中央大學大氣物理研究所學位論文
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中南半島人為活動於每年春(乾)季造成大量生質燃燒事件，其排放之氣膠與雲直接與間接交互作用，影響大氣輻射收支及水循環系統，因此對氣候變遷與人體健康造成重大影響，迄今全球較少科學家深入研究該地區生質燃燒排放之氣膠，故本研究為瞭解生質燃燒區域氣膠對雲凝結核之影響，於該地區定點量測氣膠物理及化學特性。 大氣氣膠之化學成分、混合型態，粒徑大小皆對雲凝結核形成有相當影響，故本研究於泰國安康山測站(19.93˚N，99.05˚E，1,536 m)和台灣鹿林山測站(23.47˚N，120.87˚E，2,862 m)兩地，利用雲凝結核計數器(CCNc)、掃描式電移動度粒徑分析儀(SMPS)、凝結核計數器(CPC)、氣膠微物理及光學儀器定點量測區域氣膠，藉此瞭解泰北生質燃燒區域氣膠之物化特性，並探討氣膠與雲凝結核活化特性之關聯性。觀測時間為2013年2月22日至4月8日。此期間為泰國乾(春)季，此區域生質燃燒事件持續發生，由後推軌跡分析，發現不同空氣源對氣膠物化特性有相當大之變異，分類為3事件。事件A為3月13 - 15日，此期間受境外傳輸及生質燃燒排放源影響，呈現吸濕性較佳和活化率較高之特徵；事件B為3月17 - 20日，此期間受生質燃燒排放影響最嚴重，吸濕性及活化率皆有下降之趨勢；事件C為3月22 - 24日，此期間氣團皆傳輸於邊界層之上，推測受老化作用後吸濕性及活化率降至最低。鹿林山測站位於中南半島及中國下風處，由後推軌跡發現觀測期間氣團經過中國人為污染區域和中南半島生質燃燒源區，推測氣膠物化特性會受影響，分類為3事件。事件I為3月13 - 15日，此期間受中南半島生質燃燒源區影響，氣膠特性呈現低吸濕性及活化率不高之特徵；事件II為3月16 - 18日，此期間氣團來源於中國東北、韓國和日本等地區，推測受人為污染影響；事件III為3月19 - 20日，此期間與事件I類似，但污染程度更為強烈。 總體而言，藉由本研究瞭解不同空氣源之氣膠受傳輸路徑及過程影響，使氣膠物化特性差異甚大，而近生質燃燒區域與源區下風處之量測結果，發現兩地氣膠物化特性之差異。
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ABSTRACT Global Position System (GPS) radio occultation (RO) soundings are assimilated to explore the impacts of GPS RO data on prediction of severe weather systems such as super cyclone Gonu (2007) over the northern Indian Ocean and Mei-yu frontal (2012) rainfall over Taiwan. A series of experiments were conducted using the advanced Weather Research and Forecasting (WRF) model with three dimensional variational method (3DVAR) to assimilate GPS RO refractivity from FORMOSAT-3/COSMIC (hereafter refer as GPS) and other datasets in order to verify the relative impact of GPS RO soundings. For the study of cyclone Gonu, we use Special Sensor Microwave Imager (SSM/I) retrieved precipitable water and near-surface oceanic wind speed, and radiosonde sounding (GTS), QuikSCAT derived winds, bogus vortex along with GPS RO data. Significant differences in cyclone track and intensity prediction are exhibited in various assimilations. GPS-cyc (GPS cyclic) outperformed well when compared to all other simulations till day 3 with the smallest cross-track error, SSM/I experiment obtains the strongest cyclone intensity. Sensitivity tests were also conducted to identify which GPS RO sounding plays a more crucial role in track prediction. It was found that the RO soundings in the vicinity of Gonu cyclone appear to modify the environmental conditions that result in a later development of a couplet of high and low pressure leading to an impact on track prediction, but the sounding closest to the cyclone center exhibits the largest contribution. Sensitivity experiments indicate that the retrieved GPS data information at upper levels with initial colder temperature increments indeed contributes iii more to improvement on track prediction. The improvement will not degrade until only the initial RO sounding information above 14 km height is retained in the model. Severe rainfall associated with a Mei-yu frontal system in Taiwan is studied using three different observational operators such as local bending angle, local refractivity, and non-local refractivity. The assimilations of the RO data are found beneficial to the forecast of severe rainfall associated with Mei-yu frontal system in Taiwan. Distributions of major rainfall in northern Taiwan on the second day, in particular, best benefit the performance of the local bending angle operator, followed by local refractivity operator. Both the operators appear to produce mostly larger positive moisture increments than the non-local operator. We found that the impact of RO data results from several critical RO observations near Mongolia and northern China. This study is the first attempt to provide an inter-comparison among the three RO operators, and show the feasibility of model assimilation with local bending angle.
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如何應用並擷取系集成員的預報結果是非常重要的。系集平均為普遍使用的統計方 法，但因雨量不連續性以及極值發生區域太局部，系集平均會將極值平滑掉導致雨量低估，本研究中使用兩個統計方式：PM與PMmod.來改善此缺陷。PM(Ebert, 2001)為使用系集平均的空間分布並經由重新分配所有系集之降雨頻率分布來改善QPF；另外，本研究自行提出新的系集QPF方法PMmod.，設計理念為一個好的系集預報理論上應可將真實的降雨極值包含在各系集成員的QPF極值中，這個方法基於PM的概念，使用系集平均之空間分布，但降雨頻率則是各成員降雨頻率之系集平均。 本研究使用兩個預報個案與2012年6月平均進行測試並分析中央氣象局(CWB)系集預報系統(WEPS)的系集平均、PM與PMmod.方法得到的QPF特性與技術得分，發現PMmod.或PM都可增加QPF技術，例如在50毫米，PM與PMmod. 皆可使官方TS進步率達11.5%，ETS進步率可達50%，但中小雨的預報技術仍是系集平均較好。在個案一的梅雨鋒面個案中，因系集模式對梅雨鋒面的速度與強度掌握有所偏差，使系集成員極值皆預報不足，因此即使使用PM仍不足預測極值。在個案二的蘇力(2013)颱風個案中，使用PMmod.或PM的前12小時QPF皆比系集平均佳，但後12小時PM的QPF明顯高估，主因為模式中的颱風移速較實際移速慢。另外在兩個個案中，無論是系集平均、PM或PMmod降雨分布皆有集中在山區的偏差或傾向，顯示WEPS對於台灣地形上的降雨偏差仍有進步的空間。 系集平均、PM或是PMmod.等後處理方式，可以有限度改善預報結果。但假使一開始模式預報就沒有掌握到實際降水的特徵，則這些後處理方式能幫助的其實非常有限，這就回溯於系集預報系統本身動力設定的改善。從前人研究可知，如果先調整原本的降水空間分布與系統誤差校正，再進行PM或PMmod.，可以取得更好的預報結果。
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過去許多研究利用不同雲微物理參數化方法針對於颱風進行模擬,瞭解其對 於颱風路徑、強度、結構及降水之影響,但對於雲凝結核濃度對颱風研究之模擬 實驗則較少。近年來,由於氣溶膠對於大氣環境影響的研究逐漸被重視,又由諸 多前人研究顯示,氣溶膠濃度的變化確實在雲微物理過程中扮演重要的角色,故 需針對此一課題進行深入研究。 因此本研究將使用 WRF 模式,針對納莉颱風(2001)進行一系列的數值模擬 研究。本研究使用 WRF 模式中之 WDM6 雲微物理方案,修改其雲凝結核初始 數量濃度(大陸型、半大陸型及海洋型濃度),並去除地形影響,進行海洋環境的 模擬實驗。由模擬結果發現,若增加初始雲凝結核濃度,則使得大氣中形成的雲 滴粒子數量較多,粒徑較小,藉由颱風眼牆區域的強烈上升運動傳至高層出流區, 得以傳輸至離颱風中心較遠處。因此造成眼牆及外圍雨帶區域降水強度不同,各 水象粒子的空間分佈也有所不同,從液態凝結與冰相凝華潛熱加熱率垂直剖面來 看也有所差異,因此大氣環境中雲凝結核濃度的不同,對於熱帶氣旋的強度與結 構發展是有顯著的影響。在模擬較初期,雲凝結核數量濃度和颱風強度及降水較 為線性變化,但隨著降水系統發展,可能由於冰相微物理過程的非線性變化,使 得之後的颱風動力和結構方面同樣有較為複雜的變化。
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北極震盪(Arctic Oscillation, AO)是近十年來為大家所關心的重要氣候議題之一。所謂的北極震盪，是指北半球中緯度和極區海平面氣壓變化的帶狀結構，呈現南北對稱的特徵，通常在冬季其變化幅度會較明顯；但因作用中心主要在歐、美地區，關於其對東亞地區影響的研究較少。而且AO事件的成因，目前還沒有明確的答案。 本研究使用流函數收支與波活動通量方法，探討AO的波動特性與觸發AO的動力、熱力機制。結果如下： (1)根據流函數收支分析結果，得到在AO事件影響下，影響大氣環流結構最主要的動力機制為渦度抽拉項，也就是輻合輻散的作用。其中中緯度東太平洋地區(150W~120W, 30N~50N)為本研究使用流函數收支分析後發現的新作用中心，在前人研究中還未被注意到。 (2)分析波活動通量後，發現新作用中心東太平洋地區正好為波動能量最初開始增強的地點；AO的能量訊號最早從此地區激發並傳遞出去，並非如前人研究認為源自北大西洋地區。形成原因為東太平洋的海溫正距平，增強下對流層的輻合作用距平並與上對流層輻散作用距平配合，形成強烈的上升運動；凝結降雨釋放出的潛熱帶至上對流層進而激發出波動能量，在往東傳遞的過程中改變大氣環流結構，因此AO事件的能量訊號主要為熱力強迫作用所造成的響應結果。波動能量提供了適合擾動發展的環境，與局地的天氣系統交互作用後，可使系統強烈發展並激發出更多能量。
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本研究使用Weather Research and Forecasting(WRF)模式，以2008年西南氣流實驗[Southwest Monsoon Experiment(SoWMEX)]探空資料作為模式初始場，模擬颮線通過理想台灣地形時，其結構變化與降雨分佈情形，以及山脈背風處颮線重新生成，並增強的物理過程。吾人並比較依照RKW理論(Rotunno–Klemp–Weisman theory)估算之颮線移動速度與陣風鋒面移速之關係，探討兩種方法估算結果的差異。理想地形實驗包括對稱橢圓山脈、非對稱橢圓山脈以及雙峰山脈三種，探討颮線系統以不同方向通過理想山脈時，理想地形對於颮線結構的改變情形。在本研究中，主要探討的颮線系統移動方向分別為西-東走向和梅雨季常見之西北-東南走向。 在對流系統以西向東走向的實驗中，通過對稱橢圓山脈地形時，颮線兩端氣流及冷池以繞山的形式通過山脈。而在地形最高的中間部分，颮線因受到山脈阻塞作用最大而消散，造成線狀對流斷成南北兩段；當颮線過山水躍發生後，原本消散的中段對流將再次生成。若將理想地形改為非對稱橢圓山脈後，其氣流繞山與系統再次增強的過程與對稱山脈時類似，主要差別在於較平緩的迎風面山坡讓阻塞效果減弱，而背風面下沉抑制增加，造成迎風面及背風面降水皆減少。雙峰地形實驗中，山谷地形造成明顯的通道效應，導致山谷背風面冷池較弱且降雨量降少。若將系統改以西北-東南走向並通過地形時，所有理想地形模擬結果將呈現颮線系統的水平結構及降水分佈上出現南北不對稱分佈；且系統通過地形時的角度改變，造成通道效應的現象變得不明顯。針對使用RKW理論所計算之理論密度流速而言，當颮線過山時其結果會低於陣風鋒面移速，而將系統改為西北-東南走向後，由於地形阻塞作用較少，冷池過山時其理論密度流速隨時間的變化量將減少。
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在颱風資料同化預報議題中，觀測資料除了本身的品質之外，其位置亦是對於能 否獲得有效分析修正量的重要因素之一。本研究透過一系列觀測系統模擬實驗(OSSE) 模擬2008 年颱風辛樂克，並使用Local ensemble transform Kalman filter (LETKF)， Weather Research and Forecasting (WRF) model 及系集預報敏感度工具來探討對於颱風 路徑及結構的影響。本研究利用真實場建立出五組不同位置之探空資料，分別包含海 洋及陸地(ALL)、陸地(LAND)、海洋(OCEAN)、陸地加飛機穿越(LAND_PF)，海陸加 飛機穿越(ALL_PF)。同化預報實驗結果顯示，在海洋上有觀測的實驗組可成功掌握改 善颱風北側及東側高度場因此其系集平均路徑都較與真實場較接近。而含有穿越颱風 之觀測資訊的實驗則是能夠使得颱風的環流結構更加準確，但若僅使用飛機穿越資料 則仍會因對環境場掌握度不佳而無法提高預報路徑準確度。 此外，本研究使用Kalnay et al.(2012)提出之系集預報敏感度計算觀測影響，並以 ALL_PF 實驗結果討論同化哪些位置的觀測有助於減少預報誤差，並進一步以系集路 徑預報誤差來印證此方法之結果是否合理。結果顯示，大部分在颱風環流範圍以外的 海洋觀測在24hr 預報中能夠發揮其最大效益，其修正量亦多位於有效修正區(颱風北側 及東側)。因此透過此敏感度工具可確認同化這個區域的觀測能夠有效改善路徑預報。 而穿越中心的飛機投落送觀測則是在短期預報中就能提供正面貢獻，尤其是靠近颱風 中心點的幾個觀測。 本研究另外使用兩組敏感度測試實驗亦驗證外圍環境場的掌握度對於路徑預報的 影響，其結果與利用系集敏感度工具評估而得的觀測影響相呼應。
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台灣位於東亞大陸下風處，冬季時東北季風可將亞洲大陸的污染物傳輸至台灣，且台灣四面環海，受海洋影響顯著，由於風的吹拂，空氣中存在含海鹽氣膠，最後空氣中的氣膠和污染物再經由降雨沉降至地表，影響雨水酸鹼值和環境生態。因此利用台灣長期酸雨監測資料來了解降水化學的長期變化，以及和氣候的相關性。 本研究使用彭佳嶼、台北、宜蘭、中壢、新屋和成功2005 - 2013年降水化學資料。彭佳嶼、新屋和成功為背景測站，以海洋的貢獻為主，且彭佳嶼和成功nss-SO42−/Na+比值低於1，雨水中Na+比例最高。台北、宜蘭和中壢nss-SO42-濃度的變動程度在冬季較為顯著，有季節性分佈，且6個測站nss-SO42-/NO3-比值皆大於1，表示長程傳輸的重要性。 傳輸效應取決於東北季風的強弱，本研究中各測站Na+濃度高值大多發生在東北風增強的年份，反之Na+濃度低值多發生在東北風較弱的年份，且海溫是決定東北季風強弱的因素之一。結果發現Na+濃度變化和Niño 3.4海表面溫度(Sea Surface Temperature，SST)的相關性呈現反相位，顯示降水化學會間接受到海溫影響。 為進一步探討東北季風造成的影響，只選取東北季風型態及秋冬鋒面型態的降雨資料，結果顯示因為新屋與海距離較近，易受到傳輸而來的污染物影響，nss-SO42-濃度變動幅度比中壢大，成功nss-SO42-濃度變動小，且位於台灣東部，東北季風造成的效應沒有北部地區直接。 使用彭佳嶼在東北季風型態下Na+濃度極端值的風場，了解Na+濃度極大值發生時，事件日3天的風速大於平均風場，環流多為大陸高壓未出海時，高壓強度強、風速大，反之，Na+濃度極小值發生時，事件當日風速比平均風場小。
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雷達觀測具有高時空解析度的優點，常使用於劇烈天氣的監控與觀測。本研究是延續及改善前人的工作，選取2008西南氣流實驗計畫(SoWMEX)的IOP8個案，利用多都卜勒雷達觀測資料，改善模式當時的初始場，增進模式降水定量預報之能力。此方法主要包含三大部分：(1)多都卜勒風場合成、(2)熱動力反演、(3)水氣調整。然而前人的實驗存在一些問題：(1)同化後模式初始場壓力與反演的壓力場有很大差異，顯示壓力場並沒有被完整地同化到模式中；(2)模式預報時邊界會出現錯誤回波；(3)定量降水預報的高估及位置偏差。 為了改善這些問題，吾人更換將反演之壓力場置入模式的方式，及利用新的水氣調整的方法，其結果顯示在預報回波結構及降水預報都有明顯的改善，且能修正前人實驗的問題，令降水預報更加準確。而在各雲微物理方案測試中，以WSM6物理方案較為合適此實驗的降水預報。 當進行熱動力反演時可利用探空資料來提供每個高度層的水平壓力擾動平均，但是當沒有探空資料時，本研究利用模式當時預報場的每層平均壓力擾動來代替探空所提供的水平壓力擾動平均，從而反演出大氣壓力場。本實驗結果顯示沒有使用探空資訊，其降雨預報結果會較有探空時的降水預報為高估，但其預報仍有一定程度的準確性，因此在沒有探空時此方法是可行的。若只利用模式預報而不作任何的雷達資料同化，其降水預報結果十分不理想，也顯示只需兩筆時間的雷達資料並透過此反演同化方法，便可對定量降水預報有很好的改善。 由於雷達觀測的範圍是有限制，因此利用二次雷達資料同化讓模式得到更密集的大氣狀態資訊，可以有效改善降水預報的效果。實驗結果顯示利用二次同化方法，可以修正一次同化的強降雨區位置誤差，也減少了模式預報強回波時出現高估的程度，且二次同化方法在定量降水檢驗的表現優於一次同化，但若把二次同化的時間推延至一次同化預報後兩小時，其預報將有更明顯的改善。
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由於3DVAR的背景誤差協方差是不具有flow-dependent的特性，但一般認為，如果背景誤差協方差具有流場相依的特性，可能會比較符合大氣變數的實際狀況，於是本篇論文研究挑選了兩個具有flow-dependent特性的同化系統，EAKF是屬於系集卡曼濾波器的一種，因為其背景誤差協方差是利用完全非線性模式預報出來的背景場計算得到的，所以具備了明顯的flow-dependent的特性，4DVAR則是四維變分方法的一種，由於其cost function加入了時間的維度(所以稱為四維)，所以相較於3DVAR來說，具備了隱性flow-dependent的特性。本篇論文於是想要比較這兩種同化系統的表現。 主要研究實驗計劃是在2010101900開始進行同化，由於NCEP全球分析場資料已經包含了GPSRO和GTS觀測資料在其中，為了避免分析場本身已有的觀測資訊干擾實驗，也為了讓初始場跟模式進行一定的平衡，所以在EAKF方面，先在2010101818進行預報六小時，把此預報場當作初始猜測場進行同化，再把每同化完的 Ensemble Mean進行72小時的模擬預報，另外把每個member進行六小時預報當作下個階段的背景場以及初始猜測場，再進行同化得到分析場。依序在10/19/00、10/19/06、10/19/12/、10/19/18、10/20/00，進行五次的同化，4DVAR則是先在2010101818進行預報三小時，把此時的預報場當作是初始猜測場，進行六小時窗區的資料同化，得到分析場，把分析場預報3小時得到10/19/00的初始場，利用此初始場進行72小時的模擬預報，再把同化後的分析場進行六小時的預報得到下個階段的初始猜測場，在進行資料同化，依序在10/18/21、10/19/03、10/19/06/、10/19/15、10/19/21，進行五次的同化。 研究發現，EAKF、4DVAR經過cycle run的同化策略，颱風路徑的表現上EAKF在經過多個cycle窗區之後，有慢慢把資料同化的效果表現出來，4DVAR則較不一定，在颱風強度的部分，4DVAR在五個cycle窗區裡面，颱風強度整體來說是偏低的，在觀測資料部分發現EAKF因為是系集初始場的關係，較可以表現出GPSRO掩星觀測的效益，4DVAR則是比較跟觀測資料的遠近有關，在環境場的表現，EAKF整體來說都要比4DVAR還要來的優異。 針對EAKF進行了同化策略差異的實驗，以及系集數的敏感度測試，發現經過spin up 72小時的EAKF在颱風路徑會比spin up 6小時的EAKF有較好的模擬，但颱風強度有低估的情形。在系集數的敏感度測試中，發現當系集數增加不夠明顯時，對背景誤差斜方差的估計改善程度並不會有多大的幫助。