西南氣流實驗專區

西南氣流實驗簡介

近年來我國氣象災害頻仍，災害影響範疇日益擴大。2001年譚美/納莉/桃芝颱風之超大豪雨，水淹高雄市和台北市，花蓮山崩土石掩埋，造成近百人死亡。2004年敏督利颱風引進西南氣流豪雨，造成南台灣大規模土石流傷亡慘重。還有2004年9月11日大台北地區沒有預期的超大豪雨，造成市區淹水大眾生活不便等等，不僅造成全國重大人員傷亡及財務損失，更造成國家基礎建設重創，社會大眾不安心理。如何透過基礎與應用氣象科技之整合研究，確實達到防災與減災的目標，已是氣象界無可旁貸的責任。

台灣地區地處副熱帶，為亞洲地區最顯著之季風區。此一地區暖季豪雨現象包含梅雨季鋒面豪雨天氣系統(5-6月)以及颱風季豪雨天氣系統。梅雨是台灣春末夏初的主要天氣現象。它是由歐亞大陸中高緯度來的乾冷氣團和從亞洲南方熱帶海域來的暖濕氣團，在華南及台灣地區交互作用的結果。梅雨現象最主要的特徵，包括在地面天氣圖有一滯留鋒，伴隨顯著水汽梯度，在850hPa以風切線形式出現。伴隨此地面鋒在衛星雲圖常可觀測一明顯濃密雲帶，由日本南方海面往西南延伸經台灣至華南地區。此梅雨鋒雲帶內經常有組織良好的中尺度對流系統，伴隨顯著中尺度天氣現象，帶來劇烈豪雨，造成重大災害。影響台灣梅雨期之豪雨系統其結構與一般孤立之對流系統不同，主要表現在組織性中尺度對流系統或嵌在鋒面大尺度雲帶內，或位於鋒前暖區不斷的生成與發展，並常形成多條雨帶和多個大降水中心的結構。此種結構特徵顯示，台灣梅雨季之豪雨現象乃是多重尺度天氣系統交互作用的結果。

有利的大尺度環境條件是中尺度天氣系統發展的主要能量來源，而複雜之中尺度過程，尤其是台灣本島和鄰近之複雜地形，則決定豪雨發生的時間與位置。現有利用中尺度模式進行之24小時QPF預測，其預兆得分大約是0.2。現有產品對於下游洪水預測的需求，尚有很大一段距離。簡芳菁利用WRF 模式進行虛擬探空實驗（Sounding nudging experiment），在模式中加入四個虛擬的探空並且在低層加入額外多的水氣，結果發現降雨區有由山區轉往海上的情形。但是這樣簡單的模擬僅能提供資訊說改變大氣探空確實會顯著影響降雨預報結果，並無法進一步確定兩者的因果關係。這樣的敏感度測試說明中尺度高解析度數值模擬對於模式初始場的設定非常敏感，因此要正確模擬出豪大雨降雨區，較為精確的西南氣流描述是不可或缺的條件。本實驗的目的就是經由機載投落送在南海進行密集觀測，增加模式初始場對西南氣流的觀測。或許可以獲得一組不錯的模擬結果，作為進一步分析診斷的資料庫。

西南氣流實驗的目的即在改進台灣在西南氣流盛行季節，空間尺度為鄉鎮或集水區，時間尺度0至36小時不同時間間距之定量降雨估計和預報之能力，以滿足現有防救災急迫之需求。

西南氣流實驗的科學目標包括：

• 瞭解西南氣流之熱動力性質以及其和梅雨鋒面與中尺度對流系統之發展、組織、以及維持等物理過程之關係；

• 探討中尺度對流系統的運動熱力以及微物理降雨過程特徵尤其是與豪大雨有關之微物理過程；

• 台灣地形與海陸交界對中尺度對流系統的激發與消散之影響；

• 發展雷達資料同化技術以及極短期定量降雨預報技術。

台灣梅雨季鋒面帶上經常有顯著中尺度對流系統（mesoscale convective systems MCSs）發生。現有高解析度中尺度數值模式（WRF）在模擬這些中尺度對流系統以及相關降雨分佈以及強度時，表現並不理想。可能原因除了與梅雨鋒面降雨相關之物理過程瞭解有限，以致模式內物理參數化過程參數設定不確定性很大之外，模式初始場的不確定性也是一個很大的因素。1998 年南海季風實驗(SCSMEX)雖然在南中國海進行了一系列的大氣海洋觀測實驗，但是由於缺乏海上較高解析度的密集觀測（主要觀測集中在東沙島附近），因此對於影響我國降雨最直接的西南氣流，其強度，熱力性質，以及動力性質之時間空間分佈特徵瞭解有限。

西南氣流是個多重時間和空間尺度的問題，也可以說西南氣流問題就是整體亞洲夏季季風的問題，牽涉問題非常廣泛。本研究群想要探索的是對台灣影響最直接的問題，也是最迫切的問題也就是西南氣流所引發的豪雨為何有時在山區有時卻集中在平地？這個問題可以簡化成計算盛行風的福祿數（Froude number，由盛行風強度，流體穩定度及地形高度組合而成之參數）。然而在複雜地形環境下福祿數的計算並不容易且氣流在接近地形時受到影響造成的結果相當複雜因此必須要有密集且正確的觀測資料才可能計算出較正確的數值。

中尺度高解析數值模式WRF 模式模擬2005年6月12-14日嘉南平原超大豪雨系統，模式模擬降雨大多在山區，但是實際降雨卻大多在平地發生，造成防災單位資源配置上的措手不及，以致嘉南平原部分地區積水達一星期之久。黃葳芃利用氣象局與NSSL 合作發展之暖啟動數值模式系統進行2005年6月12日南台灣豪雨事件小區域定量降雨預報實驗（LAPS-MM5）（Local analysis and prediction system using MM5）結果。在此模式中雷達資料已經同化在模式中。模式降雨主要在山區而觀測卻是在平地。此一結果顯示僅僅加入現有作業雷達資料並無法確實改進模式預測降雨區的表現, 正確雲動力和雲微物理參數的加入是非常必要的。另一方面, 此一結果似乎也顯示綜觀環境場若是沒有確實改善，正確降雨區的模擬並無法經由同化雷達資料獲得改善。

西南氣流觀測與豪雨預測實驗，簡稱西南氣流實驗，英文縮寫為SoWMEX （Southwest Monsoon Experiment），又稱TiMREX (Terrain-influenced Monsoon Rainfall Experiment)。實驗時間為2008 年5 月15 日至6 月30 日，實驗地點為南中國海北部和台灣本島及臨近海域。實驗總體目標係針對豪雨預警和防減災需求，加強西南氣流導致的豪大雨天氣系統之基礎科學認知，改進現有短期定量降雨估計與預報精確度。實驗內容包括增加南中國海和台灣海峽大氣探空（機載投落送和船舶探空），針對台灣梅雨季（東亞夏季西南季風肇始）探討南中國海西南氣流的熱動力性質；並利用環島都卜勒雷達，國科會新增車載X 波段雙偏振雷達，美國NCAR S-波段雙偏振雷達，以及測雨雷達、自動氣象測站和地面GPS測站等儀器，進行西南季風環境下豪雨個案密集觀測和分析診斷研究。深入了解西南氣流本身的熱動力特徵，引發豪大雨天氣系統的激發機制，以及中尺度對流系統（MCS）本身內部之雲微物理和雲動力結構。該實驗同時也將進行高解析度定量降雨預報數值模擬與雷達資料同化實驗，以改進現有定量降雨預報的精確度。

該實驗與美國科學家共同合作進行，美方將提供NCAR之S波段雙偏極化雷達（SPOL）來台參與實驗。美方希望利用所攜帶之S 波段特高精密度雙偏振雷達以及其他高精度觀測系統，在台灣進行不穩定大氣下山區精密降雨定量估計和預報實驗，了解台灣地形對降雨過程尤其是豪大雨系統之影響。另外，本實驗並吸引澳洲氣象局，加拿大氣象局，日本名古屋大學，以及韓國釜慶和慶北大學的研究人員，也將攜帶高解析度雨滴譜儀，垂直指向降雨雷達，以及日本自行研發的超高解析度雲動力模式，來台共同進行定量降雨監測以及資料同化之預報實驗。

本實驗預期成果包括：

• • 建立豪雨期間有效之機載投落送探測方法，奠定預測梅雨季豪雨投落送作業化數值模式初始場和資料同化的基礎。

  • 收集豪雨系統雲物理和雲熱動力資料，深入了解豪雨發生的原因，建立豪雨系統生命期包括形成、發展、維持、以及消散過程之物理特徵，作為數值模式參數化所需參數設定的基礎，有效改善現有定量降雨預報能力。

  • 建立雷達衛星資料同化技術的測試平台與校驗資料來源，加速研究人員對高精密度氣象儀器使用的能力(如雙偏振都卜勒雷達等)。

  • 建立並改進現有短期（0-12, 0-24, 0-36hr）和極短期（0-3, 0-6hr）定量降雨預測能力，有效改善現有防災工作上迫切需求之洪水預測以及土石流預警的精確度。

  • 藉由實驗過程，進行基礎氣象科學研究人才培育，並強化與國際氣象界的交流和合作。

為了實驗順利的進行，計畫辦公室已經在2007年5和6月進行了西南氣流預實驗。除了機載投落送進行連續五天的投落觀測瞭解相關作業之外，並利用微波降雨雷達（MRR）在嘉義山區進行雨滴譜之觀測，結果相當令人滿意。

西南氣流實驗機載探空，船舶探空，以及地基探空觀測主要位置分佈示意圖。藍點線代表飛機規劃投擲探空儀路線和位置，紅色房舍代表船舶探空位置。西南氣流之熱動力性質為主要探空觀測重點。 

Taiwan and United States are going to conduct a joint field experiment during the period of May 15 to June 30, 2008 at the western plain and mountain slope region of southern Taiwan. It is called Southwest Monsoon Experiment/Terrain-influenced Monsoon Rainfall Experiment (SoWMEX/ TiMREX). The goal of the program is to improve the capability of quantitative precipitation estimation and forecasting (QPE/QPF) during the Asian Summer Monsoon season. The localized heavy rainfall events frequently lead to floods and landslides resulted in casualty and heavy property damage in the Taiwan area. SoWMEX/TiMREX provides a unique opportunity to advance our basic understanding of physical processes leading to development of heavy orographic precipitation through intensive field observation campaign. SoWMEX/TiMREX provides an unprecedented opportunity for complementing the science of previous investigations in the general area of orographic precipitation. The primary observational facilities to be deployed at southern Taiwan include: NCAR SPOL (S-band polarimetric Doppler radar system), TEAM-Radar (X-band mobile polarimetric Doppler radar system), and MRR (Micro rain radar systems). In addition to these advanced radar systems, Taiwan will provide upstream soundings by operating dropsondes and ship soundings over the northern boundary of South China Sea.

The major expectation and contribution of SoWMEX/TiMREX is to provide better data set for understanding of the kinematic and thermodynamic characteristics of the southwesterly prevailing flows over the ocean upstream during Asian summer monsoon. It is anticipated that rainfall prediction products during the season will be greatly improved with this extensive observation campaign. The rainfall products will be valuable not only for early warning of flood and landslide but also for regional water resource management. The primary funding supports are from National Science Foundation of USA and National Science Council and Central Weather Bureau of Taiwan.

A pilot experiment has been conducted in May-June 2007. Dropsonde observations in 5 consecutive days were undertaken over the Taiwan Strait for a heavy rain event in central and southern Taiwan. Deep and wide spread low level moisture-abundant southwesterly were observed. Organized convective systems formed over the strait and propagated eastward producing heavy rain over the sloping area of Central Mountain Range. Data assimilation tests using these dropsonde observations are performed to simulate the evolution of the organized convections in high resolution mesoscale model. Research work using this data set for a better initial data description is now under investigation.