1. 研究目的
臺灣四面環海、地勢複雜，平均年降水量雖然高居全球，卻躋身世界前幾名的缺水國之一。主要的降水來源，多為劇烈天氣系統引發的強降水，例如梅雨和颱風。近年來諸多學者致力發展定量降水預報，期望能準確預測在臺灣地區的降水，提供防災單位預警作業使用，以減少天然災害的發生。
2. 研究工具
氣象雷達的觀測資料(例如：回波與徑向風)具有高時空解析度的特性，本雷達氣象實驗室所發展的三維變分雷達資料同化系統(WInd Synthesis System used to DOppler Measurement, WISSDOM)能在複雜地形上，反演出三維空間下高解析度的風場結構 (Liou et al., 2014)。而由於自然界中流體的流動勢與其密度有相當密切的關係，應用Gal-Chen (1978) 所提出的熱動力場反演技術 (簡稱GC78)，可以將WISSDOM得到的三維風場資訊，反演出三維空間下的壓力與溫度。
3. 實驗方法
WISSDOM主要利用變分概念，設定一個價值函數，此函數由數個約束條件組成。經由徑向風關係式、背景場、非彈性連續方程、垂直渦度方程、以及Laplacian平滑項的控制，進行變分極小化的程序。疊代收斂完成後，即可得到一三維空間之風場結構。
下圖為接續風場反演後，熱力場反演與水氣調整之流程圖。在此研究中，我們採用GC78的方法，以流體動量方程為媒介，在引入探空觀測後，再次以變分極小化的方式，反演出壓力與溫度的三維結構。除此之外，也同時利用雷達的觀測資訊進行溫度和水氣的調整，最終得到一接近真實大氣狀態的完整結構，有效提供即時的大氣分析與後續的模式預報使用。
▲ 熱力場反演與水氣調整流程圖。
4. 研究成果
此範例所分析模擬之個案，是於2008年在臺灣南部進行的SoWMEX(西南氣流實驗)IOP#8中所觀測到，主要嘗試提升6月14日12-15 UTC短期的定量降水預報成績。下圖為實驗設計及流程圖，WRF模式於0600UTC開始初始化，同時利用WISSDOM及GC78方法進行氣象場反演，其中箭頭所示時間點雷達體積掃描資料。在反演完成後，將此反演之氣象場時間定於1200UTC，放入WRF模式後，再次進行模擬。
▲WRF模式初始化、同化及預報流程圖。
下圖為1500UTC之最大回波圖，左圖表中央氣象署QPESUMS合成回波觀測，右圖則是經WRF模式模擬3小時後結果。對照1200至1500UTC之3小時地面累積雨量圖(mm)，可以發現預報之降雨稍偏北，但量值與觀測相當接近，未來將嘗試繼續改進，期能提供更準確之短期降雨預報產品。
▲ 1500 UTC整合最大回波圖(dBZ)。(左) QPESUMS觀測、(右) WRF模式3小時模擬。
▲ 1200-1500 UTC之3小時地面累積雨量圖(mm)。(左)中央氣象署雨量站觀測、(右) WRF模式3小時模擬。