改善，系集平均的颱風路 徑不論在方向還是移速上都相當接近觀測路徑。仔細觀察可發現 TK-DOT 的結果與 有同化颱風軸對稱風速結構的 TK-MS-DOT 和 TK-MS-TP-OUT 實驗相似，我們初步 推測這是因為藉由 DOTSTAR 投落送對颱風周圍數百公里處環境場的觀測，在已同化 颱風路徑的基礎下，也能進一步掌握颱風周圍環境場的變化，得到較佳的路徑預報。

4.5 討論討論討論討論

辛樂克颱風算是在 2008 年 T-PARC 實驗中最徹底被觀測的颱風個案，颱風本身 的強度達一定水準，生命期長，並有豐富的結構的演變過程。本實驗主要關注在辛樂 克颱風登陸台灣前 4 天多的結構變化，在這段時間中強度達到巔峰，並經歷了完整的 眼牆置換週期。延續第一部分的實驗設定和方法，我們以 EnKF 同化三種颱風特殊觀 測量，外加上一般探空儀與投落送資料，在模式中得到颱風路徑與結構都相當合理的 分析場，在水平解析度 5 公里的最內層網格下，連細緻的雙眼牆結構都能相當程度地 呈現，支持其在模擬分析上的可能效用。

在辛樂克颱風的同化分析實驗中決定海表面軸對稱風速剖面的觀測量主要參考的 是 T-PARC 實驗中美軍 C-130 飛機穿越偵察任務的資料，這項實地量測的資料可信度 相當高，而且在意義上很接近我們想要同化的觀測量，可說是有了這項資料，就比較 不需再考慮其他間接的觀測資料。本實驗中 C-130 飛機資料的使用方式與前面缺乏這 項資料的實驗一樣，仍然是以經驗公式擬合，最後只看經驗公式得到平滑曲線。但仔

細想想，由於穿越偵察任務可以測得徑向連續性相當好的風速剖面，我們或許可以直 接使用，而不必透過經驗公式擬合多此一舉。為了消除原始風速剖面資料由於局部強 陣風造成的風速劇烈震盪，我們可以先將四個象限的資料平均後，再做徑向上的滑動 平均，接著就直接同化這條忠於原始資料的軸對稱平均風速曲線。我們更可以直接同 化較為準確的飛行高度的風速，而不需使用到以 SFMR 反演估計而得的海表面風速資 料。這算是賦予了飛機穿越偵察資料全新的使用方式，以往雖然累積了很多這種資 料，但多用於主觀預報或是統計分析上，缺乏直接應用至動力模式中的方法，本方法 則可有效且直接的將這種資料同化入模式中，可望發揮這項資料在颱風動力模擬上的 效益。

我們也做了一系列同化不同組別資料的實驗，包括 TK、TK-DOT、TK-MS、TK-MS-DOT、TK-MS-TP-OUT、TK-MS-TP-ALL 等，以初步探討額外飛機觀測資料對模 式分析與預報表現的影響。為有效利用這些颱風附近觀測資料，具有正確颱風中心位 置與良好渦旋結構的初始場是必須的，如果初始猜測場中颱風渦旋位置錯誤或是結構 太差，可能會得到錯誤的同化結果，失去同化額外觀測資料的意義。本研究中同化颱 風特殊觀測量的方法正可使初始猜測場中的颱風中心位置較準確且有較合理的軸對稱 渦旋結構，有利於與其他投落送資料共同使用。

比較各組實驗可發現在此個案中有同化投落送資料的實驗之預報表現大致上是比 較好的，但多同化 C-130 在颱風內核區域施放的投落送資料卻反而會使路徑預報的表 現變差，符合 Aberson（2008）的討論，對往後飛機觀測資料的使用策略可提供有用 的參考。但各項資料影響程度的實驗並非本研究的主軸，在這方面還有待更詳盡的後 續分析。

第第

第第五五五五章 章 章 章 總結總結總結總結

5.1 結論結論結論結論

由於數值模式的不斷進步，現今以高解析度的模式已能模擬出颱風的許多面向，

包括強度與結構的演變。但初始場的建立仍然是一大問題，一方面是因為海面上的觀 測資料不足，另一方面是因為現有的資料同化方式用在颱風渦旋上成效不佳，幾種常 用的初始化方案也仍有許多待解決的問題，缺乏直接把颱風結構資訊放入模式中的有 效方法。因此要改善模式對颱風的模擬和預報，颱風渦旋初始化的研究是一項相當重 要課題。

有別於過去同化傳統的觀測資料、虛擬渦旋資料，或是直接做資料取代的颱風初 始化方案，本研究以 Chen et al.（2007）在正壓模式上同化渦旋中心位置的研究為基 礎，針對颱風渦旋設計了幾項特殊觀測算符，包括颱風中心位置、渦旋移速與海表面 軸對稱風速等，直接以 EnKF 的技術同化這些特殊觀測量，也就等同於直接將颱風的 路徑與軸對稱平均結構同化至模式中。我們的實驗結果支持這項方法的可用性，可在 高解析度的三維全物理模式中獲得與觀測接近並具備合理颱風渦旋結構的分析場，以 此為初始場做預報模擬時在路徑與結構上也皆有不錯的表現。

颱風中心位置與移動速度這兩項參數共同代表颱風的路徑，這兩項觀測資料的來 源很單純，最主要就是各作業單位參考衛星資料做出來的颱風定位。而海表面軸對稱 風速是颱風結構的一項重要因子，可有效地約束颱風的結構特徵，又不會影響到颱風 的移動以及非軸對稱結構，但這方面通常沒有直接的觀測資料可用，本研究採經驗公 式擬合飛機或其他觀測資料的方式來建構颱風軸對稱風速剖面，將 Willoughby 片段 連續剖面公式作為觀測資料同化至模式中。前文詳細交代了本實驗中同化颱風軸對稱 風速的流程和方法，但也可發現其中仍有很大的不確定性，有待未來更多實驗的測試 加以改善。

由於 EnKF 的分析結果在偏離線性假設不遠的情況下是相容於所搭配的模式的，

因此同化結果將不會有不平衡的問題，這相對於渦旋植入方案容易導致模式不平衡是 一大優勢。而且藉著模式本身的動力，我們可以在僅同化海表面單一一層軸對稱風速

剖面的情況下建立出合理的颱風三維結構，使我們不必花費許多不必要的努力去「猜 測」什麼樣的三維結構是這個模式可以接受的，而是讓模式自己調整出符合當時環境 與颱風強度的結構。

颱風路徑與軸對稱平均結構的同化在本研究中有兩個面向的功用。第一個是短時 間的同化和過去颱風模擬研究中初始化步驟的效用類似，在短時間內改善原先不良的 初始場（可能是來自較低解析度的全球模式分析），以獲得較好的預報模擬結果。第 三章鳳凰颱風的實驗顯示了以此方式做颱風初始化是可行的，獲得的預報初始場平衡 性佳，對駛流的掌握也良好。我們也對模式解析度、系集規模與協方差擴張參數做了 敏感度測試，可提供未來以此方法進行颱風渦旋初始化時的參考。

另一方面的功用則是長時段的同化可獲得一段時間的分析場，但為了維持環境場 與實際觀測的一致性，我們必須在同化颱風特殊觀測量的同時盡可能地同化所有可用 的觀測資料。第四章的部份正是對此應用的基本測試，藉此方法我們模擬出辛樂克颱 風在數天內複雜的結構演變，包括一次典型的眼牆置換週期。本方法主要的價值在於 能夠完善地重新建構出符合觀測颱風路徑與結構的分析場，有機會深入探討颱風整體 演變的動力過程。另外，本方法也有改善作業模式預報的潛力，在一套使用 EnKF 資 料同化系統的作業模式中，我們可在原本的資料同化流程中頻繁地同化入這些額外的 颱風特殊觀測量，保持颱風的路徑和軸對稱結構和最新的觀測相符，改善預報初始 場。

我們也發現 T-PARC 實驗期間穿越颱風中心的飛機觀測資料對颱風軸對稱風速同 化有相當大的助益，這項實地量測的資料具較高之可信度，而且意義近似於我們想要 同化的軸對稱平均風速。以往要將穿越偵察資料直接應用於動力模式中是較困難的，

本研究創新提供有效使用這項資料的方式，直接將這種資料同化入模式中，可望發揮 這項資料在颱風動力模擬上的特別效益。

5.2 未來展望未來展望未來展望未來展望

對於這樣一套嶄新的方法，我們已成功建置初步的同化模型。本研究提供了一套 可行的流程，可用來進行短時段的颱風初始化或是長時段的同化分析，並檢驗其成

效，以作為未來在中尺度區域模式中同化颱風特殊觀測量的參考。但這方面的研究仍 有很多可改進的空間及待解決的問題，包括颱風軸對稱風速之觀測值決定過程的不確 定性，同化單層風剖的高度的選取（參見 3.6 討論），以及各種颱風特殊觀測量的觀 測誤差給定等，這些技術性的問題雖不至於影響整套方法的基本意涵，卻可能會對實 驗結果的好壞產生影響。因此更多同化颱風特殊觀測量的實驗仍有待進行，以規劃出

效，以作為未來在中尺度區域模式中同化颱風特殊觀測量的參考。但這方面的研究仍 有很多可改進的空間及待解決的問題，包括颱風軸對稱風速之觀測值決定過程的不確 定性，同化單層風剖的高度的選取（參見 3.6 討論），以及各種颱風特殊觀測量的觀 測誤差給定等，這些技術性的問題雖不至於影響整套方法的基本意涵，卻可能會對實 驗結果的好壞產生影響。因此更多同化颱風特殊觀測量的實驗仍有待進行，以規劃出