天氣與對流研究室
研究領域 Research Field
本研究室在大氣科學專長領域，主要在天氣學、中尺度氣象學、數值模擬、以及劇烈天氣現象。研究興趣主要在副熱帶與台灣鄰近地區的各類綜觀至中尺度天氣現象的診斷分析與模擬，特別是災害性天氣現象，包括梅雨鋒面、低層噴流、中尺度對流系統、豪大雨現象、地形效應、中尺度低壓、颱風…等等。近年來的研究，涵蓋台灣梅雨季的各類中尺度過程，包括梅雨鋒面之結構與動力、低層噴流、中尺度對流系統、颱風、颮線、弓狀回波、台灣的地形效應、中尺度低壓與渦漩、豪大雨的氣候特徵、模式定量降水技術評估、以及定量降水評估方法的發展與應用。此外，也致力於東亞地區暖季降水氣候特徵探討、其日夜變化分佈、以及這些現象與大尺度地形之間的相關，以期能藉以改進東亞地區之暖季降水預報。
在數值模擬方面，主要使用日本名古屋大學所發展的「雲解析風暴模式」(CReSS)、或美國國家大氣研究中心所發展的「天氣研究預報」(WRF) 模式，進行各類中尺度對流系統模擬與分析診斷研究，包括許多足以解析對流雲內結構的高解析度模擬研究。近年來的研究成果，除了列於所發表的國際或中文論文以外，也列舉以下的幾個例子，並做簡短說明。
例子一 Example 1
圖 1 顯示一個梅雨季期間，臺灣地形對盛行西南氣流產生阻擋效應的例子。圖中顯示，大約呈東北－西南走向的線狀對流系統，在接近臺灣地形時，有沿著地形西至西南方的弧形窄帶增強的現象 (圖 1 左，弧線如白色虛線所示)，隨後移入陸上，造成中部沿岸的強降水; 模擬結果 (水平解析度 2 km) 顯示，這是由於臺灣地形在鋒面接近時，對於低層盛行西南氣流產生阻擋，而使得氣流減速並偏向北，而在地形前方形成弧狀的輻合帶 (如紅色虛線所示)，最後導致對流帶的發展與增強 (圖 1 右)。
圖 1: 2002 年 5 月 23 日 (左圖) 夜間 0300 LST 時之中央氣象局雷達回波合成圖 (單位: dBZ，色階示於右上方)，以及 (右圖) CReSS 模式在 0330 LST 所模擬，海拔 687 m 高度之氣流線 (矢線)、輻合散 (10-4 s-1，等值線，正值表輻合)、及 687 m 之等高線 (粗灰線)。白色與紅色虛線分別表示弧狀對流或輻合帶的位置。此模擬所用的水平解析度為 2 km。
(Source: Wang, C.,-C., G. T.-J. Chen, T.-C. Chen, and K. Tsuboki, 2005: A numerical study on the effects of Taiwan topography on a convective line during the Mei-yu season. Mon. Wea. Rev., 133, 3217-3242, https://doi.org/10.1175/MWR3028.1. )
例子二 Example 2
圖 2 顯示一個位於臺灣東南方近海，約略與海岸平行的夜間線狀對流窄帶，由綠島雷達所觀測到的情形 (圖 2 左); 而利用高解析度模擬 (水平解析度 500 m)，可以成功地模擬出此一夜間對流窄帶的形成 (圖 2 中)，且顯示降水所伴隨的下衝流與近地面輻散，可不斷激發新對流、維持對流帶 (圖 2 右)。由於此類對流帶相當窄，模式本身必須具備足夠高的解析度，而由於激發其發展的作用較弱，因此並不容易成功模擬此一現象。
圖 2: 1998 年 5 月 15 日 (左圖) 夜間 0327 LST 時，綠島雷達以 2.0°仰角所觀測之雷達回波圖 (單位: dBZ，色階示於右側，陸上回波為地形雜波); CReSS 模式在 0035 LST 所模擬，25 m 處之 (中圖) 水 平風場 (向量箭頭)、輻合散 (10-4 s-1，色階示於右側，正值表輻散)、及 0.5、1、2、3 km 等各高度之等高線 (淺至深灰線)、以及粉紅點線框內的 (右圖) 氣流線 (灰矢線)、 降水粒子混合比 (g kg-1，色階示於右側)、及上升速度 (粗黑線，分析值依序為 0.5，2，5，10 m s-1)。CReSS 模式在此模擬所用的水平解析度為 500 m。
(Source: Wang, C.-C., and W.-M. Huang, 2009: High-resolution simulation of a nocturnal narrow convective line off the southeastern coast of Taiwan in the Mei-yu season. Geophys. Res. Lett., 36, L06815, https://doi.org/10.1029/2008GL037147. )
例子三 Example 3
圖 3 顯示模擬發生於 2000 年 12 月 19 日冬季午後至夜間時段，在臺灣海峽上的一種稱為「超大胞」的罕見劇烈雷雨胞的分裂過程 (水平解析度 500 m); 由圖 3a 至圖 3d，可見在大約 25 min 的時間內，原本一個單一的雷雨胞，已分裂為一大一小的兩個對流胞。此處所模擬的雷雨胞為當日形成的三個超大胞中的一個，他們於午後在大陸福建至廣東沿岸激發出來，隨後東移經過台灣海峽，隨後在夜間登陸臺灣並在多處降下冰雹。使用 CReSS 模式與真實分析資料，以 1.5 km 與 500 m 之水平解析度，都足以掌握這些劇烈對流胞的激發與分裂過程。
圖 3: CReSS 模式模擬 2002 年 12 月 19 日 (a) 1715，(b) 1725，(c) 1730，及 (d) 1740 LST，約 4.8 km 處之系統相對風場 (m s-1，箭頭，參考長度示於下方)、 降水粒子混合比之氣柱最大值 (g kg-1，灰階)、上升速度 (m s-1，粗實線，間距為 5 m s-1)、以及雲區 (點虛線)。此模擬所用的水平解析度為 500 m。
(Source: Wang, C.-C., G. T.-J. Chen, and S.-C. Yang, and K. Tsuboki, 2009: Wintertime supercell thunderstorms in a subtropical environment: Numerical simulation. Mon. Wea. Rev., 137, 2175-2202, https://doi.org/10.1175/2008MWR2616.1. )
例子四 Example 4
圖 4 顯示一個利用 WRF 模式，對東亞暖季降水系統日夜變化特性所做的相關研究，其主要討論因青藏高原東部與背風低地在夜間 (圖 4a) 與日間 (圖 4b) 的加熱差異，造成在高原下風處，東西垂直剖面上的「力管環流」在日夜間的反轉，對移行性降水系統的作用。這些向東移的降水系統常在日間移經高原東緣、夜間則移經背風面低地 (靠近四川盆地)，因此，其相位常與力管環流的上升運動區一致。換言之，力管環流的發展與日夜反轉，可以調節降水系統的東移速度，並幫助其維持與移行 (圖 4)。透過關閉模式中的地表輻射過程或雲微物理過程，本研究也可以確認，幫助降水系統維 持的環流係由輻射而來的力管環流，並不是由降水系統自己所引發的。由於部分此類降水系統可以移行相當長的距離 (可達 2000 km 以上)， 此研究結果在未來可以幫助改進暖季降水的預報。
圖 4: WRF 模式模擬沿東西向垂直剖面 (沿 32°N，100°-108°E)，2002 年 5 月 4 日 (a) 0100 LST (夜間) 與 (b) 1300 LST (日間)，沿剖面方向之風向量 (m s-1，水平與垂直向量之參考長度示於左下)，垂直速度 (cm s-1，色階示於右側)，以及輻合散 (10-5 s-1，輻散為正，等值線之值依序為 ±2，±5，±10，及 ±20 10-5 s-1)。此模擬使用三層巢狀網格，水平解析度分別為 14，15，及 5 km，此處顯示為外層網格 (45 km) 之結果。
(Source: Huang, H.-L., C.-C. Wang, G. T.-J. Chen, and R. E. Carbone, 2009: The role of diurnal solenoidal circulation on propagating rainfall episodes near the eastern Tibetan Plateau. Mon. Wea. Rev., 138, 2975-2989, https://doi.org/10.1175/2010MWR3225.1. )
例子五 Example 5
圖 5 顯示針對 2009 年在台灣造成過去 50 年來最嚴重生命財產損失的莫拉克 (Morakot) 颱風，所進行的一項的模擬研究，主要在討論此颱風的不對稱降水與潛熱釋放分佈，在其於 8 月 8 日向北北西方移動的離台過程中，對其路徑 (特別是移動速度) 的影響。使用 CReSS 模式 (3 km 水平網格間距) 與較高解析度的分析資料，自 8 月 6 日 0000 UTC 開始之數值模擬實驗，即可相當合理地掌握此一颱風 於侵台前後的演變，包括移動路徑，不對稱對流 (集中於颱風中心的南至東方象限) 與在台灣所產生之雨量分布及歷程，及其在 8 月 8 日離台時段的緩慢移速。在此條件下，本研究進一步使用模式敏感度實驗來測試水氣含量 (即潛熱釋放效應的強弱)。結果顯示，莫拉克颱風在 8 月 8 日的緩慢移速，不僅是由於環境氣流的減弱，也由於當時不對稱降水伴隨的潛熱釋放效應在颱風後側最強，造成移速的進一步減緩，約由 10 km h-1 減為 5 km h-1，亦即使速度減慢約 1/2。駛流分析與運動學診斷的結果，亦支持此一結論。
圖 5: CReSS 模式在莫拉克颱風離台時段 (2009 年 8 月 8 日 0000 UTC 至 10 日 0000 UTC，共 2 天) 對其中心路徑之兩組敏感度測試結果。(a) 為編號 R01 至 R04 等 4 個實驗 (藍色系，依序由深至淺)，與 (b) 為編號 R05 至 R08 等 4 個實驗之路徑結果 (紅色系，依序由深至淺，兩組均每 3 h 標示位置)。R01 至 R04 實驗為台灣均使用 100% 地形，但大氣中水氣含量分別為真實值的 100，50，25，及 0%; R05 至 R08 之水氣設定與 R01 至 R04 相同，但台灣使用 50% 地形高度 (如圖內圖例所示)。 部分符號並放大或標示時間以利識別，且亦標示分析 (ECMWF-YOTC) 之颱風路徑。
(Source: Wang, C.-C., H.-C. Kuo, Y.-H. Chen, H.-L. Huang, and C.-H. Chung, 2011: Effects of asymmetric latent heating on typhoon movement crossing Taiwan: The case of Morakot (2009) with extreme rainfall. J. Atmos. Sci., 3172-3196, https://doi.org/10.1175/JAS-D-11-0346.1. )