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海象模擬資訊
數值模擬簡介

臺灣近岸海象預報系統

臺灣近岸海象預報系統-TaiCOMS(Taiwan Coastal Operational Modeling System),包括臺灣近岸海象數值預報系統作業化的發展建置及與現場觀測資料比對驗證。近年主要研究目標為國內主要港灣近岸波潮流及海嘯之預警精度及作業化功能精進與應用面擴展。模式現階段發展方面,風場及氣壓場由中央氣象局提供即時預報資訊,而各項本土化波浪模式、水位模式、流場模式、海嘯模式、海岸公路波浪溯上模組,已推算應用於國內主要港口,並持續進行長期性模式校驗。106與107年度透過作業化模擬系統持續性驗證及調校近岸及港域模式,並進行TaiCOMS系統作業化風場資料改版之相關系統程式更新,測試新增臺中港小尺度水動力模組,並完成東南海域小尺度水動力模組與小尺度風浪模組建置。

風(壓)場處理系統

本系統採用有限區域預報系統風場預報,主要來源為中央氣象局,所採用風場屬於中央氣象局於第三代數值預報系統發展計畫時之非靜力平衡預報系統(Non- hydrostatical Forecast System),簡稱NFS,進行資料解碼及應用,作為後續海象預報應用。2014年5月後採用氣象局第四代數值預報系統WRF (Weather Research and Forecasting model)之WRF_M00模組WA01、WA02及WA03作業化預報風場資料。2017年7月後改採用WRF_M05之WD01、WD02風場作為輸入條件。 因此風場處理系統主要目的為下載的天氣數值預報之WRF氣象資料,擷取所需要的風場層數及範圍,進行資料解碼、重組及內插產生本系統波場及水動力海象模擬所需之格式化風、壓場資料。依據中央氣象局所提供WRF風場數值模擬使用的海面上10公尺風場及海面氣壓場資料,現階段仍考量風浪及水動力模組延續性建置三層網格,分別產生本系統定義的西太平洋風場及氣壓(WA01)、中國海域風場及氣壓(WA02)及臺灣海域風場及氣壓(WA03)等三種不同尺度模式預報資料。

西太平洋風場及氣壓(WA01):依據WRF作業模式M05巢狀網格第一層網格(解析度15km)之風(壓)場資料(WD01)產生,系統輸出資料範圍為西太平洋北緯0°至35°,東經99°至150°。西太平洋風(壓)場網格解析度分為1/6°(或10')之球面座標規則網格,提供遠域風浪模組及水動力模組作業化模擬所需之風(壓)場。

中國海域風場及氣壓(WA02):依據WRF作業模式M05巢狀網格第一層網格(解析度15km)之風(壓)場資料(WD01)產生,系統輸出資料範圍為西太平洋北緯10°至35°,東經110°至135°,中國海域風(壓)場網格解析度分為1/12°(或5')之球面座標規則網格提供近域風浪模組及水動力模組作業化模擬所需之風(壓)場。

臺灣海域風場及氣壓(WA03):依據WRF作業模式M05巢狀網格第二層網格(解析度3km)風(壓)場資料(WD02)產生,系統輸出資料範圍為臺灣周圍海域北緯20.5°至28°,東經117.5°至124.5°,臺灣海域風(壓)場網格為解析度1/24°(或2.5')之球面座標規則網格,主要功用為提供目前各港區及藍色公路資料展示,及後續提供近域及小尺度風浪及水動力模組作業化模擬所需風(壓)場。。

波浪模擬系統

波浪模式系統共規劃五種尺度的範圍,包括西太平洋範圍(遠域)、臺灣周圍海域範圍(近域)、近岸海域範圍及港域範圍,以期將臺灣海域所有可能預報的的波浪狀況包含在其中,其中近岸海域包含以臺灣本島主要商港為對象及以離島海域為對象的海域。以下分別就各推算範圍的相關資料進行說明:

遠域風浪模組

以西太平洋北緯10°至35°,東經110°至134°之海域為模擬範圍,屬於大尺度的推算,其目的是希望得到較佳的近域波浪推算邊界條件,同時也考慮能涵蓋各種侵臺的颱風路徑。主要應用於WAM(WAve Model)的波浪推算模式,與中央氣象局每日預報之動態風場結合,數值計算網格解析度0.2°×0.2°(12分網格)。。

近域風浪模組

以臺灣周圍海域北緯20.6°至28°,東經117.6°至123.6°為模擬範圍,屬於中尺度的推算,此部分模擬則可以提供近岸範圍模式較高解析度且較精確之邊界條件,主要應用波浪推算模式採用以荷蘭Delft大學發展的近海風浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore)做為基礎並以適合臺灣海域的模式參數改善。近域波浪推算的輸入邊界條件是以巢狀網格計算的觀念,自遠域浪推算結果中擷取近域波浪推算範圍的邊界,與中央氣象局每日預報之動態風場結合,數值計算網格解析度為0.04°×0.04°(2.4分網格)。

近岸波浪模組

以基隆港、蘇澳港、花蓮港、高雄港、安平港、布袋港、臺中港及臺北港等8個主要商港為模擬對象,分別針對各商港近岸海域建置適當的模擬範圍,為小尺度的近岸區域模式系統,主要應用Kirby and Dalrymple (1983)依據拋物線型緩坡方程式所發展的波浪折、繞射模式(REF/DIF,波浪折繞射模式),此模式的輸入邊界條件係承接近域波浪推算的結果,並依據各個商港地區不同特性來規劃計算範圍,各商港近岸波浪模擬採用的數值計算格網為解析度10 公尺之規則網格。

近海風浪推算

以離島如澎湖、金門及馬祖等海域為主要對象,目的提供藍色公路細緻化海象風浪模擬結果,為小尺度的近海推算模式。同近域波浪推算採用SWAN模式,利用巢狀網格概念由近域風浪模組提供開放邊界上風浪模擬之方向波譜資料為邊界條件,澎湖海域近岸風浪推算為例,模擬範圍為北緯22.8°至24.2°,東經1179°至120.56°為模擬範圍,格網解析度為0.008°之規則網格。

港域波浪模組

為細尺度的港域波浪模式,所使用的模式是以橢圓型緩坡方程式為基礎的有限元素法數值模式,推算各港港域內波浪場變化情形。本範圍的推算依據各主要商港地區不同特性來規劃計算範圍,但由於實際應用層面的考量並未直接進行預報模式計算,而是採用單機作業化展示系統,發展成後續應用之驗證模式。

水動力模擬系統

水動力模式系統共規劃三種尺度的範圍,包括西太平洋範圍(遠域)、臺灣周圍海域範圍(近域)、近岸海域範圍及新增臺灣周圍海域模式暴潮模擬,以期將臺灣海域所有可能預報的的潮位、海流狀況包含在其中。以下分別就各推算範圍的相關資料進行說明:

遠域水動力模組

西太平洋北緯10°至42°,東經105°至150°之海域為模擬範圍,屬於大尺度的推算。主要應用歐盟發展的模式COHERENS (COupled Hydrodynamical Ecological model for REgioNal Shelf seas)作為水位及海流的計算工具,並配合適合臺灣海域颱風作用的颱風模式及參數率定,與中央氣象局每日預報之動態風場結合,成為本土化應用之潮汐及風暴潮複合動力模式。又稱為西太平洋模式,數值計算網格大小為1/6°×1/6°(10分網格)。

近域水動力模擬

以臺灣周圍海域為模擬範圍,涵蓋北緯21°至26.5°,東經116.5°至125°之海域,屬於中尺度的推算,主要應用歐盟發展的模式COHERENS作為水位及海流的計算工具,並配合發展適合臺灣海域颱風作用的颱風模式及參數率定,與中央氣象局每日預報之動態風場結合,成為本土化應用之潮汐及風暴潮複合動力模式,臺灣環島二維水位及海流模式,此部分為水深平均流速,主要驅動力為潮汐及風驅流,並無洋流的輸入。又稱為臺灣海域模式,數值計算網格大小為1/60°×1/60°(1分網格)。

近岸水動力模擬

以基隆港、蘇澳港、花蓮港、高雄港、安平港、布袋港、臺中港及臺北港等8個主要商港為對象,分別針對各商港及其鄰近海域建置適當的水位及流場模擬範圍,屬於小尺度的近岸區域模式系統,主要應用的各港區近岸水動力模式則採用二維FEHDM模式(Finite Element Hydraulic Dynamic Model,有限元素水動力模式),並依據各個商港地區不同特性來規劃計算範圍,各港口模擬範圍之選取主要以各港口為中心,配合海岸線及地形水深變化進行規劃,離岸之開放邊界則儘量與海岸線平行。基於此,本計畫各港口水動力模式模擬範圍大小在沿岸方向約介於 20km ~ 30km 之間,離岸距離在各港口約介於 10km ~ 15km 之間。且因應藍色公路發展提供細緻化水位及流場模擬資訊,本所已完成澎湖、金門及馬祖等離島海域小尺度近岸水動力模組之建置。

臺灣周圍海域模式暴潮模擬

於101年度開始計畫規劃建置包屬於臺灣周圍海域模擬範圍的中尺度有限元素計算網格,2014年5月後依據中央氣象局預報之數值風速及氣壓場資料WRF_ WA02、WA03風場(WRF_M00)進行運作,2017年7月後改採用WRF_WD01、WD02風場(WRF_M05)作為輸入條件,配合有限元素水動力模式建置新的中尺度臺灣周圍海域範圍暴潮模組,模擬颱風期間臺灣周圍海域暴潮變化現象,並作為發展後續近岸水動力模式之邊界條件,2016年度導入風場及其氣壓場作業化運作。

海嘯模擬系統

由美國康乃爾大學之COMCOT(COrnell Multigrid COupled Tsunami model)海嘯模式及利用互逆格林函數計算方式,建立海嘯波高資料庫,利用Matlab軟體撰寫而成之介面以及遠端擷取之功能,結合為一「臺灣海嘯速算系統」,可推算海嘯發生計算範圍涵蓋環太平洋地震帶,而所建波高資料庫涵蓋基隆港、蘇澳港、花蓮港、高雄港、安平港、布袋港、臺中港及臺北港等8個主要商港。並以高斯波波形在模式地形邊界上入射,模擬此情境下商港區之溢淹狀況,紀錄模擬期間內每個空間點所發生的最大水位高度來當作溢淹高度,建置臺灣主要商港溢淹災害潛勢圖,透過作業化整合建置提供海嘯預警資訊。