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亞洲首例飛航探測──追逐颱風的卓越計劃

2011/03/21 | | 標籤:

台灣身處的西北太平洋是全世界颱風最猛烈、最頻繁的地方。為了掌控這威力驚人的天災動向,本文作者挑起大樑,主導直接以飛機對颱風空投觀測器的追風計劃,以求對颱風有更進一步的認識,規避禍害,造福世人。

作者:吳俊傑

圖一:追風計畫標誌

颱風究竟有多難懂?其實我們對於颱風生成所需的條件分析得很清楚,但卻不是很能掌握在同樣的條件之下,何以某些熱帶擾動成了颱風,另一些卻消散無蹤。我們只知道,颱風這個「非線性動力系統」就像個敏感的孩子,在生成期間,任何一點小小的擾動,都能使颱風未來的發展走向截然不同的結果。為了要掌握颱風,我們就像過度憂心的家長,不想放過任何足致左右其成長的蛛絲馬跡,雖然我們不能強迫孩子按照我們的意願成長,但只要我們對颱風這孩子的動向掌握得越精準,便越能夠因應他所帶來的恩賜與災難。這正是追風計畫的初衷。

 

追風之旅

國科會於2002年8月起3年內提供相當經費,進行由本人所主持的「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」(圖一)。

投落送

投落送追風計畫的基本概念,是將小型噴射機駛入颱風周圍4 萬3000 英尺高的地方,以「策略性觀測」(標靶觀測, targeted observation)的方法,在「敏感區域」投擲大氣探測儀「投落送」(dropwindsonde ,圖二),可在飛機上立即接收由投落送每0.5秒傳來的溫度、溼度、氣壓等數據,並立刻計算出風速,再將這些直接量測到的關鍵數據,即時傳送到世界各主要的氣象中心及其分析與模擬系統,經由繁複的電腦程式模擬、預測颱風的發展及走向。

上面這段看似簡單的敘述,背後涵蓋了多少人的心血與努力,自不待言。這是一個極具前瞻性、開創性的計畫,全球除了美國外,沒有任何國家曾經以飛機直接觀測過颱風。身為開路先鋒,追風團隊集結眾人之力披荊斬棘,我們曾遠赴美國取經,進行專業的技術研發與完備的行前訓練;我們前往日本及菲律賓,與兩國民航局往來交涉,在各國不同的民航法令限制之下,尋求可行的變通路徑;我們找到了漢翔航空的以色列IAI Astra 雙引擎噴射機,加以改裝成能乘載我們飛向颱風執行任務的專用機,還有帶領我們飛向颱風的優秀飛航教官;我們從芬蘭的氣象儀器製造公司Vaisala 購置RD93 GPSdropwindsonde,也就是追風團隊的「投落送」;我們集結國內外大氣學界及中央氣象局頂尖的大氣科學研究者和從業人員,共同投入追風研究,甚至在2008年進一步跨出台灣,與美國、日本、德國的研究人員共同追風。追風至此,已不只是與各國並駕齊驅,更走在國際颱風研究的前端。

颱風觀測

圖二:投落送示意圖

2003 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、芭瑪及盧碧等35個颱風,完成45 航次飛機偵察及投落送觀測任務,總計在颱風上空飛行239小時,並成功投擲751枚投落送。其中,如麗、辛樂克、哈格比、薔蜜等4 個侵台颱風是在2008 年「西北太平洋颱風聯合觀測實驗」(T-PARC)期間,與日、德的 Falcon 、美國的 P-3、C-130 等飛機,共同完成超過25架次國際聯合的觀測。這前所未有的觀測資料對颱風路徑預報、颱風形成、結構演變、路徑偏轉及變性等相關研究具有重大價值。

T-PARC實驗執行期間,針對辛樂克颱風總共進行9架次的飛機觀測任務,並投擲了157顆投落送。比起過去的任務,對辛樂克的觀測資料最為豐富,提供了我們深入探討重要颱風議題難得的機會。我們以配置系集卡爾曼濾波器(Ensemble Kalman Filter, EnKF)資料同化系統的WRF模式發展創新渦旋初始化技術,並進行快速更新週期的模擬與預報實驗,將上述投落送資料、微波遙測測風儀(Stepped Frequency Microwave Radiometer, SFMR)所量測的海表面風速,及所有可取得的例行性探空資料同化至模式中,進行高解析度的系集模擬。

結果顯示9月10日3時開始的路徑預報有顯著的往東偏差(圖三A),且系集分布較廣,顯示較有限的可預報度。值得特別注意的是, 11 日開始的預報掌握了辛樂克往西北方行進的路徑(圖三B),而且系集的分布相當一致,代表可預報度明顯提升。除此之外, 11 日的預報也掌握了辛樂克的強度及結構演變(圖四)。實驗結果清楚呈現了辛樂克的雙眼牆過程:外眼牆在11 日7時形成,內眼牆明顯減弱,最終消散完成眼牆置換,而新的眼牆(原本的外眼牆)內縮,風速再度增強。這一系列與觀測一致的數值實驗,可做為研究颱風雙眼牆形成機制及其他重要颱風動力議題之珍貴資料庫。進一步的動力分析正在進行中,我們深信可以對颱風預報與科學研究提供有價值的貢獻。

資料分析

在追風觀測的同時,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的電腦預測系統中,協助預測颱風路徑及分析其周圍結構,如暴風半徑(對放颱風假與否具關鍵性影響)。針對追風計畫所得資料的評估結果顯示, 2003~2008 年36 個個案之投落送資料,平均可以改進美國氣象局全球電腦模式24~72小時颱風路徑預測準確度達20%(圖五)。另一方面,投落送也首次被成功用來驗證及校正QuikSCAT 衛星遙測資料,藉此提升遙測颱風參數的可信度,結果顯示當颱風渦旋風速為中風速區(10~17.2 ms-1),QuikSCAT則會稍微低估風速值,而在高風速區(大於17.2 ms-1) 則會高估風速值;另外, QuickSCAT 在對流區會有較大的誤差。此部分的研究不僅對QuickSCAT 衛星資料誤差特性與應用有更深入了解,亦可提供未來遙測技術改進及衛星儀器設計之重要參考依據。

圖三:(A)辛樂克颱風四組實驗以9 月10 日3 時為預報起始時間的系集預報之路徑比較。深色粗線為觀測颱風路徑,淺色外框包圍粗線為系集平均路徑,淺色細線為個別系集成員的路徑。黑色叉號為預報起始時間的颱風中心位置。(B)為9 月11 日3 時的預報比較。

策略性觀測

在學術研究上,追風計畫最核心的科學議題,便是「策略性觀測」。颱風預報的基本方法,是把量測到或推算出來的種種氣象資料,輸入電腦模擬系統以計算及評估未來的發展,只要模擬系統越成熟、輸入的數值越準確,統計上就有機會模擬出越合理的結果。因此若要改進颱風預報的準確度,首要之務便是獲取即時又準確的相關數據,使初始狀態的誤差降低。而獲取的方式就是直搗黃龍,飛「近」颱風進行「原位觀測」,也就是使測量儀器直接接觸大氣來測得數據,比起衛星遙測,自然較為精確。可是,颱風的範圍如此廣大,絕不可能進行全面性的量測。美國從1997 年起就以飛機投擲投落送來觀測颱風,起初,投落送的拋投位置是隨機分布的,但在後續電腦模擬的驗證中發現,在部分區塊投落送觀測所造成的颱風初始條件改變對整個系統的後續發展影響有限,但在某些區塊中,投落送觀測所造成的颱風初始條件改變,會使整個系統產生極大的變異,甚至影響整個颱風的發展。這些位置,我們稱之為「敏感區域」。也就是說,影響颱風發展的關鍵存在於這些敏感區域裡,當我們無法量測整個颱風時,針對敏感區域探測,自然是最有效率的作法,只要能有效降低初始條件的誤差,便能延長預報準確的時間。這種具針對性、策略性的探測原則,就是「策略性觀測」。

圖五:GFS 模式模擬2003~2008 年36 個追風計畫個案每12 小時平均路徑誤差。直條圖為路徑誤差 (單位:公里),淺色為無同化投落送資料統計值,深色為有同化投落送資料統計值。折線為有同化投落送資料相對於無同化投落送資料的誤差改進率 (單位:%)。*表示該統計量有90%的信心水準,**則為95%。

標定敏感區域

大體而言,敏感區域的所在位置就在大氣系統交界之處。學理上來說,颱風的移動可能跟太平洋高壓的動向、北方有沒有槽線靠近,以及附近有沒有另一個颱風來牽動等等有關連,這些天氣系統與颱風交界重疊之處大概都很敏感,也就是颱風的整個環狀外圍,然而颱風中心本身也是天氣系統的一部分,所以中心與這些系統也會相互牽絆,導致颱風內部某些區域也相當敏感。每一個系統都會對不同的颱風造成不同的影響,所以每個颱風確切的敏感區域位置,都需要經過複雜的數學和物理計算過程推演出來,無法一概而論。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:(一)全球預報模式之深層平均系集風變異;(二)系集變換卡爾曼濾波器;(三)奇異向量。而近期研究團隊也研發出新的敏感區定義方法:颱風駛流敏感共軛向量(ADSSV,圖六),這個方法已於國際期刊發表並特別獲得引用〔註一〕,認為這是一項可以針對颱風導引氣流進行標靶計算的根本方法(圖五)。而此方法除了應用在追風計畫外,也被美國國家海洋大氣總署所屬颶風研究中心(NOAA/HRD) 的颱風觀測任務所採用。

圖六:2004 年米雷颱風在驗證時間前36 小時、24 小時與12 小時實驗700hPa 高度場之ADSSV 敏感區,方框為其對應之驗證區域,色階部分為觀測時間之700hPa 高度場(單位:公尺),CTRL實驗之颱風模擬路徑以黑線表示,實心颱風符號為觀測 時間之颱風中心位置,淺色原點表示在觀測時時間追風計畫投擲之投落送位置。

為了能進一步統合、比較針對西北太平洋颱風的標靶觀測裡,幾種主要尋找敏感區域的方法,研究團隊利用上述4種理論搭配不同動力模式〔註二〕,計算出6 種不同的敏感區域分布特徵,藉由定量上的統計方法,分析此6種結果在綜觀尺度與颱風尺度上相似與相異的程度及其動力特性,分析結果已成為標靶區域選定的重要參考指標。追風計畫已經執行了七年,除第一年的準備和訓練之外,飛行任務也持續了六年之久,與計畫相關的研究論文已陸續發表於許多國內外的學術期刊,本人並於2009 年領導美、日、韓、中等國相關科學家於美國氣象學會(AMS)的Monthly Weather Review期刊發表專刊〔註三〕,使研究成果更進一步獲得國際肯定。

結語

追風團隊無疑地是一個優秀的組織,而身為計畫主持人,肩負的壓力可想而知,不論是專業知識的運籌規劃、團隊成員的組織領導,還是單位人事的溝通協調,無一不兢兢業業、孜孜矻矻地完全投入。或許對於國家預算而言,追風計畫的經費相對來說不算非常龐大,但我們秉持著一股學術熱忱,傾盡全力地執行。期待追風的科學與應用成就,能在學術上能達百尺竿頭,於國計民生更能有實質的幫助。對我個人而言,追風計畫更是人生中相當可貴的經驗。回想起來,人生歷程中有許許多多看似不相干的事件,在每一個當下亦未體察到可能產生的影響,或許是我個人的幸運,也或許是追風計畫使我不得不窮盡所學,這些點點滴滴都成了計畫得以成功的基石。計畫裡有一群專家的專業知識及聰明才智,有領導能力與團隊合作,有精熟的外語能力和靈活的溝通技巧,更有堅持、決心、奉獻、努力與負責的胸懷,這些寶藏或許一直都在,但我能有這個機會,把這些珍貴的元素串起來,共同成就了追風計畫,則是令我感到相當驕傲與珍惜的成果。最重要的是,能夠有充分的條件,以特殊的角度實際量測颱風,並進一步驗證與修正理論,更是最令研究者感到振奮的科學實踐。

追風計畫雖只是小小的科學研究故事,希望能給有志從事科學研究的年輕學子一些激勵與期勉。我相信沒有任何一件事情是全無意義的,端賴自己是否願意多方嘗試並從中學習,在任何不同性質的工作與經驗中擷取自我成長的果實;沒有任何的成功建立於單一因素或個人的努力,越是勇於承擔挑戰、樂於奉獻,並感念他人對於自身的幫助,便越能獲取充足的能量。有責任心的人,會在一生中不斷的追求,而追求的最高境界則是自我超越,做別人沒有做過的事,也別忘了理想的初衷與身邊陪伴、鼓勵、支持自己的人們。(本文圖片皆由作者提供)

吳俊傑︰任教台灣大學大氣科學系 | 本文刊登於2010.1月號的《科學月刊》

PanSci泛科學網自3月起與《科學月刊》合作,將《科學月刊》當期以及過去42年來累積的精華科學文章帶給大家,也歡迎各位多多傳播閱讀、留言指教。

註一: Wu, C.-C., Chen, J.-H., Lin, P.-H., Chou K.-H., Targeted observations of tropical cyclones based on the adjoint-derived sensitivity steering vector, J. Atmos. Sci., vol., 64:2611-2626, 2007.
註二:Wu,C.-C., Chen, J.-H., Majumdar, S. J., and Chou, K.-H., Intercomparison of Targeted Observation Guidance for Tropical Cyclones in the North western Pacific. Mon. Wea. Rev., vol. 137:2471-2492, 2009.
註三:Special Collection on Targeted Observation, Data Assimilation, and Tropical Cyclone Predictability, http://ams.allenpress. c o m / p e r l s e r v / ? r e q u e s t = g e t – collection&coll_id=32&ct=1

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