新世紀最嚴峻的天氣預報挑戰
92/05/12
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陳泰然｜
臺灣大學副校長／大氣科學系特聘講座教授
民國九十年，六月份的奇比颱風重創澎湖，吹翻了二百多艘漁船，事後檢討還在進行時，七月中旬潭美颱風卻已在高雄肆虐，造成大豪雨、大淹水；當社會仍在關心為什麼小型颱風潭美會造成大高雄地區這麼大的災害時，桃芝颱風又在七月下旬不按牌理，較預測位置偏南登陸花蓮秀姑巒溪口，重創了花、投地區，並奪走上百條人命；當社會一片譁然，仍在檢討桃芝颱風造成重大災害的行政權責與氣象預報問題時，納莉颱風卻在臺灣東北方海面虎視眈眈，並在九月中旬詭異地向西南行進肆虐全臺，對大臺北地區造成上千億元的空前損失。
面對災變天氣對臺灣社會經濟所造成衝擊面的擴大，危害程度的加劇，使我們體認到區域性災變天氣研究與臺灣社經發展密切相關，而政府、社會及氣象界，過去曾怎麼回應？現在與未來又該怎麼回應？防、減、救災體系裡關鍵環節的氣象問題為什麼是量化降雨預報？新世紀裡最嚴峻的天氣預報問題為什麼也是量化降雨預報？這些都是我們所關心、也是亟需面對的問題。
國科會曾在民國六十五年舉辦第一屆「全國大氣科學學術研討會」，並在民國六十七年舉辦「臺灣地區災變天氣研討會」，營造大氣科學研究環境，提升大氣科學研究能力，並探討重點研究方向，確定核心研究問題是臺灣地區的災變天氣，包括颱風、梅雨、寒潮及乾旱。
民國七十年「桃竹苗五二八（五月二十八日）」梅雨季的豪雨災害事件，讓我們深切體認到臺灣社經轉型與氣象災害轉型，豪雨事件對經濟活動的重大衝擊，已由過去的農業轉為工商業與公共建設（交通、水利），因此，必須重新思考優先的重點研究方向，以及如何兼顧大氣科學研究的學術價值與國家社會需求。
為期十年，針對梅雨季豪雨和中尺度天氣現象而實施的「臺灣地區中尺度實驗計畫」（一九八三至一九九三年），就是在回應災害轉型，主要目的是增進對梅雨季豪雨的了解和提升預報能力，減少災害損失並增加水資源運用的經濟效益。該計畫在學術研究、人才培育及預報技術開發方面都受到國內、外高度肯定，其成功在於計畫的規劃與執行能兼顧專業的分工與合作、國際化與本土化問題的融合，達到強化基礎學術研究與改進氣象預報技術的雙重目標。
由民國八十五年七月賀伯颱風（重創全臺灣）與民國九十年六月奇比颱風（重創澎湖）、七月中旬潭美颱風（重創高雄）、七月下旬桃芝颱風（重創花投）以及九月中旬納莉颱風（重創全臺灣）可知，不論是土石流、山崩、坍方、水庫洩洪、淹水等災害的防救災工作，都急迫需要建立並提升量化降雨預報的能力，特別是颱風與梅雨季帶來的豪雨。
國科會、中央氣象局及學術界共同規劃為期十年的「臺灣天氣研究計畫」（二○○一至二○一○年），不論學術研究與應用研究（預報技術發展），或是規劃中的第二期「臺灣地區中尺度實驗計畫」（二○○五年五至七月），都將透過國際交流與合作的方式，提升量化降雨預報與量化降雨估計的能力。
量化降雨預報現況
以氣象科技最先進的美國為例，其國家氣象中心（現在改為國家環境預報中心）在一九六○年九月正式進行量化降雨預報至今，預報能力雖有提升，但改進的幅度不如電腦數值天氣預報模式所預報的氣象參數（例如：氣壓、溫度、風等）。量化降雨預報能力的改進與數值天氣預報模式的改進、觀測能力的改進、科學研究及預報員的理念、知識、方法的演進息息相關。由美國國家氣象中心的預報結果校驗，可了解量化降雨預報能力的演變趨勢與未來改進的關鍵問題所在。
量化降雨預報結果的校驗，首先確定校驗降雨量的大小，依預報降雨範圍（面積；F）、實際觀測降雨範圍（面積；φ）以及正確預報範圍（面積；C）定義下列參數：預報得分（threat score, TS）= C／(F + φ − C)、前估（prefigurance, PF）= C／φ 與後符（postagreement, PA）= C／F。
當預報降雨範圍和實際觀測降雨範圍完全重合時，稱為完美預報（TS = 1），如果兩者沒有任何交集，就表示無預報能力（TS = 0）。前估是在實際觀測有降雨的範圍裡事先被準確預報的比率，後符則是在預報有降雨的範圍裡實際觀測（或應驗）的比率，又稱為偵測機率。
美國國家氣象中心預報日雨量 ≥ 25.4 公釐（1.0 英寸）預報得分的逐年分布圖顯示，從一九六○年後，不同預報時段都有改進，現階段預報得分第一天稍大於 0.2，第二天稍大於 0.15。這個成果主要在反映作業化數值模式的改進，對降雨預報能力的提升大有助益。而且，過去 20 年來第一天與第二天預報得分的差距顯著縮小，也就是說，在九十年代第二天的預報得分已有七十年代第一天預報得分的水準。
針對不同日降雨強度的校驗，也有改進的趨勢，日雨量 0.5 英寸的預報得分目前約接近 0.35，1.0 英寸的預報得分稍大於 0.2，2.0 英寸的預報得分稍大於 0.1，也就是說，降雨強度愈大，預報能力愈差，但是都能隨時間而不斷改進。此外，校驗也發現：在冷季量化降雨預報能力較佳，暖季則較差；而且冷季比暖季的改進趨勢明顯。上述各項校驗結果顯示，過去三十多年來，雖在量化降雨預報方面已大有改進，但暖季降雨較多而量化降雨預報的預報得分較低，而且暖季預報的改進趨勢較不明顯。
利用預報得分校驗概念，分析臺灣地區豪（大）雨預報的能力，發現對颱風豪（大）雨預報的預報得分為 0.60，前估為 0.68，後符為 0.85；而對梅雨季的豪（大）雨預報則預報得分為 0.17，前估為 0.20，後符為 0.57。由此可知，針對豪（大）雨預報能力現況、改進空間以及問題所在，梅雨與颱風有很大的差異。
科學問題與研究挑戰
美國天氣研究計畫中，由專家學者群提出三項主要科學任務，包括：（1）辨認並勾劃出為改進降雨估計、短期降雨預報及相關水文方面所呈現的研究契機。（2）由經驗得知在 0 ~ 6 小時的極短期降雨預報，主要依賴即時觀測的外延估計，6 ~ 48 小時的短期降雨預報，則主要依賴數值模式，因此在不同的考量下，分別尋找出限制豪雨預報能力進展的主要原因。（3）改善利用都卜勒雷達、剖風儀及衛星等先進遙測儀器所收集的中小尺度天氣資訊，以改進數值模式初始資料和模式校驗的技術。
由於上述三項任務錯綜複雜，學者專家群將整體問題區分為豪雨的基本物理、天氣過程與地面邊界效應、量化降雨預報技術及為了預報校驗的降雨估計等四大關鍵研究主題。在二○○一至二○一○年臺灣天氣研究計畫的科學目標、科學問題、預報問題及解決策略等不同層次且相互交錯的複雜問題裡，美國天氣研究計畫所提的任務與關鍵研究主題，值得我們深思與借鏡。
量化降雨預報是防災、救災及減災體系裡的關鍵環節，也是新世紀最嚴峻的天氣預報挑戰。面對近年來颱風、梅雨、豪雨等災變天氣對於社經衝擊與造成人員財物損失的劇增，量化降雨預報技術的建立與能力的提升，實為氣象學術界與作業單位最需面對的當務之急。
此外，要減輕災變天氣對臺灣社經的危害，我們認為在氣象界方面應結合國內、外資源（人才、儀器設備、經費、組織、……），優先投入本土性和區域性氣象災害問題的研究，落實二○○一至二○一○年的臺灣天氣研究計畫，及二○○五年五至七月的第二期臺灣地區中尺度實驗計畫。
在社會（輿論、民意）與政府（行政機關、民意機關）方面應面對氣象災害加劇，體認增加災變天氣基礎研究和預報技術發展經費支持力道的必要性和急迫性，特別是颱風、豪雨、量化降雨。
在具體建議方面則建置先進氣象觀測能力設備（氣象飛機、偏極化都卜勒雷達），落實氣象模擬研究基礎建設（電腦、網路、人才），以提升量化降雨預報能力。
