海燕颱風為什麼這麼強？

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？

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？）。

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。

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。

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？

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。

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。

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。

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？

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。

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大自然的驚人威力又再增添一起紀錄：菲律賓中部在2013年11月初遭到超級颱風海燕(Typhoon Haiyan)侵襲，受創最慘重的城市更是完全被颱風帶來的風暴潮(storm surge)夷平，災後宛如南亞與日本海嘯肆虐慘況重現。不過為什麼海燕颱風強度會這麼強？甚至創下衛星觀測時代以來的最強颱風紀錄，有哪些氣候條件讓它成為「魔鬼颱風」？。

熱帶氣候研究專家麥克諾迪(Brian McNoldy)11月14日在《華盛頓郵報》氣象專欄中表示，根據美國現行使用來區別颶風強度的薩費依-辛普森颶風等級(Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale, SSHS)，海燕颱風能列入最強的第五級。利用紅外線衛星雲圖觀測海燕，可以看見海燕颱風眼周遭的雲層相當明亮，代表該處的雲層頂端溫度相當低，也就是說雲頂高度相當高，表示颱風中心有紮實且高聳的雲層。

麥可諾迪推測，導致海燕如此強烈的原因，在於對流層頂(tropopause)的高度。所有的天氣現象都發生在大氣最下層的對流層(troposphere )中，颱風此類熱帶氣旋也不例外。我們可以把熱帶氣旋視為一種熱量的傳輸引擎，藉由把熱量從溫暖的海面傳遞至寒冷的對流層頂獲得能量。

當海面與對流層頂的溫度差越大時，就越有助於颱風強度的發展。而在西太平洋熱帶地區的對流層頂相當高，而且溫度很低，讓西太平洋的颱風在發展條件上就更具優勢。

除此之外，海燕也因為其他因素的配合，匯集了幾乎所有颱風發展的正向條件。第一，海燕形成在開放的海域上，讓它能肆無忌憚地擴展其暴風圈，發展出幾乎完美對稱的颱風中心，並利於獲得海面的水氣。

第二，海水表面溫度非常暖和，達到攝氏30度左右。重要的是，溫暖海水的分布也相當深，即便強風攪動海水，仍會有源源不絕的溫暖海水湧升遞補，增強颱風。與此相反，若是冷水湧升則會削弱颱風。

第三，颱風生成時的垂直風切(wind shear)相當小。垂直風切指的是高空和低空風的速度方向差異。垂直風切大時會撕裂發展中的颱風，讓其強度減弱。大西洋因為旺盛西風造成的垂直風切，讓颶風強度很少如太平洋這麼強烈，颶風季也較晚開始。

海燕最致命的一點是，當它挾帶著可怖的扎實雲系抵達菲律賓的時候，強度正好達到顛峰，加上災區不到一個月前曾發生芮氏規模7.2的地震，鬆軟的土石加劇了土石流的嚴重程度。此外，海燕快速的移動速度，雖然減少了風暴肆虐時間，但也代表菲律賓的防災準備更為倉促。

這次台灣在北方逃過一劫，但是未來西太平洋必定會再出現與海燕強度不相上下的魔鬼颱風，而且隨著氣候變遷，魔鬼颱風恐怕只會有增無減，台灣遲早會面對它的強風暴雨。問題是，台灣準備好了嗎？（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2013年11月）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會–科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

延伸學習：

• 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

大自然的驚人威力又再增添一起紀錄：菲律賓中部在2013年11月初遭到超級颱風海燕(Typhoon Haiyan)侵襲，受創最慘重的城市更是完全被颱風帶來的風暴潮(storm surge)夷平，災後宛如南亞與日本海嘯肆虐慘況重現。不過為什麼海燕颱風強度會這麼強？甚至創下衛星觀測時代以來的最強颱風紀錄，有哪些氣候條件讓它成為「魔鬼颱風」？。

熱帶氣候研究專家麥克諾迪(Brian McNoldy)11月14日在《華盛頓郵報》氣象專欄中表示，根據美國現行使用來區別颶風強度的薩費依-辛普森颶風等級(Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale, SSHS)，海燕颱風能列入最強的第五級。利用紅外線衛星雲圖觀測海燕，可以看見海燕颱風眼周遭的雲層相當明亮，代表該處的雲層頂端溫度相當低，也就是說雲頂高度相當高，表示颱風中心有紮實且高聳的雲層。

麥可諾迪推測，導致海燕如此強烈的原因，在於對流層頂(tropopause)的高度。所有的天氣現象都發生在大氣最下層的對流層(troposphere )中，颱風此類熱帶氣旋也不例外。我們可以把熱帶氣旋視為一種熱量的傳輸引擎，藉由把熱量從溫暖的海面傳遞至寒冷的對流層頂獲得能量。

當海面與對流層頂的溫度差越大時，就越有助於颱風強度的發展。而在西太平洋熱帶地區的對流層頂相當高，而且溫度很低，讓西太平洋的颱風在發展條件上就更具優勢。

除此之外，海燕也因為其他因素的配合，匯集了幾乎所有颱風發展的正向條件。第一，海燕形成在開放的海域上，讓它能肆無忌憚地擴展其暴風圈，發展出幾乎完美對稱的颱風中心，並利於獲得海面的水氣。

第二，海水表面溫度非常暖和，達到攝氏30度左右。重要的是，溫暖海水的分布也相當深，即便強風攪動海水，仍會有源源不絕的溫暖海水湧升遞補，增強颱風。與此相反，若是冷水湧升則會削弱颱風。

第三，颱風生成時的垂直風切(wind shear)相當小。垂直風切指的是高空和低空風的速度方向差異。垂直風切大時會撕裂發展中的颱風，讓其強度減弱。大西洋因為旺盛西風造成的垂直風切，讓颶風強度很少如太平洋這麼強烈，颶風季也較晚開始。

海燕最致命的一點是，當它挾帶著可怖的扎實雲系抵達菲律賓的時候，強度正好達到顛峰，加上災區不到一個月前曾發生芮氏規模7.2的地震，鬆軟的土石加劇了土石流的嚴重程度。此外，海燕快速的移動速度，雖然減少了風暴肆虐時間，但也代表菲律賓的防災準備更為倉促。

這次台灣在北方逃過一劫，但是未來西太平洋必定會再出現與海燕強度不相上下的魔鬼颱風，而且隨著氣候變遷，魔鬼颱風恐怕只會有增無減，台灣遲早會面對它的強風暴雨。問題是，台灣準備好了嗎？（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2013年11月）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

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延伸學習：

文／黃正中 研究員、丘政倫 博士｜國家太空中心

幾千年來，航海者觀察著星星來確定他們在海上的位置，這種「看到而知之」的概念，也被運用在人造衛星的「恆星追蹤儀」上，用來確認所在位置與控制人造衛星的姿態，因此也被稱為「人造衛星的眼睛」。

人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀

恆星追蹤儀，又稱星象儀，是人造衛星的關鍵元件，工程師們利用恆星追蹤儀所記錄宇宙中的星光比對恆星（如下圖），參考地球自轉速率，以及人造衛星飛行的慣性，經過演算，可以判斷目前人造衛星飛行的位置和姿態。

在宇宙中任何兩顆明亮的星星，星星之間的角度、間隔都是獨特的，沒有一對間隔完全相同的明亮的恆星。恆星追蹤儀使用分離角度來識別相機所指向的恆星，利用這些信息，人造衛星可以演算出在太空中的相對位置。

但是，約莫二十年前的發射的福衛一號，其實並沒有裝上恆星追蹤儀喔！這沒有眼睛的人造衛星到底是怎麼一回事呢？

沒有眼睛的福爾摩沙衛星一號

國家太空中心所研製的福爾摩沙衛星一號，在研發階段時，恆星追蹤儀尚未成為標準元件，而是使用慣性導航系統（inertial navigation systems, INS），慣性導航系統所選擇的引導星取決於地球自轉的時間和目標的位置，利用加速計和陀螺儀測量物體的加速度和角速度，估算連續運動物體位置、姿態和速度。慣性導航系統的優勢在於給定了初始條件後，不需要外部參考外部資訊 (例如恆星資料庫)，就可確定當前位置、方向及速度，然而，隨著遙測衛星的照相的需求，對於地理位置判斷，姿態控制的精確度已經跟不上任務需求。

因此，後續發展的福爾摩沙二號衛星，便使用了「恆星追蹤儀」，以參考恆星資料庫與相對角度的方法，大幅提高了姿態控制的姿態控制精確度。當時的「恆星追蹤儀」是外購衛星元件，然而從福爾摩沙八號衛星開始，我國衛星採用自主研發成功的恆星追蹤儀，成為我國衛星姿態控制的標準配備。

恆星追蹤儀的結構

恆星追蹤儀是光學裝置，若使用光電池作為主要偵測器，準確度比較低；偵測器若使用照相機則靈敏度較高，可以獲得相對比較好的解析度；恆星追蹤儀主要的配置包括遮光罩、鏡頭、影像感測器（CCD 或 CMOS）、驅動控制器、處理器、軟體、電源供應以及介面。

目前天文學家已經精確測量了許多恆星位置，並記錄在恆星資料庫中，因此人造衛星可以用來比對恆星資料庫，經由偵測器獲取鏡頭視野中恆星分布的圖像，經由演算法可以測量人造衛星在參考座標中的所在位置，用以確定衛星飛行的方向或姿態。

恆星追蹤儀的發展

恆星追蹤儀經過廿年來的發展，市面上已經出現許多高靈敏度的恆星追蹤儀型號，具有過濾錯誤光源的功能，例如人造衛星表面反射的陽光或人造衛星推進器產生的廢氣羽流，以排除陽光反射或恆星追蹤儀窗口受到污染等干擾。除了各種誤差源，新型的恆星追蹤儀能修正包括球差、色差，以及低空間頻率、高空間頻率、時間等的各種誤差。

恆星追蹤儀的識別機制

一般恆星追蹤儀的識別算法，主要利用宇宙中共有約 57 個常用的明亮導航星星；但是，對於更複雜的任務，則需要更多數量的恆星數據庫以確定人造衛星的方向；通常高精度姿態需要數千顆恆星的目錄以確保全天各角落都有足夠星數落在視野內可供辨識，比對並過濾以去除有問題的光點，例如大尺度的星際變化，顏色指數不確定性，或在資料庫中的位置顯示不可靠的情況。這些類型的恆星目錄經演算法最佳化後，即儲存為衛星上的機載恆星資料庫。

恆星追蹤儀發展恆星識別算法，還要注意很多潛在的混淆源，例如行星，彗星，超新星等相鄰天體；除此之外，太空中鄰近的人造衛星，地球上大城市的燈源或光污染等光點，則需要擴散函數的雙峰特徵加以排除。

商用恆星追蹤儀

近年來商用恆星追蹤儀如雨後春筍，相繼出現在大型航太展；看到了立方衛星的商機，恆星追蹤儀也出現微小化，麻雀雖小卻五臟俱全，誤差精度已表現不俗，可以裝置在衛星上。

國家太空中心恆星追蹤儀研發

近幾年來國際上許多單位相繼投入恆星追蹤儀的研發，包括我國的國家太空中心將恆星追蹤儀列為前瞻關鍵研發項目，並已掌握跨領域整合之關鍵技術，取得不錯的研發成果，國產恆星追蹤儀將會應用在福爾摩沙八號衛星。

參考資料

1. 國家太空中心網站 
2. 恆星追蹤儀維基網站
3. NASA 網站

大自然的驚人威力又再增添一起紀錄：菲律賓中部在2013年11月初遭到超級颱風海燕(Typhoon Haiyan)侵襲，受創最慘重的城市更是完全被颱風帶來的風暴潮(storm surge)夷平，災後宛如南亞與日本海嘯肆虐慘況重現。不過為什麼海燕颱風強度會這麼強？甚至創下衛星觀測時代以來的最強颱風紀錄，有哪些氣候條件讓它成為「魔鬼颱風」？。

熱帶氣候研究專家麥克諾迪(Brian McNoldy)11月14日在《華盛頓郵報》氣象專欄中表示，根據美國現行使用來區別颶風強度的薩費依-辛普森颶風等級(Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale, SSHS)，海燕颱風能列入最強的第五級。利用紅外線衛星雲圖觀測海燕，可以看見海燕颱風眼周遭的雲層相當明亮，代表該處的雲層頂端溫度相當低，也就是說雲頂高度相當高，表示颱風中心有紮實且高聳的雲層。

麥可諾迪推測，導致海燕如此強烈的原因，在於對流層頂(tropopause)的高度。所有的天氣現象都發生在大氣最下層的對流層(troposphere )中，颱風此類熱帶氣旋也不例外。我們可以把熱帶氣旋視為一種熱量的傳輸引擎，藉由把熱量從溫暖的海面傳遞至寒冷的對流層頂獲得能量。

當海面與對流層頂的溫度差越大時，就越有助於颱風強度的發展。而在西太平洋熱帶地區的對流層頂相當高，而且溫度很低，讓西太平洋的颱風在發展條件上就更具優勢。

除此之外，海燕也因為其他因素的配合，匯集了幾乎所有颱風發展的正向條件。第一，海燕形成在開放的海域上，讓它能肆無忌憚地擴展其暴風圈，發展出幾乎完美對稱的颱風中心，並利於獲得海面的水氣。

第二，海水表面溫度非常暖和，達到攝氏30度左右。重要的是，溫暖海水的分布也相當深，即便強風攪動海水，仍會有源源不絕的溫暖海水湧升遞補，增強颱風。與此相反，若是冷水湧升則會削弱颱風。

第三，颱風生成時的垂直風切(wind shear)相當小。垂直風切指的是高空和低空風的速度方向差異。垂直風切大時會撕裂發展中的颱風，讓其強度減弱。大西洋因為旺盛西風造成的垂直風切，讓颶風強度很少如太平洋這麼強烈，颶風季也較晚開始。

海燕最致命的一點是，當它挾帶著可怖的扎實雲系抵達菲律賓的時候，強度正好達到顛峰，加上災區不到一個月前曾發生芮氏規模7.2的地震，鬆軟的土石加劇了土石流的嚴重程度。此外，海燕快速的移動速度，雖然減少了風暴肆虐時間，但也代表菲律賓的防災準備更為倉促。

這次台灣在北方逃過一劫，但是未來西太平洋必定會再出現與海燕強度不相上下的魔鬼颱風，而且隨著氣候變遷，魔鬼颱風恐怕只會有增無減，台灣遲早會面對它的強風暴雨。問題是，台灣準備好了嗎？（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2013年11月）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

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