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《氣象戰》的背後,那些科學和不科學的事

阿樹_96
・2017/10/17 ・5948字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 540 ・八年級

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關於《氣象戰Geostorm》這部電影先在這裡說一下結論,由於《氣象戰》算是個災難素材的科幻電影,因此我個人並不會因為科學上的問題而反推,起碼觀賞過程中某程度是覺得有娛樂商業效果;至於特效我個人覺得因人而異,也不可能要求「真實」,就不多作評論。而本文將會循序漸進的從無劇情到預告片層級的雷,到直接聊劇情中的科學元素,請視情況斟酌閱讀喔!

source:IMDb

「氣候」、「天氣」傻傻分不清?

我們會說今天「天氣」好不好,不會說今天「氣候」好不好。「天氣」通常是用以指稱特定時間點的大氣狀態或現象,討論的時間範圍短至一天,長至一星期,空間上的尺度也很小,最小到鄉鎮區層級。而會「氣候」的尺度動輒數個月、數年甚至談論百萬年以上的古氣候都有,空間從像台灣的尺度到世界尺度都有,談的是長時間的「平均狀態」。

「氣候變遷」是近代大眾對大氣科學最關注的議題之一,數年前IPCC的報告已經告訴大眾,全球暖化有 95% 與人類活動有關(延伸閱讀:如果你覺得地球快被我們毀了,你該矯正對全球暖化的認知)。而另一個議題則是極端天氣對人們的影響,譬如極端的降雨、熱浪、暴風雪,皆對人類的生命與財產造成重大損失。而其中也不乏有研究指向極端天氣與氣候變遷的關係,不過試想這兩者的時間空間尺度都差很多,光是探討相關性就夠難了,更不用說討論其因果關係。要我來說,先不論原因為何,起碼統計上極端天氣變頻繁是事實,我們的確是需要正視如何應因極端氣候的問題。

圖片截圖來自 IMDB

______以下開始是預告片等級的微微雷_____

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《氣象戰》的空想科學:能「炸」掉一整個颱風嗎?

電影《氣象戰》的科學背景,是人們以衛星科技結合大氣理論來試圖操縱天氣現象,以解決極端氣候問題。由現今科學的角度來看這想法還遠得很:目前的科技,實用的方式還停留在「人造雨」的階段。而且要造雨,也還是需要「雲」,因為人造雨的方式只是在雲中添加一些幫助凝結的東西(詳見氣象局網頁說明),因此這樣的方式還是限縮在某些特定天氣條件下。至於從零開始製造出雲,除了適當的溫壓條件,還要有水氣,要是能憑空造水氣,我們還愁什麼人造雨施作?而 NASA(美國太空總署)的任務中雖然有過製造彩色雲朵,但實際上這些雲是用來給悟空把妹研究電離層的小規模雲朵,對於天氣改變一點用都沒有!

七色雲彩的來源:齊天大聖東遊記。圖片來源:youtube

所以像預告片中製造出暴風雪的情況,即使理論上有可能,但也受限於科技無法提供這麼大量的水氣,更不用說要大幅降低溫度。至於預告中「粉碎熱帶風暴(颱風)」的行為,科技難度根本爆表。之前小弟查了颱風所釋放的能量,一個中度颱風一天釋放出的能量可達數萬顆廣島原子彈的層級,由於數量級過龐大,我實在很難想像要怎麼「炸」才可以轟掉一個成熟颱風。(延伸閱讀:「為何不用用神奇核彈來摧毀颶風?」 美國大氣總署的不思議問題庫

source:fictiontofact.com

而觀測史上颱風被轟掉的唯一例子,是地球自己轟的。1991年颱風詠妮亞(Yunya)從菲律賓經過時,正好皮納圖博火山爆發,火山噴發破壞了颱風結構(不只有能量,火山本身也使其結構受到破壞;颱風後來轉向侵襲臺灣時很快就消散了。以現在媒體常用的角度或許就會說「護國火山」?)不過,破壞颱風的並不只是火山的能量,更多是火山噴出來的火山灰等碎屑。而接觸到颱風的雲雨而落下形成大量泥流,也造成菲律賓當地的嚴重災情(說實在有點衰,颱風火山一起來)。

颱風詠尼亞的路徑,到臺灣已經消散了。圖片來源:wikipedia
火山在詠尼亞颱風經過時噴發,圖中正中間灰色圓形部分為皮納圖博火山噴發的火山灰。圖片來源:wikipedia

所以要毀掉大型的天氣系統,需要的能量和物質尺度,也只有地球自己製造的才有機會。光從預告片便可知電影中的科學,至少已經是「空想」、離現實遠得很~小弟雖是地科人但擅長的不是大氣,猜想大氣系的朋友看這片子,或許就和地質系的人看《地心毀滅》、《加州大地震》是一樣的感覺吧?

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設計對白:「我到底看了什麼?」
圖為塞繆爾.約翰遜(Samuel Johnson)

_____以下開始是颱風等級的爆雷囉,前方高能注意_____

關於《氣象戰》中的大氣科學

我必須說,電影中「真實的」大氣科學,少的有點令我充滿問號。片頭雖然說為了對付極端氣候而發明了這項武器,取名叫「荷蘭男孩」(Dutch Boy),不過就只有說明它的科學原理是控制大氣的「熱量、溫度、壓力」的狀態,然後畫面就帶到衛星發射一堆看起來想熱能量東西炸掉一個颱風(如上面的gif),然後就沒了!後面關於怎麼用雷射加溫、怎麼製造暴風雪一個字都沒提,所以我想只能用「黑科技」來解釋這件事。而比起大氣術語,我發現用在太空站裡的術語或名詞比大氣的東西還多;不過想想也合理,片中最常出現的 LOGO 是  NASA 不是 NOAA(美國海洋與大氣總署),有種「想要搞定天氣,就是要靠發射衛星解決」的概念?

這種東西怎麼看都像雷射武器啊。圖片來源:youtube

另一個片中提到的「理論」,應該是英文片名 GEOSTORM(地球風暴),意思就是當地球上被製造出來的風暴到一定的程度,就會毀了整顆地球!這當然還是空想科學。就如本文一開始提到「天氣」和「氣候」的差異一樣,過去整個地球層級的變化,應該是「極端氣候」而非「極端天氣」,簡單來說就是整顆地球得很冷或變得很熱,而非同一時間地球上各地同時暴風雪加颱風加熱浪加一堆龍捲風全部一起來。當然,或許這套理論是假設在荷蘭男孩的「黑科技」可行的情況下而設計的,都能造出一個環繞全世界的天氣衛星網,電影中的世界還有什麼不可能的呢?

所以,真的不要太在意它的災難場面真實性,包括充滿黑人問號的香港氣爆、好幾個龍捲風交錯縱橫的神鬼傳奇、大到和海嘯一般的暴潮還能摧毀杜拜的高樓也是有點微妙(其實夠堅固的房子並不會被海嘯一沖就馬上倒),還有砂鍋大的冰雹、暴風女經過的閃電連發我看到都笑了,而瞬間急凍已經是《明天過後》的老梗就…就不多談了。但總體來說,比起過去災難片來說,這部算是收斂到有點被人詬病了

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source:IMDb
神鬼傳奇(X) 龍捲風同樂會(O)。圖片來源:youtube

除了大氣科學外的科學與科幻畫面

或許電影考量了天氣的能量尺度之大,所以認知到要實現「荷蘭男孩」,必須要建造一大堆的衛星和太空站;從完整的劇情和畫面推敲,荷蘭男孩可能布滿了整個天空,這也合理,因為唯有這樣才能有效率地操縱天氣。所以理所當然地,用太空梭可重複多次酬載的特性來打造和維修太空站再合理不過(像 SpaceX 也有發展可回收火箭,只是電影掛上 NASA 就是要用 NASA 的科技吧?)。

但對我而言仍難以想像,現在已經沒有太空梭服役的時代,竟然有太空站可以容納好幾台太空梭,地表的發射載台可以一字排開輪流發射,這種如動畫鋼彈一般的宇宙空港,想必太空科幻迷應該很開心!但話說回來,要蓋這些東西花多少錢啊?更不用說發生像是讓主角坐在空盪盪的太空梭這樣奢侈的行為了!這也難怪一開始公聽會的參議員不是很想移交荷蘭男孩。

而或許是現今科幻作品都考量到「重力」對人體健康的影響,像是《火星男孩》直接就考量了重力對骨骼的影響,而《絕地救援》和《星際過客》都有考量長期在太空的人類需要重力,而設計出由旋轉產生重力的太空船(但其實重力要夠也要轉很快),本片中的太空站也是將此設定作為基本配備。只是……旋轉軸部分不會因此有重力啊!所以在停靠接收太空船和衛星設備的位置,大家應該漂來漂去,不應該若無其事地走路啊!至於比較細節的像是人被吸出太空站外的劇情,有瞬間被冰凍脫水的情況,以及一些太空爆炸特效,反而「看起來有比較真實一點」,所以重力部分我想就當作考究不足或是成本考量吧!

中間的軸根本不會轉,哪來的重力啊!圖片來源:youtube

至於最後的小吐嘈,就給荷蘭男孩的太空站和衛星高度吧!

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先給大家兩個參考資訊:

  1. 現在的國際太空站ISS軌道距地大約350公里,繞地球一圈91分鐘。
  2. 地球同步衛星(如同步氣象衛星)距地35786公里,繞地球一圈24小時(意思就是和地球自轉是同步的)。

接著來看劇情提到的「香港上空」和「阿富汗上空」的衛星故障,可以猜想這套系統使用的是「地球同步衛星」,唯有這樣才能精準的定義「某某上空」的衛星是哪顆,不然會衛星將會一直跑來跑去,但是電影中的衛星看來高度比較接近 ISS 的低軌道(地球太近了),這樣一來如果要確保衛星和地球自轉同步,勢必要秏費很多額外動力,簡言之就是劇情和衛星高度的設定矛盾。

這靜止衛星的高度不科學啊!(謎之音:為什麼發射前要張開像太陽能板的東西?)圖片來源:youtube

好吧,這只是職業病,我其實是想跟大家說明一下同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺!順道一提這張衛星雲圖中從臺灣附近的颱風向北延伸的雲帶,可是很大尺度的天氣系統,這個雲雨帶和颱風共伴的效應也在台灣帶來大量豪雨造成土石流等災情,由於劇情中並未提到,不知道荷蘭男孩能不能對付這種天氣系統?

同步衛星的視角,應該是跟氣象局上的全球衛星雲圖差不多的感覺。圖片來源:中央氣象局

劇情走線中的邏輯脈絡

雖然看過預告片知道這是災難片而非劇情片,但我還是比較期待是拿氣象武器互相傷害的情節。尤其是「結合十七國科學家之力,並由美國和中國出錢蓋好荷蘭男孩」這件事,對我來說跟前述的科幻一樣不切實際啊(雖然片尾有說世界大同、齊心協力試圖合理化這點)!但畢竟歷史上很多跨時代的科技,都是來自於戰爭和武器開發,而像這種雙面刃般的科技,怎麼想都是會先出現武器,或者是因為它有可能成為大規模毀滅性武器,而像核武一般禁止試驗,這部電影的世界觀其實頗和平的啊。不過劇情中也暗示,這種東西給特定國家擁有絕對不是好事!所以最後的走向還是移交回聯合國來管理,然而如果像片中可以藉由後門和病毒程式搞破壞,那還是很危險啊!

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電影中說有十七國,算一算國旗是十八,猜想是美國扣除自己了吧!圖片來源:youtube

個人看電視電影時,很喜歡看劇情中有沒有邏輯不通的地方,扣除前述職業病使然所挑出的科學bug,還是可以看出編劇許多有趣的鋪梗,譬如前段吉姆史特格斯跟傑瑞德巴特勒的女兒說「我們小時候要好到可以有專屬的暗語」,是為了後面視訊會議鋪的梗,還有巧妙的把自動車(自駕計程車)融入關鍵劇情的設計,而中後段起我就一直很在意,在主角邊跟前跟後的德籍首席科學家沒有特別的表現,好奇她的關鍵戲何時會出現(果然沒有失望XD)。諸如此類的細節小巧思,對於我這種在意邏輯大於特效的觀眾,算是提供了頗有趣味的娛樂。

戲分算蠻少的「德籍首席科學家」。圖片來源:youtube

如果我們不能改變「天氣」,但能改變「氣候」嗎?

其實,我們已經改變了!

僅管還是有人不相信(譬如川普總統),但照IPCC的報告來說,全球暖化 95% 的可能性是人為的,也說明我們該為此事負責。為此,除了宣導節能減碳之外,科學家還是有作了很多嘗試努力想讓法解決問題,而與此部片最為接近的應該是「地球工程」(geoengineering)領域的研究,最值得一提的例子,就是「鐵假說」(註1)的相關做法,即使有些爭議(註2),但還是一直有科學家在研究並嘗試盡可能在不起爭議的情況下做實驗(註3)。而有些更瘋狂的想法,譬如製造一個「濾鏡」衛星放在在L1點(註4),適時減少太陽入射的能量而讓地球降溫,我想製造成本應該比荷蘭男孩低吧(但還是很難做到)!

太陽濾鏡的概念示意。圖片來源:wikipedia

這時回過頭來想想,起碼「節能減碳」這件事,至少執行面上已經比這部電影和前面幾個地球工程的瘋狂想法容易多了,像是隨手關掉不必要的電源這麼簡單,能不落實一下嗎?

  • 註1:提出"鐵假說"的科學家認為,某些海洋浮游生物(如藻類)特別喜歡「鐵」的元素,故對富含此類生物卻缺鐵的地方施以鐵肥,可能會增加其光合作用效率而「捕捉」二氧化碳(可參考此Nature快訊)。
  • 註2:臺大地質系助理教授任昊佳的研究"No iron fertilization in the equatorial Pacific Ocean during the last ice age",從沉積物的研究發現,由於某些特定藻類的生長會限制其它藻類的生存空間,也會把其它藻類需要的營養鹽「用光」而抑制其生長。故施以鐵肥雖然助長某些藻類生長,但卻影響其它的藻類,效果可能不如預期。
  • 註3:即使仍有爭議,目前仍有研究針對鐵假說進行驗證的實驗,且進一步研究其對食物鏈與生態系的影響。
  • 註4:太陽「濾鏡」是指用大型鏡片改變陽光入射地球的能量。而太陽和地球中間的其中一個拉格朗日點L1,則是正好在日、地中間,且在此位置的衛星會跟著地球公轉一起跑的地方,濾鏡放在這便能跟著地球一起繞日。
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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說好的颱風呢?!氣象預報不準?要準確預測天氣有多難?
PanSci_96
・2023/09/12 ・4646字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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小心啊,打雷囉,下雨收衣服啊!

氣象報告說好是晴天的,怎麼一踏出門就開始下雨了?

昨天都說要直撲的颱風,怎麼又彎出去了?

多麼希望天氣預報能做到百分之百正確,只要出門前問一下手機,就能確定今天是出大太陽還是午後雷陣雨,是幾點幾分在哪裡?又或是最重要的,颱風到底會不會來?

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但你知道,現在的氣象預報,已經動用全球最強的超級電腦們了嗎?既然如此,我們現在的氣象預報能力到底有多準?我們什麼時候能徹底掌握這顆蔚藍星球上發生的所有天氣現象?

天氣預報有多困難?

雖然我們常常嫌說氣象預報不準、颱風路徑不準、預測失靈等等。但我們現在的實力如何呢?

目前美國國家海洋暨大氣總署的數據分析,對西太平洋颱風的 24 小時預測,誤差平均值約 50 英哩,也就是一天內的路徑誤差,大約是 80 公里。其他國家的氣象局,24 小時的誤差也約在 50 到 120 公里之間。台灣呢?根據中央氣象局到 2010 年的統計,誤差大約在 100 公里內。也就是臺灣對颱風的預測,沒有落後其他先進單位。

現在只要打開手機隨便開個 APP,就能問到今天的天氣概況,甚至是小區域或是短時間區間內的天氣預報。但在過去沒有電腦的時代,要預測天氣根本可以不可能(諸葛孔明:哪泥?)。

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近代且稱得上科學的天氣預測可追溯回 1854 年,那個只能靠人工觀測的年代,英國氣象學家為了保護漁民出海的安危,利用電報傳遞來蒐集各地居民的觀察,並進行風暴預報。後來演變成天氣預報後,卻因為有時預報不準,預報員承受了輿論與國會批判的巨大壓力,最後甚至鬱鬱離世。

19 世紀的氣象學家為了保護漁民出海的安危,會利用電報蒐集各地居民的觀察進行風暴預報。圖/Giphy

在電腦還在用打洞卡進行運算的年代,一台電腦比一個房間還大。氣象局要預測天氣,甚至判斷颱風動向,得要依賴專家對天氣系統、氣候型態的認知。因此在模擬預測非主流的年代,我們可以看到氣象局在進行預測時,會拿著一個圓盤,依據量測到的大氣壓力、風速等氣象值,進行專家分析。

當時全球的氣象系統,則是透過全球約一千個氣象站,共同在 UTC 時間(舊稱格林威治時間)的零零時施放高空探測氣球,透過聯合國的「World Weather Watch」計畫來共享天氣資料,用以分析。關於氣象氣球,我們之前也介紹過,歡迎看看這集喔。

也就是說,以前的颱風預測就是專家依靠自身的學理與經驗,來預測颱風的動向,但是,大氣系統極其複雜,先不說大氣系統受到擾動就會有所變化,行星風系、科氏力、地形、氣壓系統這些系統間互相影響,都會造成預測上的失準,更遑論模擬整個大氣系統需要的電腦資源,是非常巨大的。

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那麼,有了現代電腦科技加持的我們,又距離全知還有多遠呢?是不是只要有夠強的超級電腦,我們就能無所不知呢?

有了電腦科技加持,我們的預報更準了嗎?

當然,有更強的電腦,我們就能算得更快。才不會出現花了三天計算,卻只能算出一個小時後天氣預報的窘況。但除了更強悍的超級電腦,也要更先進的預測模型與方法。現在的氣候氣象模擬,會先給一個初始值,像是溫度、壓力、初始風場等等,接著就讓這個數學模型開始跑。

接著我們會得到一個答案,這還不是我們真正要的解,而是一種逼近真實的解,我們還必須告訴模型,我容許的誤差值是多少。什麼意思呢?因為複雜模型算出來的數值不會是整數,而是拖著一堆小數點的複雜數字。我們則要選擇取用數值小數點後 8 位還是後 12 位等等,端看我們的電腦能處理到多少位,以及我們想算多快。時間久了,誤差的累積也越多,預測就有可能失準。沒錯,這就是著名的蝴蝶效應,美國數學暨氣象學家 Edward Norton Lorenz 過去的演講題目「蝴蝶在巴西揮動了翅膀,會不會在德州造成了龍捲風?」就是在講這件事。

回到颱風預報,大家有沒有發現,我們看到的颱風路徑圖,颱風的圈怎麼一定會越變越大,難道颱風就像戶愚呂一樣會從 30% 變成 100% 力量狀態嗎?

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輕颱鴛鴦的颱風路徑潛勢圖。圖/中央氣象局

其實那不是颱風的暴風圈大小,而是颱風的路徑預測範圍,也就是常聽到的颱風路徑潛勢圖,​是未來 1 至 3 天的颱風可能位置,颱風中心可能走的區域​顯示為潛勢圖中的紅圈,機率為 70%,所以圈圈越大,代表不確定性越大。​

1990 年後,中央氣象局開始使用高速電腦,並且使用美國國家大氣研究中心 (NCAR) 為首開發的 Weather Research and Forecasting 模型做數值運算,利用系集式方法,藉由不同的物理模式或參數改變,模擬出如同「蝴蝶效應」的結果,運算出多種颱風的可能行進路線。預測時間拉長後,誤差累積也更多,行進路徑的可能性當然也會越廣。

「真鍋模型」用物理建模模擬更真實的地球氣候!

大氣模擬不是只要有電腦就能做,其背後的物理複雜度,也是一大考驗。因此,發展與地球物理相關的研究變得非常重要。

2021 年的諾貝爾物理學獎,就是頒給發展氣候模型的真鍋淑郎。他所開發的地表模式,在這六十年間,從一個沒考慮地表植物的簡單模型,經各家發展,變成現在更為複雜、更為真實的模型。其中的參數涵蓋過去沒有的植物反應、地下水流動、氮碳化合反應等等,增強了氣候氣象模型的真實性。

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2021 年的諾貝爾物理學獎得主真鍋淑郎。圖/wikimedia

當然,越複雜的模型、越短的時間區間、越高的空間精細度,需要更強大的超級電腦,還有更精準的觀測數據,才能預測接下來半日至五日的氣象情況。

世界上前百大的超級電腦,都已被用來做大氣科學模擬。各大氣象中心通常也配有自己的超級電腦,才能做出每日預測。那麼,除了等待更加強大的超級電腦問世,我們還有什麼辦法可以提升預報的準度呢?

天氣預報到底要怎樣才能做得準?

有了電腦,人類可以紀錄一切得到的數據;有了衛星,人類則可以觀察整個地球,對地球科學領域的人來說,可以拿這些現實資訊來校正模擬或預測時的誤差,利用數學方法將觀測到的單點資料,乃至衛星資料,融合至一整個數值模型之中,將各種資料加以比對,進一步提升精準度,這種方法叫做「資料同化 (Data Assimilation)」。例如日本曾使用當時日本最強的超級電腦「京」,做過空間解析度 100 公尺的水平距離「局部」超高解析氣象預測,除了用上最強的電腦,也利用了衛星資料做資料同化。除了日本以外,歐洲中程氣象預測中心 (ECMWF),或是美國大氣暨海洋研究中心 (NOAA),也都早在使用這些技術。

臺灣這幾年升空的福衛系列衛星,和將要升空的獵風者等氣象衛星,也將在未來幫助氣象學家取得更精準的資料,藉由「資料同化」來協助模擬,達到更精準的預測分析。

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如果想要進一步提升預報準度呢?不用擔心,我們還有好幾個招式。

人海戰術!用更多的天氣模型來統計出機率的「概率性模擬」

首先,如果覺得一個模型不夠準,那就來 100 個吧!這是什麼意思?當我們只用一種物理模型來做預測時,我們總是會追求「準」,這種「準確」模型做的模擬預測,稱為「決定性模擬」,需要的是精確的參數、公式,與數值方法。就跟遇上完美的夢中情人共度完美的約會一樣,雖然值得追求,但你可能會先變成控制狂,而且失敗機率極高。

「準確」的模型就跟遇上完美情人共度完美約會一樣,雖然值得追求,但失敗機率極高。圖/Giphy

不如換個角度,改做「概率性模擬」,利用系集模擬,模擬出一大堆可能的交往對象,啊不對,是天氣模型,再根據一定數量的模擬結果,我們就可以統計出一個概率,來分析颱風路徑或是降雨機率,讓成功配對成功預測的機率更高。

製造一個虛擬地球模擬氣象?

再來,在物理層面上,目前各國正摩拳擦掌準備進行等同「數位攣生 (Digital Twin) 」的高階模擬,簡單來說,就是造出一個數位虛擬地球,來進行 1 公里水平長度網格的全球「超高」解析度模擬計算。等等,前面不是說日本可以算到 100 公尺的水平距離,為什麼 1 公里叫做超高解析度?

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因為 500 公尺到 1 公里的網格大小也是地表模式的物理適用最小單位,在這樣的解析度下,科學家相信,可以減少數值模型中被簡化的地方,產生更真實的模擬結果。

電腦要怎麼負荷這麼大的計算量?交給電腦科學家!

當然,這樣的計算非常挑戰,除了需要大量的電腦資源,還需要有穩定的超級電腦,以及幾個 Petabyte,也就是 10 的 15 次方個位元組的儲存設備來存放產出的資料。

不用為了天氣捐贈你的 D 槽,就交給電腦科學家接棒上場吧。從 CPU、GPU 間的通訊、使用 GPU 來做計算加速或是作為主要運算元件、到改寫符合新架構的軟體程式、以及資料壓縮與讀寫 (I/O)。同時還要加上「資料同化」時所需的衛星或是全球量測資料。明明是做氣象預報,卻需要等同發展 AI 的電腦科技做輔助,任務十分龐大。對這部分有興趣的朋友可以參考我們之前的這一集喔!

結語

這一切的挑戰,是為了追求更精確的計算結果,也是為了推估大魔王:氣候變遷所造成的影響必須獲得的實力。想要計算幾年,甚至百年後的氣候狀態,氣象與氣候學家就非得克服上面所提到的問題才行。

一百年來,氣候氣象預測已從專家推估,變成了利用龐大電腦系統,耗費百萬瓦的能量來進行運算。所有更強大、更精準的氣象運算,都是為了減少人類的經濟與生命損失。

對於伴隨氣候變遷到來的極端天氣,人類對於這些變化的認知還是有所不足。2021 年的德國洪水,帶走了數十條人命,但是身為歐洲氣象中心的 ECMWF,當時也只能用叢集式系統算出 1% 的豪大雨概率,甚至這個模擬出的豪大雨也並沒有達到實際量測值。

我們期待我們對氣候了解和應對的速度,能追上氣候變遷的腳步,也由衷希望,有更多人才投入地球科學領域,幫助大家更了解我們所處的這顆藍色星球。

也想問問大家,你覺得目前的氣象預報表現得如何?你覺得它夠準嗎?

  1. 夭壽準,我出門都會看預報,說下雨就是會下雨。
  2. 有待加強,預報當參考,自己的經驗才是最準的。
  3. 等科學家開發出天候棒吧,那才是我要的準。更多想法,分享給我們吧

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氣候變遷會讓世界變得又熱又病嗎?暖化之下的寄生關係可不簡單
阿咏_96
・2023/05/15 ・3188字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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近年來,氣候變遷已經變成一個眾所皆知的熱門話題,不僅影響著我們身處的自然環境,以及人類生活,也對生物的繁殖、生長、分布等造成衝擊。不過,今天我們沒有要討論海平面上升、極端天氣等這些巨觀環境的改變,而是要來談談或許你我體內都有的——寄生蟲。

提到寄生蟲,大家比較熟悉的或許是蟯蟲、蛔蟲等,有機會寄生於人類體內的寄生蟲,而自然中許多物種之間也有寄生關係,但這與氣候變遷有什麼關係呢?

有許多研究顯示,氣溫升高會導致寄生蟲爆發事件增加,也有些研究說寄生蟲在高溫下的表現比宿主好,因此暖化可能會造成相關疾病越來越嚴峻,後來也衍生出「地球越溫暖,流行病越多」的假說。

地球越溫暖,流行病越多」的假說近來相當盛行。圖/envatoelements

寄生不是哩想ㄟ那麼簡單

俗話說:魔鬼藏在細節裡。腹肌藏在脂肪裡。

如同在生物課本裡學過的,寄生關係是生物間的交互作用,一種生物寄居在另一種生物的體表或體內,獲取營養得以生存、繁殖,所以也並非只有寄生蟲的事,和宿主的生理也有很大關係。找到溫度升高會影響寄生過程的哪些步驟,以及背後的機制怎麼運作,是了解氣候變遷對寄生關係影響的關鍵。

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近期發表在英國皇家學會《自然科學會報》(Philosophical Transactions of the Royal Society B)的一項新研究就發現,溫度能夠調節寄生真菌在宿主水蚤體內的感染機制。

這個研究由臺灣大學氣候變遷與永續發展學程助理教授孫烜駿與美國密西根大學研究團隊合作,利用暖化實驗觀察水蚤和真菌之間的寄生關係。

他們將一種水蚤 Daphnia dentifera 作為實驗物種,水蚤平常吃藻類等浮游植物,然後也會被更大的捕食者吃掉,因此水蚤在淡水食物網中扮演著重要角色。而今天的另一個主角 —— 寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata ,則是一種會感染多種水蚤的酵母菌。

那水蚤是怎麼被感染的呢?

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宿主與寄生真菌之間的攻防戰

水蚤在濾食水中浮游植物時,寄生真菌的孢子可能會一起被牠吃進去,這時感染過程就開始了(水蚤表示:窩⋯⋯窩不知道QQ)首先,寄生真菌的針狀孢子需要先刺穿水蚤的腸道上皮細胞,才能進到體腔內開始發育、繁殖,感染初期有些水蚤還可能痊癒,否則就會進到最終感染階段,一旦水蚤體腔內充滿寄生真菌的孢子或孢子囊,便不可能康復,最終走向死亡,之後下一代孢子釋放回環境中,再被新宿主吃掉,完成感染週期。

寄生真菌在水蚤中的感染過程。生真菌的針狀孢子會先刺穿水蚤的腸道上皮細胞。圖/英國皇家學會《自然科學會報》

也不是所有被吃進去的孢子都能夠成功感染宿主,必須要經過重重關卡,畢竟水蚤也不是吃素的(好啦水蚤真的吃素沒錯 XD)

而兩道最重要的關卡就是「物理屏障」與「細胞免疫」。

物理屏障是一種常見的防禦形式,例如我們的皮膚和植物的角質層,在水蚤與寄生真菌的感染過程裡,腸道上皮細胞就是抵抗孢子進入體腔的物理屏障,像是一道能夠抵抗外來敵人的城牆。

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但如果孢子還是順利進到水蚤的體腔內,細胞免疫就像一支軍隊,免疫細胞士兵們會聚集到被感染的部位,開啟防禦模式,共同抵禦外敵,也就是前面提到的,有些剛被感染的水蚤有機會康復的原因。

健康的 Daphnia dentifera 水蚤(左圖)與被寄生真菌 Metschnikowia bicuspidata 感染的水蚤(右圖)。圖/國立台灣大學

暖化之下,寄生關係會怎麼樣

研究團隊想知道:溫度對物裡屏障和細胞免疫的影響,以及會不會影響最終感染的機率。

因此他們把水蚤放到 20°C 和 24°C 下的環境飼養,為甚麼是這兩個溫度呢?

根據先前研究,20°C 是適合水蚤生長繁殖的溫度,而 24°C 則是來自 2100 年氣候變遷預測下的平均溫度變化,自西元 1985 年起,夏季的湖面溫度以每十年 0.34°C 攀升,到本世紀末預計上升 4°C。

並將不同溫度下飼養的水蚤,分別放入有寄生真菌和沒有寄生真菌的環境,總共四種環境條件的組別。

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  1. 實驗組:24°C,沒有寄生真菌
  2. 實驗組:24°C,有寄生真菌
  3. 控制組:20°C,沒有寄生真菌
  4. 控制組:20°C,有寄生真菌

接著,為了知道感染初期的情形,針對有寄生真菌的組別,研究團隊在放入真菌 24 小時後,用複式顯微鏡觀察,檢查水蚤腸道和體腔內是否有孢子,以及孢子的數量。

那要怎麼知道物理屏障和細胞免疫的防禦效果呢?

如同前段提過的,我們將作為物理屏障的腸道上皮細胞想像成城牆,免疫細胞想像成軍隊,而寄生真菌的孢子是試圖入侵的外敵

腸道的防禦力便是用「後來在體腔內的孢子數」與「所有試圖刺穿腸道上皮的孢子數」相除;也就是「進到城牆內的敵人數」除以「所有一開始來城牆外攻擊的敵人數量」。(編按:每一百個攻擊城牆的敵人,會有多少人突破城牆的防禦進到牆內)

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除此之外,團隊也觀察在不同溫度下水蚤腸壁上皮的厚度,畢竟城牆的厚度可能是防禦的關鍵。

而細胞免疫則是以「前來支援的免疫細胞數」除以「體腔內的孢子數」計算,可以想像成一個敵人需要幾個士兵一起抵抗

除了兩道關卡的抵禦能力外,為了解水蚤的健康狀態,研究團隊紀錄牠們在感染後的死亡率和繁殖力。

溫度影響的不只是寄生關係

實驗結果發現,較溫暖環境下的水蚤腸壁上皮細胞比控制組厚,但腸壁是越厚越好嗎?

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另一個結果顯示,其實較厚和較薄的腸壁上皮細胞,比較能抵抗寄生孢子的攻擊,反而是有中等腸道厚度的水蚤防禦孢子進入體腔的能力較弱。

而關於細胞免疫,則發現隨著成功進入體腔的孢子數量增加,附著在孢子上的免疫細胞總數也跟著增加,但在較溫暖環境下飼養的水蚤召集來的免疫細胞,比控制環境下來得少。也就是說,越多敵人入侵,軍隊會募集越多士兵來共同對抗,但在溫暖環境下召來的士兵較少

那物理屏障和細胞免疫之間有什麼關係呢?

在 20°C 下,腸道上皮細胞越厚,每個寄生孢子所需要的免疫細胞數就越少,這似乎蠻容易理解的,若城牆越厚,軍隊火力就不需要太強,反之亦然。

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但在 24°C 卻看不到同樣的趨勢,我們知道的只有在溫暖環境下,同樣腸道厚度免疫細胞仍比控制組少。

最後,不論是繁殖力還是存活率,都是在溫暖環境下被感染的水蚤敬陪末座。

從這個研究,我們可以得知,溫度上升不僅會改變宿主的物理屏障,也會影響細胞免疫,進而改變寄生真菌對水蚤的感染結果。在更了解溫度影響寄生關係中的哪些關鍵特徵和結果後,便能預測在暖化環境中,宿主與寄生蟲之間的交互作用,以及所導致的後果。

參考文獻

  1. Sun, S. J., Dziuba, M. K., Jaye, R. N., & Duffy, M. A. (2023). Temperature modifies trait-mediated infection outcomes in a Daphnia–fungal parasite system. Philosophical Transactions of the Royal Society B, 378(1873), 20220009.
  2. Rohr, J. R., & Cohen, J. M. (2020). Understanding how temperature shifts could impact infectious disease. PLoS biology, 18(11), e3000938.
  3. Harvell, C. D., Mitchell, C. E., Ward, J. R., Altizer, S., Dobson, A. P., Ostfeld, R. S., & Samuel, M. D. (2002). Climate warming and disease risks for terrestrial and marine biota. Science, 296(5576), 2158-2162.
  4. Miner, B. E., De Meester, L., Pfrender, M. E., Lampert, W., & Hairston Jr, N. G. (2012). Linking genes to communities and ecosystems: Daphnia as an ecogenomic model. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 279(1735), 1873-1882.
  5. Ozersky, T., Nakov, T., Hampton, S. E., Rodenhouse, N. L., Woo, K. H., Shchapov, K., … & Moore, M. V. (2020). Hot and sick? Impacts of warming and a parasite on the dominant zooplankter of Lake Baikal. Limnology and Oceanography, 65(11), 2772-2786.
阿咏_96
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