A letter to Newcomer to GFD group!

Dear I-Jen & Chune-Ming,

Welcome to our research subgroup of GFD. I hope you two can first to understand the whole picture of your research.

Attach please find our NSC proposal this year. This proposal takes its role just for your reference, but not to limit your research potential. Any interesting idea please discuss with your senior officemates (Jen-De & Bing-Sheng) or me or Prof. Chu.

Best, Hung-Cheng

強化豪雨預報能力---周仲島教授開講

海棠走了，問題來了，
一個颱風，各自表述；
今天且聽台大大氣系周仲島教授開講.....

2005.07.22　 中國時報
強化豪雨預報能力
周仲島

海棠颱風帶來的豪雨，造成南部部分鄉鎮嚴重淹水。豪雨無情，近年來每每造成災害，雖然各級政府的防救災工作已有相當成效，然而卻仍有些因對自然現象本質認知的不足而衍生出的問題，頗值得防救災上級單位思考。

降雨的定點定量預報，是現階段氣象科學最重大的挑戰，有人戲稱好像癌症病患對醫療科學的挑戰一樣。由於降雨過程從空氣中水氣分子凝結成小雲 滴開始，經由碰撞聚合形成大雨滴掉落到地面，整個過程牽涉的大氣物理過程在水平空間大小，可以由雲的凝結核（一般的塵粒、海鹽，大小約十至六米）、雷雨胞 內劇烈上升下沉氣流（與最主要強降雨區相關聯，大小約數百公尺寬）、然後一直橫亙到鋒面或颱風影響範圍（大小從數十公里至近千公里），每一個環節都有可能 決定在某一特定地點其降雨強度（單位時間降雨量多寡）和降雨時間的長短，也才能決定單一地點可能累積的總降雨量。

不論在颱風或是梅 雨鋒面天氣系統內，最主要的豪雨製造者，在氣象科學上我們統稱「中尺度對流系統」。一般天氣緩和時，高空氣流的流動基本上以水平運動為 主，換句話說，空氣的運動由甲地到乙地幾乎是沿著同一高度面運動。但是當天氣不穩定時，空氣就有機會產生非常顯著的上下運動，這種空氣上下運動的劇烈程度 和天氣現象的劇烈程度幾乎成正比。譬如說劇烈雷雨系統就是一種顯著對流天氣現象，雷雨胞內空氣上下運動的強度常可達數十公尺每秒，和一般颱風水平方向空氣 運動速度大小相當。空氣上下運動愈劇烈，製造大豪雨的機會愈高，因此雷雨胞也常被氣象局預報人員用來表示豪雨天氣的一種代名詞。

顧名思義，「中尺度對流系統」是用來描述一種天氣現象，其空間範圍大約數十至數百公里，而且常常伴隨豪雨。至於加上「系統」，指的是這種天 氣現象並非以單一形式就能清楚表達，其中的組合成分相當複雜，每一次出現其結構都有很多不同形式，經常是由許許多多不同生命週期之雷雨胞聚合組織而成。在 中尺度對流系統內聚合的雷雨胞消消長長，這是造成定點降雨強度時強時弱的主因，但總體上一個中尺度對流系統的生命週期大約是六至十二小時，有時也可長達數 天，比一般午後山區發展之單一雷雨胞一至二小時的生命週期要長得多。

對一單點進行精準的降雨預報，除了對大尺度環流系統的掌握之外，還要再加上複雜的中尺度大氣過程，才有可能準確掌握產生豪雨之中尺度對流系 統的動態。然而流體運動本身所具有的高度不確定性外（所謂混沌理論所討論的非線性動力過程），再加上降雨過程本身所具有的高度複雜性，對於這類中尺度對流 系統所造成的豪雨現象，其定點定量的降雨預報很少能超過六個小時，甚至常常是一至三小時的即時預警（氣象科學稱此種預報技術為「即時預報」）。這也就是為 什麼像美國這種氣象科學高度發展國家，在許多不同種類的天氣預報上，例如颱風路徑的預報，十數年前就已經有相當不錯的成效，但是在定點定量降雨的預報仍處 於一個相當挑戰階段的最主要原因。

近來行政院正努力推動八年八百億治水計畫，希望徹底解決中南部淹水問題，這種決心令人欽佩。然而從本人過去參與防救災實務的經驗來看，治水 計畫必須和定點定量降雨預報技術的發展同步才能充分發揮功能（抽水站的操作以及水門的關閉時機，都需要精確的定量降雨預報資訊）。

在此呼籲行政院在謀求改善修築堤防增設抽水站的同時，也要積極增設台灣鄰近海域（尤其是南海北部台灣海峽南側）的氣象監測設備，建立台灣地 區和鄰近海域整合大氣觀測網，收集較完整之中尺度氣象資料，發揮數值天氣預報能力，充分掌握每年春末夏初由南而來的西南氣流的走向。

另一方面，也要積極進行豪雨製造者中尺度對流系統之定點定量降雨預報研究，建立○至六小時及時有效的即時預報系統，提供下游淹水潛勢以及土石流預警最重要之雨量預報結果，達到豪雨防救災工作最高境界─事前準確預警的目標。

（作者為台灣大學大氣科學系教授）

Solo's Viewpoint ^0^
颱風->降雨->逕流+土石流+洪水=成災

到底那個是因, 那個又是果呢？

周 教授是雷達氣象的專家，當然強調大型觀測網的重要；李清勝教授是中尺度氣象的專家，則強調天氣診斷那一套；至於吳俊傑教授，為颱風大師 Emannual的嫡傳弟子，目前台灣最大型氣象計畫─追風─的主持人，則強調....馬蓋先...那一套，英雄式的追風者；但我鍾意的，還是比較偏向老 郭─郭鴻基教授─那一種乾淨的，學理的，不譁眾取寵的那一種研究風格....

對了, 我醉心的動力模式呢, 馬上就要出爐囉!

從海棠颱風說起....一葉知秋

話說幾天前那個海棠颱風來訪後，眾人七嘴八舌，紛紛談論這個奇怪的颱風...

奇怪, 怎麼颱風會dancing, 而且還是tangolike...
啊她的路徑怎麼跟上次那個桃芝有點像咧？
奇怪，怎麼雨都下在南部咧, 而且還都是颱風走了後才下下來的...

於是，

1. 基於雙層淺水模式架構之動力模式
2. 無渦漩模式(vortex-model-free)淺水方程計算

就在颱風離開後的某個早上被我想出來了, 其實是他們自己跑出來的。

什麼是雙層淺水之動力模式呢？
就 是垂直偶合不強時(什麼環境下呢?)，若颱風環境駛流存在風切, 則可能上層與下層渦漩會有各別之運動，其中心位置彼此並不在同一水平位置上；而上下層渦漩彼此會影響其運動，此時，若遇到高聳之地形時，兩者的中心移動位 置可能會有顯著之偏移，這種現象早期常被用來解釋颱風過山的運動，如王時鼎先生所提的。

以此觀念，或者吾人(就是我啦)可以推導出雙層之淺水渦漩動力模式，可用來考慮駛流場存在顯著風切或渦漩過山時，上下層分離的現象了。就是兩個渦有個別的駛流移動速度，亦存在不同的\kappa值(上層小而下層大吧)，過山時，此現象尤為顯著。

那什麼又是無渦漩模式之淺水方程呢？
其 實是我覺得老是要說颱風渦漩符合這個分布(如Rankine vortex)，那個分布的，偏偏觀測到的渦漩又不那麼乖乖的長的與心中的渦漩模型一模一様；那乾脆就不要渦漩模型了，不然每次都要搞個什麼初始化的手 續，為什麼不能隨便丟一些強渦塊，看看系統自己會不會跑出個颱風呢？

不過這個idea還不太成熟，不太像第一個，已可直接接著作了，有待後續再想一想了....

神奇海棠 打轉7小時回原點

摘自聯合報2005/7/19新聞:

本報記者朱淑娟

海棠颱風一周前在關島海域形成一路直奔台灣，昨天清晨颱風中心來到花蓮外海，眼看就要登陸，海棠卻突然自轉起來，花了七個小時，剛好轉了一圈回到原點。

海 棠的轉一圈又回原點的走法，在台灣或全球的颱風紀錄都算少見。預報人員解 釋，海棠是「真正的自轉」，即中心自己轉一圈，且在路徑上留下一個明顯的圈圈；這跟過去納莉颱風、象神颱風南北來回走的路徑並不相同。氣象局的資料顯示， 過去有過自轉現象的颱風只有一九六五年的瑪麗颱風、一九九二年的寶莉颱風。

台大大氣科學系教授李清勝分析海棠自轉，是颱風快接近台灣陸地時受台灣特殊地形影響，颱風本身產生高低層分離現象，下層氣流被陸地擋到，高層氣流於是往北自轉。這種情形類似藤原效應，有兩股氣流在拉扯。由於海棠強度夠強，最後才能夠再重整回來。

不過預報中心主任吳德榮卻認為，這只是可能的一種情形，目前仍無足夠的證據證實確是如此。氣象局在前天就已看到當海棠靠近時會失去太平洋高壓這個主要導引氣流，地球自轉的偏向力，以及颱風環流與地形產生的交互作用，在颱風中心登陸前必有某種變化。(Q: 可他們說不出來的那一種變化....)

巧的是，氣象局前天預估海棠登陸的時間是在昨天中午前後，在海棠自轉的那七個小時間，預報人員的心情跟著忐忑(我們大家也是啦!)，沒想到最後颱風中心的登陸時間在昨天下午二時五十分，只比原先預估的時間稍晚一點。

細究海棠自轉前的變化，一度加速，自轉時又耗掉一些時間。也就是說，海棠自轉了七小時，除了紀錄上留下一個自轉的圈圈外，對台灣地區的風雨、登陸時間都沒造成什麼影響。(但在學術上又再次讓大家錯愕, 不是嗎？)

吳德榮說，因颱風自轉現象過去很少見，目前仍無法將這個現象放入預報模式中。直到現在，關於颱風接近台灣時與地形產生的可能交互作用，科學上所知還相當有限。(報不準,就永遠只能這麼說....，不過還是努力啦! )

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Thinking:
在太平洋高壓shutdown的情況下, 三股力量取而代之彼此拉扯；行星Beta效應、地形效應以及引發的渦漩非軸稱效應應是海棠tangling 的原因。能夠用dynamic model 解釋嗎？

GFD-Book Update!

The Princeton GFD Book is updated! Check it out!

Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics, by G. K. Vallis

Last updated on July 1 2005

Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics (PDF file, 750pp, 10MB)
copyright G. K. Vallis. All rights reserved.

The above link contains my notes on atmospheric and oceanic fluid dynamics. The notes contain material on basic GFD, waves instabilities and turbulence, and the general circulation of the atmosphere and ocean. The book is unfinished; it will be published by CUP when it is, and disappear from this website, probably later this year.

Legalese: You may download and use this book for personal, educational and research purposes only. You may use it as a text in a class. You may use the original figures in other publications provided you acknowledge the source and obtain permission from the author (i.e., me). Permission is hereby granted to use the figures or text as teaching aids or in presentations, provided acknowledgment is made. If you download these notes, you accept all of the above.

If you do download or use these notes, please send me an email, to gkv@princeton.edu

Please do not distribute copies of these notes yourself, but you may tell others about them and point them to this website.

The notes are constantly updated. Check the date of the notes to find out whether your version is current.

Cool Numerical Tornado

WOW, is it extreemly cool? But this is actully not done by a real expert of tornado theoreticists. Another interesting Serrin's swirling vortex demo can be found here which is quite complicated analytical solution done 40 years ago, which was published in the Royal Society.

I've involved Prof. Chu's interest on the tornado research since last December, 2004. We're now writing a paper describing our experiment in a rotating tank using a suction-vortex method in order to generate a 2-cell vortex. Our experiment is somewhat essentially different from the famous Ward's simulator in 1962. We'll explain the details and the future applications of our experiments in this paper.