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天氣預報的原理

天氣預報的原理. 中央氣象局 氣象科技研究中心 鄭明典. 天氣預報依據. 基本準則 持續性 氣候重現率 經驗法則 天氣學 (概念) 模式 物理模式__ 數值運算. 經驗法則天氣預報事例. 看天 (觀天象) 蜻蜓低飛，夜半蛙鳴 礎潤而雨，徵之溼也 (水缸流汗，天欲落雨) 山雨欲來風滿樓 陣雨持續報；見雷加三天 (臺灣夏季) 颱風草 預報. 颱風草. 氣象諺語 例句. 星密連閃眼，定有風雨喊 一雷破九颱 早落早好天，慢落到半暝 未雨先雷淋濕地，先雨後雷無地避 日圍箍，乎雨沃；月圍箍，乎日曝. 近代天氣預報的演進.

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天氣預報的原理

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Presentation Transcript

  1. 天氣預報的原理 中央氣象局氣象科技研究中心鄭明典

  2. 天氣預報依據 • 基本準則 • 持續性 • 氣候重現率 • 經驗法則 • 天氣學 (概念) 模式 • 物理模式__數值運算

  3. 經驗法則天氣預報事例 • 看天 (觀天象) • 蜻蜓低飛，夜半蛙鳴 • 礎潤而雨，徵之溼也 (水缸流汗，天欲落雨) • 山雨欲來風滿樓 • 陣雨持續報；見雷加三天 (臺灣夏季) • 颱風草預報

  4. 颱風草

  5. 氣象諺語 例句 • 星密連閃眼，定有風雨喊 • 一雷破九颱 • 早落早好天，慢落到半暝 • 未雨先雷淋濕地，先雨後雷無地避 • 日圍箍，乎雨沃；月圍箍，乎日曝

  6. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  7. 西邊城市先有風雨 隨後東邊城市也會有風雨 由此可知 「天氣」乃由西邊往東邊移動

  8. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  9. 天氣現象發生於冷暖空氣交會處 該交會處稱為「鋒面」 研究鋒面之生成、消散、移動的規律 便可有效追蹤天氣發生的情形

  10. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  11. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  12. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  13. CKS Airport Wu-fen-shan Ching-Chang Hualien (June, 2000) Chi-guw (June, 2001) Liuh-tao Kaohsiung Ken-ting (Jan., 2001)

  14. 近代天氣預報的演進 • 地面觀測初始時期 • 極鋒學說應用時期 • 探空發展時期 • 斜壓理論發展時期 • 衛星觀測初始時期 • 氣象雷達推廣應用時期 • 動力數值天氣預報應用時期 • 動力統計預報應用時期 • 人工智慧系統應用時期

  15. 數值天氣預報概說 • 數值天氣預報於五十年代開始發展，而至八十年代初始展現其絕對的實用價值 • 目前它是中期﹝一至七天﹞天氣預報最主要的依據，也是未來進行更量化、更精緻天氣預報最可能的客觀指引 • 數值天氣預報的應用是科技發展的結果，其未來發展尚無可限量

  16. 數值天氣預報的原理 • 大氣運動遵循一定的物理法則，這些物理法則可以由一組數學微分方程表示。 • 利用超級電腦求微分方程之近似解，如此可得知大氣由一初始狀態啟始的可能後續變化 • 數值天氣預報的實用性取決於以下三要件：

  17. 數值天氣預報的要件 • 準確的初始場 • 改進觀測技術及加強資料收集 • 改進資料四維同化技術 • 合理的數值天氣預報模式 • 足夠的解析度 • 合理模擬及參數化大氣之物理過程 • 具代表性的背景場 • 超級電腦快速的運算

  18. 氣象局使用過之高速運算主機系統 • 第一代主機：CDC Cyber205 • －單一向量處理器 • －200MFLOPS • 第二代主機：Cray YMP • －YMP/8I －YMP/2E • ．八個向量處理器 ．二個向量處理器 • ．333MFLOPSx8 ．333MFLOPSx2 • 第三代主機：Fujitsu VPP • －VPP5000 －VPP300E • ．十五個向量處理器　．十六個向量處理器 • ．9.6GFLOPSx15 . 2.4GFLOPSx16

  19. 超級電腦主機

  20. Fujitsu VPP300E • 2.4GFLOPS @PE x 16 • 2GB Memory @ PE • 150GB system disk • 1600GB disk array • Fujitsu VPP5000E • 9.6GFLOPS @PE x 15 • 8GB Memory @ PE • 30GB system disk • 2048GB disk array

  21. 大氣基本控制方程 • 運動方程式(風場) • 熱力方程式 • 水氣(物質)方程式 • 連續方程式(質量守恆)

  22. The atmosphere is wet!

  23. T79 T120

  24. Comparison between 2 km and 60 km model topography 60 km 2 km

  25. 數值天氣預報應用

  26. 夏季地表粗糙度分布圖

  27. 冬季地表粗糙度分布圖

  28. 氣象觀測特徵 • 時空分布不均勻 • 傳統探空及地面觀測僅止於陸地上 • 衛星遙測準確度及垂直解析度尚不理想 • 中、小尺度氣象觀測相當不足 • 遙測資料量成長快速 • 傳統觀測強調定時定點 • 遙測通常是幾近時間連續的空間掃瞄 • 需要新的資料客觀分析策略

  29. 未來趨勢分析 • 遙測資料質與量提昇、重要性持續升高 • 氣象衛星、氣象雷達資、剖風儀 • 觀測變數可能非預報變數 • 三度空間客觀分析進階為四度空間分析 • 連續式資料四維同化 • 總資料量大幅成長 • 整合性網路資訊環境 • 即時資料接收、處理及整合 • 大量氣象資料儲存管理

  30. 改進資料四維同化技術 • 現行三度空間最佳內插客觀分析 • 改進為四度空間變分分析 分析時間 觀測 預報 * * * * * * * * * * 時間

  31. No 4DVAR 4DVAR 3-h rainfall ending at 2100 UTC 10 April 79 Observed Observation

  32. 4DVAR No 4DVAR 3-h rainfall ending at 0000 UTC 11 April 79 Observation

  33. 天氣預報的挑戰 大氣是個渾沌(Chaotic)系統

  34. 渾沌系統的特性 • 不是無規律的變化，也不是完美的規律性變化 • 初始很小的不確定性，隨時間演進將成為後續變化很大的不確定性

  35. 溫度 機率分布 ＊ 預報時間 「機率」概念符合科學精神

  36. 機率預報是進步的表現是現代化天氣預報的趨勢機率預報是進步的表現是現代化天氣預報的趨勢

  37. 預報可預報度 高可預報度 ＊ 低可預報度 ＊

  38. 系集 (ensemble) 天氣預報 • 找出初始場最不穩定的擾動 • 評估此擾動對後續預報的影響 • 量化預報場的不確定性 • 應用上可延長有效預報時限 • 問題： • 「最不穩定」擾動標準係主觀訂定 • 需要極大計算量 • 困難度相當高

  39. 系集預報 • 用於區分： • 有時候預報可以有很確定的結果，可以預報很長的時間 • 有時候無法知道確切的結果，很快就失去預報能力

  40. 天有不測風雲 人定勝天 天有不測風雲

  41. 數值天氣預報時效極限 • 渾沌理論推測最長有效預報期限平均不可能超過三週 • 數值天氣預報模式可能反應外在強迫作用而有效預報特定長周期變化之訊號 • 例如反應「聖嬰現象」之異常海溫變化，大氣模式可能有季節至年際變化之預報能力 • 數值天氣預報模式應用於短期氣候變化預測是新近頗受重視的研究題目

  42. 短期氣候預測發展的契機

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