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災害防救科技:氣象預報與防災應用

96/02/05 瀏覽次數 33107
臺灣,這個美麗的島嶼,正好位在地球上最大的陸地-歐亞大陸和最大的海洋-太平洋的交界處,有著特殊的地理位置、多變的地形與地質條件、以及複雜的水文環境。她同時也位在溫帶和熱帶間的副熱帶季風區,各個季節的天氣變化十分顯著。

臺灣年平均降雨量高達2,500毫米,主要的降雨集中發生在五、六月間的梅雨季節,和七到十月的颱風季節。同時,高達三、四千公尺的中央山脈縱貫臺灣南北,造成地形陡峻、河川短促。颱風和豪、大雨等劇烈的天氣現象,經常帶來急促的降雨,如果無法有效地疏通排放,往往導致洪水、土石流等嚴重災害,造成無法彌補且令人傷痛的生命財產損失。

近年來臺灣經濟發展迅速,但是基礎建設和商業設施大多集中在西部沿海一帶災害潛勢較高的區域,因此社會大眾對於提高各種災害的預報及防治能力,有非常殷切的需求。在十多年前,天然災害只能用被動搶救的方式來面對,在沒有良好的預警和規畫的情況下,不但缺乏應變效率,救災資源也常常浪費掉。

政府體認到必須儘速研訂具體有效的防救災對策,並加強防災科技研究成果的落實,經過民國85年第5次全國科技會議及行政院科技顧問會議中的討論,防災國家型科技計畫在民國88年開始執行。到了民國92年,在國家科學委員會的資助下,成立了「國家災害防救科技中心」。隨後,就由這一個專責的中心負責防災國家型科技計畫的運作。

從整體防災體系的角度來看,氣象預報作業常常被定位成「上游」的資訊提供者,它的準確度影響著「下游」的坡地、洪旱等災害的研判分析,以及整個防救災應變對策的效能。因此,提升災變天氣的預報精準度,同時建立適合防災應用的氣象資訊系統,就成為防災國家型科技計畫中極重要的一環。

本文彙整過去8年來的研發成果,並歸納近年來氣象預報科技的幾個重要發展方向。這些研發計畫除了由交通部中央氣象局氣象科技中心執行外,有許多是由學界各單位完成的。這些研發單位與國外的頂尖氣象研究團隊緊密合作,把許多先進的數值模式及預報技術引入臺灣,並應用在臺灣特殊的地形、地質條件和複合性的災害環境上,豐富的研發成果已經受到國際上氣象預報與防災單位的關注。

數值天氣預報

提起利用數值模式預報天氣,讀者可能立刻聯想到那些放滿整個房間的巨型超級電腦,進行著一些非常複雜的神祕運算,用來預測未來的氣象變化。沒錯,這就是現代的氣象學家運用尖端電腦科技,在氣象及氣候預報上的一項重大成就。

如果大氣的複雜行為可以用一組代表物理定律的數學方程式來表達,解出這一組方程式,便可以估計大氣環境中的量或場,例如溫度、風向、風速、濕度等即將如何改變,甚至可以由目前的天氣狀態,預測未來的天氣現象。然而,這些數學方程式都相當複雜,並不容易得到正確的解析答案,因此,常常必須透過建立在立體網格上的數值模式,利用超級電腦來進行數值分析,以獲得這一組方程式的近似解,這就是所謂的數值天氣預報。

數值天氣模式在空間尺度上,可以區分成全球模式和區域模式。全球模式不需要任何的邊界條件,便可以模擬整個地球表面上的大氣狀態。區域模式則需以更高解析度的空間網格,利用全球模式的分析方法,先行提供必要的邊界條件,以進行模擬某一個區域的天氣變化。另一方面,根據數值模式的時間尺度及預報應用,也可以把它們分類成氣候模式和天氣模式。氣候模式比較強調影響氣候變化的物理過程,例如幅射平衡,而天氣模式主要以應用廣泛的中尺度動力模式,來進行天氣系統演變的模擬與預報。

在臺灣,除了中央氣象局自行研發的全球及區域模式外,其他研究團隊也引入一些在國外發展比較成熟的數值模式,包括由美國國家大氣研究中心發展的第五代中尺度模式,和更新一代的天氣研究及預報模式。

臺灣經歷的天然災害,很多都和豪大雨息息相關,因此,如何利用中尺度動力模式來改善定量降雨預報,也成為氣象防災應用的核心問題。定量降雨預報一直是氣象預報中的一大難題,原因之一就是跟降雨相關的對流活動,往往發生在範圍很廣的空間尺度中,從幾公尺到幾十公里都有。然而,數值模式卻無法分析空間網格與網格間所發生的物理過程,因而產生誤差。

各種積雲參數化方法正是解決這個問題的手段之一,因為電腦運算速度的大幅提升,也使得經由更高空間解析度的網格,進行大氣中水氣過程的估算工作變成可能。

另外一個數值模式必須面對的問題,是初始條件的準確性問題。現行用在數值模式的氣象參數分析場的初始條件,是以觀察資料經過統計上的客觀分析,再加上數值模式本身的動力調整而得到的經驗條件。不可避免地,這些初始條件有一定的誤差。其中尤以觀測準確度並不好的水氣資料最為明顯,因此會直接導致降雨預報的失真。

要改善這個情況,其中一個方向是利用非傳統遙測資料來提升初始分析場的準確性,但是這會進一步牽涉到數值模式中一個極重要的環節-資料同化。另外一個方向稱為系集預報,是利用擁有不同物理過程參數化或初始場的多個模式,來計算加權或不加權的系集平均,除了可以減低每個獨立模式的預報誤差外,系集中各成員分散的程度,更可以用來評估預報的可信性。

系集預報已經廣泛應用在綜觀天氣系統的中期預報。近年來針對中尺度模式的研究工作,正積極地發展,其中也包括防災國家型科技計畫中定量降雨系集預報技術的開發。

除了需要高速電腦進行大量運算的數值模式之外,長久以來,天氣預報作業單位也在發展各類型的統計模式。什麼是統計模式?簡單地說,雖然天氣狀況是千變萬化的,但是大氣還是不斷地重複著過去的一些行為。如果可以利用統計方法歸納出某種氣象要素的變化特徵,也就可以用來推估未來的趨勢。

以颱風路徑為例,在電腦模式還沒有發展得像今天那麼完善以前,預報員都會運用「類比」法進行預報。這種方法主要是在颱風的歷史資料裡,尋找結構、位置及綜觀條件相似的幾個個案,然後以它們的路徑做為預報的參考。與需要電腦長時間運算的數值模式比較,統計模式擁有電腦資源需求較少,以及可以快速得出結果的優點,在時間緊迫的防災作業中不無好處。

近年來,由災害防救科技中心所發展的颱風降雨「氣候-持續模式」,就是一個很好的例子。利用過去十多年來,擁有接近400個觀測站的臺灣自動雨量站觀測網所蒐集的資料,建立了颱風降雨資料庫。每一次只要有颱風接近臺灣地區,電腦程式就會按照氣象局所提供的預報路徑,在模式網格中尋找氣候降雨值,並估算逐時及累積雨量。

但是,單有這個氣候降雨值是不夠的,因為不能掌握降雨在幾小時以內的短期變化趨勢。不過,透過大量的測試後發現,在氣候降雨值的基礎上,如果疊加上前3小時的降雨持續值,可以有效提升0~6小時的短期降雨預報。這個氣候-持續模式的概念相當簡單,但對於大部分侵襲臺灣的颱風來說,在預估全臺的降雨型態分布上一點也不差。它的24小時雨量預測值與觀測值的相關係數高達0.5~0.6,而且從技術評分也的確顯示,它比純粹隨機的預報確實有效得多。

這個成績其實跟臺灣的地形有關,我們知道侵臺颱風的結構很難不受到高達3公里的中央山脈影響,同時迎風面的地形舉升效應也會增加降雨量。因此,只要路徑預報可以準確地定出颱風的位置,相對於中央山脈的降雨分布來說,都擁有頗高的氣候預測相關性。

而那些預報差的颱風個案又是什麼原因造成的呢?有些颱風環流的範圍,更精確一點地說,是它們的暴風半徑,跟平均值相差很大。另外有一些是對流結構很不對稱的,雲帶都集中在某些方向,再加上受季風影響的颱風,像是常聽到的引入西南氣流、共伴效應、西北颱等。這類的個案在氣候資料庫中本來就沒有代表性,因此統計模式對它們來說,自然沒有辦法準確預報。要改善這幾類颱風的風雨預報,就需要利用可以實際模擬颱風的物理動力過程的數值模式。

遙測技術

颱風是只能在海面上生成的天氣系統,在沒有衛星觀測的年代,海岸區域的居民根本無法預警颱風的侵襲。現今的遙測技術可以利用電波頻譜中各個波段進行觀測,相對於傳統定時定點的氣象觀測,擁有作業時間上近似連續的優點。在這當中,令人比較熟知的可能是在每日天氣預報中,可以見到的衛星可見光及紅外線雲圖,另外也有某些波段可以用來監測水氣的分布。

近年來,有些氣象衛星上更安裝了微波感應器,利用微波對大氣的穿透能力,可以得到大氣中不同高度的溫度等氣象參數。它的效果相當於在衛星經過的地點釋放探空氣球,對於監測海上颱風的強度及結構幫助很大。

相對於衛星的被動接收地表及大氣中雲層釋放出來的長波,雷達可以主動地發射波長很短的電磁波,然後再接收被雨滴反射的回波,從而監測劇烈天氣的型態與發展。中央氣象局在民國90年代初建置完成了全臺都卜勒雷達網,由位在五分山、花蓮、墾丁及七股的4座雷達站組成。

都卜勒雷達的特色在於它可以利用物理學上的都卜勒效應,由回波資料推導出風向及風速,應用在颱風中心定位與近中心環流結構分析上。除了可以輔助只以弱回波區域的幾何中心做為颱風中心(颱風眼)的傳統方法外,更可以進一步估計颱風侵臺時的風力破壞。

臺灣的都卜勒雷達網在未來幾年內的發展,主要分成兩方面。第一是在硬體建置上,發展偏極化雷達的硬體技術及軟體分析能力,並從基本學理改進中央氣象局現在的雷達網所使用的降水估計技術,做為未來氣象局全面發展偏極化雷達的前驅研究計畫。另一方面在於利用雷達及其他遙測資料,改善0~3小時的即時預報,以改進中尺度動力模式在預報初段因資料同化帶來的動力平衡效應,而影響其預報效果的問題。

除了硬體的建置外,中央氣象局並引入美國國家劇烈風暴實驗室的雷達及氣象資訊定量降雨估計整合性軟體,取名為「定量降水估計與分類技術」系統,在防災科技計畫中的即時監測和預報劇烈災害性天氣上扮演著重要的角色。

在定量降水估計與分類技術系統中,其中的一個主要功能是利用雷達回波資料進行定量降雨估計。現行的雷達回波資料擁有1.3公里的水平空間解析度,遠高於全臺三百多個自動雨量站的空間解析度,而且定量降水估計與分類技術系統的雨量估計,更可以有效地監測山區的降雨趨勢,從而對淹水及山崩土石流的潛勢做出早期預警。定量降水估計與分類技術除了在氣象局及防災科技中心供專業氣象人員使用之外,未來也計劃把它建設在地方防災單位中。

季節性預報

除了颱風、梅雨季的豪大雨等劇烈天氣以外,影響臺灣國計民生甚鉅的災害性天氣,還包括乾旱問題。導致乾旱的原因有很多,包括政策性的和社會性的水資源運用方式。然而,從氣象防災的角度來看,主要關心的是因季節性降雨量偏低而引起的氣象乾旱。要有效地對氣象乾旱做出預警,以便及早規劃水資源調配、農作物是否休耕等的決策,需要應用到月至季的所謂中長期氣候預報技術。

國科會防災國家型科技計畫在民國93年度啟動「初步建立具預報能力之季節降雨預報技術」的研究項目,以提升臺灣的乾旱預警能力。這項目下的總研究目標是建立乾旱監測與預警系統雛形,整合百年的氣候資料、數十年的大氣與海洋環流資料、即時氣候監測、遙測資料、乾旱指標、月—季氣候預報等資訊,做為因應乾旱決策的參考。主要的研究方向包括監測系統的建立、乾旱指標的建立、乾旱氣候的分析與資料庫的建立、衛星遙測在乾旱監測上的應用,以及降雨預報模式的發展與建立。

氣象研究人員正從幾個方向建立臺灣地區的氣候降雨預報模式,包括發展把全球氣候模式的預報,降尺度到臺灣水庫集水區的方法,建構高解析度的區域氣候模式,以及評估多模式系集降雨預報系統的效能,以做為防災與水資源單位的月—季乾旱預警的參考。

在現代災害防救科技的發展上,除了大量應用資訊技術外,在作業上早期預警和即時應變也扮演著重要的角色。為了因應這種防災作業流程,氣象預報也必須在不同時段提供適合的產品,用在防災決策及資源調配上。本文針對幾個在防災應用上十分關鍵的氣象預報科技做了簡單介紹,包括數值天氣預報的近期發展、遙測技術,尤其是雷達系統的應用和中長期乾旱預報。不過限於篇幅,每種技術的介紹或許僅能點到為止,冀望這些簡介能引發讀者對氣象防災科技的興趣。
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