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- 2018年
- 577期－氣象預報（1月號）
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2018-01-01風雨將臨—從多重時空尺度的天氣預報到即時天氣預報
577 期
Author 作者
黃椿喜／中央氣象局氣象預報中心課長。
羅倫茲的蝴蝶在超級電腦中翩翩揮動著數值天氣預報之舞，預報員在多重的時空中描繪著關於即時、今明、周、旬、月、季、年復一年氣象預報的故事。
現代化天氣的基礎及變革
精密的天氣觀測系統是所有天氣預報的基礎，氣象局除了傳統的人工觀測氣象站以外，近年來於全臺各地不斷增設自動雨量站與氣象測站，目前涵蓋全臺的自動氣象站已超過300 個，自動雨量站則超過500個，若包含其他單位通過檢核的雨量站則達800 個以上，氣象站間的平均距離小於10公里。雖然臺灣有這麼高密度且精確的氣象站，但仍不足以應付各式各樣的防災需求。因此另外設置了以五分山、花蓮、墾丁及七股為主的4個雷達氣象站，並整合其他雷達的觀測網。雷達觀測的原理是由主動發射的電磁波偵測空氣中的雲滴或水滴粒子產生的回波，利用回波與降雨的關係則可估計可能的降雨量，其優點是空間涵蓋密度高，且範圍較廣、時間的解析度也高，尤其雷達觀測的目標就是與劇烈天氣最相關的降雨，若利用都卜勒觀測原理也可以估計天氣系統中的風場結構，但缺點是由雷達回波換算成的雨量仍存在不小的誤差，精確度有待提升。除此之外，氣象預報上使用的資料還有衛星、閃電、探空氣球及飛機觀測等，關於氣象觀測的設置及原理，可以參考《科學月刊》第556期的觀測專刊、第569期的衛星觀測。
有了大量的天氣觀測之後，傳統的天氣分析會將這些觀測資料填在天氣圖上，預報員就可以畫出等壓、等溫或氣流線等，再依據這些分析知道現在大氣的狀態。早期的天氣學有一部分就是由觀測天氣並記錄，而後產生天氣圖的過程中，逐漸歸納出天氣運行的原理，甚至推估天氣可能的演變，而進行最初步的預報。因此氣象預報員的第一個工作通常是在天氣圖上分析這些觀測資料，再依據經驗、統計或天氣學的原理逐漸學習大氣運作的方式。
二次世界大戰之後高速計算機開始產生革命性的快速發展，與此同時，氣象科學家試著將描繪空氣動力的原始方程式編譯成為電腦的程式語言，經由高速電腦進行運算，便可以進行時間積分，預測天氣未來的演變，這個過程就是「數值天氣預報」。數值天氣預報發展經歷了非常長久的時間，超過半世紀的不斷改進並加速運算之 下，現在已經可以精細到數公里的解析能力。在 21世紀以前，由於數值天氣預報的準確度不足，且對其後處理的標準過程未能妥善建立，因此有很長的一段時間，天氣預報是由預報員詳細分析這些數值天氣預報，再經由長期累積的經驗來主觀預報天氣。嚴格來講，這個時期的大部分天氣預報仍是屬於經驗科學，數值天氣預報還不足以精確到成為正式的預報產品，因此需要經由預報員解讀數值天氣預報圖，再依據其長期累積及訓練的經驗，進行全臺20個以上的縣市分區的天氣預報。這樣的過程難進行以高效率且精密的預報。更重要的是，傳統的預報方式受個別預報員經驗及有限的預報時間限制，難以擴展到非常精細的預報，因此無法有效應用於鄉鎮或更小區域的天氣預報中。
數值天氣預報改良成長
21世紀以來，隨著超級電腦的運算速度不斷提升，數值天氣預報不斷改良有了爆發性的成長。而另一方面，行動裝置普及化後，資訊量及流通的速度也不斷增加，當然對於氣象預報的需求也不斷增長。因此依據縣市為基礎的天氣預報已不敷需求，需要細緻到鄉鎮、甚至更小區域的天氣預報。氣象局於是在2012年引入了數位化的圖形預報，導致了臺灣地區天氣預報的革命。傳統上由預報員以純主觀方式分析並轉換成縣市預報的概念被徹底翻轉，在天氣預報的流程中，大量導入數值天氣預報及新的客觀科學方法，再經過一系列的分析與訂正，預報員透過科學化、系統化的訓練，每天詳細分析大量天氣預報數據，以近期的預報校驗及長期的統計分析產生最佳的客觀預報產品，預報員依據長期累積的經驗，主觀進行預報的選擇或調整，產生基於圖形化，具有非常高時間、空間密度的數位資料，再由智慧型的文字產生器發布鄉鎮天氣預報。
臺灣的天氣預報在這個過程中，由傳統上不易檢驗的經驗科學，正式進入可檢驗的數位天氣預報的時代。從自動觀測資料、雷達觀測氣象網整合，到數值天氣預報產生的大數據產品，現代化的天氣預報背後需要非常強大的科學團隊發展天氣預報技術，他們將數值天氣預報產品，經由觀測、統計甚至是預報員的經驗科學進行系統性的量化，產生在臺灣地圖上高時空密度的數位預報。這是氣象預報時代的轉淚點，天氣預報由單純看圖推論及說故事的經驗科學時代，進入高科技的現代化天氣預報。……【更多內容請閱讀科學月刊第577期】