台灣梅雨季後造型雨帶之個案模擬研究:對流胞擾動氣壓之角色

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(1)國立臺灣師範大學地球科學研究所碩士論文指導教授：王重傑. 博士. 台灣梅雨季後造型雨帶之個案模擬研究: 對流胞擾動氣壓之角色. 研究生：邱炳魁撰. 中華民國 103 年 12 月.

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(3) 致謝在台師大兩年半歲月的洗禮，是我求學過程中重要的一段時光。一路走來我要感謝每個人的幫助與指點，使我成長許多。. 首先，真誠的感謝我的指導教授，王重傑老師，每一次討論王老師不厭其煩的指導與給與方向，使我理解對於學術研究上應有的嚴謹態度與如何解決問題，過程艱辛但收益良多。感謝李俊彥學長所提供的程式撰寫技巧與問題協助。感謝口試委員簡芳菁老師與陳泰然老師在百忙之中給予許多的寶貴建議及正面批評，因為老師們的指正，使論文更能趨於完整與充實。. 感謝文化大氣 MOPG 的每位成員，你們細心的指導讓我在大學時期能奠定程式的基礎。感謝各位先進與前輩提供的分析資料。感謝師大 group 的子鈞學長、尹懋學長、智昇學長、怡文學姊、心怡學姊、捷勝、子睿、端鞠、鑫澔及伯勳在研究及程式上給予的協助與經驗分享。感謝研究室的美鳳學姊、玉秀學姊、沛語學姊、建蒲學長、冠鈞學長、世豪學長、騰平學長、柏翰學長在課業上與生活上的照顧。感謝同儕雅惠、品誼、壁瑜、稚維、禹涵、美霖、世裴、祚榮、虹志的陪伴與鼓勵打氣。. 最後感謝我的家人及 Abby 學姊這些日子來的體諒與陪我走過辛苦時光，你們的支持與關心才成就了今日的炳魁。要感謝的人太多，怒我無法一一列舉，僅以最高敬意將本篇研究獻給曾經協助過我的人，謝謝你們。. 邱炳魁 2014.12.于台師大理學院 B403 研究室 I.

(4) II.

(5) 摘要 2012 年 6 月 11 日在梅雨鋒前強西南氣流影響下，臺灣海峽屬於有利輻合環境，兩波線狀對流系統於臺灣北部外海組織生成並移入台灣。該對流系統於桃園及臺北等區域降下超大豪雨，24 小時累積最大降水量達 510 毫米，雨區呈現東西線狀分佈，造成沿海及都會區多處淹水損失慘重。本文即針對此梅雨季超大豪雨個案，分析降水事件時空背景，從分析圖的判斷我們認為後造型對流系統為導致北臺灣淹水主因之一。我們使用日本名古屋大學研發之雲解析風暴模式(CReSS)完整解析六一二北部水災事件，高解析度模擬結果除成功掌握本個案之鋒面位置及線狀對流發展、移行等，也合理模擬後造型對流胞發展過程，並發現舊對流胞移速減緩隨後與新胞合併之現象。. 進一步探討後造型對流系統上游新生對流胞激發原因，利用 Klemp (1987)擾動氣壓分離法分別求出浮力擾動氣壓與動力擾動氣壓，氣壓診斷結果顯示新生胞擾動氣壓配置，與浮力項較一致，主要由擾動虛位溫所主導。而動力擾動氣壓主要透過西風垂直風切與垂直輻合兩項作用反應在上衝流兩側，可使舊胞移速減慢，有利新胞與舊胞之合併，對於上游新胞的激發過程則僅有間接角色。本個案對流胞上衝流隨高度向東傾斜，降水位於東側，西側並無冷池可以激發新對流胞，與過去 Doswell et al.(1996) 提到的中緯度常見的冷池外流邊界激發新胞過程不相同。舊胞中高層伴隨絕熱與蒸發冷卻，使中高層為一個冷區，加上對流不穩定環境，同時底層輻合有利舉升，以及潮濕環境容易達飽和而產生潛熱釋放。熱力因素使對流胞西側浮力隨高度減弱，西側高低層產生相對擾動高壓與低壓的氣壓配置，並產生向上的浮力擾動氣壓梯度力，有利垂直加速度增強，新生胞隨後激發。 III.

(6) 關鍵字:2012 六一二水災、梅雨鋒面、back-building、擾動氣壓、浮力、擾動氣壓梯度力. IV.

(7) 目錄 §致. 謝.......................................I. §摘. 要.....................................III. §目. 錄.......................................V. §目錄圖表...................................... IX. §第一章前言....................................... 1 一、文獻回顧........................................ 1 二、研究動機........................................ 6 三、論文結構........................................ 6. §第二章資料來源與研究方法......................... 9 一、資料來源........................................ 9 二、研究方法....................................... 10 三、模式簡介.......................................11 四、模式設定.......................................14. §第三章綜觀天氣與中尺度條件...................... 17 一、綜觀天氣分析................................... 17 V.

(8) 二、紅外線衛星雲圖................................. 19 三、雷達回波圖..................................... 20 四、雨量分佈.......................................22 五、小結........................................... 23. §第四章數值模擬.................................. 25 一、綜觀環境比對...................................25 二、ASCAT 衛星觀測資料比對.......................... 27 三、CMORPH 衛星觀測資料比對.........................27 四、雷達觀測比對...................................28 五、降水分佈比較...................................29 六、地面氣象站比較.................................30 七、小結........................................... 31. §第五章對流胞擾動氣壓分析........................ 33 一、線狀對流初步分析...............................33 二、對流胞選擇與求取擾動場.........................34 三、擾動氣壓水平分析............................... 36 四、擾動氣壓分離...................................37 VI.

(9) 五、對流胞二(BB02)Laplacian 擾動氣壓水平分佈探討.... 39 六、對流胞二(BB02)近東西垂直剖面探討............... 41 七、對流胞三(BB03)近東西垂直剖面探討............... 47. §第六章總結...................................... 49 §参考文獻...................................... 53 §附錄鬆弛法計算過程與結果........................ 57 §圖. 表...................................... 61. VII.

(10) VIII.

(11) 圖表目錄表 1.1、MCS 事件 24 小時累積雨量平均值(摘自 Schumacher and Johnson ,. 2004) 表 2.1 CReSS 模式個案實驗之模擬參數設定。表 2.2 為 CReSS 模式個案實驗之每層高度列表，單位為公尺。. 圖 1.1、2002 年 5 月 22 日至 23 日台灣北部外海線狀對流事件，(a)雷達迴波圖(色階，dBZ)、(b)CReSS 模擬結果之風場(箭頭，雨水及雲水降水参數約 (箭頭，. )與雲邊界(等值線，. )、(c)A-A'垂直剖面結構之二維投影風場. )與輻散場(色階，. )、(d)全地形效應與半地形效. 應之示意圖。(摘自 Wang et al. 2005) 圖 1.2、三種線狀中尺度對流系統理想生命周期原型圖。色階為雷達迴波 20、40、 50dBZ。(摘自 Parker and Johnson, 2000 ) 圖 1.3、兩種中尺度對流系統示意圖。色階為雷達迴波 20、40、50dBZ。 (摘自. Schumacher and Johnson 2004, 2005, 2006) 圖 1.4、(a)為後造型對流胞綜觀環境，黑框為垂直剖面區域(b)後造型對. 流胞個案進行合成東西剖面結構(摘自 Schumacher and Johnson , 2004) 圖 1.5、MCS 極端降水個案 BB 類型生命周期統計結果(摘自 Schumacher,. 2005) 圖 1.6、中尺度氣流示意圖，虛線為(b)之垂直剖面；(b)為氣流垂直結構剖面示意圖。陰影區為高於 2000 公尺高度之山區，鋒面符號表示風切輻合帶。(摘自陳等, 2011) 圖 1.7、多胞對流模型示意圖，紅色箭頭為噴流、藍色字表示對流胞後側下沈氣流產生的冷池，紅色箭頭與藍色字為自行加入條件，非原文之意。(摘 IX.

(12) 自 Doswell et al.,1996). 圖 1.8、理想超級胞示意圖，環境為西風垂直風切，H 為相對高壓、L 為相對低壓、+表示垂直渦度為正值(氣旋式逆時針旋轉)、-表示垂直渦度為負值(反旋式順時針旋轉)，West 為對流胞之上風切側、E 為下風切側(摘自 Rotunno 和 Klemp,1982) 圖 1.9、低層噴流與對流胞擾動氣壓分佈關係示意圖，W 為上衝流、S 為水平風垂直風切、H 為相對高壓、L 為相對低壓。(摘自 Johnson, 2011) 圖 2.1、CReSS 模式冷雨過程中各種水相與冰相粒子間轉換之雲物理過程示意圖。其中、、、以及. 分別為雲水、雨水、雲冰、雪及軟雹之混和. 比。NUAvi 表澱積核形成(deposition or sorption nucleation)，NUCci 表接觸凍結核形成(contact nucleation)，NUHci 表均質凍結核形成 (homogeneous nucleation) ， SP 表二次冰晶生成 (secondary nucleation of ice crystals)，VD 表水蒸氣之澱積，蒸發與昇華(vapor deposition, evaporation and sublimation) ， CL 表合併收集 (collection) ， AG 表凝集 (aggregation) ， CN 表粒子間轉換 (conversation)，ML 表溶解(melting)，FR 表凍結(freezing)，SH 表液態水的剝離(shedding of liquid water)。圖 2.2、CReSS 模式模擬範圍，地形高度(色階，公里)。. 圖 3.1、中央氣象局 2012 年 6 月 11 至 12 日 0000、0600、1200 及 1800 UTC 之地面天氣圖。黑色粗實線為等壓線(間距 4 hPa)。圖 3.2、中央氣象局 2012 年 6 月 11 至 12 日 0000 與 1200 UTC 之 850 hPa 高空天氣圖。黑色等值線為重力位公尺(間距 30 gpm)，風標(kts)，鋒面或風切線位置(紅色虛線)。圖 3.3、同圖 3.2，但為 700 hPa 高空天氣圖。圖 3.4、同圖 3.2，但為 200 hPa 高空天氣圖。 X.

(13) 圖 3.5、10 日 1200 UTC 與 11 日 0000 UTC 之(a)-(b)福州(代碼:58847)探空圖；(c)-(d)板橋 (代碼:46692)探空圖。圖 3.6、為 6 月 11 日 0832 UTC 至 6 月 12 日 0632 UTC 每兩小時之台灣局部地區紅外線色調強化雲圖(色階，˚C)。. 圖 3.7、6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 0500 UTC 中央氣象局逐時雷達垂直向最大回波合成圖(色階，dBZ)。圖 3.8、台灣北部線狀對流後造型現象之中央氣象局雷達垂直向最大回波合成圖(色階，dBZ)，黑色虛線為對流胞邊界。圖 3.9、 (a)-(p)6 月 11 日 1400 UTC 至 12 日 0400 UTC 逐時累積雨量與(q)-(r)6 月 11 日與 12 日(LST)單日累積雨量(色階，毫米)。. 圖 3.10、(a)11 日 1200 UTC 至 12 日 1200 UTC 單日單一測站累積降水量排名。(b)災害應變中心統計 2012 年六一二水災事件淹水處之結果。(c)農委會統計 2012 年六一二水災事件農業損失之結果。圖 4.1、6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 時風場(風標，m/s)與風速 (灰階，大於 12 m/s)。左圖為 NCEP-GFS 於 925、850 與 700 hPa 資料，右圖為模擬結果之對應 NCEP-GFS 相似氣壓場 806、1372 與 2989 公尺高度。紅線為梅雨鋒面位置。圖 4.2、6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 1200 UTC 850hPa 風場(風標，m/s)、相對渦度(色階，. )分佈圖。左圖為 NCEP-GFS 分析資料；. 右圖為 CReSS 模擬結果。虛黑線為鋒面位置，藍色等值線為 NCEP-GFS 分析資料重力位高度場(gpm)與模擬結果之氣壓場 (hPa)。圖 4.3、2012 年 6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 1200 UTC 時每六小時鋒面移行位置(色階，時間 UTC)，(a)為 NCEP 於 850 hPa 分析場結果， (b)為 CReSS 於 1372 公尺模擬結果。 XI.

(14) 圖 4.4、6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 近地面風場(風標，m/s)與風速(色階，m/s)分布，紅線為梅雨鋒面位置。(a)與(b)地面天氣圖，(c)與(d)ASCAT 海洋表面風場，(e)與(f)模擬結果風場。圖 4.5、6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 東亞地區每三小時降水強度 (色階，mm/hr)。左圖為 CMORPH 衛星反演資料，右圖為 CReSS 模式輸出。圖 4.6、6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 0500 UTC 模擬結果之逐時雨、雪、雹、混合比垂直方向最大值(色階，g/kg)與地表風場(風標，m/s)。圖 4.7、台灣北部地區 6 月 11 日 1800 UTC 至 12 日 0000 UTC 逐時降水粒子分布圖，左圖為中央氣象局雷達垂直向最大回波合成圖(色階， dBZ)。右圖為 CReSS 模式輸出之雨、雪、雹、混合比垂直方向最大值(色階，g/kg)。圖 4.8、6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 1200 UTC 中央氣象局雨量觀測站七小時累積雨量(色階，mm)。圖 4.9、同圖 4.8，但為 CReSS 模擬結果輸出七小時累積雨量(色階，mm)。圖 4.10、6 月 11 日 1800 UTC 至 12 日 0000UTC 台灣北部地區累積雨量分佈之(a)觀測資料與(b) CReSS 模擬結果(色階，mm)。(c)為中央氣象局雨量觀測資料與 CReSS 模擬結果之北部地區降水強度逐時變化。長條圖為觀測資料，紅線為模式結果。中央氣象局局屬測站與自動雨量站逐時資料，一共 68 個測站站點資料；模式輸出一共 2201 點網格點資料，範圍選取經度 120.87°E 至 121.85°E、緯度 25.17°N 至 24.75°N(黑框處)進行區域平均。圖 4.11、6 月 11 日 1800 UTC 至 12 日 0000 UTC 逐時累積雨量(色階，mm) 與地表風場資料(風標，m/s )，左圖為中央氣象局地面觀測站；右圖為 CReSS 模式輸出。紅線為近地面梅雨鋒面位置。 XII.

(15) 圖 5.1、(a)對流胞一(BB01)以及(b)對流胞二與三(BB02 & 03)在北部地區垂直速度在垂直方向最大值(色階，m/s)時序圖。粗等值線為地形高度，公尺)。紅色箭頭表示成熟胞位置，黑色箭頭表示新生胞位置，綠色箭頭表示對流胞三(BB03)位置。圖 5.2、6 月 11 日 2130 UTC 時鄰近北台灣地區後造型對流胞。(a)相當位溫(等值線，間隔 2K)及風場(箭頭)分佈圖、(b)為 Back-building Cell 02 垂直方向垂直速度最大值(色階，m/s)、(c)為 Back-building Cell 02 東西方向垂直剖面結構輻合輻散(色階， )，相當位溫(等值線，間隔 1K)。黑線為剖面線，範圍為 120.56E~121.9E、25.0N，黑框為輻合區。圖 5.3、Backbuilding Cell 01(黑色)、02(紅色)與 03(藍色)移動路徑圖。黑色等值線為地形高度 500 公尺，實心虛線為新生成胞位置、空心實線為成熟胞位置、叉號虛線為 Backbuilding Cell 02 成熟後衍生出新生對流胞、虛線框為背景場範圍、實線框為擾動場範圍。圖 5.4、為環境背景場氣壓之分佈。等值線為氣壓(hPa)。圖 5.5、6 月 11 日 2035 與 2100 UTC 時 BB02 不同高度垂直速度(色階，m/s)、擾動氣壓(黑色等值線，Pa)與垂直風切(箭頭，. )分佈。. 圖 5.6、6 月 11 日 2100 UTC 時 BB02 水平面 312 與 1372 公尺之(a)輻合輻散(色階，. )、風向(箭頭，m/s)與風速(黑色等值線，m/s). 與(b)垂直速度(色階，m/s)與水平風垂直風切(箭頭，以及(c)A-A''垂直剖面結構之輻合輻散(色階，. ) )、風向. (箭頭，m/s)與風速(黑色等值線，m/s)與(d) A-A''垂直剖面結構之垂直速度(色階，m/s)與水平風垂直風切(箭頭，圖 5.7、BB02 新胞激發前後近地面之(a)-(e)輻合輻散場(色階，. )。 )、. 擾動位溫(黑色等值線，K)，以及(f)-(j)垂直速度(色階，m/s) XIII.

(16) 與擾動氣壓(黑色等值線，Pa)。箭頭為擾動風場(m/s)，黑色方框為 BB02 位置。圖 5.8、BB02 對流胞於 6 月 11 日 2100 UTC 時高度 806 與 2989 公尺擾動氣壓計算結果，垂直速度(色階，m/s) ；(a)(d)Laplacian 擾動氣壓(. )、(b)(e) Laplacian 浮力擾動氣壓(. Laplacian 浮力與動力擾動氣壓總和(. )與(c)(f) )(等值線，. 正負 3 間距)。圖 5.9、為 BB02 對流胞於 6 月 11 日 2040 UTC 時高度 549 公尺動力擾動氣壓各項分布圖。垂直速度(色階，m/s)；(a)ex1、(b)ex2、(c)ex3、 (d)ex4、(e)sh1、(f)sh2、(h)sh3、(i)ex+sh 即. (等值線，. 正負 3 間距)。(e)、(f)與(h)另外繪製水平風垂直風切(箭頭，. )。. 圖 5.10、同圖 5.9，但為 BB02 對流胞於 6 月 11 日 2040 UTC 時高度 2989 公尺動力擾動氣壓各項分布圖。圖 5.11、BB02 對流胞於 6 月 11 日 2100 UTC 時高度 549 公尺動力擾動氣壓各項分布圖。垂直速度(色階，m/s)；(a)ex1、(b)ex2、(c)ex3、 (d)ex4、(e)sh1、(f)sh2、(h)sh3、(i)ex+sh 即. (等值線，. 正負 3 間距)。(e)、(f)與(h)另外繪製水平風垂直風切(箭頭，. )。. 圖 5.12、同 5.11，但為 BB02 對流胞於 6 月 11 日 2100 UTC 時高度 2989 公尺擾動氣壓各項分布圖。圖 5.13、BB02 與 BB03 對流胞於 6 月 11 日 2000 UTC 至 2130 UTC 時高度 500 公尺上衝流分布圖。垂直速度(色階，m/s)；紅點為新生胞 500 公尺高度之中心位置；黑點為舊胞 5000 公尺高度之中心位置。藍色直線為通過 BB02 新與舊兩對流胞中心剖面，紅色直線為通過 XIV.

(17) BB03 對流胞中心之剖面。圖 5.14、BB02 對流胞 2000 UTC 東西剖面的垂直速度(色階，m/s)、黑色等值線為 Klemp 分離法求出的(a) (箭頭，. )、(b). 、(c). 及二維投影風場、(d)垂直方向輻散值平方、. (e)東西向垂直風切與垂直速度關係、(f)南北向垂直風切與垂直速度關係(. )及水平風垂直風切(箭頭，. )。黑色. H 與 L 對應相對高壓與低壓。圖 5.15、同圖 5.14，但為 2020 UTC。圖 5.16、同圖 5.14，但為 2040 UTC。圖 5.17、同圖 5.14，但為 2100 UTC。圖 5.18、BB02 對流胞 2000 UTC 時東西剖面的垂直速度(色階，m/s)、(a) 浮力(黑色等值線；. )與雲滴和雲冰總合 (藍色等值. 線;g/kg)、(b)氣態擾動浮力( (. )、(c)降水拖曳力. )、(d)擾動虛位溫(K)。. 圖 5.19、同圖 5.18，但為 2020 UTC。圖 5.20、同圖 5.18，但為 2040 UTC。圖 5.21、同圖 5.18，但為 2100 UTC。圖 5.22、BB02 對流胞 2000 UTC 近東西剖面之垂直速度(色階，m/s)、黑色等值線為(a)(c)(d)緩和法求出之. 與(b)背景場分離法. 之 (Pa，間距 10)，藍色等值線為對應垂直方向擾動氣壓梯度力 (. ，間距 5)，(e)為垂直加速度(. ，間距 5)。. 圖 5.23、同圖 5.22，但為 2020 UTC。圖 5.24、同圖 5.22，但為 2040 UTC。圖 5.25、同圖 5.22，但為 2100 UTC。圖 5.26、BB02 對流胞激發前環境擾動場特徵之輻合輻散(色階， XV. )、.

(18) 黑色等值線為擾動溫度(K，間距 0.1)，綠色箭頭為擾動風場 (. )。黑框表示對流胞位置。. 圖 5.27、BB03 對流胞激發前環境擾動場特徵之輻合輻散(色階，. )、. 黑色等值線為擾動溫度(K，間距 0.1)，綠色箭頭為擾動風場 (. )。黑框表示對流胞位置。. 圖 5.28、BB03 對流胞 2040 UTC 東西剖面的垂直速度(色階，m/s)、(a) (b)(c) 同圖 5.14 之(a)(b)(c)、(d) (e)(f)(g)同圖 5.18 之(a)(b)(c) (d)。圖 5.29、同圖 5.28，但為 2100 UTC。圖 5.30、同圖 5.28，但為 2120 UTC。圖 5.31、BB03 對流胞 2040 UTC 近東西剖面之垂直速度(色階，m/s)、黑色等值線為(a)(c)(d)緩和法求出之. 與(b)背景場分離法. 之 (Pa，間距 10)，藍色等值線為對應垂直方向擾動氣壓梯度力 (. ，間距 5)，(e)為垂直加速度(. ，間距 5)。. 圖 5.32、同圖 5.31，但為 2100 UTC。圖 5.33、同圖 5.31，但為 2120 UTC。圖 A.1、20 時 30 分 UTC 對流胞東西兩側剖面垂直速度(色階，m/s)、(a) 扣除背景場獲得的擾動氣壓取 Laplacian、Klemp 分離法求出的 (b). 與. (d). (. 之和(可表示成. )、(c). ;黑色等值線，且以正負 3 間距繪製)、使. 用鬆弛法求出的(b)擾動氣壓各項之和在取 Laplacian(可表示成 (. ))、(c). (d). 且以正負 3 間距繪製)。. XVI. (. ;藍色等值線，.

(19) 第一章、前言一、文獻回顧台灣位於東亞季風區，每年五、六月東北季風轉換為西南季風時期，西北方西伯利亞冷高壓與東南方太平洋暖高壓交界形成狹長滯留鋒面，產生約一個多月的降雨期，此種現象在台灣與大陸稱為「梅雨」。為了作業上的方便，中央氣象局將五及六月訂為台灣梅雨季，同時梅雨也是僅次颱風之外，台灣夏季主要降雨來源之一(王等，1985；Tao and Chen, 1987; 侯與陳，2001)。過去研究指出每年梅雨季平均有 4~5 道鋒面系統影響台灣(陳，1988a；陳，1988b)，梅雨鋒面為一個輻合帶且跨越水平風相當強，隨季節漸漸向北偏移(Chen and Chang, 1980)，而鋒面所伴隨之中尺度對流系統(Mesoscale convective system；簡稱 MCS)經常造成區域性降雨甚至豪大雨，引發嚴重水患(陳，2000)。已知梅雨對台灣的重要性，前人對於梅雨做出相當多的研究，如:1987 年台灣地區中尺度實驗計劃(Taiwan Area Mesocale Experimaent;簡稱 TAMEX)研究目地在於針對梅雨時期伴隨中尺度現象與過程，對於不同層面的影響(陳等，2004)。而近年從 2008 年至 2012 年進行西南氣流觀測與豪雨預測實驗 (Southwest Monsoon Experiment; 簡稱 SoWMEX)主要探討 MCS 的運動熱力以及微物理降雨過程特，徵尤其是與豪大雨有關之微物理過程，以及改進現有的定量降雨估計和預報之能力，並滿足防救災急迫之需求。. 近年來在台灣梅雨時期發生的豪雨個案受到氣象學界以及政府的重視，研究文獻豐碩，在此介紹一些針對台灣西北部地區豪雨個案相關研究。 Chen (1983)研究指出在梅雨時期，常伴隨顯著的低層噴流(low-level jet; 簡稱 LLJ)的發展，LLJ 除了將南方水氣傳向台灣地區之外也造成對流不穩 1.

(20) 定。Chen and Yu (1988)分析 1965~1984 年北部地區單日雨量達到 100 毫米之強降水個案，結果顯示在強降水事件發生前 12 小時將近 84%以上個案伴隨顯著 LLJ 發展(LLJ 風速定義超過 12.5. 以上稱之)，可見 LLJ 扮. 演劇烈對流發展重要角色。除了受 LLJ 影響之外，在台灣雖為島嶼但地形高度達 3000 公尺以上，所以地形效應也是重要的研究議題之一，Yeh and Chen (2002)提出在梅雨季時，盛行西南季風受到台灣地形阻擋，可能產生偏向而造成地形屏障噴流(barrier jet)，且於 800 公尺最為顯著。Yeh and Chen (2003)也利用雷達資料分析與中尺度模式(Mesoscale Model；簡稱 MM5)研究 TAMEX-IOP 3 密集觀測資料之台灣西北沿岸豪雨個案，模擬顯示強烈對流在台灣西北沿岸之地形強迫輻合發展。而當移除地形時，西南風偏向作用減弱，輻合區無法發展，使西北沿岸區域性最大降雨也沒有產生，表示地形扮演關鍵角色。他們認為在梅雨季期間台灣西北沿岸，強輻合帶的形成可能是受到次綜觀強迫、地形效應與對流三者反饋結合造成，離岸輻合為台灣西北沿岸產生最大降雨的重要因素。Wang et al.(2005) 也針對在台灣海峽上發生的線狀對流個案進行觀測分析與利用雲解析風暴模式(Cloud-Resolving Storm Simulator；簡稱 CReSS)進行模擬，研究結果顯示當夫如數(Froude number ) Fr = 0.25 且盛行的西南風(環境向岸氣流)與受中央山脈高聳地形阻擋影響產生較強的迎風區高壓，所形成的低層離岸氣流(offshore flow)較強，造成輻合帶位於台灣西北部沿岸更上游處，對流帶於近海處達到最大強度，使強降雨區域常發生在迎風坡的沿岸或平原地區(圖 1.1 d)。而當地形效應減弱(half-terrain run)時，產生的迎風區高壓偏弱，也導致離岸氣流減弱，產生的輻合帶靠近西北沿岸，驅使強降雨位置發生在山區。. 2012年6月11至12日受梅雨鋒前伴隨的中尺度對流系統移經台灣北部， 2.

(21) 造成劇烈水災事件，導致北部地區多處淹水，損失慘重。MCS在過去已有相當多研究，Parker and Johnson (2000)針對美國中部大平原地區暖季發生的88個線狀對流系統個案(1996年5月~1997年5月)分成三種類型，分類依據層狀降水區與主對流線的相對位置判斷類型，見圖1.2。一、拖曳層狀(trailing stratiform ;簡稱TS):層狀降水區位於MCS後緣，而對流線位於前緣，此類型生命期較長，從初始期、發展期至成熟期約3~4小時。二、前引層狀(leading stratiform ;簡稱LS):層狀降水區位於MCS前緣，而對流線位於後緣，此類型從初始期、發展期至成熟期約2~3小時，相對於TS，生命期較短。三、平行層狀(parallel stratiform ;簡稱PS):層狀降水區與對流線的位置互相平行，對流線的前側及後側回波梯度值均大。 Schumacher and Johnson(2004,2005,2006)選取了1999年至2001年分佈在美國落磯山脈以東共116個極端降水的個案，統計顯示65%事件屬於MCS事件造成的極端降水，研究結果進一步指出造成極端降水事件中最常出現的 MCS有兩種類型(見圖1.3)。一、線狀胞列型-伴隨層狀降水(training line - adjoining stratiform;簡稱TL/AS型):主要發生於鋒面的冷側，對流帶中帶有多數個對流胞之結構且呈線狀排列，並由西向東移動，對流胞與MCS 移動方向平行，使對流胞常重覆經過特定區域，因此容易導致某區域長時間的對流降水而帶來洪害。二、後造-準滯留型(back - building /quasi - stationary；簡稱BB型): MCS幾乎呈現滯留情形，主要依賴於中尺度過程(mesoscale)和對流尺度過程(stormscale)。影響範圍相對於TL/AS型較小，特別之處為對流胞移動方向與整個中尺度對流系統傳播方向相反，表示說上游處不斷產生新對流胞，並往特定下游方向移動，成熟胞消散後產生的層狀降水位於下游。因為對流線與層狀降水皆在平行側，對流胞也重覆經過特地區，造成局部地區發生洪患。表1.1為美國地區不同類型對流系統在不同地區地面雨量站24小時累積雨量平均值，觀測統計結果顯示導 3.

(22) 致強降水主要為TL/AS型與BB型兩種機制，BB型時間空間皆小於TL/AS型但是降水量卻高於TL/AS型，可見BB型的MCS比TL/AS更難預測，短時間迅速發展對當地帶來高降水強度，災害常也更勝於TL/AS。. 由上述統計結果瞭解到後造型對流胞帶來的災害，過去Schumacher and Johnson (2004)進一步分析後造型對流胞的特徵，利用美國密蘇里州堪薩斯城15個發生於位於鋒前的環境(相當位溫梯度大、風向轉變顯著具有強水平風切之區域，如圖1.4 a)BB類型個案進行合成，水平範圍約為100 km x 100 km，東西方向垂直剖面顯示(圖1.4 b)低層輻合最大值集中在成熟對流胞中心偏西的區域，印證了後造型對流在上游處(西側)不斷加強或激發新對流胞，而相對濕度高的區域集中在對流胞中心東側，反應出層狀降水區域位於東側。Schumacher and Johnson (2005)也將122個MCS極端降水個案生命周期進行統計，分成肇始(onset)、高峰(peak)、衰弱(end) 三階段來探討，研究顯示BB型(見圖1.5)之出現在晚上達到高峰，深夜時逐漸消散，不同於其他MCS之處在於，BB類型肇始持續時間相對於整體平均MCS結果時間較長，表示不斷有新的對流胞生成。. 在台灣過去關於後造型對流的研究，陳等(2002)探討1987年6月24至 25日TAMEX期間之密集觀測資料IOP-13颮線個案。分析指出低層噴流、地形效應以及梅雨鋒面提供輻合與舉升機制，三者結合引發IOP-13對流系統。颮線形成後，呈現東北東-西南西走向，且具有多胞結構特性，降水下衝流與環境西南氣流輻合，在舊對流胞南側引發新對流胞，使颮線南移並增強發展，導致台灣北部至中部地區強降水。陳等(2011)也針對2002年6月 13日竹苗地區豪雨個案分析，結果顯示環境近地層西南氣流與對流胞下衝流降至地面所形成之輻散西北冷外流，以及850 hPa西南氣流遭遇地形阻 4.

(23) 擋轉吹東南下坡風(山風)，三支不同性質氣流於竹苗地區匯集形成輻合帶，形成東北東-西南西走向線狀對流系統。新對流胞在舊對流胞西南方形成且兩胞合併，使對流持續發展。因此，雖然對流胞向東北方移動，但降水中心則往西南移動。. 本研究所討論之劇烈對流也是屬於後造型的對流系統，梅雨鋒前西南氣流受中央山脈地形阻擋而產生分流，於台灣西北沿海局部加強形成LLJ，提供輻合帶發展，進一步激發線狀對流且向東移至台灣，主對流帶移經桃園與台北都會區時達到最大強度。. 針對後造型線狀對流系統內部對流胞在上游被加強，新生對流胞不斷在西側激發出來的原因，過去研究指出有兩種理論可以解釋其機制。第一種為熱力過程所產生質量場變化，Doswell et al.(1996) 提出多胞對流胞模型(圖1.7)，認為對流胞周遭的下沉區，因為降水透過蒸發冷卻於底層產生冷池，下沉氣流所產生的輻散外流與後方的氣流形成陣風鋒面，如果當時對流胞後側持續顯著的氣流通過的話，容易於陣風鋒面上輻合舉升進而加強上升速度的發展，而陣風鋒面固定不動，成熟對流胞向下游移動，而新生對流胞就不斷於上游激發。第二種為動力作用的影響，已知過去 Rotunno and Klemp (1982)提出的超級胞理論(圖1.8)，首次明確提出垂直風切、擾動氣壓和垂直速度三者相對關係式，指出透過強烈正值(西風) 垂直風切時在對流胞上風切側產生擾動高壓，下風切側產生擾動低壓，使對流胞具有水平方向氣壓梯度力，使對流胞前移動，影響對流胞的運動方向與移動速度。Johnson (2011)同樣針對垂直風切分佈與擾動氣壓在對流胞內的相互關係(圖1.9)，他指出中尺度對流系統的環境中，若有顯著向東的低層噴流存在，將於噴流軸的上下層產生反向的垂直風切，藉由上下 5.

(24) 層反向的風切配置，水平的擾動氣壓梯度也會在上下層反向，造成在對流胞上風切側處(西側)的底層產生相對高壓，高層產生相對低壓，下風切處 (東側)相反。而對流胞西側氣壓配置，將產生向上(正值)的擾動垂直氣壓梯度力，有利增強對流胞西側的垂直速度。對流胞移速減緩，上衝流中心向西發展，使生命期延長，而當盛行氣流通過時受到對流胞阻擋作用，推測可能在對流胞上游的環境有利新生胞激發。. 二、研究動機線狀對流為梅雨鋒面附近常見的劇烈天氣系統之一，2012 年 6 月 11 日晚間開始在北部地區發生劇烈降水，2000 LST 至 12 日 2000 LST 在桃園、臺北等都會區域降下超大豪雨，24 小時累積最大降水量達 510 毫米，降雨量等級遠大於中央氣象局定義之超大豪雨標準(24 小時累積降水大於 350 毫米)且雨區呈現東西線狀分佈。由於降水主要集中在新竹、桃園及台北等人口密度高的區域，與南部地區因西南氣流受地形舉升降水集中在南部山區的狀況不同，此次劇烈降水事件造成都會地區的重要交通樞紐、學校及工業區等都發生淹水情況，災損造成超過兩億元，迫使北部地區在 6 月 12 日放假乙天，為政府實施豪雨假標準以來的首例。而由於災情特殊，媒體亦以大篇幅報導相關災情，此罕見的天氣現象對於民生安全與經濟有相當大威脅及損失，故本文研究此一個案- 2012 六一二水災，希望能藉此了解北部地區引發超大豪雨的主要原因，以及進一步利用 CReSS 模式模擬瞭解對流胞內部結構，透過所發現的後造型對流系統探討新生胞於舊胞上游激發的原因?以及環境提供了什麼有利因素?. 三、論文結構本研究共分為六章節，第一章為緒論，包含文獻回顧與研究動機。第 6.

(25) 二章介紹資料來源、研究方法與本研究所使用的雲解析風暴模式(CloudResolving Storm Simulator;簡稱 CReSS)，包含模式內部數值方程式與雲物理過程，以及本研究所使用初始與邊界條件、模式参數設定...等。第三章敘述劇烈天氣個案期間綜觀環境與分析中尺度條件。第四章模式模擬結果與不同觀測資料進行較驗。第五章探討對流系統演變概況，選定對流胞並進一步透過氣壓診斷方程探討其激發機制。第六章為研究總結。. 7.

(26) 8.

(27) 第二章、資料來源與研究方法一、資料來源本研究使用資料如下: 1. 2012 年 6 月 10 日至 12 日中央氣象局地面與各層標準高空天氣圖。 2. 2012 年 6 月 11 日 12UTC 至 12 日 12 UTC 逐時之中央氣象局雷達迴波 column vector(CV)合成圖。 3. 2012 年 6 月 11 日至 12 日逐時之中央氣象局自動雨量觀測站及局屬測站。 4. 2012 年 6 月 11 日至 12 日 00 與 12 UTC 之福建省福州市、空軍澎湖馬公與中央氣象局板橋探空資料。 5. 2012 年 6 月 10 日至 12 日日本氣象廳多用途輸送衛星 (Multi-functional Transport Satellite ;簡稱 MTSAT-2)每兩小之東亞與台灣地區紅外線色調強化衛星雲圖。 6. 2012 年 6 月 10 日至 12 日，美國國家環境預測中心( National Centers for Environmental Prediction；簡稱 NCEP)之 GFS 資料，每 6 小時(00、 06、12 與 18 UTC) 0.5°×0.5°經緯網格資料，垂直方向共 32 層（1000、 975、950、925、900、875、850、825、800、775、750、700、650、600、 550、500、450、400、350、300、250、225、200、175、150、125、100、 70、50、30、20 及 10 hPa），氣象變數包含風場東西向分量（u）、南北向分量（v）、溫度（t）、比溼（S）、相對溼度（RH）及重力位高度（Φ），做為模式模擬之初始場與邊界條件並繪製綜觀環境場，以進行分析。 7. 美國國家海洋暨大氣總署 (National Ocean and Atmospheric Administration;簡稱 NOAA)2012 年 6 月 6 日至 12 日七天平均之周海溫 (Optimum Interpolation SST)資料，水平解析度為 1° × 1°。 9.

(28) 8. 歐洲太空總署 Advanced SCATterometer(簡稱:ASCAT)之繞極軌道衛星， 2012 年 6 月 11 日至 12 日海洋表面風場衛星資料，水平解析度約為 12.5 公里。 9. 美國國家海洋暨大氣總署 Climate Prediction Center MORPHing technique Satellite (簡稱 :CPC MORPH) 高解析度全球降水分析之衛星資料，2012 年 6 月 11 日至 12 日地面降水強度逐時資料，水平解析度為 8 公里。 10. 2012 年 6 月 11 日至 12 日歐洲中期天氣預報中心(European Center for Medium-range Weather forecasts，簡稱 ECMWF)之台灣地區經緯網格資料(18°N~29°N、116E°~127E°) 每 12 小時(00 與 12 UTC)，水平解析度 0.125°×0.125°，垂直方向共 8 層(sfc、925、850、700、500、350、 250 及 200 hPa），氣象變數包含風場東西向分量（u）、南北向分量（v）、溫度（t）、氣壓（P）、相對溼度（RH）及重力位高度（Φ），高解析度網格資料可以做為綜觀環境分析場與模式模擬結果進行校驗。. 二、研究方法本研究首先利用中央氣象局提供之地面與高層天氣圖，進行綜觀天氣之相關分析，並確認低層梅雨鋒面位置與高層系統配置，判斷東亞地區大氣環境有利劇烈對流胞發展的綜觀環境。在中尺度分析方面，使用東亞地區紅外線色調強化衛星雲圖，可以提供對流雲系發展的初始時間、位置、強度及隨時間演便對流移行的情況，高時間解析的雷達回波圖可以更進一步瞭解對流細部結構。接續使用中央氣象局地面觀測站針對對流移入台灣地區伴隨降水的分佈，判斷降水強度及主要雨區形狀進行討論。. 針對 11 與 12 日劇烈對流個案，為了進一步探討對流尺度的雲動力過 10.

(29) 成，本研究使用日本名古屋大學地球水循環研究中心所發展的雲解析風暴模式，空間解析度更高的 CReSS 模式資料以求能看到更精細的對流過程，詳細模式特性與本個案實驗設計於第二章第三節與第四節，有更進一步說明與討論。藉由模式結果來探討低層噴流與梅雨鋒面環境下劇烈對流之形成、演變特徵等細節，隨後與上述觀測資料以及衛星資料進行校驗，針對低層噴流、梅雨鋒面位置、模式降水分布及降水強度做詳細的比對，確定模式對此個案有可信的掌握。. 本研就著重於診斷本個案後造型對流胞激發之環境條件，釐清環境提供何種條件加強對流胞的發展過程，故從模式中針對主要影響北部降水的對流胞，先求取擾動氣壓以及在進一步透過 Klemp(1987)提出理論將擾動氣壓分離成浮力與動力項，分析隨高度及隨時間演變，也針對對流激發前後環境以及對流胞內部的不同項擾動氣壓的貢獻大小，透過氣壓斷方程討論對流胞西側加強原因。. 三、模式簡介日本名古屋大學地球水循環研究中心（ Hydrosphere Atmosphere Research Center ；簡稱 HyARC ）所發展的雲解析風暴模式（ Cloud-Resolving Storm Simulator ；簡稱 CReSS ， Tsuboki and Sakakibara 2001）。. 本文所使用的 CReSS 模式（2.3 版）採用非靜力、完全可壓縮之方程式系統。變數配置在水平向為 Arakara-C、垂直向為 Lorenz 交錯網格。對於雲中的微物理過程，本模式完全採用外顯之雲微物理計算，共有暖雲與冷雲兩種總體過程可供選用，並無任何積雲參數化方法。邊界層亂流參數 11.

(30) 化法有 1 和 1.5 階閉合可供選用，後者亦含渦流動能（Turbulence Kinetic Energy；TKE）之計算。本模式亦包含地面輻射參數化與地溫預報模式。水平座標為卡氏座標（Cartesian coordinate）。垂直座標則為以高度為基礎之追隨地勢座標（terrain–following curvilinear coordinate ；，定義為：  ）   x, y , z  . z t z  z s x, y  ……………………………………（1） z t  z s  x, y . 其中， z s x, y  為地表高度， z t 為模式頂之高度。模式中所使用之方程式包括：靜力方程式、狀態方程式、運動方程式、氣壓方程式、位溫方程式、水氣與滿足混合比方程式等。各方程式如下：（1）靜力方程式： p   g z. 其中 p  p  p ' ，      ' （2）狀態方程式：. . q  p  1  v 1  qv   qx ………………………….（2） Rd T    qv . 其中 g 為重力加速度，T 為溫度， 為水氣與乾空氣之分子量比（0.622），. Rd 為乾空氣之氣體常數（ 287.05 J kg 1K 1 ）， q v 為水氣， q x 為各種水、冰相粒子之混合比。（3）運動方程式：  u  u u u  p '     u  v  w      f s v  f c w  Turb.u ………..（3） t y z  x  x  v  v v v  p '     u  v  w    f s u  Turb.v ………………….（4） t y z  y  x 12.

(31)  w  w w w  p '     u v  w     Buoy.w  f c u  Turb.w …….（5） t y z  z  x. 其中 f s 、 f c 為科氏參數（ f s  2 sin  、 f c  2 cos  ， 為緯度，  為地球自轉之角速度，Ω = 7.292×10. -5. -1. rad s ）， Turb. 與 Buoy.w 則分別表示亂. 流混合作用與浮力項。（4）氣壓方程式：  p '  u v w  p ' p ' p '     gw  c s 2       u v w t y z   x y z   x 1 dQ  2  1 d  …………………………………………..（6）  c s     dt Q dt . 其中 c s 為大氣中的聲速， q  1  0.61qv  q x （5）位溫方程式：   '   '  '  '       w    u v w  Turb.   Src. ………....（7） t y z  z  x. 其中 Src. 表示非絕熱作用之源與滙（加熱與冷卻）。（6）水氣與滿足混合比方程式：  q v q q  q     u v  v v  w v t y z  x.    Turb.qv   Src.qv …………….（8） .  q x q q  q     u x  v x  w x t y z  x.    Turb.q x   Src.q x   Fall .q x …（9） . 其中 q x 代表雲水（ q c ）、雨（ q r ）、雲冰（ q i ）、雪（ q s ）、及軟雹（ q g ）中任ㄧ種類之混合比。Src.、Turb.、及 Fall 分別代表雲物理過程之源與滙、亂流混合作用、及降水所造成之時間變率。雲物理現象之雲微物理的相關轉換過程（冷雲過程）示於圖 2.1。 13.

(32) 四、模式設定本文之研究個案期間發生台灣海峽海面上的中尺度對流系統，由於海上資料缺乏，故使用 CReSS 進行高解析度模擬此線狀對流系統，透過模式的模擬彌補海上資料及地面觀測資料的不足且已進一步探討個案對流的激發機制與演變過程。模式水平網格間距設定為 1.5 公里，垂直方向使用追隨地勢之高度(ζ)座標，並採用雙曲正切函數之垂直伸展網格，最小間距為 100 公尺並向上逐漸增加，平均間距為 300 公尺，垂直伸展網格點界於 100 至 980 公尺。模式網格點數為 1000 × 800，模擬範圍為西經 112.25 °至 126.5°、北緯 18.25°至 29°，共 1500 ×1200，垂直方向網格點數為 50 層，總厚度為 20 公里。. 在模式數值計算上，水平方向使用外顯有限差分法，垂直方向則採用內隱法並以高絲消去法求解。羅士比波與基本物理参數波動使用時間積分間距(大步積分)為 2.0 秒，積分方式採用蛙跳法(Leap-frog)與 Asselin 時間濾波，聲波與重力波使用積分間距(小步積分)為 1.0 秒，水平方向為前向-後向積分法，垂直方向則為 Crank-Nicolson 積分法。2.3 版當中分為單 CPU 版與多 CPU 版，本研究使用多 CPU 版 Message Passing Interface (MPI)做為平行化處理界面，並由 64 顆 CPU 進行模擬。. 模式初始場的使用，於第二章第一節所述係為之美國國家環境預測中心 GFS 客觀分析資料，水平解析度為 0.5 度，模擬初始時間為 2012 年 06 月 10 日 12 UTC (20 LST)，總積分時間為 48 小時，同時每 6 小時接受來自 RANAL 網格點分析資料之側邊界強迫。模式之模擬結果設定為每 15 分鐘(900 秒)輸出一次，強降水期間 06 月 11 日 18 UTC 至 06 月 12 日 00 UTC (共 6 小時)為每 5 分鐘(300 秒)輸出一次，在藉由其高時間及空間解析度 14.

(33) 資料診斷對流胞生命史，了解六一二水災北部降水主要原因。CReSS 模式本研究個案實驗之模擬參數設定請参見表 2.1，模式輸出每一層高度列表請参見表 2.2，模式模擬範圍請参見圖 2.2。. 15.

(34) 16.

(35) 第三章、綜觀環境與中尺度條件本章利用中央氣象局地面、高空(850、700、200 hPa)天氣圖以了解個案發生前後綜觀環境狀況，也探討在個案發生前的斜溫圖，了解大氣垂直結構，包括穩定度及風場的演變。使用紅外線衛星雲圖探討深對流發展之高度與結構。而也更進一步分析雷達回波圖、中央氣象局自動雨量站，歸納 2012 年 6 月 11 日晚上到 12 日白天台灣地區劇烈天氣之梅雨鋒前伴隨的中尺度現象。. 一、綜觀天氣分析圖 3.1 為 2012 年 6 月 11 日至 12 日每六小時地面天氣圖。11 日 0000 UTC 與 0600 UTC 時(圖 3.1a 與 b)劇烈對流發生前 12 小時，圖中顯示東亞地區綜觀環境主要是受到兩個低壓所主導，一低壓位於日本以東約 150°E、 38°N，中心氣壓為 996 hPa 向東移行；另一低壓位於 119°E、38°N 華南地區形成且向東移行。梅雨鋒面位於兩低壓系統之間，呈現東北東-西南西走向，鋒面也呈現滯留的情況，位於鋒前的台灣吹強勁西南風。. 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 時(圖 3.1 c - e)華南低壓系統移出海，梅雨鋒面逐漸靠近台灣北部外海並於 0000 UTC 通過東北海岸，氣壓也明顯下降由 998.3 hPa 隨時間逐漸降至 997.6 hPa。此段期間在華南地區與台灣海峽上有對流系統發展，並組織成線狀對流系統，隨鋒面系統移向台灣，造成北部地區超大豪雨發生。而台灣附近仍有顯著西南風，巴士海峽有超過 30kts 的西南風出現。12 日 0600 UTC 時(圖 3.1f)太平洋高壓脊東退至 150°E，而梅雨鋒面移動稍快，向南移至中部地區。此時北部位於鋒後環境其風向轉東北風，南部地區西南風不斷增強。1800 UTC 時(圖 17.

(36) 3.1h)梅雨鋒移動至南部，北部逐漸轉為晴朗天氣但南部扔受到西南氣流影響。. 圖 3.2 為 2012 年 6 月 11 日至 12 日每 12 小時 850 hPa 高空天氣圖。 11 日(圖 3.2 a - b)顯示華南地區低壓伴隨低壓槽延伸長江流域，而梅雨鋒面尾端也位於此槽線內。台灣位於華南低壓東側，氣壓梯度隨時間增強，在南海地區延伸台灣海峽的範位都有超過 40kts 強勁西南風出現，強風軸將南海豐沛的暖濕空氣傳送到台灣，使台灣地區存在顯著的低層噴流。12 日 0000UTC 時(圖 3.2 c)華中低壓出海之後逐漸消失，轉變成由日本南方低壓系統主導，使得鋒面系統機制得以維持。而位於鋒前環境的台灣吹西南風，北部局部地區受鋒面影響轉為偏西風。1200 UTC 時(圖 3.2 d)梅雨鋒面通過台灣，鋒後環境轉吹微弱東北風，低壓槽結構變形逐漸減弱。. 圖 3.3 為 2012 年 6 月 11 日至 12 日每 12 小時 700 hPa 高空天氣圖。 11 日顯示東亞地區大致上為西南偏西風且大於 20 kts，低層噴流扔然顯著，表示低層噴流具有深厚度之結構。12 日(圖 3.3 c - d)南部地區位於鋒前環境，逐漸轉為偏西風，與低層 850 hpa 西南風比較，隨高度順轉，顯示大氣具有暖平流的環境。從以上分析，我們得知鋒面具有斜壓性，隨高度向西傾斜。. 圖 3.4 為 2012 年 6 月 11 日至 12 日每 12 小時 200 hPa 高空天氣圖。圖中顯示主要系統為中緯度西風槽位於內蒙古地區向南延伸至華南地區，槽線不斷加深，而台灣位於槽前的環境，整體大環境的風場為西風或西南偏西風，大於 45 kts 足以達到高層噴流條件。而台灣約略位於高層噴流入區的右側，為輻散區有利上升氣流。 18.

(37) 本個案對流系統發生於福州及台灣海峽附近，所以選取了福州(代碼:58847)與板橋(代碼:46692)探空資料來探討在對流激發前時的環境。福州探空於 10 日 1200 UTC 與 11 日 0000 UTC (圖 3.5 a - b)，10 日 1200 UTC 大氣環境風場低對流層由南南西風隨高度順轉至 500hPa 之偏西風，顯示有明顯暖平流，850 hPa 存在明顯低層噴流。此時 CAPE 值高達 2303 ，Weisman and Klemp (1982)數值模擬顯示有利對流系統發展之 CAPE 為 1000 至 3500. ，本個案符合其建議值，Sweat Index 值達到 355.6，. 過去研究指出當 Sweat Index 超過 300 即表示大氣環境有利形成劇烈對流。 11 日 0000 UTC 時 850 hPa 以下溫度與露點曲線靠近，故低層環境潮濕， 850 hPa 以上探空溫度曲線之傾斜角大於濕絕熱線之傾斜角但卻小於乾絕熱線之傾斜角，表示空氣塊是處於條件性不穩定的環境中。與底層相比，高層大氣相對乾燥，上層乾燥下層潮濕環境符合對流不穩定的基礎。900 hPa 以上風速增強，顯示低層噴流旺盛，最強風速軸大約位於 775 hPa。 CAPE 降至 729. ，但 K Index 上升至 40，由其他不同穩定度指標來看，. 顯然在此時仍有利對流系統發展。. 板橋探空在對流激發前環境 11 日 1200 UTC 與 12 日 0000 UTC 兩段時間來看(圖 3.5 c - d)，雖然並無顯著的 CAPE 值，但當時大氣環境都非常的潮濕，且有低層噴流結構達 40 kts，比福州地區強許多，可以提供對流持續發展。. 二、紅外線衛星雲圖圖 3.6 為 6 月 11 日 0832 UTC 至 12 日 0632 UTC 每兩小時台灣局部地區紅外線色調強化雲圖，目的是希望能透過雲圖檢視劇烈對流發展之演變。11 日 0832 - 1032 UTC(圖 3.6 a - b)位於福州市沿岸地區有濃厚雲 19.

(38) 層覆蓋，雲頂溫度達 191 K(紫色)呈現偏橢圓形狀，水平範圍 150 × 100 km，其後方伴隨兩個直徑較小的深對流胞持續發展中(35 × 35 km 與 75 × 40 km)，判斷為正在發展的深對流並向東移行至台灣。11 日 1232 至 1632 UTC(圖 3.6 c - e) 主對流胞已經籠罩北台灣，與其後方兩對流胞合併，並且不斷持續擴大範圍延伸至台灣中部，在 1432 UTC 北側主對流胞內部冷雲雲頂溫度達到最低溫 150 K (白色)，在 1632 UTC 水平範圍達到最大值 300 × 300 km 約呈現橢圓形。11 日 1832 至 2232 UTC(圖 3.6 f - h) 北側對流胞強度逐漸減弱，並且向西往東部外海離開台灣，1832 UTC(圖 3.6f)此時在台灣西南側外海 117.5°E、22°N 附近有新的對流胞出現，雲頂溫度達到 191 K，強度不斷增加並且西行移入台灣南部。. 12 日 0032 至 0232 UTC(圖 3.6 i - j)南側深對流胞發展旺盛，登陸台灣之後不斷的向北延伸，在 12 日 0232 UTC 籠罩全台，雲頂溫度介於 191-211K。12 日 0432 至 0632 UTC(圖 3.6 k-l)受到梅雨鋒面南下影響，南側對流胞開始往東南方向移行，強度逐漸減弱，1032UTC(圖未示)北部地區脫離對流雲系影響。1632 UTC 時 115°E、21.5°N 附近又有新對流胞發展，使得南部地區不斷受到旺盛的西南對流雲系影響，形成持續八個小時多廣泛狹長雲系附蓋台灣(圖未示)，但本研究著重在於北部對流胞對於台灣北部的影響，故不討論。. 三、雷達回波圖圖 3.7 為台灣鄰近區域 6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 0500 UTC 之中央氣象局逐時雷達垂直向最大回波合成圖。11 日 0600 - 0900 UTC (圖 3.7 a - d)雷達回波顯示台灣地區受西南氣流影響，可以看到強回波集中在中南部山區，北部地區尚受任何對流系統影響。而主要影響北部降水事件的兩 20.

(39) 個獨立對流系統分別於福州市與廈門市激發並向東移動(紅色箭頭處)。11 日 1000 - 1300 UTC(圖 3.7 e - h)觀察到兩波對流系統移至海面之後逐漸增強，福州沿岸獨立強回波區，深對流胞東側前緣回波值達到 55 dBz 且回波梯度大，1200 UTC (圖 3.7 g)兩對流系統交匯，形成狹長得線狀對流系統，並向東移入台灣北部。1300 UTC (圖 3.7 h)線狀對流前緣首先登入基隆沿海，登陸之後高回波強度影響範圍擴大，基隆、台北、桃園與沿海地區首當其衝。1400 - 1700UTC (圖 3.7 i - l)清楚可見北部三縣市沿海回波極值皆高達 65 dBz 並持續約 4 小時，配合雨量圖來看(圖 3.9 c - e) 新竹、桃園與新北市沿海地區逐時累積雨量達 90 毫米，降水非常可觀。 11 日 1800 UTC 至 12 日 0100 UTC (圖 3.7 m - t)第一波線狀對流逐漸向東移出外海離開台灣，位於宜蘭外海地區也可以輕易的判別大片砧狀回波區覆蓋。此時梅雨鋒面位置逐漸靠近台灣，1800 UTC(圖 3.7 m)時開始第二波對流系統(紅色箭頭處)於台灣海峽上發展，向東北方移行。2000 -0000 UTC (圖 3.7 o - s)海峽上發展的對流形成狹長型線狀對流帶，強回波區落於台北、桃園等都會地區，回波區雖無第一波線狀對流大面積覆蓋但持續時間較長，回波梯度持續落在 55 dBZ。逐時雨量圖(圖 3.9 g - l)顯示這段期間降水呈現東西線狀分佈，逐時降水強度達 50 毫米。同時南部地區受到西南氣流導引有旺盛對流胞東移入。12 日 0100 - 0500 UTC 時(圖 3.7 t - s)隨著梅雨鋒面不斷南下，北部及中部地區對流胞受抑制，逐漸趨於穩定天氣，降水分佈也南移(圖 3.9 n - p)，但南部地區扔受旺盛西南氣流影響。. 我們進一步分析第二波線狀對流事件，圖 3.8 為圖 3.7 局部放大之結果。我們觀察到對流胞不斷在臺灣海峽上生成後，皆往相同方向移動。 1940 UTC 至 2040 UTC 以及 2110 至 2230UTC 這兩段時間可看到在線狀對 21.

(40) 流的上游處，有新生胞激發的過程(約在 120 E 生成)，以及新生胞隨後增強並與舊胞合併的演變。這樣表示線狀對流系統的傳播方向與對流胞移行方向呈現相反，上游不斷有新生對流胞生成，維持系統的發展，解釋了第二波降水持續較長的原因。逐時雨量圖(圖 3.9 g - l)顯示此段期間降水呈現東西線狀分佈，逐時降水強度達 50 毫米，且降水分佈在這 6 小時並無明顯移動，降水最大強度皆是位於桃園、台北等人口密集都會區，這樣降水演變過程，符合後造型對流系統的降水分布主要集中在特定區域之特徵。. 四、雨量分布圖 3.9 為 6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 0400 UTC 台灣地區逐時累積雨量與 6 月 11 日與 12 日(當地時)24 小時累積雨量圖。11 日 1300 UTC (圖 3.9 b)開始台灣北部地區隨著福州激發的 MCS 逐漸靠近北部地區而帶來降水，降水位置主要位於新北與桃園地區沿海，1400 - 1700 UTC (圖 3.9 c - e)時雨量累積高達 90 毫米以上，此為第一波降水，降水隨時間演變強度增強且降水範圍擴大由沿海延伸至都會區。此波降水造成新北、桃園與新竹沿海鄉鎮淹水。1700 UTC(圖 3.9 f)降水趨緩，但 1800 UTC 第二波降水開始(圖 3.9 g)，可見北部降水範圍逐漸趨向於東西線狀分布橫越桃園、台北等都會區及宜蘭，且隨時間演變降水中心由沿海延伸至內陸。到了 2100 UTC(圖 3.9 j)線狀降水範圍長寬約 80 x 40 km，2200 UTC(圖 3.9 k) 降水中心位於新北市與台北市人口密集都會區，時兩量累積達 70 毫米以上。而到了 12 日 0100 UTC(圖 3.9 n)隨梅雨鋒面南移，降水分佈也南移至新竹苗栗山區，北部降水減緩，強降水事件結束。. 由 11 日與 12 日的 24 小時單日累積雨量來看(圖 3.9k 與 l)山區累積 22.

(41) 雨量皆超過 350 毫米分別落於北、中、南山區，屬於超大豪雨事件。但不同的是南北降水型態不同，北部降水分佈集中在沿海及都會區，造成當地嚴重水患以及經濟上的損失；而南部地區降水集中在於山區，為旺盛西南氣流受到中央山脈阻擋因素。如圖 3.10 所示，依據 11 日 1200UTC 至 12 日 1200 UTC 強降水期間單一測站降水累積顯示高累積降水的測站皆分佈在北部地區的人口都會區，以及災害應變中心與農委會的災害損失統計結果顯示北部地區的淹水情況與農業經濟損失皆高於南部地區。比較而言，北部地區降水型態以及北部都會區人口分佈，對於這種極端降水事件容易造成災害。. 五、小結台灣地區在強降水發生前，低層受西南氣流影響，LLJ 於 850hPa 至 700hPa 都達 35 kts，顯示噴流高度深厚以及旺盛；而高層則位於高層噴流入區右側之環境，高層輻散與上升運動有利底層對流系統的發展，配合中低層有西南風傳送豐沛暖濕空氣至台灣附近，提供了對流激發與發展的良好環境。. 由衛星雲圖照片顯示台灣北部地區上空深對流的水平範圍約達到 300km × 300km 呈現橢圓形，內部冷雲溫度小於 190K 條件已經符合 Maddox(1980)使用衛星紅外線照片觀測到的組織對流所定義之中尺度對流複合體(Mesoscale Convective Complexes；簡稱 MCC)，Maddox 等人也許多局部性劇烈降水及暴洪都是伴隨著 MCC 所發生。透過雷達回波顯示在線狀對流通過台灣沿海時回波值達到 60 dBZ，過去研究指出在回波值大於 50 dBZ 以上者，顯是有可能出現冰雹粒子於對流雲內，也表示著對流發展非常旺盛。 23.

(42) 由前述的雷達資料與累積雨量分析，我們可以知道北部的降水大致區分為前後兩波降水形態，第一波降水時間為 6 月 11 日 1200 至 1800 UTC，主要為受到中國大陸沿岸激發的對流系統向東移行至台灣所導致的第一波降水；而第二波降水時間為 6 月 11 日 1800 至 0000UTC，主要為梅雨鋒面逐漸南下使海峽上成為有利輻合環境，於台灣海峽上進一步激發線狀對流向西移行至台灣，所導致北部地區第二波降水。此次北部降水事件， 24 小時累積雨量皆達到超大豪雨標準，其中自動雨量觀測站新竹新埔站(代碼:C1D38)於 12 日 0000 UTC 偵測到逐時累積降水 113.0 毫米的降水紀錄，如此極端降水事件造成北部地區洪患及經濟損失慘重。. 透過雷達回波分析第二波線狀對流演變過程，我們認為具有後造型對流之特徵。對流胞於海峽上不斷激發，激發後的新生對流胞皆固定路徑移至台北及桃園，為造成超大豪雨主因。線狀對流持續時間較長，降水分佈呈現東西線狀，隨時間移行輻度不大，最大降水中心落在台北桃園都會區。. 24.

(43) 第四章、數值模擬與結果一、綜觀環境比對本研究使用 NCEP - GFS 網格高解析度資料(0.5° × 0.5°)與模式模擬結果比對，圖 4.1 為 NCEP - GFS 網格資料台灣區域 925、850 與 700 hPa 之風場(左圖)與 CReSS 模式模擬結果在相似氣壓高度 806、1372 與 2989 公尺之風場分佈(右圖)。925 hPa 之 NCEP - GFS 分析場(圖 4.1 a)顯示低層噴流結構顯著，經過台灣時且大致上分為兩個走向，主流為由南海向東北延伸至菲律賓海北側，在屏東墾丁外海以東區形成強風速區；分流為南海延伸至台灣海峽再向東北延伸至東海，在海峽及台灣北部至西北部地區形成強風速區。模式模擬結果(圖 4.1 b)對低層噴流主流的掌握良好，支流掌握位置一致，唯在臺灣海峽南側強度稍弱，差距約為 5. 。850 hPa. 模擬結果與 NCEP - GFS 分析場資料比對，模擬結果相似(圖 4.1c 與 d)， 700 hPa NCEP - GFS 與模擬結果(圖 4.1e 與 f)低層噴流扔然旺盛，表示低層噴流具有深厚度之結構。12 日 0000 UTC 時，NCEP - GFS 顯示梅雨鋒面向南移行，925 hpa 與 850 hPa(圖 4.1g 與 i)，鋒面位置位於台灣北部沿海附近，北部地區風場結構由原本強勁西南風轉為微弱的北風與偏西風。低層噴流支流受到鋒面影響，噴流結構逐漸減弱，而模式結果(圖 4.1h 與 j)也掌握到相同的訊號。在 700 hPa NCEP - GFS 與模擬結果(圖 4.1k 與 l)低層噴流支流尚未受到梅雨鋒面影響，臺灣海峽上鋒場結構以西南風與偏西風為主。. 接下來我們進一步探討模擬結果梅雨鋒面的移行分佈，與 NCEP - GFS 初始場資料做校驗，確認模式合理的模擬鋒面的移行。利用相對渦度最大值處以及水平風切顯著之區域約略代表梅雨鋒面位置(虛線)。圖 4.2 為 25.

(44) NCEP - GFS 初始場資料於 6 月 11 日 0600 UTC 至 12 日 1200 UTC 時 850hPa 風場、高度場與相對渦度分佈圖(左圖)，以及 CReSS 模式模擬結果接近 850 hPa 高度之 1372 公尺的風場、氣壓場與相對渦度分佈圖(右圖)。11 日 0600 UTC(圖 4.2 a) NCEP - GFS 資料顯示最大相對渦度落於 28N、121E，且伴隨一個低壓帶，模擬結果(圖 4.2 b)掌握到的最大相對渦度落於 27N、124E，與 NCEP-GFS 資料相比偏東。11 日 1200 至 1800 UTC 時 NCEP-GFS 分析場資料(圖 4.2c 與 e)梅雨鋒面(黑虛線)由東海延伸至華南地區呈現東北-西南走向，鋒面系統向東南方移行，鋒後環境為微弱東北風或北風；鋒前為西南風，相對渦度主要分佈在臺灣海峽以北，台灣地區為西南風，扔受低層噴流影響，鋒面尚未直接影響台灣。模擬結果(圖 4.2 d 與 f)梅雨鋒面鋒前的西南風鋒後的東北風，風場結構都有合理的資訊。唯鋒面的位置呈現西南西-東北東走向，與 NCEP-GFS 梅雨鋒面位置相比，水平傾斜角度不大。. 12 日 0000 UTC 時 NCEP-GFS 與模擬結果(圖 4.2g 與 h)皆顯示梅雨鋒面於此時通過台灣，低壓槽位置位於台灣的東北方外海地區，華南地區已由西南風轉偏北風，而台灣海峽及北部地區也轉為偏西風環境。模擬結果梅雨鋒面位置與 NCEP-GFS 相比，較接近台灣，最大相對渦度帶也位於台灣海峽上。12 日 0600 UTC (圖 4.2i 與 j)至 12 日 1200 UTC (圖 4.2k 與 l) NCEP-GFS 與模擬結果顯示梅雨鋒面迅速通過台灣，鋒候環境的台灣北部由乾冷北風主導，不利對流生成，天氣逐漸趨於穩定。但南部扔位於鋒前環境，顯著的氣壓梯度及西南氣流，顯示南部地區扔具有不穩定的環境。圖 4.3 為 11 日 0600 UTC 至 12 日 1200 UTC 每六小時梅雨鋒面移行位置，由圖中顯示模擬結果與 NCEP-GFS 資料相比，相似程度高。以上分析可以得知在 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 台灣北部強降水期間，台灣地區位於鋒前的環境。 26.

(45) 二、ASCAT 衛星觀測資料比對此處利用 Advanced SCATterometer(簡稱:ASCAT)衛星觀測資料之海表面即時風場觀測資料評估模式結果對於梅雨鋒面位置即時分佈的程度。圖 4.4 為 ASCAT 資料與模式模擬結果在 6 月 11 日 1300 UTC 與 12 日 0200 UTC 個案期間之地表風場分佈。11 日 1300 UTC 模擬結果其梅雨鋒面位於 119° E、25.5°N 附近呈現東北西南走向(圖 4.4e，紅線處)，此與 ASCAT 海洋表面風場資料鋒面位置(圖 4.4c，紅線處)一致，鋒前與鋒後環境的風場亦相似。12 日 0200 UTC 模式結果梅雨鋒面位於石恒島，向西延伸至台灣中部外海(圖 4.4f，紅線處)，與 ASCAT 衛星觀測之梅雨鋒面位置相似(圖 4.4d)。另外配合中央氣象局地面天氣圖的輔助 (圖 4.4a 與圖 4.4b)，可判定模擬結果對於鋒面位置有良好的掌握。. 三、CMORPH 衛星觀測資料比對我們利 Climate Prediction Center MORPHing technique Satellite (簡稱:CPC MORPH)衛星觀測之降水強度逐時資料來與 CReSS 模擬結果比較，確認模式對於在東亞地區降水分布有合理的掌握。圖 4.5 為 11 日 1200 UTC 至 12 日 0000 UTC 時 CMORPH 衛星資料(左圖)和 CReSS 模式模擬結果(右圖)。 11 日 1200 至 1800UTC 時(圖 4.5 a、c 與 e)CMORPH 資料顯示台灣北部已有將近 20 至 30 mm/hr 累積降水，與雷達回波比對(圖 3.7)，推估此波降水為由福州激發線狀對流移入導致，模擬結果 1200 UTC(圖 4.5 b、d 與 f) 並未掌握到此訊號。. 11 日 2100UTC 至 12 日 0000UTC 時 CMORPH 衛星資料(圖 4.11 g 與 i) 顯示東亞有兩個明顯降水區域，一為台灣北部、宜蘭外海至石垣島附近；另一為台灣海峽南方線狀降水區延伸至深圳，而模式結果(圖 4.11 h 與 j) 27.

(46) 合理掌握到此兩區域的降水強度分佈。. 四、雷達觀測比對圖 4.6 為 6 月 11 日 0600 UTC 至 6 月 12 日 0500 UTC 模擬結果之逐時雨水( )、雪( )及軟雹(. )三種水相粒子總合在垂直方向最大值的降. 水粒子混合比分布，單位為(g/kg)。可以用來檢視模擬結果中的雲系發展與演變過程，同時也可以與中央氣象局雷達回波合成圖(圖 3.7)互相比較。 11 日 0600 - 1100 UTC 時(圖 4.5 a-f)，模擬結果與雷達回波比較(圖 3.7 a -f)，模式有掌握到由中國沿岸福州地區所激發的中尺度線狀對流系統 (紅色箭頭)，與雷達回波圖相比偏北 0.5 度。11 日 1200 - 1700 UTC 時(圖 4.5 g-l)模擬結果顯示第一波線狀對流系統向東移行但未經過台灣北部地區，與雷達回波圖(圖 3.7 g-l)之中尺度對流系統所示呈現東南偏東方向移動通過台北、桃園地區有差異。模式對於此段時間台灣北部地區的降水粒子低估，我們認為原因在於 11 日 1200 - 1800UTC 時模式結果之梅雨鋒面位置較實際觀測資料偏北，故影響第一波線狀對流系統的移動。. 1800 - 2300UTC 時(圖 4.6 m-r)模式結果顯示位於台灣海峽上激發的線狀對流掌握程度較好。其中 2000 - 2300 UTC 時(圖 4.6 o-r)，模式結果線狀對流的走向呈現東北-西南方向，並往西南偏西方向的北部地區移動，與雷達觀測資料(圖 3.7 o-r)比較是一致的。12 日 0000 - 0500UTC 時(圖 4.6 s - x)隨著梅雨鋒面南下，使台灣北部逐漸脫離不穩定的天氣，而西南氣流也逐漸南移，南部扔然受到對流系統影響。. 由於上述分析得之模式結果於 6 月 11 日 1800 - 0000UTC 由台灣海峽激發之線狀對流掌握程度較佳，我們將範圍縮小至台灣北部地區深入探討 28.

(47) 此波線狀對流的特徵。圖 4.7 為 1800 - 0000 UTC 局部放大之線狀對流分佈圖，左圖為中央氣象局北部地區雷達迴波圖；右圖為模擬結果之降水粒子分佈。由圖中可以看到模式結果線狀對流行移位置與演變都有很好的模擬表現，確實呈現東北西南方向並往西南偏西方向移動，主要的強回波區落於台北及桃園都會區。也觀察到此波對流系統具有厚造型對流特徵，新生對流胞不斷於於成熟胞的西南側(台灣海峽)激發，接往東北方向(北部地區)移動，對流系統的傳播方向與對流胞的移動方向呈現相反的走向。接下來的研究議題，著重於導致北部地區劇烈降水的後造型對流胞的特徵。. 五、降水分布比較在過去研究指出台灣地區的降水來源，梅雨鋒面所帶來的降水僅次於颱風，所以本研究最主要關注的重點就是降水的分佈，此處會比較觀測資料與 CReSS 模式在 6 月 11 日 1200 UTC 至 12 日 1200 UTC 台灣地區每 7 小時之累積降雨量。圖 4.8 與圖 4.9 分別為中央氣象局雨量觀測站和 CReSS 模式結果的累積雨量。11 日 0000-1200 UTC 模式結果(圖 4.8 a 與 b)與觀測資料(圖 4.9 a 與 b)兩者降水分布頗有相似，集中於中南部山區。 1200-1800 UTC 觀測資料(圖 4.8 c)顯示第一波降水通過北部，降水中心集中於台北與桃園沿海，最大降水量可達 220 毫米以上，為第一波線狀對流系統移入導致，可惜的是模式結果(圖 4.9 c)之第一波線狀對流系統掌握偏北，導致對於北部降水低估。1800-0000 UTC 第二波降水通過北部，觀測資料(圖 4.8 d)顯示降水落在台北與桃園都會區，降水分佈呈東西走向，為第二波線狀對流系統移入導致，模式結果(圖 4.9 d)對於第二波降水掌握較理想，不論雨區範圍與走向都與觀測資料相似。12 日 0000-1200 UTC，觀測資料(圖 4.8 e 與 f)顯示隨著梅雨鋒面南下，北部降水趨緩，降水中心往南移。模式結果(圖 4.9 e 與 f)也有掌握到此訊號，雨區分佈 29.

(48) 型態與觀測資料相似。. 經由雷達回波圖與觀測降水演變的分析之後，我們定義 2012 年 6 月 11 日 1200 UTC 至 6 月 12 日 0000 UTC(共 13 小時)，為本個案強降水期間。為了進一步了解個強降水期間降水強度隨時間的變化趨勢，本文利用了中央氣象局局屬測站與自動雨量站逐時資料，一共 68 個測站站點資料，範圍選取西經 120.87°~121.85°、北緯 24.75°~25.17°進行區域平均(圖 4.10 a 與 b 之黑框處)，繪製強降水期間降水強度逐時變化(圖 4.10 c)。也將模式結果做了同樣的方法，不同在於模式輸出一共有 2201 個網格點進行區域平均，進而一步分析觀測與模式結果之間的差異。模式結果(紅線)與觀測(長條圖)比對，得知模式對於 6 月 11 日 1400-1700 UTC 期間的第一波降水掌握不理想，模式明顯低估，但對於 11 日 1800 UTC 之後模擬結果之東西帶狀降水區域雨帶較窄，以及選取計算之網格點數目較多，導致區域平均降水強度偏弱，整體而言逐時降水趨勢與觀測資料相似。透過以上分析，我們認為模式模擬結果於 11 日 1800 至 0000 UTC 第二波線狀對流期間具有較高的参考價值。. 六、地面氣象站觀測比對接著我們將進一步比對 11 日 1800 UTC 至 12 日 0000 UTC 強降水期間逐時雨量分布與風場變化，觀察高解析度模式是否能合理掌握到更細微的資訊。圖 4.11 為中央氣象局地面觀測站之逐時累積雨量與風場分佈(左圖)以及 CReSS 模擬結果(右圖)。模擬結果強降水期間約晚觀測資料一小時。觀測資料於 1800 - 2000 UTC(模式結果 1900 - 2100 UTC)時(圖 4.11 a - f)，此時梅雨鋒面尚未通過台灣，兩者皆顯示台灣位於鋒前的西南風環境，而模式結果對於北部近海的降水稍微低估。觀測資料於 2100 - 2300 30.

(49) UTC 時(模式結果 2200 - 0000 UTC)時(圖 4.11 g - l)兩者降水型態呈現東西線狀分佈，且降水中心在這段期間並無太大的位移，由沿海延伸至都會區降水量高達 50mm/hr。此時近地梅雨鋒逐漸接近台灣，觀測資料顯示東北海岸出現北風分量，模式確實也有抓到此訊號，梅雨鋒的位置與觀測相似。. 七、小結我們使用雲解析風暴模式針對 2012 年六一二北部水災個案進行模擬實驗，將模擬結果與綜觀環境資料分析比對。模式有掌握到低層噴流深厚結構以及噴流軸通過台灣時分為主流與支流的走向，噴流於北部地區形成強風速帶，隨梅雨鋒面南下，低層噴流支流減弱訊號也模擬的不錯。針對模擬結果 850 hPa 梅雨鋒面位置在強降水期間與 NCEP-GFS 資料及衛星資料比對，鋒面移行位置及走向差異不大，唯在 11 日 1200 UTC 時模擬結果之梅雨鋒面位置掌握較際觀測資料偏北。分析結果顯示強降水期間，皆屬於受西南氣流影響之鋒前環境。. 透過雷達回波圖與模式結果降水粒子分佈比對發現，模式對於 11 日 1200 UTC 第一波線狀對流移行偏北，深對流未經過北部地區。但是對於 11 日 1800 UTC 至 12 日 0000 UTC 期間，台灣海峽上線狀對流系統的發展與移行都有很好的模擬。我們認為第二波線狀對流系統具有後造型對流特徵，線狀對流的傳播方向與對流胞的移動方向相反，新生對流胞於成熟胞的西南側激發，隨後形成狹長的對流帶，為導致北部地區劇烈降水主因。透過近地面累積雨量與降水強度分析，模擬結果掌握到台灣南北不同的降水機制，中南部地區西氣流受地形阻擋，降水集中在山區，而北部地區降水型態呈現東西線狀分佈，由沿海延伸至都會區，不同於南部。逐時降水 31.

(50) 演變也顯示模擬結果地面降水較實際觀測資料晚約一小時發生，逐時近地面梅雨鋒面移行位置與觀測資料相似。. 32.

(51) 第五章、對流胞擾動氣壓分析一、線狀對流初步分析圖 5.1 為模式中主要造成北部降水之線狀系統與對流胞時序圖，位置與發生時間與觀測相似。為了能更清楚判斷，我們以垂直速度在垂直方向最大值之時序圖來觀察對流胞的演變過程(圖 5.1)。圖 5.1a 為 1920 -2010 UTC 之時序圖，對流胞一(BB01)為此後造型系統之檢視重點，1920 UTC 時 BB01 (紅色箭頭處)已登陸，僅西南側僅有微弱的上升運動。1940 UTC 開始 BB01 西南側上升運動逐漸增強，到了 2010 UTC 之後新生對流胞趨於成熟，而舊胞減弱，過程中新胞與舊胞合併。圖 5.1b 為後對流胞二與對流胞三(BB02 與 BB03)時序圖，2050 UTC 時 BB02(紅色箭頭處)西側也僅有微弱的上升運動，2100 UTC 之後西側上升運動快速的增強，對流系統向西傳播，並且也觀察到新胞與舊胞合併。2100 UTC 時 BB03 於台灣海峽上距離 BB02 約 50 公里處激發，激發過程周遭無舊胞。激發後且向東移行，與 BB02 合併成狹長雨帶。. 由第一章前言所提到 Schumacher and Johnson (2004) 將數個具有後造型特徵的線狀對流個案進行合成，東西方向剖面中顯示對流系統輻合最大值集中在低層成熟胞中心偏西處，上游輻合帶有利新生對流胞激發的環境。所以本研究挑選模擬結果 BB02 來進一步觀察是否有相似的特徵，選取相似的綜觀條件(圖 1.4 a 與 b)，鋒前環境水平風切顯著以及相當位溫梯度大的區域(圖 5.2 a 與 b)進行剖面，此與文獻中提到的特徵是類似的。圖 5.2c 為 2125 至 2135 UTC 時(3 筆資料時間平均)對流胞東西剖面，水平範圍約為 110 公里，明顯看到低層成熟胞西側亦是輻合最大值。由上述分析我們可以瞭解到此次降水事件後造型對流胞扮演重要角色。由前言提及 33.

(52) 後造型對流胞激發機制與擾動氣壓的分佈有密切關係，故本研究接下來討論後造型對流胞與擾動氣壓的關係。首先，先將對流胞擾動場與背景場分離。. 圖 5.3 為上述三個對流胞移動路徑圖，由圖中可知對流胞移動路徑皆呈現西南往東北方向移動，BB01 與 BB02 新胞分別於 1915 分與 20 時 30 分在舊胞通過西部沿岸之後生成並向東移行，而 BB03 在海峽上周圍無對流胞影響下激發新胞且向東移行(圖 5.1 b)。透過圖 5.3 可以幫助我們選定擾動場的範圍，得知擾動場才能進一步探討對流胞內部的結構。我們主要探討的擾動場範圍為西經 120.40 至 121.34 度、北緯 24.8 至 25.10 度，約略為 35 km x 95 km，此範圍避開 500 公尺以上高度地形影響，也包含了後造型對流胞西側新生對流胞激發前後的環境場。. 二、對流胞選擇與求取擾動氣壓由於背景環境位於梅雨鋒面附近，背景場的氣壓與風場勢必受到鋒面本身隨時間移動的影響，所以我們在求取擾動場時，除了扣除背景場隨高度的變化外，也必須將變數隨梅雨鋒面系統移動所產生的變化一併扣除。而變數應用於氣壓，即指梅雨鋒面隨時間靠近台灣，伴隨一氣壓逐漸下降的趨勢，此氣壓下降的趨勢變化納入背景場，所以針對背景場的求取方式做下列的調整。以下即為本研究求取擾動場之步驟，分述如下:. 步驟一:. 將. 進行時間平均. P 為模式輸出氣壓、為環境背景場。將 P 對一段時間進行平均，起始時間為 11 日 1800 UTC；結束時間為 12 日 0000 UTC 共七小時，x,y,z 大小為模式模擬範圍，獲得為時間平均之背景場。背景場呈現一個北邊 34.