颶風Guillermo(1997)之潛熱反演與其對於強度及結構之影響 第一部分-觀測與反演方案

Presentation on theme: "颶風Guillermo(1997)之潛熱反演與其對於強度及結構之影響 第一部分-觀測與反演方案"— Presentation transcript:

1 颶風Guillermo(1997)之潛熱反演與其對於強度及結構之影響 第一部分-觀測與反演方案
講員:陳寰 指導教授:楊明仁 老師 Guimond, Stephen R., Mark A. Bourassa, Paul D. Reasor, 2011: A Latent Heat Retrieval and Its Effects on the Intensity and Structure Change of Hurricane Guillermo (1997). Part I: The Algorithm and Observations. J. Atmos. Sci., 68, 1549–1567.

2 大綱 關鍵字 簡介及前人研究 都卜勒雷達觀測平台及觀測資料 潛熱反演之演算法 觀測及誤差 結論 參考文獻 a.原理 b.檢驗飽和計算的假設

3 關鍵字 總降水質量連續方程(equation for the continuity of total precipitation mass)
儲存項 水平通量輻合 垂直通量輻合 源(source) 匯(sink) 擴散項 剩餘項

4 誤差傳遞(error propagation)
科學計算中，經常會遇到要求得一個物理量時，必 須先量測數個物理量，再藉由其關係式求得，而若 先前量測的物理量在個別上有所誤差，將造成後來 欲求得的物理量產生誤差，此過程即稱為誤差傳遞。 誤差傳遞通式可表示為:

5 簡介 此研究第一部分的主要目的為使用一個掃描範圍廣 且高解析度之機載都卜勒雷達，對於快速增強的熱 帶氣旋進行凝結潛熱反演。並新增現有的反演理論， 其中包含了詳細的誤差特徵，也提供了瞭解颶風增 強問題的資訊。在此研究中，潛熱場對於以空間為 基礎的演算法提供了許多有用的證明，以及提供未 來衛星遙測研究上的動機。

6 前人研究 驅動熱帶氣旋的生成與強度的改變和來自海洋與大 氣交界面上熱力不平衡有關，主要是由於雲中的潛 熱釋放所致(Charney and Eliassen 1964; Kuo 1965; Emanuel 1986)。 Adler and Rodgers (1977)與其他人(e.g., Sitkowski and Barnes 2009)使用了降雨率估計計算出潛熱。 Rodgers et al. (2000)為第一個使用熱帶降雨估計任 務(TRMM)之微波影像(TMI)計算熱帶氣旋潛熱垂直 剖面，且發現颶風內核區的加熱率劇烈的增加，中 至上對流層有強烈的上升氣流。

7 主動式儀器(如雷達)，對於許多不同粒徑大小的液滴 以及水含量，必然產生誤差，像是降雨率，與量測 的反射因子(reflectivity)大小相關(Doviak and Zrnic 1984)。
Gamache et al. (1993)使用NOAA的WP-3D(P-3)機 尾雷達計算Hurricane Norbert (1984)的水收支。 由穩定態(steady-state)的降水連續方程反演出凝結 水的三維分佈。從非軸對稱平均結構的三維反演中 得知，風暴內部除了風眼皆為飽和狀態。

8 都卜勒雷達觀測平台及觀測資料 此研究主要使用的遙感儀器為飛機都卜勒雷達，使用 NOAA P-3機尾(TA)雷達。P-3 機尾雷達掃描頻率大約為 10GHz，採用機頭/尾掃描技術(FAST)。飛行高度為3到4 公里，且不穿越對流核心。 P-3雷達收集資料主要的優點是能夠透過使用反演技術提 供風的三個分量之必要資訊。來自海表面的背向散射會 造成邊界層的汙染，為P-3TA 雷達主要的缺陷，除此之外， 10GHz波束通過強對流核心的 衰減很顯著。 FAST(Fore/Aft Scanning Technique) 技術示意圖(Jorgensen et al. 1996)

9 本圖顯示NOAA P-3低機身雷達在3km高度於1997年8月2日穿越眼牆10次的反射掃描。可由圖看出，伴隨著數個對流爆發(A~H)，以及眼牆從非對稱到略為軸對稱的結構。
雷達掃描區域呈一個盒狀，在2km空間網格上，水平向延伸120km，而在1km空間網格上垂直延伸20km。因為海表面的汙染，第一層有用的資料位在1km高。

10 潛熱反演之演算法 a.原理 本研究使用簡化形式的動量以及熱力方程，和來自雷達 觀測的估計，用以推斷氣壓及溫度場。在此將著重於討 論飽和的計算以及熱力方程的使用。 使用Hurricane Bonnie (1998)在2km空間水平網格間距 的完整物理過程、非靜力平衡之雲解析模式(Braun et al ; Braun 2006)。 分析時間:1小時 Domain大小:水平:450kmx450km，垂直:17.2km，模式 第一層在海平面上40m 模式變量以及降水收支每三分鐘輸出一筆

11 P-3在飛行高度層(海拔1.5-5.5km)量測14個強烈熱 帶氣旋的眼牆及外圍螺旋雨帶之620個上升氣流資料 點，與相對濕度的關係分佈圖。(Eastin et al. 2005)。
來自潛熱釋放造成的局部浮力，必然產生強烈的垂直風速以及加速度(Braun 2002; Eastin et al. 2005)。 垂直速度小於或等於5.0m/s的上升氣流，觀測到了相當大的相對濕度變化，而5.0m/s以上的上升氣流幾乎達飽和。

12 上升氣流速度5m/s以上，垂直加速度由局部浮力所支配， 而速度在5m/s以下者，可能由擾動壓力梯度力(不是透過 加熱產生)以及紊流等各種物理過程所作用(Braun 2002; Eastin et al. 2005)。 另外，從Bonnie模擬的統計數據計算，發現了大約99% 速度小於或等於5m/s的上升氣流，攜帶著大部分的向上 質量通量。因此，不能對多數上升氣流以及總值量通量 進行飽和的假設，需要透過下面描述的演算法來決定飽 和程度。

13 source of cloud water(雲水來源)與net production of precipitation(淨降水來源)關係圖。
紅色代表高於0度C(暖雨過程)，藍色代表小於等於0度C(冷雨過程)。降水成長的主導模式為暖雨過程以及相關的碰撞凝結過程。另外也顯示了在方位角平均，眼牆內的雲水來源(source of cloud water)，會由降水凝結物快速的移除。

14 一旦飽和狀態被決定，潛熱率(latent heating rate)的大小可以根據熱力學第一定律做計算 。

15 b.檢驗飽和計算的假設 儲存項參數化 總降水水平平流通量和降水儲存項 呈線性關係 。(R^2=0.78)

16 穩定態假設 儲存項參數化 由簡化總降水質量連續方程直接輸出 使用Bonnie的模擬，Qnet隨時間的方均根誤差(RMSE) 。 利用(6)式計算Qnet之error對於時間的變化。 在時間平均上，儲存項參數化減少了Qnet的 誤差近16%，且在某些時間的數值模擬輸出 方面增進了30%。 都卜勒雷達觀測Guillermo最大風半徑(RMW)的方位角平均加熱率，儲存項參數化相對於穩定態之影響。 在中層大約有20%的差異，而在高、低層超過100%的差異。

17 觀測及誤差 a.都卜勒雷達-潛熱反演

18 H G E D B F C A 顯示飛機通過的每一個高度層平均反演出Hurricane Guillermo (1997)的潛熱場之水平切面。另外也顯示了在RMW(30km)每次沿等高線上方通過的方位角平均潛熱的垂直剖面。最大加熱變化的高度大約在4和9km。

19 b.不確定性估計 潛熱大小的隨機誤差可透過一個誤差傳遞分析進行估計。 (9)為潛熱大小的不確定性(%)
(8)式中的每一個變數由投落送資料的標準偏差和垂直速度 的RMSE所決定。 來自Reasor et al. (2009)的研究:δT=2.5K、δθ=3.1K、 δ∂qs/∂z=3.4x10^-7/m以及δw=1.56m/s。 而熱帶氣旋眼牆的特徵值我們選用:T=300K、θ=302K、 ∂qs/∂z=-4x10^-6/m、w=5m/s 將δw及w之特徵值代入(9)式: 對於上升氣流速度大於5m/s之潛熱大小的 不確定性約為32%，對上升氣流速度1m/s 之不確定性則約為156%。

20 結論 本篇透過了以下幾個基本反演之演算方案進行潛熱 反演:(1)演算方案需與數值模式滿足動力一致性、(2) 透過飛機資料討論演算方案的敏感性、(3)發展降水 收支儲存項參數法。 飽和狀態的決定為演算法中一個重要的部分，對於 強烈上升氣流幾乎皆達到飽和，然而，上升氣流速 度小於或等於5m/s者，卻攜帶著多數的向上質量通 量，因此必須對微弱至中等的垂直速度或是飽和狀 態進行計算。 潛熱率敏感度測試顯示來自淨降水來源(Qnet)決定飽 和狀態相關的隨機誤差很小(平均小於或等於10%)。 來自假設降水連續方程為穩定態的潛熱率誤差較大 (平均約20%)。

21 垂直速度潛熱大小誤差來源有少量的貢獻來自於觀 測所提供的熱力資訊。使用對於來自Guillermo P-3 分析(Reasor et al
垂直速度潛熱大小誤差來源有少量的貢獻來自於觀 測所提供的熱力資訊。使用對於來自Guillermo P-3 分析(Reasor et al. 2009)垂直速度的特徵誤差， 5m/s上升氣流潛熱率不確定性約32%，1m/s上升氣 流不確定性約156%。 此演算法為反演熱帶氣旋潛熱場的良好方案，即使 垂直速度誤差導致了潛熱場中微弱的上升/下沉氣流 (|w|小於等於1m/s)很大的不確定性，但其積分造成 的敏感度並不顯著。

22 參考文獻 Reasor, P. D., M. T. Montgomery, F. D. Marks Jr., and J. F.
Gamache, 2000: Low-wavenumber structure and evolution of the hurricane inner core observed by airborne dual-Doppler radar. Mon. Wea. Rev., 128, 1653–1680. Roux, F., 1985: Retrieval of thermodynamic fields from multiple- Doppler radar data using the equations of motion and the thermodynamic equation. Mon. Wea. Rev., 113, 2142–2157. Braun, S. A., 2002: A cloud-resolving simulation of Hurricane Bob (1991): Storm structure and eyewall buoyancy. Mon. Wea. Rev., 130, 1573– 1592. Eastin, M. D., W. M. Gray, and P. G. Black, 2005: Buoyancy of convective vertical motions in the inner core of intense hurri- canes. Part I: General statistics. Mon. Wea. Rev., 133, 188–208.

23 Thank you for your attention!