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航向颱風之眼:飛機觀測追風計畫—《科學月刊》

科學月刊_96
・2016/09/25 ・4464字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

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文/黃椿喜|中央氣象局氣象預報中心課長。

2003 年 9 月 1 日起,臺灣啟動了飛機觀測颱風的追風計畫,改裝過的 ASTRA 噴射客機航向杜鵑颱風 42000 英呎上的高空翱翔,數小時的任務內拋投了 14 顆投落送觀測,颱風內部資料透過衛星傳送到了氣象局的預報中心,預報員自螢幕上終於見到了真實的颱風結構,也終於我們每年都驕傲的見證西北太平洋上唯一經常性觀測之飛機,巡航在颱風上空不斷蒐集著關鍵的資料⋯⋯。

從二戰航向近代的飛機觀測

以飛機觀測熱帶氣旋的紀錄始於 1943 年。二次世界大戰期間,美國空軍中校達克沃斯(Joseph P. Duckworth)首先於 1943 年 7 月 27 日駕駛 AT-3 單引擎教練飛機穿越墨西哥灣附近的颶風中心,後安全返回基地,創下歷史上首次以飛機偵查並穿越颶風的紀錄。重大天然災害經常使政府投入資源進行研究,1954 年美國遭受到非常嚴重的颶風侵襲,颶風卡羅爾(Carol)、愛得納(Edna)及黑茲爾(Hazel)先後橫掃美國東部各州,導致將近 200 人死亡以及難以計數的損失。很不幸的,接下來的 1955 年災害並沒有因此緩和,北卡羅萊納州再度遭受 3 個颶風侵襲。美國國會於是決心撥款補助美國氣象局進行國家級的颶風研究專案計畫,從 1956 開始進行常態性的颶風飛行作業,這是世界上最早的官方例行性飛機觀測熱帶氣旋的作業。剛開始由於儀器限制、資料紀錄、處理方法及傳輸技術尚不成熟,造成分析上的困難,但經過數十年的改良及進步,加上投落送與機載雷達系統的應用,整體研究有非常大的進步。

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漢翔航空之 ASTRA 噴射機及追風計畫登機人員。 圖/中央氣象局提供

1960 年代起,美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)與國防部開始企圖以人工改造熱帶氣旋結構,進而改變其路徑,降低其對美國的影響。於是他們在 70 年代中期 NOAA 添購 2 架 WP-3D(P3)偵察機支援熱帶氣旋改造計畫,在此同時也針對熱帶氣旋發展之動力過程及其結構進行科學研究,並持續監測熱帶氣旋之生成、移動及強度作為其防災應變之參考。由於人工改造熱帶氣旋計劃評估之效果有限,且具政治上的敏感性,這個計畫最終在 1983 年停止,之後的觀測任務就更專注在熱帶氣旋的結構與環境的交互作用,以提高颱風路徑及強度之預報能力為主要目標。

60 年代人造衛星升空運作是氣象觀測史上的里程碑,其後衛星觀測很快就涵蓋了整個地球。飛機觀測熱帶氣旋生成、位置及強度之監測功能也逐漸被衛星所取代,尤其是德沃夏克(Dvorak)在 1980 年代利用衛星觀測資料與飛機觀測數據比較後,發展衛星估計熱帶氣旋強度及位置方法,直到現在仍是各國估計颱風強度的基本方法。美國海軍也因此自 1987 年起正式停止西北太平洋的颱風飛機觀測計畫,但影響美國本土的東太平洋及大西洋的飛機觀測計畫則仍持續至今。

美軍在西太平洋的觀測任務停止以後,我國對監測及預報只能依賴衛星、少數的島嶼、船舶或雷達等有限的資料,對於颱風內部的結構特徵、強度演變等則缺乏精密的實測數據,常造成過大的誤差及預報之不確定性。尤其因為我國位於西北太平洋的颱風移動的主要路徑,每年平均受3 至4 個颱風侵襲,因此衝擊相當大。1990 年以後,颱風持續威脅臺灣,楊希(1990)、奈特(1991)、道格(1994)、賀伯(1996)、溫妮(1997)、瑞伯(1998)、碧利斯(2000)、桃芝(2001)、納莉(2001)等颱風陸續造成重大的傷亡,學界及氣象局於是更積極推動加強颱風之監測,並致力於改善其預報能力。終於在 2002 起國科會決定以經費支持,於是臺灣大學吳俊傑、林博雄教授以及時任氣象局預報中心葉天降主任(現為氣象局副局長)得以規劃重新啟動西北太平洋地區的飛機觀測計畫,並在 2003年第一次執行了杜鵑颱風的任務,這是自 1987 年美軍停止作業以來,再度有飛機在西北太平洋例行性的觀測颱風。

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圖/科學月刊提供

現代飛機觀測常用的機型:低空穿越飛行(通常是螺旋槳機型改裝)之 NOAA P-3、AFC-130、NRL P-3,以及高空偵察飛行(通常是小型噴射客機改裝)之 G-IV、NASA DC-8、DLR Falcon、Canadian Convair、NASA ER-2 及臺灣的 ASTRA。

歷史上的特殊事件

在超過 70 年飛機觀測熱帶氣旋的歷史上,美國海、空軍曾經發生過 6 次失事事件,機上總共有 53 人全數罹難,失事事件都發生於早期 1945 至 1974 年間,主要是當時對颱風的認識不足,且舊型飛機性能較差所導致。這些事件有3件發生在西北太平洋,2事件在南海,另有1 事件是在大西洋。

有一個藉颱風觀測失事隱藏真實原因的特別的案例,這是發生在二戰後的美蘇冷戰期間。1956 年 9 月 10 日,美國空軍宣稱其 RB-50G 型超級堡壘轟炸機飛到日本海觀測艾瑪颱風時失事,而實際上這架飛機並非是「狩獵颱風」的機型,且失事當時並沒有颱風影響該地區。

近代另一個重要的事件則是發生於 1989年 9月 15日,當時 NOAA  派了 2 架 WP-3D 飛機針對胡古(Hugo)颶風同步進行高、低層之穿越飛行研究,一架飛約在 5~6 公里高度,另一架則飛在 450 公尺高度。當低空飛機以 450 公尺的高度穿越胡古颶風的眼牆時,遭遇劇烈亂流襲擊而導致一具引擎故障,加上事先沒預測到胡古颶風快速增強至 938 hPa 的過程,因此進入颶風眼時僅剩下 270 公尺高度,飛行員瞬間意識到飛機幾乎要被波濤洶湧且狂風怒號的危險海面所吞噬,周圍甚至還到處有旺盛的積雲風暴。好不容易在恢復控制後,飛行員才緩慢沿著颱風眼內風雨較小處逐漸盤旋而提升高度,上升達到 2200 公尺後才由颶風東北側較弱的眼牆對流區域突破,進而安全飛出颶風中心返回基地。

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點擊看大圖。圖/科學月刊提供

追風常用的機型及搭載的觀測儀器

一般來說,飛機觀測通常可以分為2 類,一種是飛在中低對流層約 3~5 公里的高度,直接進入颱風眼區的穿越飛行,例如 P3、C130 等。另外一種則是飛在對流層頂約 13 公里高度,針對颱風周圍環境的偵察飛行,如美國的 Gulfstream IV-SP 或追風計畫使用的 Astra 噴射機。另外,近年來也常使用無人飛機進行偵查,如臺灣地區以研究為目的使用的小型遙控飛機 aerosonde,或美國最新的大型無人飛機全球之鷹(Global Hawk)系列。

1. 低空穿越飛行
用以穿越飛行的機型通常是螺旋槳機型的大型飛機改裝,目前美國進行穿越飛行的主力機型為 WP-3 及 C130J。這類的飛機通常搭配先進的都卜勒機載雷達,可對颱風的風場及降雨進行掃描。一般來說,單一顆都卜勒雷達只能掃描相對於雷達接近或遠離的風,如果有 2 顆都卜勒雷達就可以得到颱風完整的水平風場。但要同時出動 2 架飛機的機率不高,而如果颱風在短時間的變化不大,就可以利用同一架飛機在 2 個時間、不同位置的雷達掃描模擬 2 顆雷達進而估算水平風場。為了這樣的效果,這些飛機通常以 X 字型、4 字型或蝴蝶型的飛行路徑穿越颱風中心數次,一般會飛在 700hPa(約 3 公里),同時搭配投落送等儀器進行觀測。

2. 高空偵察飛行
現代常用來偵查颱風的通常是小型噴射機,例如美國的灣流(Gulf Stream)、臺灣漢翔航空的 ASTRA、德國的 Falcon 等,這類飛機機體較小,穩定度也較低,因此不適合直接穿越颱風中心。所以一般飛在颱風上空約 40000 英尺(約 12 公里)高度,對颱風暴風圈或環境場進行偵察飛行,以拋投投落送取得垂直的溫、濕度及風場結構。

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2003 ~ 2015 年飛機觀測之颱風路徑,圖上數字為 2003 年起算之觀測任務編號及當時的颱風中心位置。圖/文化大學周昆炫教授提供

3. GPS 投落送(GPS Dropsonde):
飛機投落送的結構如上圖,由筒狀紙捲包覆,裡面搭載拖曳降落傘、溫溼度感測器、氣壓感應器、電池、GPS 接收器、天線及無線傳輸器。而專門進行觀測的飛機須經特殊改裝並通過飛航認證的投落送拋投裝置,機上人員以每 10~20 分鐘間距投擲投落送。投落送離開飛機後會張開自動降落傘,由飛行高度逐漸降落到海表面,期間每秒會收集一次大氣的溫度、濕度。機上有天線接收投落送訊號,依據 GPS 及氣壓知道投落送的位置、降落速度和風速,機上的觀測員則以國際標準資料格式進行資料解碼並重新編碼,再透過衛星電話傳輸到地面接收站。

西北太平洋的飛機觀測

西北太平洋地區自 1987 年美軍停止飛機觀測颱風以後,中間有 17 年的觀測空窗期。之後才由國科會(現改組為科技部)在 2002 年同意支應「追風計畫」的研究經費。歷經1 年多的準備及測試,漢翔航空的 ASTRA 噴射機終於在 2003 年 9 月 1 日 12 時 30 分準時起飛至杜鵑颱風上空成功投擲 14 顆投落送觀測資料,並將資料即時傳輸到氣象局預報中心使用,這是西北太平洋自美軍停止颱風飛機觀測以來,再度見到飛機經常性航向颱風上空蒐集資料。這些資料創造了非常豐碩的科學研究成果外,也支援氣象預報作業使用,是氣象局預報作業上的重點觀測計畫。

由於飛行時機通常在颱風轉向或警報發布前後,因此這些資料常是預報的重要參考。例如 2015 年 8 月的蘇迪勒颱風就是依據 8 月6 日的連續 2 次觀測而將暴風半徑由 250 公里 2 度擴大至 300 公里,扮演預報的重要關鍵,並間接降低了難以預期的災難。目前追風計畫已經連續執行了 13 年,仍是西北太平洋上唯一常態性作業的飛機觀測計畫。期間總共針對 60 個颱風,執行 76 航次,並成功投擲超過 1000 個投落送觀測資料。另一方面,這些觀測資料也會進入超級電腦的分析系統,整合最新的地面、高空、衛星、雷達等多種觀測資料,再針對颱風優化後產生精準的大氣初始狀態,最後以數值天氣預報模式進行積分而計算未來天氣的變化。依據氣象局內部評估結果,採用飛機觀測資料後可以改善颱風路徑預報 5~7% 的誤差。與此同時,觀測資料也會即時送到美國的氣象資料接收系統,並傳送給世界各國的氣象單位,進一步改善各國數值天氣預報的模式,氣象局也會共享這些產品以進行最新的颱風預報。

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2015 年蘇迪勒颱風之衛星雲圖、颱風路徑、飛機觀測之飛行路徑及 925 hPa (約 1 公里高度)之觀測風場。圖/中央氣象局提供

跨國聯合實驗計畫

追風計畫執行期間,曾有 2 場很重要的聯合觀測計畫。第一次是 2008 年 8、9 月期間的亞太區域大型聯合觀測實驗計畫。此次聯合臺灣、美國、日本、德國、南韓、中國大陸等科學家共同參與,也是首次同時使用 4架飛機的聯合觀測實驗,包括我國的 ASTRA、美國的 C-130 和 P-3、以及日德合作的 Falcon。T-PARC 主要想解決西北太平洋颱風從生成過程、強度發展、結構演變、路徑轉折到溫帶變性及消散的科學與預報議題,而進行颱風生命期的完整觀測資料蒐集,改善颱風可預報度問題。期間總共對如麗、辛樂克、哈格比與薔蜜等 4 個颱風進行聯合觀測,尤其對辛樂克和薔蜜颱風更是蒐集到後續溫帶變性過程的完整生命期資料。

另一個重要的國際聯合觀測任務則是 2010 年 8 至 10月的颱風與海洋交互作用觀測實驗(ITOP),這個任務主要的議題包括海洋與大氣的交互作用、海洋冷暖渦漩對颱風強度的影響、颱風引起的海沫和波浪變化等,相較於 T-PARC 實驗更多了海洋影響颱風的探討。這次除 ASTRA 和 C-130 針對大氣部分的觀測外,另有大量錨定浮標佈署量測海洋的駐要參數,並搭配海洋研究船舶蒐集洋面資料。ITOP 實驗期間總共對凡那比和梅姬兩個颱風執行聯合觀測任務。


封面

 

本文選自《科學月刊》2016 年 4 月號

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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

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參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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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!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

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。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

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。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

參考文獻

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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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沒有颱風的七月!颱風為何銷聲匿跡?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2020/09/11 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

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〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

  • 賈新興/臺灣大學大氣科學系博士,前中央氣象局長期預報課課長,現職為天氣風險管理公司總監。

夏季是颱風出現的季節,往年的 7 月平均會有 3~4 個颱風生成。但今(2020)年 7 月卻罕見地無颱風生成,主要原因是季風槽受太平洋高壓,以及較大的垂直風切所導致。

夏天是颱風的好發季節。圖:Pexels

颱風消失了?生成條件大盤點

每年的 7 月是颱風開始活躍的月份,平均而言,7 月都有 3~4 個颱風生成,從 1951 年以來的颱風生成資料顯示,歷年 7 月最少都有 1 個颱風生成,最多則有 8 個颱風生成,分別是 1971 年 7 月和 2017 年 7 月。

然而今年的 7 月,整個西北太平洋海域卻靜悄悄的,沒有半個颱風生成,到底是發生了什麼事,讓 7 月颱風銷聲匿跡了呢?就讓我們一一檢視颱風生成的條件。

生成條件一:溫暖的洋面

颱風生成在海面上,廣大的洋面能提供足夠水氣,當水氣蒸發釋放潛熱時,就可以讓颱風有足夠的能量成長。

一般來說,當海水溫度超過 26°C 時,才會產生足夠的水氣。而西北太平洋地區,每月氣候平均的海溫都在 27°C 以上,其中 2 月的平均海水溫度也有 27°C(圖一)。

圖為東經120度~160度,與北緯5度~20度之間的區域,即西北太平洋區域平均每月海溫值。通常海水溫度高於26℃時可以產生足夠的水氣,而往年7月的平均海溫都超過27℃,是颱風形成的重要條件之一。

因此,西北太平洋溫暖的海域,時時刻刻都有足夠的水氣提供颱風生成所需的能量。從西北太平洋區域今年 7 月平均的海水溫度分布圖發現,整個西北太平洋的海溫至少都超過 29°C(圖二)。

溫暖的洋面,雖然提供了足夠的能量,但為什麼颱風仍舊長不出來呢?讓我們再檢視其它颱風生成的動力條件!

條件二:活躍的季風槽

颱風是個逆時針旋轉的低壓中心。夏季時,當北半球的西南季風,和太平洋高壓所帶來的東風或東北風相遇,兩者所造成的輻合作用,會使低氣壓的漩渦繼續加深,讓風速增強。

當低氣壓的近地面最大風速到達或超過每小時 62 公里或每秒 17.2 公尺時,我們就將它稱為颱風。這個伴隨西南季風和太平洋高壓南側的東風或東北風相遇的地方,通常稱作季風槽,或是俗稱颱風生長的故鄉。

從 7 月大氣低空風場的氣候平均圖,可以看到西南季風和太平洋高壓南側的東風形成的季風槽,從東經 120 度往東南方向延伸至東經 160 度。比較今年 7 月的大氣低空風場(圖三)可以發現,整個季風槽不見了,原來應該是季風槽所在的區域,一整個都被太平洋高壓的東風所佔據了。

而太平洋高壓是個穩定且下沉的空氣,但颱風是個垂直發展的低氣壓,因此,偏強的太平洋高壓讓今年的西南季風無法深入至西北太平洋區域,剷平了颱風的家,也就讓颱風長不起來了。

條件三:垂直風切不能太大

另外,颱風垂直發展的高度至少可以達到對流層頂的高度,因此當高空風和低空風的風向差異太大時,也就是一般我們所說的垂直風切太大時,就無法讓水氣凝結所釋放出的潛熱更有效地提供颱風發展,造成颱風的垂直發展不好,颱風就不容易生成。

根據7月氣候上的垂直風切分布顯示,在西北太平洋區域的風切平均介於 -10~5之間。但今年 7 月的垂直風切,則介於 -10~10 之間,明顯比氣候平均值高,因此不利於颱風的垂直發展。

都是高壓和垂直風切惹的禍!

從以上颱風的生成條件來看,今年 7 月雖然有足夠的水氣提供的能量來源,但要讓颱風旋轉起來的季風槽,因為太平洋高壓太強,使得季風槽無法向東推進到西北太平洋區域;偏強的太平洋高壓帶來穩定的下沉空氣,連帶的也讓垂直風切太大,颱風更是長不起來!

今年 7 月的太平洋高壓太強,不但讓颱風長不起來,連帶的也是造成臺北創下自 1897 年以來的最高溫紀錄 39.7°C 的原因之一!至於為什麼今年的太平洋高壓如此強大,就是另一篇故事了。

圖二(上):以往的7月氣候平均海溫分布和大氣 850 百帕(hPa)流線圖,圖中粗黑線為季風槽,此在正常的氣候條件下是有利於颱風生成的。圖三(下):今年7月平均海溫分布和大氣850百帕流線圖。讀者可以發現,今年的海溫分布雖較以往高,有利於颱風出現,但原先的季風槽位置卻被太平洋高壓所佔據,造成颱風無法生成。

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

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