中央大學大氣物理研究所學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
Gill (1980)所提出的簡單模式，被廣泛的用來解釋熱帶大氣在非絕熱加熱下的強迫反應。此模式也被與簡單的海洋模式耦合，廣泛的用在聖嬰現象的研究。但Gill的簡單模式是否足以解釋觀測的流場、質量場與熱源等的年際變化，是我們所好奇的。因此本研究應用GPCP v2.2月平均降水、輻射資料以及乾位能對流項導出伴隨El Nino演化的大氣熱源項，並依據拋物柱面函數將熱源分解成對稱及反對稱於赤道的分量，以Gill模式計算出風場及重力位高度， 並與ERA-interim中對應的風場與重力位結果進行比較，據以量化熱帶大氣（對稱、反對稱結構）熱源對自由大氣環流的影響。 以1997年12月為例，大氣的風與質量距平場的第一斜壓分量顯示為對稱赤道的結構。若僅考慮降水對稱結構分量為熱源，代入模式所得解為對稱赤道的南北氣旋環流，其位置跟觀測結果相比偏西且向高緯度擴張，若加入降水在反對稱結構分量，模式解與觀測特性差異更大。接著我們將乾位能對流項視為熱源，發現可以增強對稱赤道的熱源強度、減少熱源的不對稱性，導致模式對稱赤道解的強度增強，使模式環流更接近觀測場的量值與局限熱帶的空間分佈。至於輻射項的作用相較於前兩者來說值小很多，影響較小。 上述模式與觀測場的比較，顯示在聖嬰最強的冬季，降水與海溫距平高溫區互相對應，主要分佈於中部及東太平洋赤道區，但第一斜壓環流為對稱赤道的兩個氣旋環流，模式解偏弱約50%，熱源以西的兩個氣旋環流偏西，熱源以東的東風過強等。這樣的情形可能與平流項的忽略、模式的損耗項、熱源的垂直分佈、由邊界層向上激發的大氣剩餘反應均有相關；這些部分也顯示Gill 模式過於簡化的特徵。
- 學位論文
2014年8月12日在臺灣西南部地區最大累積雨量達345.5mm，接近中央氣象局超大豪雨標準(350mm/day)，且降雨集中在臺灣西南部沿海平地，是台南、高雄人口稠密之地區，造成市區橋梁、道路封閉、居民撤離。臺灣夏季除了颱風帶來的降雨，主要受到西南季風影響，在中央山脈迎風面西南部地區有較明顯地降雨，另外中尺度對流系統也容易沿著盛行風，由西南部外海向臺灣西南部移動帶來降雨(Chen and Chen 2003)。為了研究個案在沿海平地地區的降雨機制，本文利用European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) ERA-Interim資料、雷達回波、氣象局局屬測站與自動測站以及Weather Research and Forecasting (WRF) Model數值模擬，對於8月12日大豪雨個案進行討論。分析ERA-Interim在2014年8月5～14日平均綜觀環境與氣候值的差異，顯示在2014年有較大的底層水氣通量(150g/kg·m/s)，850hPa在日本南方有低壓環流，中層500hPa中緯度槽向西南延伸，台灣附近上升區有利雲系發展。在8月12日的綜觀環境，顯示大陸低壓向東擴張，台灣西南部盛行西南西風，低層950hPa水氣輻合顯著，500hPa在南海北部、巴士海峽為低壓環流，上升運動有利於雲系發展。研究發現8月12日期間臺灣西南部近海持續有對流系統以及潮溼空氣向臺灣西南部地區移動。且西南部上游低層的風速並不大(6～9m/s)，moist Brunt-Vaisala frequency約為0.017/s，Froude number(F_r)約為0.22。在低F_r情況下，盛行西南西風受臺灣南部地形影響產生阻塞、地形回流以及偏轉的東南風，與原本的盛行風輻合造成降雨。另外降雨蒸發冷卻產生的外流冷空氣(離岸風)以及夜晚地面冷卻造成的下坡風與盛行風的輻合有助於對流系統在沿海地區的發展。
- 學位論文
本研究使用了高解析度大氣模式HiRAM以及三個CMIP5的模式CNRM-CM5、MIROC5以及GFDL-ESM2G對於西北太平洋地區颱風活動在全球暖化下會如何改變進行分析。在此針對颱風總個數、生命週期、颱風生成及路徑分布以及降雨強度的改變進行討論。 從模擬結果可發現，當溫室氣體濃度上升時，各個模式模擬出的西北太平洋地區的大尺度環境場皆會有以下的改變: (1)海溫上升、(2)近赤道太平洋地區東西向海溫梯度減弱、(3)沃克環流減弱、(4)西北太平洋副高西伸、(5)季風槽減弱、(6)穩定度增加以及(7)低對流層比濕增加等情況。 因此，分析其結果發現各個模式在西北太平洋颱風個數在全球暖化下會因為季風槽減弱以及穩定度增加而減少。而低層比濕以及海表面溫度的增加提供更多的水氣使得颱風的平均降雨強度增加。此外受到副高西伸的影響，造成颱風路徑在全球暖化下會有向西或者向南偏的趨勢。而各模式模擬出颱風的生命週期在全球暖化下皆無明顯的改變。 在颱風強度方面，HiRAM、CNRM-CM5以及GFDL-ESM2G都模擬出西北太平洋熱帶地區潛勢強度隨全球暖化上升，造成颱風平均最大風速上升且較強的颱風期比例或個數有上升的情形。但MIROC5則顯示出西北太平洋熱帶地區潛勢強度隨全球暖化減弱造成颱風的平均最大風速下降，且強颱個數減少。 HiRAM、CNRM-CM5以及GFDL-ESM2G都模擬出垂直風切在全球暖化之情況下在西北太平洋熱帶氣區有減弱的趨勢。但MIROC5則模擬出風切增強的結果。而在暖水層厚度方面，CNRM-CM5以及GFDL-ESM2G都模擬出在模式中的颱風主要生成區暖水層厚度都有明顯加深，有利於強颱生成。但MIROC5則在該模式之颱風主要生成區內暖水層厚度沒有明顯的增加。 雖然在颱風強度、垂直風切以及暖水層厚度的改變方面各模式所模擬出的結果不盡相同，但大多數模式認為颱風強度會增強且垂直風切以及暖水層厚度的改變是有利於颱風發展的，因此在未來較有可能出現上述的改變。
- 學位論文
雙眼牆結構多出現於強度較高的颱風，相較於一般颱風結構，雙眼牆結構是由眼牆外再發展出一環狀強對流帶，產生第二眼牆，近颱風中心的眼牆為內眼牆，較遠的第二眼牆則為外眼牆，外眼牆與內眼牆之間有一對流極小的區域moat，且眼牆彼此同心，故又稱同心眼牆(Concentric Eyewall)。Willoughby et al. (1982) 提出眼牆置換週期(Eyewall Replacement Cycle)論述，多數雙眼牆結構形成後，外眼牆逐漸增強，位置逐漸內縮，內眼牆則是逐漸減弱並隨著外眼牆內縮而消散。 為了研究西北太平洋雙眼牆颱風眼牆置換過程與颱風整體平均降雨強度之關係，本文利用蕭(2013)的方法以及GSMaP(Global Satellite Mapping of Precipitation)高解析度資料取得內外眼牆強度與颱風整體平均降雨強度之時序變化發現雙眼牆颱風整體平均降雨強度不一定會同時受到內外眼牆強度改變而有很大的影響，依照眼牆對於颱風整體平均降雨強度的影響程度來看可將雙眼牆颱風個案分成三個類別: 內眼牆、外眼牆、內外眼牆主導降水強度。 內眼牆主導降水強度個案的颱風整體平均降雨強度與內眼牆強度變化有相似的趨勢，儘管外眼牆強度增強，總雨量仍沒有提升的現象發生；外眼牆主導降水強度個案的降雨強度則是與外眼牆強度變化有相似的趨勢，當內眼牆逐漸減弱消散時，颱風整體平均降雨強度仍然有維持或是有上升的趨勢；內外眼牆主導降水強度個案，其颱風整體平均降雨強度會同時受到內外眼牆變化影響。 如果可以掌握雙眼牆颱風類別即可進一步推估颱風整體平均降雨強度趨勢，而造成不同眼牆主導颱風整體平均降雨強度的原因則仍需要進一步的分析。
- 學位論文
夏季時，西行台灣北部的颱風偶會受到西南氣流影響，將南海海域暖濕水氣帶至台灣西南方。由於台灣山脈高聳，水氣經地形抬升作用凝結成雨，導致西行颱風離開時於中南部地區造成嚴重豪雨災情。在颱風監測上，中央氣象局將颱風歸納 9 種主要行進路徑，其中 2 號路徑颱風最容易引入西南氣流，進而在台灣南部輻合水氣而產生豪大雨；另外 1 號路徑行進路線颱風雖然沒有登陸台灣，但與 2 號路徑相似，其外圍環流可能受南海地區季風作用，而有機會發展成西南氣流共伴現象。 本篇研究探討西行颱風與環境場相互作用的現象。主要利用 NCEP FNL 再分析資料和 GSMaP 資料分析 2000 至 2014 年間行進於 1 號與 2 號路徑共 13 個颱風個案。分析結果顯示：西南氣流共伴的西行颱風登陸台灣東海岸前，南海海域的風場大多是西風或西南風，且太平洋高壓較為西伸，於颱風東側呈東北─西南走向的等重力位高度線，西行颱風經過常會加強南海海域的西南風，若此時水氣較高，則隨西南氣流北上至台灣西南方輻合，此為颱風與南海季風交互作用形成降雨的機制。 本研究亦測試改良式颱風降雨潛勢預報模式 (I-TRaP) 對前述 13 個 1、2 號路徑颱風個案預報降雨分布的潛力，結果發現：在台灣西南部之降雨有低估的情形，此因I-TRaP只計算颱風在台灣區域累計的降雨量，並未考慮季風與環境場的加乘影響。所以在預報降雨潛勢時，需再考慮環境場及太平洋高壓的西伸情形，並將南海海域的風向、風速及水氣納入計算。
- 學位論文
摘要 積雲對流在區域降水預報中扮演很重要的角色，為呈現積雲對流，積雲參數化是大氣數值模式中最主要努力的核心。如其他數值模式，新一代WRF模式針對積雲參數化方法（CPS）有幾個選項。本研究的重點是，在WRF模式中使用不同的積雲參數化方法(CPS)來模擬熱帶氣旋對流。本篇論文以颱風凡亞比（2010年）做為研究個案，此颱風為台灣南部平原帶來了非常大的暴雨（1131毫米）。透過4種方法：Kain–Fritsch（KF），Betts–Miller–Janjic（BMJ），Grell–Devenyi ensemble （GD），Grell three-dimension ensemble（G3D ）及和不使用積雲參數化方法，在颱風凡亞比的強降雨期間，進行為期三天的模擬。每個方法都有其限制，然而，KF方法表現出良好的颱風路徑，降水和垂直速度位置模擬，其結果可能是四個方法中表現最好的。GD和G3D也表現出可接受的模擬結果。然而，BMJ方法沒有成功地預測出颱風凡亞比。為了進一步了解台灣西南部降水過程中，選定了KF方法作為控制值。 由於透過輻射和行星邊界層過程的校正，雲及其相關的物理過程強烈影響了海氣（或地氣）之間的耦合作用，因此更進一步應用土地利用和粗糙度的新數據集來進行研究，並顯示了這些數據的應用改善了對此個案位置及對流強度的預報。
- 學位論文
台灣夏季大氣常處於熱力不穩定的狀態，加上盛行西南風的吹拂，帶進充沛的水氣，容易於西南部平地及山區產生午後熱對流，可能會於局部地區降下瞬時大雨導致淹水，另外在盆地及山區會有局部熱力環流(如：山谷風環流)產生，也會影響降雨的形成及分布，還有大氣汙染物的擴散及累積，對人民的生活造成衝擊，不過這些較小尺度的系統無法被中尺度氣象模式解析。如今，隨著電腦計算能力進步，數值氣象模式也走向高解析度的模擬，並可用來探討小尺度天氣系統及其對大氣及環境的影響，然而應用至台灣的困難點在於複雜地形的處理，在地形陡峭的地方容易因氣壓的急遽變化，使模式變得計算不穩定。本篇使用vector vorticity equation model (VVM)進行台灣地區高解析氣象模擬，因為VVM使用高度垂直座標，應用至崎嶇複雜地形時較為合適，但因VVM缺乏完善的地表處理過程，因此本研究主要目的為(1)將Noah地表模式(land surface model, LSM)加入VVM中以改善陸地與大氣交換過程；(2)並藉由理想化的模擬實驗探討陸氣耦合過程對台灣地區高解析氣象模擬的影響。 本研究共進行六組敏感度實驗，用以探討陸地與大氣交互作用、都市熱島效應對局部環流及邊界層發展的影響以及土壤濕度與溫度初始值對氣象場模擬的影響。目前已成功將Noah地表模式耦合進VVM，而耦合系統的理想模擬實驗結果顯示，地表熱通量會受到地表特性(如：土地利用及土壤型態)影響而呈現異質性分布，地表潛熱及可感熱通量的多寡與正負會影響地表與大氣之間的熱量與水氣的傳送大小及方向，地表於白天的加熱作用與晚間的冷卻作用也因此被突顯出來，而加強了海洋與陸地之間的溫度梯度，導致顯著的日夜向岸與離岸氣流特性；再者，高解析VVM/Noah氣象模擬顯示都市熱島效應對邊界層結構及午後內陸輻合強度的影響；然而，改變初始土壤濕度及溫度對氣象場的模擬沒有太顯著的影響，主要原因可能是spin-up時間不足。實驗結果亦顯示完善的地表模式是必要的，因為地表邊界條件會大大影響後續的熱量與水氣傳送，影響氣象場模擬。
- 學位論文
本研究使用一套結合局地系集轉換卡爾曼濾波器(LETKF)與天氣研究預報模式(WRF)，同化多座都卜勒雷達資料，針對2008年西南氣流密集觀測實驗(IOP8)的兩個個案做分析與模擬，這兩個個案(0614、0616)分別都對台灣南部帶來龐大降雨，而本研究的實驗目的為探討此雷達資料同化系統是否能夠改善梅雨個案的短期預報降雨能力以及改善的程度。 在0614的個案裡，首先比較在觀測使用0dbz與沒使用0dbz的同化實驗，而結果顯示，在沒有雷達回波的位置補上0dbz能夠有效的壓制模式中錯誤的回波生成，且不會降低主要雨帶的降雨強度。而同化實驗長度由一小時加長為兩小時後降雨預報在預報的最後幾個小時比其他實驗都好，但是在前期受到EnKF起轉問題而有低估降雨的現象，對此，若以隨機擾動採樣進行EnKF初始化較能展現出梅雨時期的大尺度不確定性，亦較有利於同化。 在0616的個案裡，由於在台灣東部非雷達觀測區域的初始擾動偏濕，而使得實驗結果在此區域有較大的濕偏差。若直接使用ECMWF再分析資料所做的單一預報此偏差情形並沒有那麼嚴重，比對再分析資料後發現，水相粒子在擾動後起轉的分布情形與再分析場的濕度有關，由於此個案的再分析場濕度較大，濕偏差的情形也較嚴重，而此現象也因無觀測而有誤差持續累積的情形。但台灣西南方的降雨一樣有較好的估計，因此綜合兩個個案的實驗結果，使用WRF-LETKF雷達資料同化系統能有效改善梅雨的定量降雨預報結果。
- 學位論文
本研究主要探討兩個個案，分別為2013年11月3日到11日的颱風海燕(Haiyan)和2010年10月12日到24日的颱風梅姬(Megi)，兩個颱風都造成重大災情，因此颱風預報儼然是一個重要的議題。由於傳統觀測資料(GTS)大部分集中陸地，海面上的觀測資料並不多，所以海上觀測通常使用遙測的方式取得，GPSRO掩星觀測就是其中例子。若能將GPSRO觀測資料與數值天氣預報做整合，就有機會得到更準確的預報颱風路徑和強度，就渴望能降低颱風災害。本篇使用WRF Hybrid資料同化系統將觀測資料和數值天氣預報模式做結合，所以透過Hybrid資料同化系統來測試GPSRO掩星觀測和權重選取對颱風預報的影響。 結果顯示，同化GPSRO掩星觀測在模式預報上優於沒同化GPSRO，在同化期間和預報上都有改善，在路徑預報上優勢可持續至少96小時；方均根誤差和空間相關係數驗證上，顯示GPSRO對水氣、熱力和動力場上預報有顯著影響，特別是在高對流層區域，影響力持續72小時。Hybrid資料同化方法對兩個颱風個案預報也有明顯改善，當加入系集背景誤差協方差後，路徑上有明顯接近JTWC最佳路經，使用50%系集背景誤差協方差表現最好；在方均根誤差和空間相關係數的校驗中，當加上系集背景誤差協方差在熱力場預報上比沒加系集背景誤差協方差表現還優異，測試中50 %到75%的系集背景誤差協方差表現最好。另外針對二個個案進行spin-up時間測試，但結果不是非常理想。最後在同化半徑測試裡面，顯示使用800公里的同化半徑在個案預報上表現最佳。
- 學位論文
台灣及大陸東南沿岸的風場、降水、雲量隨著季節的改變都有很明顯的日夜變化存在，而五、六月為台灣的梅雨季節，時常有鋒面通過影響，容易與大尺度環流及海陸風產生交互作用，影響風場與降雨日夜的變化情形，本研究將08-12年梅雨時期分為梅雨前期(5/15-5/31)、梅雨中期(6/1-6/15)、梅雨後期(6/16-6/30)，分別討論隨季節改變的環流與降水變化。這三個時期的海陸以及地形之強迫作用在不同的大尺度環境下(盛行風場、風向)有些差異，且大尺度的環境流場、穩定度、水氣、鋒面位置和綜觀天氣系統在各時段都不盡相同，因此風場、雲量、降水的區域在梅雨期都有不同的影響。梅雨時期鋒面的平均位置從台灣西南部移動到了台灣的西北部，後期則逐漸遠離台灣，使梅雨前期降水發生在台灣東部外海及西南部外海、中期降水主要發生在台灣西南部外海與西北部外海，後期降水則發生在台灣的西南部外海區域。 台灣海峽受到兩岸海陸風的交互作用下有明顯的變化產生，夜間兩岸的陸風作用增強，使台灣海峽區域夜間低層輻合作用增加，相較於白天有更多的機會降雨，而下午容易受到海風、上坡風與地形抬升作用的影響使降水發生在台灣內陸及山區，夜間則容易降水在台灣沿岸。梅雨中期西南氣流增強，台灣常受到地形效應的影響容易在台灣的西北部沿岸有地形急流作用，與盛行風場產生輻合並且引發降水，而西南氣流的增強，有更多的氣流能夠越過山脈，使台灣東部背風側的熱力效應有著明顯的變化，在下午受熱時段中央山脈背風側容易有背風低壓及沉降作用發生。台灣本島的局部海陸風環流則是隨著大尺度環流的轉變有不一樣的變化，前期降雨主要在東北部的迎風面，中期西南氣流增強降水則是在西南部的迎風面上，並且在下午容易有降水極值發生，後期降水則主要以熱對流的作用為主。因此在梅雨時期受到鋒面、地形效應、盛行風場和海陸風交互作用的影響，使梅雨時期台灣與鄰近區域環流與降雨日夜變化更複雜也更顯著。