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海上「堵」颱風:氣象浮標即時轉播颱風關鍵資料!

浮標1

台大海洋所的「海氣即時觀測浮標」。圖/取自海洋所網站

台灣每年平均會受3~4個颱風侵襲,颱風幾乎是台灣對夏天的共同記憶之一,颱風增強或減弱與海洋上層一兩百公尺厚的水溫結構相當密切,但在颱風來襲前開著研究船到海上觀測太瘋狂了,衛星遙測又只能觀測海洋表面薄薄一兩公尺,因此,台灣大學海洋研究所自力研發海上氣象浮標,記錄颱風過境時的氣象資訊。

海洋所團隊六月在鵝鑾鼻東南方海域400公里處佈置了一個「海氣即時觀測浮標」,錨碇在水深5577公尺處,蒐集氣象與水文資料,每30分鐘穩定傳輸至衛星與陸地接收站,即時顯示於台大海洋所的觀測網頁。浮標安然度過蓮花(Linfa)、昌鴻(Chan-Hom)、蘇迪勒(Soudelor)及天鵝(Goni)等颱風後,於九月初回收,預計明年再佈放一次。

專為了蒐集颱風數據,且如此高頻率的回傳氣象、海象與水下數據,「目前這可說是(世界)唯一!」海洋所所長魏慶琳說。

組圖

浮標結構與運作示意圖。水下500公尺的鋼纜掛了11個儀器,下接五千公尺長的尼龍繩則掛了5個儀器。水下儀器有「感應式傳導數據機」,不用串接電纜線,只要掛載於鋼纜便能傳數據,每分鐘記錄一筆資料、每6分鐘回傳至浮標中控系統、每30分鐘傳輸至衛星與陸地接收站。圖/魏慶琳提供、劉珈均組圖

世界各國的錨定點

「颱風是海洋和大氣交互作用。」海洋所副教授楊穎堅說,海洋上層的暖水層是預測颱風強度發展的重要數據,颱風像抽水馬達般將水往上抽,溫度大於26℃的暖水層越厚,颱風就能從中汲取越多能量。但這些熱含量資料可算是最難取得的資訊,若有即時觀測數據,便能掌握現場海洋環境,輸入數值預報模式的初始場以精進颱風預報。

世界各國的錨碇浮標多為觀測海面溫濕度、風速、風向、雨量、海表面溫度等資訊,有水下觀測的浮標集中於赤道,主要研究聖嬰現象或海洋聲學;西北太平洋為颱風好發區域,出於電力供給、水下通訊、後勤補給等技術困難,無專門觀測颱風的海氣象浮標;中央氣象局在台灣沿海佈有十幾個海上氣象浮標回傳即時海況,但觀測深度較淺,目的是監測波浪對近岸的影響。

台大海洋所的浮標主要蒐集水下溫度和鹽度資料,數據精細到小數點後第三位,並有海面氣溫、氣壓、風速、風向、日照等數據。魏慶琳說,溫度和鹽度就像海水的身分證,溫鹽圖(T-S Diagram)能描繪海水團的特性,並以此判別不同地域的海水。

海上浮標分布(2)

世界上的錨定浮標分佈點。圖/魏慶琳提供

用火車輪錨碇深海 「就像從10個101頂樓往下投空心球。」

海洋所助理教授張明輝分析過去50年西太平洋的颱風路徑圖,把海域網格化,分析颱風中心經過的熱區,因為2015年是聖嬰年,所以特別挑出過往聖嬰年的資料,再加上避開主權爭議區域、考量航程距離等條件,篩選出最後地點。

如何從海面準確地讓錨碇重物落在五千多公尺深的海底?這正是技術所在。

「海底也有高山低谷,選得不好,浮標可能就被海流拉下去了。」團隊必須事先量水深、勘查海底地形,尋找平坦之處。楊穎堅說,量測水深的方法是從船上將聲波打到海底,聲波來回時間搭配水下聲速便能算出距離;然而,海水並不是均勻液體,聲音在水下傳播速度不一,累積誤差很大,必須先放溫鹽深儀(CTD)蒐集水文資料,「花四小時只為了一筆數字──平均聲速是多少。」得到那數字就能正確算出水深。

接著再根據風向和海流流向決定船要怎麼走,並考量作業時間,船先開到上游處,再一邊行駛(五公里遠)一邊依序放下浮標、鋼纜、儀器,最後拋下錨碇重物。為何要搞得那麼複雜,船停著就好啦?楊穎堅比劃著:「船在海上停著不動是最痛苦的!會四面八方亂晃。」五千多公尺的距離實在太長了,浮標與火車輪會飄移,這些誤差距離也要事先算計。

楊穎堅形容:「這就像是從十個101頂樓往下投籃,還要投空心球!」

團隊採用的錨碇重物是──總重約2500公斤的10顆火車輪!沉重的輪子落在海底,穩住浮標和整串儀器。團隊計畫再向高雄捷運訂一批輪子,楊穎堅轉述,高捷人員曾興奮的說,原本這只能當廢鐵賣,沒想到能支持科學研究!早期他們曾用汽車引擎錨碇,不過機油會流遍甲板,油膩膩的很不方便。

六月佈放浮標的航次花了9天時間,而前期提出構想、規畫、實驗、設計等不過今年二月才開始,實驗與測試行程非常密集。過程中總有突發狀況,例如電路板突然燒掉;蓮花颱風過境時,氣象局向他們要即時資料,台大卻宣布要停電以整修電力,讓實驗室忙得人仰馬翻,從外部架設網站接收資料。

擺脫太陽能板 40顆電池就能撐一年多

颱風橫掃時的狂風暴雨壤大眾避之唯恐不及,但這海上浮標就是為了「堵」颱風。颱風過境時,海上風浪可高達十幾二十公尺,張明輝形容:「這大概像是把浮標從十幾公尺高的瀑布丟下去。」浮標被驚濤駭浪拋上拋下,承受著巨大撞擊和震動,它得以抵禦海上和颱風的嚴峻環境,端賴精密又省電的構造設計。

海象系統大致分成三個單元:氣海象資料、氣象主機、銥衛星通訊模組。技術師張宏毅在海研所工作超過30年,負責儀器設計,魏慶琳形容張宏毅是此次任務的靈魂人物,端賴他巧手設計系統,克服了海洋研究最讓人頭疼的電力問題。

「海洋研究最麻煩的就是電力!」自己設計的電路板可以免除所有不需要的部分,而為了省電,張宏毅設計了睡眠模式,一次只讓需要工作的單位醒著,其他一律休眠。「90%的電力都用在跟衛星通訊。」張宏毅說,浮標本身耗電量極少,靠40顆一號電池就能維持14個月。

作業(10)

團隊成員檢視浮標。圖/取自海洋所網站

一般海上浮標通常會裝設兩三片太陽能板供電,但太陽能板有許多缺點:受風面積大、難防鹽、水和強風,天氣不佳更可能斷電,「但壞天氣時更需要這些資料啊!」而海研所的系統耗電如此低,可免去太陽能板,整體浮標造型乾淨俐落。楊穎堅說,甚至有同行打電話詢問:「你們把太陽能板藏到哪裡了?」

浮標每30分鐘傳一次資料給銥衛星,銥衛星由66顆通訊衛星組成,通訊死角小,浮標隨時可傳輸資料(若換成其他衛星,其軌道可能一兩天才會重複經過同地點,資料只能在它經過上空時傳輸),每月傳輸費約需新台幣九萬元。規律傳輸也有「報平安」的功用,浮標並有GPS追蹤,出問題能馬上掌握,萬一有狀況就開船去追。

這樣一座浮標造價需要新台幣上千萬元,保險公司因其風險太大而不願承接──除了海上環境不佳,也有可能被有心人士破壞。魏慶琳說,「十幾年前曾發生過,我們在南海放浮標,看到GPS顯示咚咚咚跟著漁船進到越南去!」

即時顯示系統

颱風經過時,海洋水溫結構與溫濕度、氣壓變化過程(精采動態圖請點這裡)。圖/截圖自海洋所網站

為已逝學者圓夢 盼未來擴張觀測陣列

魏慶琳曾多次提到,這是為已逝的老友唐存勇圓夢,唐存勇是海洋所前副所長,推動成立中華民國海洋學會,他於美國就讀博士時的鑽研主題便是利用赤道的海上浮標研究聖嬰現象,為台灣建構一個海象氣象觀測網的構想最初便由唐存勇提出。這些是自家門口的資訊,交由外國研究不太方便,且各國災防等也需要這些數據,台灣若更清楚地掌握海洋,不僅有助防災,也能提升國際學術地位。

今年佈放浮標的試驗性質居多,九月初回收檢視後,預計明年再佈放一次,並新增海流資料和遠距遙控設定等功能,探測營養鹽、葉綠素濃度等海洋化學、生物面向也是未來的潛力研究。「明年希望能夠在兩個點放兩串浮標。」魏慶琳說:「理想狀況就是像赤道地區的浮標一樣形成一個面,布置成陣列。」不過,一串浮標就要上千萬,需要一定經費支持,研究才能長久進行。

「我們算是系統裡的小螺絲。」楊穎堅說,要正確預報颱風還需要很多螺絲,不可能靠汪洋中一串氣象浮標就大幅增進預報準確度。觀測數據首先在於了解所處環境,精進科學探索,才能逐步修正科學理論、回饋電腦數值模式預報。

颱風路徑

(左)西北太平洋過去50年的颱風路徑熱區(右)由上而下,經過浮標周圍的颱風依序為蓮花與昌鴻、蘇迪勒、天鵝。圖/魏慶琳提供、截圖自海洋所網站

成員2

六月佈放浮標的成員,左二為該航次領隊楊穎堅。圖/取自海洋所網站

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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。