香港的數值天氣預報模式

引言：香港位於東亞大陸南陲，與南海相鄰，是亞洲季候風盛行之地，氣候受到變化多端的熱帶及溫帶系統支配。天氣方面，由於香港地勢多山，海陸對比強，容易產生複雜的小尺度氣流，導致境內各區的天氣可以出現顯著差異。要掌握大如天氣尺度系統、小如區內地形效應等不同尺度氣象因素的萬千變化，必須依仗合適的預報工具。

大氣數值模式：天氣源自大氣層的變化，這些變化受各種物理定律制約。數值天氣預報技術利用高速電腦嘗試解開代表這些定律的繁複方程組，從而模擬大氣層的演變，以預計天氣變化。方程組中的氣象要素包括風、溫度、氣壓及水汽含量等。原則上，由已知的初始狀況和邊界條件足以進行計算，得出各項氣象變數隨時間的變化，作為天氣預報的依據。模式內的大氣三維空間被有系統地分割為網格點陣，大氣在某一時刻所處的狀況由各網格點上氣象元素的數值來表示。網格點愈密，模式分辨率愈高，愈能夠細緻地勾畫出未來的大氣狀況，但同時電腦運算量亦會大幅增加。然而，大氣是一個混沌的物理系統，天氣現象有其不確定性。一般來說，變化越急速、影響範圍越細小的天氣現象（例如龍捲風、暴雨、風切變等），越難預測得準確。預報的不確定性亦無可避免地隨預報時間的增加而加大。現今科學對這些天氣現象的物理描述仍有不足，模式方程組及描述物理過程的方案都包含了近似和假設的成份。實際業務操作時，為能及時得到運算結果，模式往往進一步簡化方程式以減省計算量，因此計算結果也就不是百分百真正大氣的寫照而是近似值。

香港天文台的數值天氣預報：香港天文台一向接收和參考海外氣象中心的數值預報產品，在預報大尺度天氣系統方面（例如冬季季候風所引發的寒潮），應用效果尚算滿意。但是對於夾雜著惡劣天氣的中小尺度系統而言（例如暴雨），這些資料的分辨率則還不夠精細。為了得到高分辨率模式的輸出結果，天文台自行裝置高性能電腦系統並運行高分辨率的區域數值天氣預報模式，支援本地天氣預報。以下是香港天文台數值天氣預報模式的歷史：

年份	香港天文台運行的區域數值天氣預報模式系統
1999 – 2010	「業務區域譜模式」簡稱ORSM。以一台矢量電腦作為運算平台，2008年更新為並行版本後以一部伺服器叢集作為運算平台。
2010 –	「大氣綜合快速循環預報模式系統」簡稱AIR。運行於一部伺服器叢集上。
2014 –	「航空預報模式」簡稱AVM。運行於一部伺服器叢集上，為香港國際機場提供專業航空氣象預報產品。
2022 –	「亞洲航空氣象中心預報模式」簡稱AAMC-WRF。運行於一部伺服器叢集上，作為AIR外模式提供大範圍中尺度氣象預報。

範圍及坐標的選擇： AIR 系統使用的模式設定包含了一個外模式(AAMC-WRF)及一個內模式 (RAPIDS-NHM)，幅員一大一小，網格點間距一粗一細。內模式覆蓋香港及其鄰近地區，分辨率為2公里；外模式涵蓋東亞及西太平洋，分辨率為10公里（圖1）。AVM 系統採用二重「套網格」，由600 米分辨率的外模式及分辨率達到 200米的內模式組成（圖2）。

	AIR 外模式 (AAMC-WRF)	AIR內模式 (RAPIDS-NHM)	AVM 外模式 (AVM-PRD)	AVM 內模式 (AVM-xHK)
水平分辨率	10 公里	2 公里	600米	200米
水平網格點數目	1251x1101	305x305	581x581	581x581
垂直層數	42	60	42	55
地圖投影	麥卡托投影 (Mercator)
物理過程的描述	輻射交換、水分的相變、積雲對流所帶動的能量重新分佈、湍流所引發的動量、能量和水汽輸送、大氣與地面層之間各種物理量的交換等。這些物理過程非常複雜，目前仍然未能完全掌握。模式在業務性操作中只能分別以不同的參數化系統處理。除了 AIR 外模式，由於其他模式水平分辨率足夠高，因此不採用對流過程參數化。
邊界條件 -區域模式覆蓋範圍有限，需要提供模式範圍外的網格點值才能完成基本方程組的運算。	模式的邊界條件來自主要全球數值天氣預報中心(如歐洲中期天氣預報中心和美國國家環境預報中心)的數值模式輸出的數據，當中包括地面數據及標準等壓面的高空數據。頂層在15百帕斯卡，即離地約28公里的高度。	AIR內模式的邊界條件取自AIR外模式。	AVM 外模式邊界條件取自AIR 內模式。	AVM 內模式邊界條件取自AVM 外模式。

圖1 　AIR 系統的10公里外模式 (左) 及2公里內模式 (右) 範圍。

圖2　 AVM 系統的600米外模式及200米內模式範圍。

模式初始化：要準確預測天氣，模式首先要準確描述目前的天氣狀況。天文台從海外及本地觀測網絡取得觀測資料，經質量控制檢查把可疑和錯誤的數據剔除後，注入到模式的初估背景場中進行客觀分析，得出模式預報的初始場，以開始預報運算。這個過程被稱為「資料同化」，目前天文台模式採取的方案是「三維變分法」。一般情況下，模式會以早前的預報輸出或主要全球數值天氣預報中心(如歐洲中期天氣預報中心和美國國家環境預報中心)的數值模式輸出作為下一次計算的初估背景場，其輸出則用於啟動 AIR內模式，而AIR內模式的輸出繼而用於AVM的外模式及內模式。

模式的業務運作：香港天文台的業務區域模式的主要任務是提供數天內的短期天氣預報。AIR外模式每日運算八次，分別在協調世界時的00、03、06、09、12、15、18及21時提供最新的84小時天氣預報。AIR內模式每小時運算一次，更新未來15小時的天氣預報。 AVM的兩個模式都是每小時運算一次，提供最多未來12小時較精細的天氣預報。為幫助預報員理解數值模式的結果，預報數據會被繪製成天氣圖像產品。為方便發出本地天氣預測，從模式提取的預報資料，包括香港的地面風、氣溫、濕度、雲量及累積雨量。這些資料也會整理成時間序列（圖3）。其他預報產品尚有區域氣溫預報、垂直廓線圖、氣象要素圖及特製天氣圖等等。在大雨及雷暴短期預報方面，透過AIR內模式和臨近預報系統預警信息的結合，業務運作所需的重要資料便可以並列顯示（圖4）。在航空氣象方面，則利用AVM內模式開發專業預報產品（圖5）。

圖3　 AIR外模式的預報時間序列，包括：地面風、氣溫、濕度、雲量及3小時累積雨量。

圖4　 AIR內模式結合臨近預報系統的綜合預警顯示板。

圖5 根據AVM 內模式的輸出製作的試驗性質低空風切變潜勢預報，是為提高飛行安全而開發的專業用預報產品。

展望將來：天文台在80年代後期已開始運行區域數值天氣預報模式，受制於電腦的運算速度及記憶容量，當年只能夠把大氣切割成100公里乘100公里分辨率的網格點進行計算。業務區域模式的水平分辨率提昇到目前的水平，無疑是一大改進，但對於本港複雜的山勢與海岸線，以及高度城市化帶來的預報挑戰而言，其準確度仍有提升的空間。為求提供更多定量和定點的資訊以支援惡劣天氣預報和智慧城市服務，天文台正致力引入更先進的區域模式，並研究在業務上採用這些模式的可行性。

隨著模式分辨率日趨精細，模式的物理過程變得更加精巧，對資料同化方案及模式初始場的要求也更高。天文台近年透過非傳統途徑及非定時收集新類型的數據，例如加密觀測的高解像氣象衛星數據、來自飛機的氣象數據及天文台近年引入的下投式探空資料等。如何有效地應用這些新數據於數值天氣預報中，仍需要進一步仔細研究。

儘管科技不斷進步，當今電腦模式的準確度仍受多種因素限制，包括氣象觀測數據的多寡、模式分辨率的高低、以及模擬物理過程和地形的像真程度等。不同電腦模式得出來的結果時有差異。

在全球氣候變化的背景下，極端天氣的出現越見頻繁，即使利用當今最先進的電腦模式亦難以每次百分之百準確預測。近年預報科技的其中一個重要發展方向就是採用集合預報 (ensemble forecasting) 和概率預報。天文台近年亦試驗採用集合預報方法來提高預報能力。集合預報的方法有三類：第一，是綜合參考多個不同的數值天氣預報模式對同一時間的預測（圖6）；第二是綜合參考單一模式最新預測以及其在早前模式預測中對同一預報時間的預測（圖7）；第三是重覆運行單一模式多次，但每次會把初始氣象條件輕微的更改，最後比較多次模式運行對同一時間的預測（圖8）。總的來說，就是看看各種預測結果間有沒有共通的地方或類似的趨勢，這些會被採納為最有機會出現的天氣變化。透過集合預報，預報員可以評估不同天氣情況出現的機率，這樣除了可以根據最有可能的情況去製作預測天氣事件，更可以概率形式表達事件發生機會的高低，以及估算其他概率較低但影響更大的天氣事件的風險。我們從過往研究及驗證得知，集合預報方法能有效降低預測的平均誤差，提升整體預測準確度。

圖 6 世界各地不同的數值天氣模式所預測同一時間的副熱帶高壓形勢（以紅線勾畫出來），可見不同模式對其強度或覆蓋範圍的預測都有差異。

圖 7 利用AIR內模式在不同起始時間的運算結果而繪製的同一預報時間的降雨預報。

圖8 試驗中的天文台中尺度集合預報系統根據不同的初始場所得出的對熱帶氣旋預報，結果有助掌握熱帶氣旋在未來的可能演變。