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《來一杯,地科咖啡》EP.2─數值預報

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[LV.9]以壇為家II

2016-8-5 06:04 | 顯示全部樓層
《來一杯,地科咖啡》EP.2─數值預報
天氣即時預報、台灣颱風論壇 陳柏宏、賴重祐 共同編輯製作

「人算不如電算,電算不如天算;正因天機不可洩漏,成就了今日的大氣科學。」

系級預報-01.png
▲颱風系集預報示意圖,由天氣即時預報
製作
  隨著資料開放時代的來臨,近年來數值預報各國颱風路徑預報在氣象時間的出場機率真是越來越高了,大家倒不是因為颱風即將襲台而心生恐懼,反而是被密密麻麻的線條嚇到"密集恐懼症"發作XD。能接收到多元的資訊來源確實是件好事,但這些資訊在藉由媒體或網路社群傳播的時候,為求點閱率,資訊可能多多少少有一些渲染,從看圖說故事慢慢演變成誇大報導,甚至造成社會恐慌。要擺脫被聳動資訊牽著鼻子走的方法,便要培養出:「解讀資料想向我們傳達的訊息能力!現在就讓我們一窺氣象預報製作過程的秘辛吧!

一、氣象預報生產過程
氣象預報生產過程.png
▲氣象預報生產示意圖,由
台灣颱風論壇製作
  氣象預報的過程大致如上圖所示:1.將全球觀測資料蒐集起來匯入大氣方程模式中。
                 2.利用超級電腦完成複雜的運算以得出數值預報。
                 3.預報員以大氣知識及預報經驗做出主觀修正。
                 4.經人工校驗預報結果無誤後便產出預報,提供給
眾。
  而我們今天主要要講的便是「數值預報」與「主觀修正(預報)」這兩項。

二、什麼是「數值預報」?
  為了掌握大尺度的西南季風(全球氣候),或是中尺度的颱風,亦或是小尺度的午後雷陣雨(區域型天氣),都需要仰賴更適合的預報工具,而現今最普遍使用的方法便是「數值預報」──利用「電腦」進行天氣預報的一種技術。
  不過你知道嗎?數值預報取代人工的主觀預測其實是近三十年才逐漸興起的唷!因為早期真空管電腦才剛發明時,電腦的運算能力還沒有那麼強,當時如果要預報明天的天氣,電腦可能後天才跑完預報,這根本就不是預報了嘛XD,因此在1980年代以前幾乎都還是以”人工”的預報方式為主。隨著科技的進步、超級電腦的誕生,電腦的運算時間大幅度地縮短,預報誤差也逐漸縮小,1990年代以後數值預報就成為了重要的預報工具之一。(
本段引用自:彭博士觀風向:氣象播報進化史[氣象局預報中心主任鄭明典專訪]
  天氣源自於大氣的千變萬化,這些變化則受物理學各種定律所牽制,因此,我們透過氣象站、衛星、海洋浮標、探空氣球等探測儀器所取得的天氣數據(如溫度、濕度、風向及氣壓等),輸入至造價昂貴的超級電腦中,再利用大氣科學家長期研究所得的數學方程式,導出大氣環境的演變與初始狀態,並進行接下來的天氣預測。

氣象預報發展歷程.png
▲氣象預報發展歷程示意圖,由台灣颱風論壇製作

三、數值預報有哪些呢?
  數值預報按範圍可分為「全球模式」與「區域模式」兩種。按時間則可分為短期(72小時內)、中期(3至10甚至15天)及長期(月、季)。
(一)全球模式的先驅如:美國國家氣象局國家環境預測中心(NCEP)開發的全球預測系統GFS,Global Forecast System)及歐洲數值預報中心ECMWF,European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,亦常簡稱EC)。全球預報顧名思義是以完整的地球作為初始場,蒐集全球的即時天氣數據進行運算,但因解析度相對無法完整呈現細節,因此較適用於預報尺度較的天氣系統。
(二)區域模式的代表則為WRF(Weather Research and Forecasting Model),泛指較小範圍的預報,例如臺灣、日本、中國、美國東岸等。此類的預報物理條件設定較為細緻,適用於短期的天氣預報,也較為準確,圖面解析度,也可顯示尺度的天氣變化。但區域模式還是有它的侷限性與缺點,例如初始場資料僅限於框起來的指定範圍內,對於天氣系統的動力機制可能會有不完整或不連續,也會造成模擬結果的偏誤。
  兩種模式各有好壞,產生的結果差異可能也不小,會出現這樣的結果,極可能是模式參數設定的問題,甚至模式本身的架構差異所造成,兩邊都值得參考,不宜盡信其中一方
全球模式.png
全球模式示意圖,由台灣颱風論壇製作
區域模式.png
區域模式示意圖,由台灣颱風論壇製作

四、「系集」又是什麼意思呢?
  各位應該有看過電視上的益智問答節目吧?節目中來賓向現場觀眾求救,把問題丟給現場50名觀眾,如果這50個人答案都差不多,那很可能就是那個答案;反之,如果這50個人答案相去甚遠,那麼這些人的答案參考價值就不高了。
  同樣的道理,系集模式就是在同一種模式架構下,設定不同的物理參數,跑出數十種的結果,最後呈現在系集圖上,並求出全體模式的平均線。圖上的每一條路徑,即代表一個小模式成員的結果,當圖面上的路線愈收斂,表示模式的信心度,具有極的參考價值;反之,當路徑如天女散花般無邊無際,表示模式的掌握程度不高,對於產出的結果信心度,此時參考價值較
  以歐洲數值預報中心(EC)為例,此模式中共有50組的小成員,而圖面上的黑線即為模式的路徑平均線。
數值系集.png
歐洲數值預報中心颱風路徑系集圖,由台灣颱風論壇製作

五、「主觀預報」又是什麼呢?
  主觀預報即為各個氣象單位參考各自的電腦模式預報後,經過人為修正的結果,其中包含人員的意志預報經驗風險考量…等因素。大家所看到的氣象局颱風預測路徑寒流低溫預測午後雷陣雨…等,就是氣象局人員參考電腦模式,並且經由相互討論得到共識後所發布的預報,這就是主觀預報囉!(各位常在電視上看到的「國氣象局颱風預測路徑比較」,就是在比較各國的主觀預報唷!)
各國路徑預測-杜鵑颱風.png
杜鵑颱風─各國氣象局颱風預測路徑比較,由台灣颱風論壇製作

六、「數值預報」與「主觀預報」的差異為何?
  數值預報電腦模式跑出來的結果,是什麼就是什麼,一翻兩瞪眼;主觀預報針對電腦模式的結果,經過人為修正,隱含著人工的意志與想法。雖然說「人算不如電算」,的確!人腦無法像電算器一樣快速地運行複雜的運算,不過電算器仍然有它的極限,於是乎我們將繁雜的計算工作交給了電腦,最終再用人工經驗來修正,以得到最可能的解答

七、使用數值預報的注意事項
  輸入數值模式的氣象資料均由蒐集實際的觀測資料而來,但世──界──那──麼──大──,從荒蕪的大陸高原到廣闊無際的海洋,觀測點的密度相當有限,因此數值預報的結果會有一定的誤差。基本上,120小時(5天)內的數值預報較為可信,其中又以72小時(3天)內參考價值又更高,72小時以後可能因模式架構的不同,或參數設定上的差異,而開始有了明顯的分岐。
  而至於像是超過一週以上的數值預報對預報員大概只是「僅供參考」,以歐洲數值預報中心為例:同樣都是預測8月13日西太平洋上的大氣分布狀態,一個是在8月3日的預測,另一個則是8月4日的預測,雖然這兩個預測只相差一天,但因為初始場的不同而有了不同的預測結果,再隔一天
預測結果可能又有不同的變化,這時若特別去強調未來將會出現:「三」、「四旋」,編了五花八門的各種故事做路徑推演,這種「看到黑影就開槍」的行為其實意義不大!只需要知道西太平洋即將進入熱帶擾動、颱風的活躍期多留意天氣資訊及提高防颱意識即可。
相同預測時間不同初始場之比較.png
歐洲數值預報中心:相同預測時間、不同初始場之比較,由台灣颱風論壇製作
  總而言之,對於愈長遠的預報、愈細微的天氣系統,誤差就會越大,數值預報固然方便,但在使用上、時間點的選擇也必須特別謹慎小心!

八、參考資料及延伸閱讀
1.香港熱帶氣旋追擊站:數值預報分析入門
2.彭博士觀風向:氣象播報進化史
3.天氣職人吳聖宇:全球模式與區域模式
4.香港天文台:數值天氣預報基礎課程

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[LV.1]初來乍到

ckfpat|2016-9-25 15:19 | 顯示全部樓層

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請勿回復與主題無意義之文章,提醒一次  發表於 2016-10-1 10:30
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[LV.7]常住居民III

W環|2017-4-10 17:27 | 顯示全部樓層

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