最新成果摘要
歷年來颱風屢屢造成台灣地區重大災害，颱風研究的重要性不容小覷。國科會於2002年8月起三年內提供相當經費，進行由台大大氣科學系吳俊傑教授所主持的「颱風重點研究」，（National Priority Typhoon Research）。首要研究項目是以「全球衛星定位式投落送」（GPS Dropwindsonde）進行飛機觀測，名為侵台颱風之飛機偵察及投落送觀測實驗（Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region (DOTSTAR)），又名追風計畫。2008年8月起氣象局亦透過科技計畫支持此計畫，讓颱風之飛機偵察及投落送觀測成為常態的觀測研究與作業。
DOTSTAR計畫是一跨部會、臺美兩國跨國合作、並由我國研究人員主導的國際研究計畫（由我本人為計劃主持人，以及台灣大學大氣科學系林博雄教授與中國文化大學周昆炫博士為共同主持人），並與美國國家海洋大氣總署所屬颶風研究中心（NOAA/HRD）、國家環境預報中心（NCEP）等共同合作。此計畫使台灣在國際颱風研究領域中進入新的里程碑，扮演西北太平洋及東亞地區颱風研究的領導角色。
此計畫將使用ASTRA飛機與機載垂直大氣探空系統（AVAPS）設備，以每架約五小時時間直接飛到颱風周圍43000英呎的高度投擲投落送，以取得颱風周圍關鍵區域的大氣環境資料：溫度、溼度、氣壓以及風速等，所取得的資料會即時傳送至中央氣象局、NCEP、FNMOC以及JMA，並同化至CWB、NECP（AVN/GFDL）、FNMOC（NOGAPS/COAMPS/GFDN）、UKMET以及JMA等模式中。以期對於颱風分析與路徑預報上提供可貴的資料；增進對颱風動力，特別是邊界層的了解（Wu et al. 2005, BAMS）。其成果更可作為我國及各國未來擬定飛機觀測策略的重大指標，亦有助於推動策略性颱風觀測（targeted observation）。
民國92年9月至今，追風計畫已針對杜鵑、米勒、妮妲、康森、敏督利、梅姬、艾利、米雷、納坦、南瑪都、海棠、馬莎、珊瑚、卡努、龍王、碧利斯、凱米、寶發、桑美、珊珊、帕布、聖帕、韋帕、柯羅莎、風神、卡玫基、鳳凰、如麗、辛樂克、哈格比、薔蜜、蓮花、莫拉克、芭瑪、盧碧、康伯斯、萊羅克、凡那比、梅姬、米雷、梅花及洛克等42個颱風完成55航次之飛機偵察及投落送觀測任務，總計在颱風上空飛行291小時、並成功投擲905枚投落送，其中2008及2010年均加入國際觀測實驗，與日、德的 Falcon、美國的 P3、C130 等飛機聯合觀測（2008年T-PARC實驗針對如麗、辛樂克、哈格比、薔蜜等4個颱風進行聯合觀測、2010年ITOP實驗則針對凡那比及梅姬颱風進行觀測）。在觀測的同時，這些寶貴的投落送資料皆即時進入中央氣象局及世界各國氣象單位之電腦預測系統中，協助預測颱風路徑及分析其周圍結構，如暴風半徑與雨帶結構等。(Wu et al. 2005, 2007a,b)。研究團隊所提出以共軛模式計算出颱風觀測敏感區域之颱風觀測的創新策略理論（Wu et al. 2007b），以預先評估關鍵的敏感觀測位置，配合飛機航程及航管限制以決定投落送的最適當投落位置。目前已被採用作為新一代國際（如美國國家海洋大氣總署所屬颶風研究中心）颱風飛機觀測之參考。針對追風計畫所得資料的評估結果顯示，投落送資料平均可以改進美國氣象局、美國海軍及日本氣象廳全球電腦模式前72小時颱風路徑預測準確度達20%（Wu et al. 2007a）。廖（2009）針對2004至2006年的22個追風計畫觀測個案進行投落送資料研究，發現同化全部的投落送資料在12-72小時顯示平均能夠有效的減少路徑誤差達78.6公里，並且改善路徑預報達26.5%。本研究團隊亦使用MM5模式與其伴隨三維變分資料同化模式，來進行有效結合虛擬渦旋與投落送資料的渦旋初始化工作，研究結果顯示透過此結合適當渦旋結構與投落送資料的方法，颱風之路徑及強度預報能力將有明顯提升（Chou and Wu 2008）。此外，Chou et al.(2011)進一步分析過去8年（2003-2010）投落送資料於NCEP GFS模式對路徑模擬的影響，根據42個研究個案結果顯示，投落送資料可以改善模式1-5天的颱風路徑誤差達19％左右。另一方面，投落送也已被成功用來驗證及校正衛星與雷達等遙測資料（Chou et al. 2010)。研究使用2003-2007年追風計畫所觀測的457枚投落送資料進行比對。研究結果顯示在所有可以校驗的資料中，衛星風的風速誤差為2.6m/s、而風向誤差為17度。研究也指出，由於QuikSCAT衛星風場在低於17 m/s的量測仍有一定的精確度在，因此可以提供作為分析颱風暴風半徑與決定颱風結構之觀測依據。另外，預期這些衛星風場誤差特性可以使用於資料同化系統中，藉以提昇颱風路徑、強度與結構演變之作業預報與模擬研究。
DOTSTAR研究團隊已經發表數十篇與此研究相關之成果論文(計有Wu et al.（2004）、Wu et al.（2005）、Wu et al.（2006）、Wu et al.（2007a,b）、Chou and Wu（2008）、Chen et al.（2009）、Yamaguchi et al.（2009）、Wu et al.（2009a,b,c）、Chou et al.（2010）、Chen et al.（2011）、Chou et al.（2011）、Harnisch et al. (2010)、Huang et al. (2011)、Liang et al. (2011)、Lin et al. (2011)、Weissmann et al.（2011）、Wu et al. (2011a,b)、Yen et al. (2011)、Jung et al. (2012)、黃，2006、周，2007、廖，2009、連，2009、陳，2009等數十篇)。此外，追風科學團隊在2006至2011年中參與國際研討會發表之相關論文，總計有55篇追風計畫相關研究成果論文發表。並於2009年美國氣象學會所發行Monthly Weather Review國際著名學術期刊中發表相關十數篇由主持人所主導並衍生之國際性論文專刊（Special Collection on “Targeted Observations, Data Assimilation, and Tropical Cyclone Predictability”）。
任務圓滿移轉(追風十年回顧)
過去十年追風計畫研究團隊與國內外各學術、作業單位完美合作，並在國科會及中央氣象局的支持與經費支援下，成功開創並完成許許多多的觀測任務與重大科學進展論文發表，目前追風研究團隊已完成在台灣追風任務的開創、技術研發及理論應用等階段性使命。2013年起，研究團隊已完整將追風計畫相關標準作業流程、技術與理論移轉給中央氣象局，以中央氣象局眾多專業人才以及過去十年與追風團隊豐富的合作經驗，相信今年（2013）起，中央氣象局及相關團隊必能在此良好基礎上接續此飛機觀測重任，成功進行未來的颱風飛機觀測作業。
William A. Komaromi, Sharanya J. Majumdar, Eric D. Rappin, Diagnosing Initial Condition Sensitivity of Typhoon Sinlaku (2008) and Hurricane Ike (2008). Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 10, pp. 3224–3242.
Matthieu Plu. A new assessment of the predictability of tropical cyclone tracks, Monthly Weather Review, early online release.
Kun-Hsuan Chou, Chun-Chieh Wu, Po-Hsiung Lin, Sim D. Aberson, Martin Weissmann, Florian Harnisch, Tetsuo Nakazawa, 2011. The Impact of Dropwindsonde Observations on Typhoon Track Forecasts in DOTSTAR and T-PARC, Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 6, pp. 1728–1743.
Sim D. Aberson, Sharanya J. Majumdar, Carolyn A. Reynolds, Brian J. Etherton, 2011. An Observing System Experiment for Tropical Cyclone Targeting Techniques Using the Global Forecast System, Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 3, pp. 895-907.
Martin Weissmann, Florian Harnisch, Chun-Chieh Wu, Po-Hsiung Lin, Yoichiro Ohta, Koji Yamashita, Yeon-Hee Kim, Eun-Hee Jeon, Tetsuo Nakazawa, Sim Aberson, 2011. The Influence of Assimilating Dropsonde Data on Typhoon Track and Midlatitude Forecasts. Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 3, pp. 908–920.
Sim D. Aberson, The impact of dropwindsonde data from the THORPEX-Pacific Area Regional Campaign and the NOAA Hurricane Field Program on tropical cyclone forecasts in the Global Forecasting System, Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 9, pp. 2689–2703.
Shin-Gan Chen, Chun-Chieh Wu, Jan-Huey Chen, Kun-Hsuan Chou, 2011. Validation and Interpretation of Adjoint-Derived Sensitivity Steering Vector as Targeted Observation Guidance, Monthly Weather Review, Vol. 139, Iss. 5, pp. 1608–1625.
Mark Buehner, P. L. Houtekamer, Cecilien Charette, Herschel L. Mitchell, Bin He: Intercomparison of Variational Data Assimilation and the Ensemble Kalman Filter for Global Deterministic NWP. Part I: Description and Single-Observation Experiments. Monthly Weather Review, Vol. 138, Issue 5, pp. 1550 - 1566.
Mu Mu, Feifan Zhou, and Hongli Wang, 2009: A Method for Identifying the Sensitive Areas in Targeted Observations for Tropical Cyclone Prediction: Conditional Nonlinear Optimal Perturbation. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 5, pp. 1623–1639.
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Carolyn A. Reynolds, Melinda S. Peng, and Jan-Huey Chen, 2009: Recurving Tropical Cyclones: Singular Vector Sensitivity and Downstream Impacts. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 4, pp. 1320–1337.
Hyun Mee Kim and Byoung-Joo Jung, 2009: Influence of Moist Physics and Norms on Singular Vectors for a Tropical Cyclone. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 2, pp. 525–543.
Fuqing Zhang, Yonghui Weng, Jason A. Sippel, Zhiyong Meng, and Craig H. Bishop, 2009: Cloud-Resolving Hurricane Initialization and Prediction through Assimilation of Doppler Radar Observations with an Ensemble Kalman Filter. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 7, pp. 2105–2125.
Chun-Chieh Wu, Shin-Gan Chen, Jan-Huey Chen, Kun-Hsuan Chou, and Po-Hsiung Lin, 2009: Interaction of Typhoon Shanshan (2006) with the Midlatitude Trough from both Adjoint-Derived Sensitivity Steering Vector and Potential Vorticity Perspectives. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 3, pp. 852–862.
Munehiko Yamaguchi, Ryota Sakai, Masayuki Kyoda, Takuya Komori, and Takashi Kadowaki, 2009: Typhoon Ensemble Prediction System Developed at the Japan Meteorological Agency. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 8, pp. 2592–2604.
Ryan D. Torn and Gregory J. Hakim, 2009: Ensemble Data Assimilation Applied to RAINEX Observations of Hurricane Katrina (2005). Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 9, pp. 2817–2829.
Munehiko Yamaguchi, Takeshi Iriguchi, Tetsuo Nakazawa, and Chun-Chieh Wu, 2009: An Observing System Experiment for Typhoon Conson (2004) Using a Singular Vector Method and DOTSTAR Data. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 9, pp. 2801–2816.
Chun-Chieh Wu, Jan-Huey Chen, Sharanya J. Majumdar, Melinda S. Peng, Carolyn A. Reynolds, Sim D. Aberson, Roberto Buizza, Munehiko Yamaguchi, Shin-Gan Chen, Tetsuo Nakazawa, and Kun-Hsuan Chou, 2009: Intercomparison of Targeted Observation Guidance for Tropical Cyclones in the Northwestern Pacific. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 8, pp. 2471–2492.
Sim D. Aberson, Ten Years of Hurricane Synoptic Surveillance (1997–2006). Monthly Weather Review, Vol. 138, Issue 5, pp. 1536 - 1549.
Harnisch Florian, Weissmann Martin, Sensitivity of Typhoon Forecasts to Different Subsets of Targeted Dropsonde Observations. Monthly Weather Review, Vol. 138, Iss. 7, pp. 2664–2680.
Rolf H. Langland, Christopher Velden, Patricia M. Pauley, and Howard Berger, 2009: Impact of Satellite-Derived Rapid-Scan Wind Observations on Numerical Model Forecasts of Hurricane Katrina. Monthly Weather Review, Vol. 137, Iss. 5, pp. 1615–1622.
Munehiko Yamaguchi, Sharanya J. Majumdar, 2010: Using TIGGE Data to Diagnose Initial Perturbations and Their Growth for Tropical Cyclone Ensemble Forecasts. Monthly Weather Review, Vol. 138, Iss. 9, pp. 3634–3655.
追風計畫研究團隊每一次的觀測飛行路徑都會參考國際上各家模式所輸出的敏感區位置，其中包括：
- NCEP全球系集預報模式的深層平均風向量（Aberson 2003）
- 系集變換卡爾曼濾波器（ETKF；Majumdar et al. 2002）
- NOGAPS奇異向量（SV；Peng and Reynolds 2006）
為了使觀測資料在颱風預報最敏感的影響區域中發揮最大效用，事先所選定觀測時間與地點的方法稱為策略性觀測（targeted observations; Langland 2005; Wu 2006）。在有限的飛行資源與觀測時間情況下，以策略性觀測方法制定飛行觀測路線顯得格外重要，近幾年隨著策略性觀測技術的發展，目前DOTSTAR所參考的策略方法有以下幾種，「系集深層平均風變異」、「系集變換卡爾曼濾波器（ensemble transform Kalman filter, ETKF; Majumdar et al. 2002）」、「奇異向量法」和「颱風駛流敏感共軛向量（adjoint-derived sensitivity steering vector, ADSSV; Wu et al. 2007, 2009a）」。
策略性觀測技術亦應用於闡釋颱風運動與大環境流場間的分析與連結。Wu et al. (2007)以2004年的米雷颱風和敏督利颱風利用ADSSV來探討影響這兩個颱風駛流之敏感區域，亦檢視2002年風神颱風和鳳凰颱風之間的雙颱風交互作用。結合動力模式輸出與系集預報不確定性的ETKF策略性觀測技術廣泛應用於探討冬季中緯度氣旋系統之敏感區所表現的特性（Sellwood et al. 2008）。對於這些策略性觀測技術所呈現的敏感區域進行比較亦是一項有趣的議題（Majumdar et al. 2006; Wu et al. 2009b），不但為未來觀測實驗計畫提供參考價值，亦對這些技術有更深一層的物理闡釋及連結。
而研究團隊也研發出新的敏感區定義方法：MM5共軛模式敏感駛流向量（Adjoint-Derived Sensitivity Steering Vector, ADSSV）並於國際期刊發表獲得肯定（Wu et al. 2007b, JAS）。而此方法除了應用在追風計畫外也被NOAA HRD的颱風觀測任務所採用。Chou and Wu（2008, MWR）也提出結合投落送資料與虛擬渦漩之更佳方法。
由國科會所推動的追風計畫，至今進展相當成功，目前在中央氣象局與國科會的合作支持下持續推動。同時，我們積極參與國際大型觀測計畫，如2008年THORPEX/PARC，與日本(TH08)、美國等國，共同進行觀測實驗。T-PARC實驗針對位於台灣與日本琉球群島附近的颱風，進行同時有四架飛機（台灣的Astra、日本、韓、德的Falcon與美國的P-3、C-130）的觀測實驗。T-PARC實驗於2008年8、9兩月已順利圓滿完成，共針對如麗、辛樂克、哈格比、薔蜜等四個侵台颱風完成超過25架次國際聯合的飛機觀測，而十次的任務中有多達六次參與國際的聯合飛機觀測。另外在2010年夏天，我們參與ITOP（Impact of Typhoons on the Ocean in the Pacific;颱風與海洋交互作用研究）國際實驗。ITOP實驗共針對兩個個案：9月凡那比及10月梅姬颱風，結合台灣追風團隊的Astra及美國的C130飛機共同進行四次（9月16、17、18日及10月17日）颱風相關的大氣聯合觀測資料，加上美、日等國許多船舶、浮標（buoy）等設備觀測颱風期間海洋方面的資料。DOTSTAR計畫研究團隊一方面期望能對國內科技、民生與防災有重大貢獻，另一方面，則希望做出具突破性的研究成果，並在國際學術研究領域佔有一席之地。