再見了，福衛二號！地球專屬攝影師光榮退役

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

新颱風生成後，大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大，以及——到底放不放颱風假？要能預測和評估颱風的走向影響，可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提，在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星，以及它們身懷測知氣象變化的絕技！

貢獻全球氣象資料，福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號（福三）執勤十年，為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料，可謂台灣在國際氣象上的外交大使，於減少天氣預報誤差的貢獻度上，更曾被評為全球前五。福三榮退後，接棒的福爾摩沙衛星七號（福七）也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星，而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系（constellation）。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士，使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域，提供即時而完整的三維觀測數據。

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是，它在南北緯 50 度間軌道繞行，主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估，它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例，可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%，協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七，究竟是怎麽辦到的？答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術，讓衛星成為太空中最精準的溫度計！

在天文學上，「掩星」指的是一個天體，在另一個天體與觀測者之間通過，產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」，也可以指前景中的物體，阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」，就是利用電磁波訊號在經過大氣層時，會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層，被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性，來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間，本來因為地球的阻隔看不到彼此，但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」（TGRS），可以接受美國全球定位系統（GPS） 和俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著，通過計算電波訊號的偏折程度，就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用，而從 2006 年的福三，到如今福七計劃中積累的研究經驗，使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度，也擁有不需要大量接收訊號的衛星，就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢，不僅可以用作氣象預報，更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻，可以使天氣預報更精準

另一方面，除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度，在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素，也可以讓我們的天氣預報更精準！

過去礙於資料的取得有限，同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展，為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer )，讓東京大學的研究團隊，可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊，在氣象預報的模型中，第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道，擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素，會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感，與一般的水分子 H₂O 相比，較重的水分子如 H²HO 或H₂¹⁸O 會更傾向於凝結成水珠，或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動，便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡，能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照，發現納入同位素的數據之後，氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度，尤其是中緯度及北半球地區，融合同位素資訊後，氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度，也都有所提高。雖然這只是初步的探究，但科學家期許，未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集，能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼，能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術，不僅能讓我們更精準預測氣象，在全球化的現代，也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神；各國對航太技術的投入與數據資源共享，更是科研工作與人類社會的一大福音。

參考文獻

• 福衛七號星系佈署完成
• Wikipedia-Radio occultation
• 掩星觀測簡述
• 福衛七號／何謂掩星技術？這裡一次解答
• 台灣太空科技扎根30年 未來1年1衛星發射
• Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
• IASI data product profile

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《反演水深、判釋水稻田　福衛五號影像多元應用》
• 劉珈均｜泛科學

「透視」海底，用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁，測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示，在訓練資料品質佳的情況下，以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當，可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納，或飛機搭載光達的方式量測水深，這兩種方式皆須現地量測，精度高，但成本也高，且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體，成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深，仍需收集訓練資料（例如地形的現地量測資訊）當作「教材」，讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ，同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了！」東沙環礁有精密的光達測深資料，還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是，輸入衛星影像各波段數值（主要為透水較佳的綠光波段）及其對應的實際水深訓練網路，網路模式訓練完成之後，輸入目標區域的衛星影像數值，就能推算出每個像素對應的水深資訊。

為了衡量福五影像的表現，團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深，比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺，雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺，但相差不遠。

黃智遠解釋，相較於房屋、橋梁等地物地貌，水下自然地形的局部變化通常較小，所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上，使用福五或超高解析度衛星的差異不大，福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難，不過，透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體，資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差，萃取出目標物的數值地形模型，再以此當作訓練資料，進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作，在東海南海的許多島礁進行水深反演，已累積起一套決策樹，考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等，可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

雙衛星搭檔，提高水稻田判釋精度！

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目，農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作，以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田，正確性達 92%，大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型，研究團隊選定雲林做為研究區域，試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像，搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料，並試驗了三種方法：僅使用福五（光學）影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示，整合兩者的效果最好，判釋正確性最高可達到 92%，高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲！」雲會遮擋目標、影響判釋，而農作物判釋的取像時機又相當關鍵，取像時有雲就沒輒了；合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波，可穿透雲層，不受雲覆與日照影響，可補強不同時期影像，取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

本研究的突破在於，只用了單一分類器全自動判別的條件下，偵測精度大幅提升，更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮，「可能因為福五當時在 11 月取像，剛好是水稻結穗時，影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積，可以進一步推估產量嗎？「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤，有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成，此類研究在平遂的情況下可大致估產，尚難達成精確估產。

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍，判釋全國水稻田面積，由於各地農民栽種時序、田間管理多變，如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰；若要擴展到判釋其他作物，則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例，判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難，果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片，也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨；檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片，雖可參考栽種密度與高度，但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別；蔥、蒜皆屬旱作，需要空間解析度優於 60 公分的影像，搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵，有機會判釋成功，「但要是田裡混作個青江菜，就分不出來了。」

梅樹是另個成功案例，它在 12 月下旬會落葉，隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究，標定幾個時間取像，「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的（開花）、四月又出現綠葉，那就很可能是梅樹！」但李子與梅樹的影像呈現類似，生長期也相近，要是沒在生長期重疊前順利取像，就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜，掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

2020 年 11 月 19 日，美國國家科學基金會（National Science Foundation, NSF）宣布，史上最知名的望遠鏡之一——位於波多黎各（Puerto Rico）的阿雷西博天文台（Arecibo Observatory）即將永久關閉，震驚學界。

阿雷西博天文台乃隸屬於美國國家天文學和電離層中心（National Astronomy and Ionosphere Center, NAIC）的無線電望遠鏡，其最顯著的特徵包括直徑 305 公尺的球面反射器盤（spherical reflector dish），以及懸吊在盤面上方 137 公尺、重約 900 噸、由三座鋼筋混凝土高塔連結 18 條鋼纜所撐起的儀器平台。

從 1963 年建成以來，阿雷西博天文台一直保持著世界最大單孔徑望遠鏡的紀錄，直到 2016 年為止。它是波多黎各主要的科學教育中心，也培育出許多天文學家和工程師，甚至出現在流行文化裡，如電影《接觸未來》（Contact）和 007 電影《黃金眼》（GoldenEye）。

然而，就在 2020 年 8 月和 11 月，阿雷西博天文台的兩條鋼纜先後斷裂；考量到維修的困難與高風險，這座產出許多科學研究的標誌性天文望遠鏡，面臨被拆解的命運……在這感傷之際，讓我們一起追憶阿雷西博天文台的一生。

冷戰的雷達需求促成天文台誕生

1945 年，因應二戰後的局勢，美國成立了空軍劍橋研究實驗室（Air Force Cambridge Research Laboratories）^[1]。在冷戰背景下，其於 1949 年發明了利用電話數據機傳輸數位資料的技術（即早期網際網路傳輸所使用的方式）。1951 年，空軍劍橋研究實驗室的工程師首度發表文章，討論利用球面接收器接收電磁訊號的可能性；同時，美國國防部也因為遠程雷達和通訊的需求，對建造世界最大的天線來研究電離層很有興趣——這促成 1959 年空軍劍橋研究實驗室和康乃爾大學（Cornell University）簽署了成立阿雷西博天文台的合約。

天文台位於波多黎各北海岸的自治市阿雷西博；其設計和建造，由時任康乃爾大學教授的戈登（William Edwin Gordon，1918 – 2010）負責籌劃，於 1963 年落成。

望遠鏡的反射器盤建基於天然形成的滲穴之中，1974 年升級後由 38778 片穿孔鋁板製成；從遠處不同方位過來的電磁波會被盤面反射，分別聚焦於不同位置，懸吊於上空的接收器便會依據觀察目標移動到適當的接收點。

一如當初的計畫，阿雷西博天文台的主要功用在研究地球的電離層、接收來自遙遠宇宙的無線電波訊號，以及使用雷達技術探索太陽系土星軌道之內的天體。幾十年來，阿雷西博天文台經歷數次升級，一直是天文學和大氣科學的研究重鎮：它擁有世界最大的電磁波接收區（也就是反射器盤）；當其他無線電望遠鏡花費數小時才能收集到足夠的電磁波訊號，阿雷西博天文台只需要幾分鐘。

發現脈衝雙星，間接證實重力波

阿雷西博天文台開始運作之後，做出的科學貢獻多不勝數。例如，1964 年天文學家彼騰吉爾（Gordon H. Pettengill, 1926 –）的團隊藉由雷達脈衝發現水星的自轉週期為 59 天，有別於原先認為的 88 天；1968 年，洛夫萊斯（Richard V.E. Lovelace）利用阿雷西博天文台，提供了蟹狀星雲脈衝星（Crab Pulsar, PSR B0531+21，自轉週期 33 毫秒）存在的確切證據，也是第一顆被確認為跟超新星殘骸有關的中子星。

1974 年，赫爾斯（Russell Alan Hulse, 1950 –）和泰勒（Joseph Hooton Taylor Jr., 1941 –）發現第一對脈衝雙星（脈衝星和中子星）系統；之後，其被用來作為廣義相對論的高精度測試——這一項發現成為廣義相對論中，重力波存在的間接證據，也是他們獲得 1993 年諾貝爾物理學獎的重要原因。

1990年，波蘭天文學家沃爾茲森（Aleksander Wolszczan, 1946–）從阿雷西博天文台發現了脈衝星PSR B1257+12，並於兩年後，發現有兩個行星（之後又找到第三個）繞行PSR B1257+12，這也是人類史上第一次發現太陽系外的行星。

除此之外，阿雷西博天文台也能拿來研究天體的地貌：1989 年 8 月，趁著小行星 4769 Castalia 經過，離地球的最近距離僅 4,029,840 公里（約地球到月球距離的 11 倍），科學家利用天文台雷達描繪出小行星 4769 Castalia 的 3D 樣貌；至今，阿雷西博天文台已經研究過數百個近地小行星（near-Earth asteroids, NEAs），除了可以分析它們撞擊地球的可能性，也能幫助我們理解太陽系的起源和演化。1994 年，阿雷西博天文台則被用來研究水星南北極隕石坑內可能存在的冰層。

阿雷西博天文台亦針對星系進行無線電波頻率的大範圍掃描，並於 2008 年發現星系阿普 220（Arp 220）中存在有機化合物分子。另外，在大氣物理學領域，它增進了我們對高層大氣，特別是電離層的認知與理解。

向宇宙發送訊息，等待外星文明回應

阿雷西博天文台的 305 公尺孔徑紀錄，雖然在 2016 年被中國的五百米口徑球面射電望遠鏡（Five-hundred-meter Aperture Spherical radio Telescope, FAST, 簡稱天眼）超越，但阿雷西博天文台的地位卻無法被取代——其中一個很大的原因是，天眼只有接收訊號的功能，沒有發射訊號的設計；而阿雷西博天文台不僅可以接收，也能發射訊號（所以具有雷達的功能）。

最有名的例子，是 1974 年，天文學家德雷克（Frank Drake, 1930–）和其他研究者——包括天文學家兼科普作家薩根（Carl Sagan, 1934 – 1996），設計了知名的阿雷西博訊息（Arecibo Message），內容包含人類的 DNA 結構，和太陽系的介紹等等，以強力的電磁波從阿雷西博天文台發送向距離地球 25000 光年的球狀星團 M13。雖然無法期待在不久的將來能收到回覆，卻是人類主動接觸外星文明的重要嘗試。

反過來說，阿雷西博天文台接收到的無線電波，也能拿來分析是否包含外星智慧文明發出的電磁訊號。於是，在早期美國國家航空暨太空總署（National Aeronautics and Space Administration, NASA）的搜尋地外智慧計畫、或者民間著名的 SETI@home 計畫^[2]，分析所用的數據，部分便來自阿雷西博天文台。

結構不穩，無可奈何的退役決定

儘管功績卓著，且有著不可替代性，阿雷西博天文台仍然面臨拆除的命運。雖然有在定期維護，但經費的短缺加上歲月的流逝和地震、颶風的侵襲，都增加了望遠鏡結構的不確定性。

首先是 2020 年 8 月 10 日，一根連結到儀器平台、安裝於 90 年代的輔助鋼纜從托座鬆開，破壞了反射器盤面邊緣的鋁板；工程師在檢查損壞狀況時，發現儀器平台的 12 根主要支撐鋼纜中，有一根鋼纜的組成鋼線存在少許損壞，但評估後認為對安全性不造成影響。怎知到了 11 月 7 日，該主要支撐鋼纜從中間斷裂，在靠近反射器盤面中心的區域撕開了大裂口——既然原本認為安全的鋼纜斷了，剩下的鋼纜是否真的安全無虞？又能支撐多久？沒有人知道。

現在，任何時刻都可能有更多鋼纜斷裂或鬆脫，一旦最壞的狀況發生，整個儀器平台將掉落到望遠鏡盤面上，或者損害附近的建物；甚至，任何想要穩定或測試鋼纜的努力都可能加速剩下鋼纜的損壞。為此，美國國家科學基金會正在研擬計畫，在可控的狀況下拆除儀器平台——這是個艱難的決定，但一切以安全為優先。

事實上，出於經濟考量，美國國家科學基金會前些年都在為阿雷西博天文台的經費苦惱：在 2017 年，美國國家科學基金會和國家航空暨太空總署一年分別提供高達 800 萬和 360 萬美元的營運費用，所費不貲；到了 2018 年，才由中佛羅里達大學（University of Central Florida, UCF）承擔阿雷西博天文台的營運，並補足美國國家科學基金會逐年縮減的天文台經費。沒想到人算不如天算，阿雷西博天文台被迫永久關閉，這無疑是科學界的一大損失。

研究暫停，無可取代的電波望遠鏡

阿雷西博天文台自 1963 年啟用以來，對天文學、大氣科學和行星科學貢獻良多；它是第一個發現系外行星的望遠鏡，也是搜尋地外文明的重要工具。它在科學教育面向深受好評，每年有十萬人到阿雷西博天文台參觀，包括許多學生；那兒不僅有天文學、高層大氣物理學的展覽，還有可以俯瞰巨大反射器盤面的觀景平台。

儘管年紀大了，但阿雷西博天文台持續升級，原本也預定在接下來數年安裝新儀器，像是將大幅提高望遠鏡靈敏度、價值 580 萬美元的天線――這一切都成為泡影。阿雷西博天文台退休後，許多研究都必須暫停，只有部分計畫得以找到替代設施，或是能夠留在天文台原址繼續進行。往後，我們只能在記錄中，緬懷這座極具歷史意義的無線電望遠鏡，令人唏噓。

註解

[1] 空軍劍橋研究實驗室於 2011 年被整併，最終演化成現今美國空軍研究實驗室（Air Force Research Laboratory）的一部份。空軍研究實驗室致力於領導航太作戰科技的發明、發展和整合，計畫空軍的科學、科技方案並執行，以及為美國空中、外太空和網際空間的部隊提供作戰能力。

[2] SETI@home，是一個通過網際網路利用個人電腦處理天文數據的分布式計算項目；其試圖通過分析無線電望遠鏡收集到的無線電信號，搜尋地外智慧生物存在的跡象。

參考資料

1. Alexandra Witze, Legendary Arecibo telescope will close forever — scientists are reeling, Nature, Nov. 19 (2020).  
2. Alexandra Witze, Arecibo telescope wins reprieve from US government, Nature, Nov. 16 (2017) 
3. Daniel Clery, Famed Arecibo telescope, on the brink of collapse, will be dismantled, Science, Nov. 19 (2020).
4. Daniel Clery, Adrian Cho, Iconic Arecibo radio telescope saved by university consortium, Science, Feb. 22 (2018).
5. Daniel Altschuler, Chris Salter, The Arecibo Observatory: Fifty astronomical years, Physics Today 66, 11, 43 (2013).
6. Paul H. Carr, Early history of Arecibo Observatory, Physics Today 67, 6, 11 (2014).
7. Telescope Description about Arecibo Observatory
8. Air Force Research Laboratory – Wikipedia
9. Arecibo Observatory – Wikipedia