颱風強降雨如何接好接滿?張麗秋團隊建立洪水預測系統,神準獲國際肯定

台灣降雨時間集中在梅雨季到秋季,然而豐沛雨量突如其來,要順利「接好接滿」並不容易,尤其颱風是短時間強降雨,過往水庫人員只能憑經驗在風雨中開關水閘、調節水位,才能讓水庫發揮最大效能,每次颱風都像是水庫人員與大自然的鬥智決戰。

為了更精準的調節水況,淡江大學水資源與環境工程學系教授張麗秋,以石門水庫50年的颱風資料為基礎,建置洪水預測系統,「颱風路徑與總雨量預測一出來,總共會多少洪水、洪峰發生時間,瞬間就知道。」該系統歷經六年實際演練,證實可成功提高洪水預警準確度及水資源管理效應,已在國際知名期刊Nature Communications 發表。

淡江大學水資源與環境工程系教授,同時也是水環境資訊研究中心主任的張麗秋(攝影_林怡均)

千年不斷的水利工事,帶來雨水也帶來考驗的颱風

「每年的颱風都是讓人既期待又緊張。」張麗秋表示,對農民來說,水庫水量是否充足,關乎農業生產,台灣水庫最大水源來自於颱風帶來的豪雨,水庫的洪水預報準確性,是水庫防洪與蓄水的關鍵資訊。

然而,颱風路徑及降雨的不確定性高,對水庫人員而言,每次颱風都是一次考驗。「水庫工作人員的目標,就是要在颱風過後能夠把水蓄滿,因此颱風前要先放水,難度在於要放掉多少水、何時放,才會是剛剛好的。」

降雨前的洩洪相當重要,若是大雨超過水庫容量,造成溢頂,會使壩體結構受損,因此要先洩洪以保水壩安全,張麗秋表示,水放掉只能靠降雨補回來,若有差錯,會關係到下游的用水,但過去沒有準確的預測系統,控水庫人員只能依經驗或計算預測,來判斷降雨情形及水位,因此水庫工作人員壓力極大。

石門水庫開閘門洩洪(照片來源_經濟部水利署北區水資源局)

石門水庫五十年的颱風資料,透過路徑及降雨分析建置洪水預測系統

張麗秋在102年接下北區水資源局計畫,進行石門水庫在颱風時期的洪水預測系統,為此收集了1965年至今,約九十多場颱風的相關資料,並與台灣大學生物環境系統工程學系張斐章教授跨校合作,再精進與改善此預報系統。

張麗秋所建置的預測系統,是將過去五十多年間的颱風路徑及雨量做分析,她展示出其中一張路徑分析圖,將整張圖上切割成小網格,把颱風經過區域以不同深淺顏色做標示,顏色越深代表對石門水庫的影響越大,並將不同路徑做多種分類,例如:偏北颱、穿心颱等。

張麗秋說明,此套系統最大特色在於將路徑向量化,比起類比或數位化座標更適於分類,「平面座標會有兩維度(橫直兩方向),向量就是把兩個維度轉換為一個方向,這樣分析會簡單的多。」

不同颱風路徑,網格顏色越深代表對石門水庫的影響越大(照片來源_《自然通訊》Nature Communication)
歷史颱風路徑分類結果(照片來源_《自然通訊》Nature Communication)

不同下雨時長、不同雨量都適用,輸入颱風路徑與總雨量立即預測洪水歷程

張麗秋表示,不同颱風出現時的降水狀況都不同,包含降雨量與降雨總時間,都會影響洪水大小與洪峰到達時間,「必須要轉換為流量特徵曲線,正規化後才好預測。」

張麗秋說明,所謂流量特徵曲線,便是先將所有颱風的降雨總時間、降雨量高峰時間點,以百分比的方式呈現,如此一來便沒有不同颱風時長不同的問題,「A颱風來三天,總降雨量400公釐、B颱風來兩天,總降雨量300公釐,把全部時間轉為百分比,兩個颱風就能夠依流量特徵曲線,自動做出全洪程預報。」

換言之,掌握特徵曲線便能透過預測路徑,去套用不同類型,便可接下來降雨情形,比如說幾個小時後會達到最大雨量,而全洪程預報為,預測颱風所帶來降雨量,由小至大再到漸緩的過程。

石門水庫AI預警系統操作介面(照片來源_經濟部水利署北區水資源局)

洪峰時間點,是颱風侵台關鍵

洪水預報必須要特別計算洪峰發生時間點,洪峰發生時間點為最大降雨量的發生時間,若洪峰量越高、發生時間越長,則雨量越大,張麗秋說明,洪峰時間點是每次颱風侵台的關鍵,預測的越精確,對於水庫工作人員或是河川局來說,開關水庫閘門的時間點或是制定對策會越精準。

張麗秋展示出不同類型颱風的水文特徵曲線,有的降雨分佈非常平均、有的最大降雨時間發生在前半段、有的則在後段,系統會自動下載氣象局預報颱風路徑與總降雨量,並預測出接下來的來臨的洪水,「預計會下多少雨、何時達到最大量,馬上就能知道,比以往提早兩天左右。」

套用六場颱風路徑,推估2005年強颱泰利於石門水庫入流歷程,可看到最大洪峰量與洪峰抵達時間(照片來源_《自然通訊》Nature Communication)

搜集資料最辛苦,十多年前資料沒有電子檔,必須手動Key

張麗秋說明,要做颱風洪水預測,必須要有颱風路徑、總雨量、以及每個小時的水庫入流量,而這些資料則要從不同管道取得,「颱風路徑資料需要和中央氣象局調,而水庫的降雨資料則必須要親自到水庫去找,很多舊資料並沒有電子檔,必須手動建檔。」

張表示,三四十年以前水庫操作資料幾乎都沒有電子檔,只有紙本檔案,因此許多資料都是張麗秋及研究生們手動輸入完成,「搜集資料是最久的。」張麗秋和學生們嘴角都露出了苦笑。

張麗秋表示,氣象水文資料都屬於非公開性資料,搜集與整理資料往往花數月之久,建置系統很大一部份時間都花在搜集資料。

實地測試六年,石門水庫人員用過都說讚

張麗秋與研究團隊花了三年從研究構想、改善、再精進,接下來則是六年的實戰演練,「所有研發都要回歸到現實問題:到底好不好用?而預測系統是否完備則要看預測精準度。」

張麗秋表示,這六年間只要颱風一出現,自己便在遠端指揮與提供建議,並依颱風威脅程度,研究團隊進駐石門水庫提供專業洪水預報,有次連續遇到雙颱,研究生從水庫回來不到一天又匆忙趕過去。

而實地演練結果如何?張麗秋表示,準確度相當高,一來是有基礎資料做了建置,二來更要感謝氣象人員精確的預測,「其實只要路徑預測越準,洪水歷程預測就會越準,近年來台灣氣象人員的颱風預測路徑越來越準,所以我們系統預報結果也相當準確。」

張麗秋表示,「50年間90多筆資料,統計學來看不算是大數據,但AI系統會自己不斷修正,因此未來每一次颱風,預測後也會成為新的數據,讓系統更完善。」

研究團隊颱風期間進駐石門水庫,在緊急應變小組會議中提供預報資訊(照片來源_經濟部水利署北區水資源局)