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香港的天氣預報數值模式

 

引言  |  大氣數值模式  |  香港天文台的數值天氣預報  |  範圍及坐標的選擇  |  模式初始化  |  物理過程的描述  |  邊界條件  | 
ORSM的業務運作  |  中期數值天氣預報資料  |  展望將來

 

引言:香港位於東亞大陸南陲,與南海相鄰,是亞洲季候風盛行之地,氣候受到變化多端的熱帶及溫帶系統支配。天氣方面,由於香港地勢多山,海陸對比強,容易產生複雜的小尺度氣流,導致境內各區的天氣可以出現顯著差異。要掌握大如天氣尺度系統、小如區內地形效應等不同尺度氣象因素的萬千變化,必須依仗合適的預報工具。

大氣數值模式: 天氣源自大氣層的變化,這些變化受物理學各種定律制約。數值天氣預報技術利用高速電腦運算代表這些定律的繁複方程組,從而得知大氣層的演變,以及相連的天氣。方程式中的氣象變數包括風、溫度、氣壓及水汽含量。原則上,從已知的初始狀況和邊界條件便足以進行計算,得出各項氣象變數隨時間的變化,作為天氣預報的依據。最常用的運算方法有「頻譜變換法」及「有限差分法」,而有關的模式分別稱為「譜模式」和「差分模式」。為了減省計算量,模式往往採用某些近似和假設去簡化基本方程式,因此計算結果也就不是百分之一百真正大氣的寫照。

香港天文台的數值天氣預報: 香港天文台一向接收和參考海外的數值預報產品(詳見下文「中期數值天氣預報資料」),在預報大尺度天氣系統方面(例如冬季季候風所引發的寒潮),應用效果一般尚算滿意。但是對於夾雜著惡劣天氣的小尺度系統而言(例如暴雨),這些資料的分辨率就顯得不夠精細。為了得到高分辨率模式的輸出結果作為本地天氣預報的依據,天文台建立了一套「業務區域譜模式」(Operational Regional Spectral Model,簡稱ORSM)。ORSM在一九九九年十二月投入業務運作,以一台矢量電腦作為運算平台。其後該模式於二零零八年被一個並行版本所取代並置於一部伺服器叢集上運行。

範圍及坐標的選擇: 目前ORSM的設定是包含了一個二重「套網格」,幅員一大一小,格距一粗一細,分別簡稱為外模式及內模式。內模式覆蓋香港及其鄰近地區,分辨率高達20公里,嵌套於涵蓋東亞及西太平洋的60公里分辨率外模式之內(圖1)。根據目前的設定,內、外模式在「麥卡托」地圖投影上均有151 X 145 個水平格點,而垂直則分40層。垂直坐標是混合了氣壓坐標和依隨地形變化的坐標,上層傾向氣壓坐標,接近地面的層次則傾向依隨地形變化的坐標(圖2)。氣象變數須在格點空間與頻譜空間之間作出變換。

圖1 圖1  60公里(外模式)及20公里(內模式)ORSM範圍。

 

圖2 圖2  ORSM網格點的垂直結構:上層趨向氣壓坐標,而下層坐標則隨地形變化。

模式初始化: 天文台從海外及本地網絡取得觀測資料,經過譯碼後,便會進行質量控制檢查,把可疑和錯誤的數據剔除,然後利用上一次模式運行所得出的短期預報場,即20公里內模式的3小時預報及60公里外模式的6小時預報,作為初估背景場,再注入最新觀測數據,進行客觀分析,以得出模式預報的初始場。目前採取的分析方案是「三維最優插值法」。從地球同步氣象衛星雲量數據和本港雨量計及雷達反射率所得出的每小時雨量資料,經物理初始化過程被納入模式內。在這個過程中,初始場中降雨區域上空,位於抬升凝結高度與雲頂之間的濕度會予以調整,作用是要啟動降水過程。此外,降水過程的加熱率亦會相應地調整,以符合實況觀測的雨量。

物理過程的描述: ORSM中的物理過程包括輻射交換、水分的相變、積雲對流所帶動的能量重新分佈、湍流所引發的動量、能量和水汽輸送、大氣與地面層之間的各種交換等等。這些物理過程非常複雜,目前仍然未能完全掌握,因此模式在業務性操作中只能分別以不同的參數化系統處理。

邊界條件: 計算有關數學方程組的數值方法,牽涉到變數在空間的分佈變化,故此亦需要另外提供模式範圍以外的網格點值,從而按時間設定邊界條件,以完成基本方程組的運算。60公里外模式的邊界條件,主要來自日本氣象廳全球譜模式的輸出數據,當中包括地面數據及16個標準等壓面的高空數據,頂層在10百帕斯卡,即離地約30公里的高度。20公里內模式的邊界條件,則取自60公里外模式。

ORSM的業務運作: ORSM的主要任務是提供未來一兩天的短期天氣預報。20公里內模式每日運算八次,分別在協調世界時的00、03、06、09、12、15、18及21時,更新未來42小時的天氣預報。而60公里外模式則每日運算四次,分別在協調世界時的00、06、12及18時提供最新的72小時天氣預報。要完成整個從資料收集到產品製成的過程,內、外模式分別需時約3.5及4.5小時。為幫助預報員理解數值模式的結果,預報資料會被繪製成二維及三維的天氣圖像產品,經內聯網發放。為方便發出本地天氣預測,從模式抽出的預報資料,包括香港的地面風、氣溫、濕度、雲量及累積雨量,更會整理成時間序列(圖3)。其他預報產品尚有區域氣溫預報、降雨指數、垂直廓線圖、氣象要素圖及特製天氣圖等等。在大雨及雷暴短期預報方面,透過ORSM和臨近預報系統預警信息的結合,業務運作所需的重要資料便可以並列顯示(圖4)。

圖3 圖3  60公里ORSM的預報時間序列,包括:地面風、氣溫、濕度、雲量及3小時累積雨量。

 

圖4
圖4  ORSM及臨近預報系統的綜合預警顯示板。

中期數值天氣預報資料: ORSM主要應用於短期預報,長達7天的中期天氣預報便需要倚賴全球模式。事實上,天文台自一九八五年便開始使用歐洲中期天氣預報中心及英國氣象局的數值天氣預報模式數據。數據的傳送是通過世界氣象組織的全球電信系統以網格點數值形式發佈。自一九九六年起,天文台亦透過全球電信系統及互聯網定時從日本氣象廳下載其全球譜模式的數值天氣預報產品。此外,自一九九九年開始亦經由北京及德國奧芬巴赫取得歐洲中期天氣預報中心以GRIB格式發放的較高分辨率數值產品,而二零零二年起更透過互聯網取得美國國家環境預報中心的全球模式產品。為求更有效地應用從不同渠道得到的數值天氣預報資訊,天文台採用了不同模式的組合,透過集成處理方法,製作機會率預報,供各方面作為籌劃和決策之用。

展望將來: 模式分辨率提昇到現時的20公里無疑是一大改進,但對於空間分佈極不均勻的雨量變化而言,其精確度仍覺不足(見圖5)。為求提供更多定量和定點的資訊以支援惡劣天氣預報,天文台正致力試驗更高分辨率的「非靜力模式」,並研究在業務上採用這些模式的可行性。隨著模式分辨率日趨精細,模式的物理過程變得更加精巧,模式初始場的要求也將會更高。一些透過非傳統途徑及非定時收到的新類型數據,例如經精確調校的遙感平台所蒐集的觀測資料,要有效地應用於數值天氣預報,仍需要進一步研究具體的方案。為此,資料同化將會採用更深入的運算方法,如三維或四維變分法及增強卡爾曼濾波等技術。

圖5
圖5  20公里ORSM香港地區附近網格點上的預報雨量和境內實測雨量的對照。雨量單位是毫米(mm)。精密度有限的網格點不足以反映港島東部及將軍澳的局部大雨(黃、紅色區域)。


最近修訂日期: <2014年3月4日>