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颱風預報偏了?其實我們對預報的誤解才偏很大

阿樹_96
・2016/07/10 ・3417字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

今(2016)年四月時,我應大愛人文講堂的邀請,與大眾談談關於颱風大家該需要注意的事情,希望未來在颱風季或是颱風即將侵襲台灣之前,能夠防範未然。

最初製作單位聯絡我時,是希望我聊聊氣候變遷、全球暖化對於颱風強度的影響。然而,影響颱風形成、強度的因素非常多,包括了海水與大氣的變化,無論是海、氣的狀態皆是渾沌複雜的,就算我們究其全力去量測數據,用最新最快的電腦運算,仍然無法完全了解其複雜的過程機制。

用簡單一句話來說就是,要將近年來颱風極端降雨的成因歸因於「暖化」,未免言之過早。

因此在演講錄影時,我多著重在近年來極端降雨的事件分析、颱風致災成因的探討。也從科學精神的觀點出發,告訴大眾,我們雖然無法確定這些越來越強烈的颱風是否為暖化所造成(況且暖化本身也有得吵了),但我們可以從過往的經驗,來學習應對自然的態度。大自然不好懂,但只要善用科學方法,也不至於完全捉摸不透。

演講的部分有待節目播出後再來分享。但這次講演後有件令我驚豔的事,製作單位將我的演講重新梳理後,剪出了三分鐘的小片段,竟也說明了對於颱風,專家與民眾的知識鴻溝。有很多誤會導致人們經常懷疑:颱風是不是總是無法準確預報?是不是國內的預報技術太差?

「颱風先生!How tall are you?」演講的三分鐘剪輯版

科學的事當然交給科學解決,我們就從科學面來解析這件事!

氣象預報的誤差要怎麼比?

大氣科學的不確定性很多,但用學理加上統計可以抓出個大概,所以很多時候我們利用經驗、統計、計算的方式來預測天氣的變化。但這總是會產生一個誤會:既然能預報,那麼「準確」不就是基本要求了嗎?難道不能要求嗎?

這個問題在我過往幾篇文章中早已提過,好像也提到快爛了:

颱風耍任性?我真是猜不透你啊!

比較完誰的天氣預報準,然後呢?

或許有些人看過這兩篇長文或是論點,還是會覺得,氣象學家說「預報也會有誤差」、「預報也有極限」是為自己開脫之詞。那麼我們就來談論一下所謂的「誤差」要怎麼比較?

1.若真要比,沒有在比「單次」誤差

2.颱風路徑偏差的因素因颱風而異,而有些因素是難以預估的(如太平洋高壓增強或減弱)

3.颱風會「乖乖依電腦模擬的路徑行進」機率微乎其微

4.就算只偏了一點(小於 50 公里),也有可能因地形或颱風強度變化,而使災損預估差很多

以第 1 點來看,下圖就可以解釋了:

平均誤差
台灣中央氣象局、日本氣象廳(JMA)和美國聯合颱風警報中心(JTWC)在2004~2008年及莫拉克颱風路徑預報平均誤差(單位:公里)。圖/葉天降等(2010),〈莫拉克颱風路徑與降雨作業預報校驗〉,《大氣科學》。

雖然資料中多半是台灣的中央氣象局誤差較小,但這也告訴我們,每個氣象單位預報的誤差時高時低是正常的現象,而若真要檢討「氣象報得準不準?」,我想利用年度統計或是把所有的數據攤開來看,多少也比較客觀吧?

我就是覺得報不準,難道單次預報不準就可以容忍嗎?

個人覺得用單次的預報誤差來討論誰比較沒有太大的意義,因為如果是各國預報的誤差不相上下時,拿單次的紀錄來比,就像比較球賽戰績實力接近的兩隊誰比較強一樣,就算比得出高下,也無法用單一場比賽將兩隊的實力量化。但實際上如果有一定的落差,或是大家得分都不夠時,球評總是會有一些因素可以探討。同樣的在氣象預報上也是可以這樣討論的,譬如前面提到關於誤差比較的第 2 到第 4 點,都是值得討論深思的地方。

尼伯特
2016年7月5日各國氣象單位對尼伯特颱風路徑的預報結果。圖/徐理寰(2016),〈颱風路徑預報為何百家爭鳴?〉,颱洪科普網

以今年 1 號颱風尼伯特為例,各國從颱風形成到侵台期間的預報,皆不斷向南修正,或許有些單位修正得較早,而有些稍晚,主要原因在於對「太平洋高壓」的判斷。除了受科氏力影響會使颱風在行進過程逐漸偏移,太平洋高壓的勢力也是另一項重要因素——它的勢力強就晚點轉向,勢力減弱就提前偏移。

辛在勤
圖/截取自中央氣象局局長辛在勤臉書

話說回來,講起來是很容易,把太平洋高壓弄懂就好了!但做起來呢?從上圖中央氣象局局長辛在勤提供的各國預測路徑可以發現,對於颱風轉向時機的判斷決定了路徑誤差,由於台灣處於高壓邊緣、颱風經常開始往北轉向的地區,自然多了那麼一分不確定性。

至於過往的準確預報是怎麼來的呢?預報員的「經驗」便是一個重要的因素,但它仍是不確定因素,就像柯瑞也不是每次關鍵時刻都會進一球三分絕殺一般,或許人員上會有經驗與傳承的問題,不容置疑的是,如果因為這樣的原因而沒有抓準颱風從哪兒敲門登陸,難免需要更加留意並記取教訓。然而會用上所謂的「經驗」來分析數據,也代表著這些手段目前還難以用科學方式補強,也代表著我們對於大氣科學還有許多未知之處,不是嗎?

颱風誤報會有「狼來了」效應?

前些日子我針對「地震預測」寫了篇文章,說明若是經常不準的地震預測,在寧可信其有的前提下可能會有「狼來了」效應。近來也看到有人把這樣的論述套用在颱風的天氣預報上,但這卻是兩碼子事,畢竟天氣預報就算有誤差,也不至於有誤報地震般的差距。在台北感受不到颱風威力,並非錯估了颱風的強度或是完全預報失準,而是路徑與強度的些微差異,會使風力、降雨的趨勢需要大輻修正。但,尼伯特颱風真有差到誤差範圍之外嗎?

路徑
中央氣象局預測尼伯特颱風70%可能路徑與實際路徑對照圖。圖/中央氣象局圖片加修改而成。

因為就是不易把路徑估準,所以才會有所謂的「70%可能路徑」的預報,當然這也不是隨隨便便畫出來,更不是台灣人自己發明的技術(見下圖)。如果把實際路徑與預估的範圍來比對,其實並沒有偏到哪去,不是嗎?

美國
美國珊迪颶風預測路徑潛勢。圖/取自NOAA

那麼為何風雨差如此大?我們再用張雷達回波圖來看,雷達回波顯示的是空氣中的水氣或水滴的分布,一般來說會比衛星雲圖還接近實際降雨的情形(只是接近非等於)。可以發現若颱風路徑向北一點,台北就會首當其衝,而台東就反而受到所謂「護國神山」的庇佑了……(其實個人也討厭神山一詞,因為它就是個影響參數,沒必要特別神化了)

蘇迪勒尼伯特
兩次颱風(2015年蘇迪勒和2016年尼伯特)的雷達回波比較。圖/截取自中央氣象局。

在理解天氣預報之前,比較誰準誰不準沒有意義,當然,比較哪條路徑好也對大氣科學的進步毫無幫助。我也可以理解大家都「希望氣象預報準一點」,不過這還有待科技的發展,也需要讓民眾理解氣象預報的真正意涵。所以到了最後,還是要總結一下文章最前面大愛講堂幫我剪輯的重要結論(自己再偷潤飾):

 如果我們只為了某一條颱風路徑作準備,當它有偏移時,我們的準備就不足了。但如果我們放大可容許的誤差範圍,譬如就算偏了50公里我們還有所準備,就不需要害怕它的飄忽不定了!

多學一點就少擔心一點,多做一點就少損失一點!

 

想知道更多關於地球大小事,可來參觀作者的部落格:地球故事書

相關新聞:

延伸閱讀:

參考資料:

  • 葉天降等,〈莫拉克颱風路徑與降雨作業預報校驗〉。《大氣科學》,38卷2期,85~98頁,2010年。
  • 徐理寰,〈颱風路徑預報為何百家爭鳴?〉,颱洪科普網,國家實驗研究院台灣颱風洪水研究中心,2016年7月6日。

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阿樹_96
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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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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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