| 摘要: | 颱風眼、眼牆、螺旋雨帶，以及暴風為颱風的主要結構特徵，而這些特徵則構成颱風的大小，影響颱風大小的因素相當多元及複雜，因此對其有更完整認識以及推測在暖化條件下的可能變化趨勢是相當重要的。本文利用高解析度的理想化WRF模式，針對颱風在排除外在強迫因素(如：垂直風切、駛流。)下的大小變化進行研究。主要目的為瞭解主要大氣及海洋條件對颱風大小影響的特徵和物理機制，研究中設計五組敏感度實驗，包括：海表面溫度、大氣溫度、科氏參數(颱風所處緯度)、水氣混合比，以及二氧化碳濃度；第二，探討颱風強度、大小，與海表面熱通量(Sea surface heat flux, SSHF)間的關係；最後，模擬在暖化條件下颱風大小的發展特徵。
由高時間解析度的模擬資料顯示，各個實驗在模擬48小時後，颱風達到穩定成熟狀態，最大風速均達至45.0 m s-1以上，且模擬期間並未出現雙眼牆或眼牆取代過程干擾。以軸對稱平均地面10 m高度之風場34.0 kt (R34)和64.0 kt (R64)定義颱風大小與內核風場，其變化於各實驗均呈現系統性差異。海表面溫度敏感度實驗呈現若海表面溫度越高，則颱風的強度與大小亦越強和越大；大氣溫度敏感度實驗呈現若整層大氣溫度降低，則颱風的強度與大小同樣亦越強和越大；科氏參數敏感度實驗呈現在高科氏參數(高緯度)所發展颱風的強度與大小亦越強和越大；水氣混合比敏感度實驗呈現颱風大小相似，但越多的水氣之颱風發展的時間較早，強度則越強；二氧化碳濃度敏感度實驗呈現颱風的強度與大小並無差異。
本研究的模擬結果也顯示，當海表面溫度較高和大氣溫度較低時，會使海洋提供較高的SSHF，而科氏參數較高時，雖然不會提供較高的SSHF，但由於與角動量成正比，因此仍然呈現較強和較大的颱風。同樣，對流層水氣較多時，對於SSHF沒有顯著影響，但卻能使大氣釋放更多潛熱，進而使颱風強度增加，但颱風大小無明顯改變。另外，在二氧化碳濃度加倍的情況，由於只有些微影響雲輻射，使得模式中大氣頂層外溢長波輻射略微減少，但在SSHF部份並沒有造成明顯改變，因此實驗結果呈現颱風強度與大小無明顯改變的情況。進一步分析SSHF收支，發現主要由海水表面與近海表面空氣的潛熱通量(Latent Heat flux, LHF)主導，可感熱通量(Sensible heat flux, SHF)則較少，隨著颱風發展至成熟，可感熱通量佔其比例則逐漸增加。
本研究亦分析SSHF與颱風強度和大小之間的關係，發現SSHF與颱風強度(最小中心氣壓)的相關係數為0.91，與颱風大小的相關係數為0.67；更進一步分析發現，各實驗的軸對稱平均地面10 m切向風，在內核區的風速差距最高達至約13.1 m s-1，在距離颱風中心300 km之外圍風場的風速差距最高達至約為4.3 m s-1，代表SSHF造成颱風內核的風速增加情況大於外圍風場，即使在颱風發展期間，颱風強度和大小的發展都呈現增加，但從強度與大小演變之分析結果顯示，兩者之間無必然的因果關係。
本研究為探討全球暖化下西北太平洋海洋大氣熱力結構的改變情況，透過NCEP/NCAR (National Centers for Environmental Prediction/ National Center for Atmospheric Research)全球再分析資料進行分析。從1948年至2014年分成三階段，第一階段為1948年至1977年(S1)，第二階段為1978年至2007年(S2)，第三階段為2008年至2014年(S3)，計算各階段大氣濕度、海表面溫度和大氣溫度以作為理想模式的背景場。模擬結果顯示，三個階段颱風的強度與海表熱通量有顯著的差別，且在模擬後期S3的颱風大於S1有半徑25 km，研究顯示，過去66年來西北太平洋海表面溫度暖化平均增加幅度約0.5 °C，可能為差異的主要原因。因此進一步使用CMIP5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) 的氣候模式模擬資料在RCP8.5和RCP4.5 (Representative Concentration Pathways)情境下作為理想模式的背景場進行模擬。其結果顯示RCP8.5與S3的颱風大小與強度相近，但RCP4.5則呈現較小及較弱的颱風大小和強度，主要是由於在未來極端情境下的大氣溫度增溫劇烈，在對流層高層大氣中最高增溫約9.0 °C，而海表面增溫約2.3 °C，其大氣溫度造成的SSHF降低效應遠大於海表面溫度造成的增溫效應，以上實驗結果，若考慮外部環境動力過程，如：垂直風切、共伴作用，地形作用等因素後，是否會造成同樣的結果，仍待更多的研究深入探討。未來有必要利用氣候模式模擬之完整背景資料，透過具有完整物理過程的理想模式，模擬更實際的情境條件來探究上述各項作用對於颱風強度與大小的演變過程。
In order to get rid of the nonlinear effect of the environmental forcing which might influence the Tropical Cyclone (TC) size, the idealized WRF (Weather Research and Forecasting) model simulation are used in this study. A series of different environmental forcing sensitivity experiments have been conducted including the sea surface temperature (SST), air temperature (AT), mixing ratio concentration (MR), Coriolis parameter (latitude, LAT), radiation forcing (carbon dioxide concentration, CO2), and the past 66 years reanalysis NCEP background data.
Based on the results from the idealized model simulations, it is found that the SST and AT dominant the wind structure of storm. The experiments with higher SST and lower AT could develop stronger intensity and larger size storm. This result indicates that TC structure is controlled by the thermal disequilibrium between the atmosphere and ocean. In addition, although the high LAT of TC spin up slowly, its size is higher than others when it was at the mature period; the CO2 and MR possess slightly impact on TC size in this study. Finally, past 66 years simulations show it would be easier to develop with a large and stronger TC in the future global warming, but the RCP8.5 is same with the S3, because the high level temperature increase about 9.0 °C and sea surface temperature increase about 2.3 °C. That means the SSHF effect reduced by the air temperature. In the future, it necessary to simulate by the full physical ideal model with the climate full background data to investigate the process of tropical cyclone size and intensity evolution. |
