臺灣博碩士論文加值系統

臺灣地處亞熱帶，是熱帶氣旋及颱風活動之重要行經路徑。每逢颱風來襲，常帶來重大傷亡，平均每年造成高達數百億元之損失。而颱風災害之預防首重準確之颱風路徑預測，但由於缺乏臺灣東部外海觀測資料，致無法精確掌握颱風實際結構，且目前對於颱風移動及結構變化物理機制之瞭解仍屬有限，而現今先進國家之前置24小時颱風平均路徑預測誤差約120公里(即前置6小時平均路徑誤差約30公里)，因此對於颱風路徑的預報仍存在相當程度的不確定性。
本研究以自組性網路架構之資料處理群集分析(GMDH，Group Method of Data Handling)演算法為基礎，以2003年至2007年觀測之8個颱風事件資訊利用颱風中心經緯度（Lat ＆ Lon）及太平洋高壓區(SH)、季風槽區(MT)、大陸高壓區(CH)等三區之位渦擾動伴隨駛流在沿颱風行進方向的投影比值(AT)為模式輸入參數，利用價廉之個人電腦替代動輒千萬之超級電腦來建立資料輸入~結果輸出關係之「颱風移動路徑預測模式」，進行前置時間6小時之路徑預測。並以遞迴結構(Recursive mode of GMDH)演算進行模式參數之及時修正，使模式能自我調整而具時變性。另搭配颱風移動速率修正模式，可持續達到路徑精確預測的效果。
根據逐時分析結果顯示，GMDH架構之自組非線性模式係較SGMDH (Stepwise Regression mode of GMDH)為佳之演算法，故以此架構逐一模擬測試8個颱風事件完成本文最佳之建模。據預測結果顯示，其平均誤差均方根(RMSE)、相關係數(CC)、平均絕對偏差(MAD)及平均路徑預測誤差分別為0.40~1.55度、88.39%~98.79% 、0.19~0.67度、43.90~168.60公里。另由遞迴結構之GMDH模式可改善整體平均精度約58%。為更進一步改善模式誤差，本文搭配颱風移動速率修正原模式之時間延遲問題，使整體平均路徑預測偏差再縮小至34.60公里，可再提升約33%之準確性。此結果與現今世界先進國家之前置6小時平均颱風路徑預測誤差相近。

A prior 6hrs typhoon moving tracks forecasting model developed by using the GMDH (Group Method of Data Handling) structure of Self-Organization algorithm with the parameters of along-track component(AT) of associated steering flow produced by regarding potential vortices in Pacific high pressure area(SH), monsoon trough zone(MT) and continental high pressure area(CH) is proposed in the paper. The model is calibrated with the data of 8 typhoon events during 2003 to 2007. The recursive GMDH procedure then adjusted coefficients to match the time variant properties in forecasting steps to improve the accuracy of model predictability by updating data. The typhoon moving speed is introduced finally to advance modification and result the average path deviation of 34.6km in prior 6hrs typhoon moving tracks forecasting.

摘要I
ABSTRACT III
誌謝VIII
目錄IX
表目錄XI
圖目錄XIII
符號說明XV
第一章 緒論1
1-1 研究動機與目的1
1-2 研究方法3
1-3 相關文獻回顧4
1-3-1 颱風移動預報之研究4
1-3-2位渦反演及駛流應用於颱風分析之研究4
1-3-3 GMDH演算法之應用5
1-4 本文組織9
第二章 自組非線性系統理論10
2-1 GMDH基本理論架構10
2-1-1 GMDH演算程序11
2-1-2逐步迴歸之GMDH(SGMDH)演算程序15
2-1-3遞迴結構之GMDH演算程序18
第三章 颱風移動路徑預測模式之建立與驗證21
3-1颱風移動路徑預測模式之建立21
3-2預測模式變數選定23
3-3颱風路徑預測效能評鑑指標24
3-4颱風移動路徑預測模式之驗證25
3-4-1颱風資料概述25
3-4-2最佳建模筆數與變數組合26
3-4-3個別颱風建模移動路徑逐時預測之驗證31
3-5六小時前置時間颱風移動路徑預測模式之建立35
3-6遞迴結構GMDH演算法重新建模之路徑預測36
第四章 結果分析與討論38
4-1迴歸係數及模式架構38
4-2最佳輸入筆數及變數組合41
4-3前置時間6小時之通用颱風移動路徑預測結果43
4-4遞迴結構GMDH演算法重新建模之預測結果分析51
4-5修正遞迴結構之GMDH模式結果分析59
4-6 GMDH模式適用性64
第五章 結論與建議67
5-1結論67
5-2建議68
參考文獻70
附錄A 位渦反演分析理論72
附錄B 互動投影量之建立74
附錄C 自組變數應用76
附錄D長期趨勢預報試驗範例78

1.蔡清彥、柯文雄、許武榮，「數值天氣預報」，聯經出版事業公司，1990
2.李梅芳，「自組非線性系統應用於水位相關研究」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，1993
3.周政宏，「神經網路-理論與實務」，松崗電腦圖書資料股份有限公司，1995
4.James R. Holton著、朱仲謀譯，「大氣動力學」，國立編譯館，1997
5.羅靜瑜，「颱風運動與其駛流關係之硏究」，國立台灣大學大氣科學研究所碩士論文，1997
6.楊永祺，「自組非線性系統應用於水位即時預測」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，1997
7.許家成、蔡博文，「案例式推理於地理資訊系統之應用¬-以颱風路徑預測為例」，中興工程工程技術，第94期，2002
8.李清勝、張龍耀，「妮蔻兒颱風(Nichole,1998)侵台前路徑變化之研究，大氣科學，第31期第三號，2003
9.王英銘，「自組非線性系統應用於濁度預測」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2005
10.吳俊傑、楊忠權、潘大綱、周昆炫，「米勒颱風(2003)行徑之位渦診斷分析」，第八屆全國大氣科學學術研討會，2007
11.黃大任，「自組非線性系統應用於波高的預測」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2008
12.楊忠權，「西北太平洋地區熱帶氣旋路徑特徵探討」，博士論文，國立台灣大學理學院大氣科學研究所，2009
13.吳俊傑，「雙颱風渦旋交互作用之新詮釋架構」，自然科學簡訊，15，7-13
14.壽紹文，「位渦理論及其應用」，氣象，第36卷第3期，2010
15.黃暉翔，「自組非線性系統應用於颱風波高預測」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2012
16.林明毅，「海域鄰近測站流速及流向之補遺及預測」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2012
17.張志賢，「自組非線性系統應用於颱風降雨之預測—以三地門雨量站為例」，國立成功大學水利及海洋工程研究所碩士論文，2013
18.大氣研究資料庫網站
19.中央氣象局網站
20.Duffy,J.J and M.A.Franklin，「A Learning Identification Algorithm and Its Application to an Environmental Systems」，IEEE Trans. System，Man，Cybernetic，Vol.SMC-5，NO.2，pp226-239，1975
21.Ikeda S.,S.Fugishige, and Y.Sawaragi，「Nonlinear Prediction Model of River Flow by Self-Organization Method」，Int.J.Syst.Sci，Vol.7，No.2，pp.165-176，1976
22.Stanly J.Farlow，「Self-Organization Methods In Model-GMDH Type Algorithms」，Marcel Dekker.IND
23.Davis,C.A.,and K.A.Emanuel,「Potential Vorticity Diagnostics Of Cyclogenesis」，Mon.Wea.Rev,119，pp1929-1953，1991
24.Shapiro,L. J., and J. L. Franklin, 「The Motion Of Hurricane Gloria : A Potential Vorticity Diagnosis」，Mon.Wea.Rev,124，pp2497-2508，1996
25.Shapiro,L. J.,and J. L. Franklin, 「Potential Vorticity Asymmetries And Tropical Cyclone Motion」，Mon.Wea.Rev,127，pp124-131，1999
26.Fi-John Chang and Yuan-Yih Hwang，「A Self-Organization Algorithm For Real-Time Flood Forecast」，Hydrological Processes.13,123-138，1999
27.Chun-Chieh Wu, Treng-Shi Huang, Wei-Peng Huang, Kun-Hsuan Chou，「A New Look at the Binary Interaction: Potential Vorticity Diagnosis of the Unusual Southward Movement of Tropical Storm Bopha(2000)and Its Its Interaction with Supertyphoon Saomai(2000)」，American Meteorological Society，pp.1289-1300，2003