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中尺度模式:

 

數值天氣預報是需要利用高速電腦運算的一種天氣預報技巧, 透過數值模式內的方程式模擬反映大氣狀態的各項氣象要素之演變。 數值模式考慮到的氣象要素包括溫度、風力、氣壓及水氣等資料。

模式內的大氣三維空間被分割成為排列整齊的網格點陣, 而各網格點上氣象變數的數值則代表了當時大氣的狀況。 網格點數量愈多,模式分辨率愈高,愈能夠細緻地勾畫出未來的大氣狀況, 但同時電腦運算量亦會大幅增加。

模式方程組及描述物理過程的方案都包含了近似和假設的成份。 要求解模式方程組,首先要集合最新資料把初始狀況正確地建立起來。 在業務運作上,大氣初始狀況的分析是利用最新氣象觀測資料訂正先前的模式預報,再進行新一輪的預報運算。

香港天文台的「非流體靜力模式」以2公里水平分辨率的內框及10公里水平分辨率的外框運行, 即涵蓋中尺度天氣系統的低端尺度範圍。 (註:中尺度天氣系統指水平尺度達數公里至數百公里的天氣系統。 例子包括有雷暴、海、陸風、冷鋒及熱帶氣旋的雨帶等。) 為了方便理解和供作其他應用,模式運算結果會透過圖像顯示出來。

 

電腦資源:

 

與八零年代後期相比,當年受制於計算機所能提供的運算速度及記憶容量, 天文台運行的數值模式只能夠把有限區域的大氣層切割成100公里x 100公里的方格(圖1)進行計算, 而每天亦只可以運算一次。1999年,模式分辨率提升至20公里 x 20公里,提供每3小時更新一次的預測(圖2)。 隨著電腦的運算能力增加至每秒達1萬億次浮點運算的水平,運行一套分辨率為2公里 x 2公里的數值天氣預報模式變得可行。

圖 1
圖 1 - 數值天氣預報系統使用100公里乘100公里方格 (1989)
圖 2
圖 2 - 高分辨率數值天氣預報系統使用20公里乘20公里方格 (1999)
圖 3
圖 3 – 2公里乘2公里方格的非流體靜力模式描繪香港及附近地區的地形 (2010)
自2010年起,香港天文台利用一部名為「數值天氣預報運算平台」的高速電腦叢集以運行非流體靜力模式(圖4)。
圖 4
圖 4 – 香港天文台「數值天氣預報運算平台」
 

預報應用:

 

非流體靜力模式可提供更適時和詳盡的客觀資料以編製天氣預報和發出及時的惡劣天氣警報。 10公里外模式每日運算八次,輸出未來72小時的天氣預報;而2公里內模式則每小時運算一次, 輸出未來15小時的天氣預報。內、外模式的預報產品分別從模式起始運算1及3小時後逐步製作完成並提供予預報員參考。 從模式抽取出的預報資料會經過整理以最適當的方式顯示出來,例如包括香港的地面風、氣溫、濕度、雲量及累積雨量的時間序列預報圖(圖5)。 其他預報產品尚有區域氣溫預測、 香港自動分區天氣預報 及颱風登陸時的風力分布情況(圖6)等等。 在大雨及雷暴短期預報方面,透過非流體靜力模式和 臨近預報系統 預警信息的結合,業務運作所需的重要天氣資料便可以並列顯示。

圖 5
圖 5 - 10公里非流體靜力模式輸出的預報時間序列,包括地面風、氣溫、濕度、雲量及逐小時累積雨量
圖 6
圖 6 - 10公里非流體靜力模式預測颱風燦都在2010年7月於廣東西部登陸時的風力分布情況
 

展望:

 

數值天氣預報其實亦有一定的局限。觀測資料存在一定程度的誤差,其精密度往往亦不足以反映實況。 此問題於海洋上尤甚。 如果輸入模式的資料有些微差異,計算結果便可能出現極大分別。

由於水平分辨率獲得提升並且運用了更精密的物理描述方案,非流體靜力模式對於中尺度的系統如雷暴能有更完整的描述。 可是,要準確預測暴雨或其他惡劣天氣出現的地點、時間及強度仍須依靠更多的觀測資料以進一步改善模式的初始場。 為此,天文台正進行研發以求更廣泛地應用遙感觀測資料,例如衛星及天氣雷達的數據。


最近修訂日期: <2015年3月31日>