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以 GPS 測知氣象資料,未來颱風假提早預報?來認識福衛七號獨特的「掩星觀測技術」

Suzuki
・2019/06/24 ・3433字 ・閱讀時間約 7 分鐘

6 月 25 日六顆福爾摩沙衛星七號將搭乘 SpaceX 獵鷹重型火箭,前往太空接替老兵福衛三號,成為「太空中精準溫度計2.0」,提供即時、可靠的氣象觀測資料。

國家太空中心推估福七可提升氣象預報準度 10%,這個 10% 聽起來好像還好,實際上卻能為災害防範爭取許多時間。以颱風預報來說,提升 10% 等於是將原本三天後颱風預報,往前推 7.2 小時的精準度,也就是在颱風尚未接近陸地前,就能比原先更早預測它接近的影響狀況。假若氣象預報準確度提高,颱風假或許能提早確定呢~(敲碗!)

福七在太空中心整測廠房內,完成振動、熱真空測試、電磁相容等許多測試後,準備前往美國。圖/太空中心提供

全世界對福七會如此有信心,主要是因為福三對數值氣象預報的貢獻。2012 年著名氣象機構歐洲中期預報中心就指出,福三在減少天氣預報誤差的貢獻度是全球前五,台灣許多研究也指出,福三改善了豪雨預報與颱風路徑預報的準度。

使用福衛三號資料的尼伯特颱風預報路徑(REF綠色和BND粉色線),和實際路徑(BEST黑色線)的誤差明顯較小。(圖片提供/太空中心

GPS不只可以導航,福衛七號還靠它收集氣象資料

「掩星觀測技術」扮演超級重要角色,而 GPS 全球衛星定位系統在這之中可是幫了大忙。

沒錯!就是你開 google 地圖會協助導航的 GPS。我們常接觸的是美國 GPS 系統,目前有 31 顆衛星在兩萬公里高空軌道上繞行地球,當地面訊號站能同時接觸到四顆以上衛星訊號時,便能以三角測量原理協助定位。

而福七正是靠著 GPS 來達成掩星觀測,得到氣象資料的喔!福三計畫主持人、福七計畫副主持人方振洲博士表示,常見的氣象觀測,都是垂直觀測大氣狀況。探空氣球是搭載儀器升空測量,地球同步氣象衛星則靠著感應地表、陸地與海洋所反射的電磁波能量,計算處理後得到衛星雲圖。

但是福七的掩星觀測技術不同,它並不是直接量測大氣層資料,而是靠著它的主要酬載儀器「全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」(TGRS),橫向接收 GPS 衛星穿入和穿出大氣層所產生的電磁波訊號。電磁波在穿越不同濕度、溫度、壓力的大氣環境時,會產生偏折,藉由觀測訊號轉向、減弱或變慢,便能反推大氣層中濕度、壓力與溫度對訊號的影響,得到氣象數值預報所需的資料。

福三利用 GPS 無線電波掩星量測原理,利用福三所接收的 GPS 訊號折射角度變化,推演相對應的大氣溫度、氣壓和水氣以及電離層電子密度的垂直分佈。圖/太空中心提供

福七最後所接收到的,是經過無數偏折後的訊號,因此若要回推影響某一點的溫度,則必須像剝洋蔥般,由電離層一層層剖析到大氣層,運用大氣密度隨高度上升變小、電磁波訊號折射角變小的原理,根據每一層溫度和折射角變化,慢慢推算出那點的資料。

全世界的定位系統有四種,包括:美國 GPS、俄羅斯 GLONASS、歐洲 Galileo 和中國北斗。福七 TGRS 能同時接收美國 GPS 和俄羅斯 GLONASS 兩系統共 55 顆定位衛星的訊號,比福三僅能接收單一系統的資料量多,每天可提供 4000 筆掩星觀測資料。再加上福七是在南北緯 50 度間軌道繞行,以台灣、赤道與低緯度颱風盛行區的觀測為主,不像福三以高緯度軌道全球繞行。因此福七觀測資料密集度更高、資料量更大,必能提升氣象預報的準確度。

除了TGRS外,其他兩個酬載在做什麼呢?

兩片圓圓太陽板的福三小巧可愛僅 62 公斤,相較之下,福七掛著像魚尾般的太陽能板,則像隻巨無霸鯨魚有 300 公斤。福七比起福三多了備份系統,身上酬載儀器也更先進。

福七除了搭載掩星觀測的 TGRS外,還背了 IVM(離子速度儀)與 RFB(無線電射頻信標儀),兩者都是校正 GPS 訊號與輔佐掩星觀測的重要儀器!

因為 GPS 衛星位在兩萬多公尺的高空,它的訊號會穿過大氣層、電離層傳給福七,而電離層會干擾訊號傳送,因此需要透過 IVM 量測電離層離子速度與密度,根據相關數值校正通過電離層的 GPS 訊號。

RFB 是藉由福七發射三種無線電頻段(UHF/L /S + P)至地面站,來量測電離層閃爍,並判定電離層電子密度差異,以便校正 GPS 訊號穿過電離層的誤差。

掌握電離層結構,除了提高 GPS 訊號的精準度、提升掩星觀測的品質,電離層變化也影響太空氣象與電信通訊,近來也有不少研究也在討論電離層變化與地震發生的相關性。福七將繼福三後,成為全球電離層觀測資料的貢獻者

太空中最精準「溫度計」

為什麼福七被稱為太空中最精準「溫度計」,而不是氣象預報員呢?

太空中心整合測試組組長陳維鈞表示,衛星不能做氣象預報,只能提供觀測資料給氣象局做預測。福七能測得氣象預報所需的重要資料,包括:溫度、濕度與壓力,而它所測得的溫度是不需要以標準溫度去校正的,因此擁有「最精準溫度計」的稱號。

由於福七無法測得風向資料,所以太空中心打造自主研發衛星「獵風者」,最快 2020 年底、2021 年初升空。「獵風者的測量方式更玄!」它是接收海洋所反射的 GPS 訊號,靠著量測海浪速度和高度,來推算海上的風向與風速。屆時獵風者號可攜手福七,提供全球更多氣象預報所需的資料。

獵風者號構型圖。圖/太空中心提供獵風者號構型圖。圖/太空中心提供

因緣際會,成為「掩星技術」的專家

「福三在的那幾年,真的是台灣氣象預報最準的時候!」方振洲談到福三就於有榮焉,福三可說是全球第一批成功以「無線電掩星技術」來觀測氣象的衛星星系,服役十多年後將要榮退,由福七接手任務。

方振洲說道,無線電掩星觀測很早就有了,像是 NASA 的行星任務,就是用無線電訊號變化,回推行星氣體的資料,美國大學大氣研究聯盟(UCAR)便想將這個技術運用在氣象觀測上。那時無線電掩星技術並不是主流的氣象觀測方式,也沒什麼人相信它會成功,當 UCAR 去找 NASA 時,NASA 說「這是爛計畫!」後來 UCAR 找了台灣當合作夥伴,台灣就開始跟美國優秀科學家合作,打造福衛三號。

「沒想到,福三升空八個月觀測資料就被歐洲中期預報中心納入預報系統,後來美國也納入。」福三證實無線電掩星氣象觀測是可行的。

從 2006 年福三到 2019 年福七計畫,台灣已累積近 15 年的研究能量與衛星操控經驗,陳維鈞表示,這是今日台灣能處在世界領先地位的原因。十多年前,台灣需要倚賴國外系統來操控福三;但到了福七時,台灣已使用自行研發的衛星操控中心,甚至將技術輸出到泰國,協助他們建操控中心。

太空中心衛星操控中心。圖/太空中心提供

福三與福七都是台美合作計畫,美國主要提供酬載儀器,台灣強項則在軟硬體系統整合與衛星操控。福三到福七不僅是觀測精準度提升,即時處理資料能力的速度加快,台灣太空計畫團隊也跟著精進。

未來十年:一年一衛星!

福七是繼福一、福二、福三與福五後第五顆台灣研發的衛星,台灣自 1992 年開始投入太空計畫,至今也不過 26 年多的光景,在遙測衛星與氣象掩星衛星都有卓越成就。下一步台灣將以帶動國內太空產業鏈為目標,朝「一年一衛星」邁進。

不過,你或許會納悶光學遙測衛星福二 2004 年發射至 2016 年除役,執勤 12 年才由福五接替,福三 2006 年升空至今仍等待福七交班,台灣衛星普遍工作到最後一刻,才有另一批衛星接替,因此科技部部長陳良基說「未來十年,每年發射一顆衛星」會不會太好高騖遠呢?

國家研究院院長王永和坦言「國家太空中心只有 200 人,要做到這樣的計畫很辛苦!」過往許多衛星關鍵零組件,台灣都要自行開發,雖然提升了太空發展的難度,但也給予挑戰的機會。太空中心原則上已規劃十顆衛星,有八枚類似福五的光學遙測衛星,兩枚合成孔徑雷達衛星。合成孔徑雷達衛星能夠做環境和災害預測,在取像上不受天候影響。

國家太空中心副主任余憲政表示,明年初預計有顆 1.5 U(15cm x 15cm x 15cm)小型實驗立方衛星升空,執行船隻和飛機的定位,而立方衛星也是太空中心想發展的項目之一,因此未來每年可能不只有一顆,可能一年有兩顆以上喔!

2019 年太空三期計畫實施,搭配一年一衛星的願景,將帶動國內太空產業。以福五為例,福五是台灣完全自主研發的衛星開端,從投入經費比例來看,它的自主元件比例為 70-75%,而預計在 2021 發射的獵風者衛星更「台」,自主元件比例高達 87%。密集衛星計畫提高太空元件自製率,有助於本土電機與電子業跨足太空領域,並創造更多國際合作機會,讓世界看到台灣的實力。

  • 註解:福衛三號星系中多數的衛星目前已無法傳送資訊予地面站了。

想了解更多有關福爾摩沙衛星的各種小知識嗎?請見下篇:關於福衛七號的幾個問與答

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超純社會組學生,對未知的一切感到好奇,意外掉入科技與科學領域,希望在猛點頭汲取知識的同時,也能將箇中妙趣分享給大家。

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地震規模越大,晃得越厲害?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2021/09/16 ・3706字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

某天,阿雲跟阿寶分享了一個通訊軟體上看到的資訊:

阿雲:「欸,你知道最近有個傳言說,花蓮有 7.7 級地震,如果發生的話台北會有 5.0 級的震度耶!」

阿寶:「蛤?那個傳言也太怪了吧,應該是把規模和震度搞混了!」

震度:量度地表搖晃的單位

確實常常有人把地震的規模跟震度搞混,實際上,因為規模指的是地震釋放的能量大小,所以當一個地震發生時,它的規模值已經決定了,只是會因為測量或計算的方式不同,會有些許的數字差異,而一般規模計算會到小數點後第一位,故常會有小數點在裡面。然而震度指的意思是地表搖晃的程度,度量表示方式通常都是以「分級」為主,比如國外常見、分了 12 級震度的麥卡利震度階,就是用 12 種不同分級來描述,而中央氣象局目前所使用的震度則共分十級,原先是從 0 級到 7 級,而自 2020 年起,在 5 級與 6 級又增了強、弱之分,也就是震度由小而大為 0-1-2-3-4-5弱-5強-6弱-6強-7 等分級,所以在表示上我們以整數 + 級或是強、弱等寫法,就可以區分規模和震度,不被混淆了!

而為什麼專家常需要強調震度和規模不一樣?那是因為震度的大小,是受到許多因素的影響。地震發生後,造成地表搖晃的主要原因是「地震波」傳來了大量能量,規模越大的地震,代表的就是地震釋放的能量越大,就像是你把擴音的音量不斷提高時,會有更大的聲音傳出一般。所以當其他的因素固定時,確實會因為規模越大、震度越大。

可是,地震波的能量在傳播過程中也會慢慢衰減,就像在演唱會的搖滾區時,在擴音器旁往往感覺聲音震耳欲聾,但隔了二、三十公尺之外,音量就會變得比較適中,但到了會場外,又會變得不是那麼清楚一樣。所以無論是地震的震源太深、或是震央離我們太遙遠,地震波的能量都會隨著距離衰減,一般來說震度都會變得比較小。

「所以,只要把那個謠言的台北規模 5.0 改為震度 5 弱,說法就比較合理了嗎?」阿雲說。

「可是,影響震度的因素還有很多,像是我們腳下的岩石性質,也是影響震度的重要因素。」阿寶說。

場址效應:像布丁一樣的軟弱岩層放大震波

原本我們都會覺得,如果地震釋放能量的方式就像是聲音或是爆炸一般,照理說等震度圖(地表的震度大小分布圖)上會呈現同心圓分布,但因為地質條件的差異,分布上會稍微不規則一些,只能大致看出震度會隨著離震央越遠而越小。地震學上有一個專有名詞叫做「埸址效應」,指的就是因為某些特殊的地質條件下,反而讓距離震央較遠的地方但震度被放大的地質條件。其中最常見的就是「軟弱岩層」和「盆地」兩種條件,而且這兩種還常常伴隨在一起出現,像是 1985 年的墨西哥城大地震,便是一個著名的例子。

影片:「場址效應」是什麼? 布丁演給你看

墨西哥城在人們開始在這邊發展之前,是個湖泊,湖泊中常有鬆軟的沉積物,而當湖泊乾掉之後,便成了易於居住與發展的盆地。雖然 1985 年發生的地震規模達 8.0,但震央距離墨西哥城中心有 400 公里,照理說這樣的距離足以讓地震波大幅衰減,而地震波傳到盆地外圍時,造成的加速度(PGA)大約只有 35gal,在臺灣大約是 4 級的震度,然而在盆地內的測站,卻觀測到 170gal 的 PGA 值,加速度放大了將近五倍,換算成震度,也可能多了一至二級的程度,也造成了相當程度的災情。盆地裡的沉積物,就像是裝在容器裡的布丁一樣,受到搖晃時,會有更加「Q 彈」的晃動!

1985 年墨西哥城大地震的等震度圖。圖/wikipedia

因此,在臺灣,雖然臺北都會區並沒有比其他區有更多更活躍的斷層,但地震風險仍不容小覷,因為臺北也正是一個過去曾為湖泊的盆地都市,仍有一定程度的地震風險,也需要小心來自稍遠的地震,除了建築需要有更強靭的抗震能力,強震警報能提供數秒至數十秒的預警,也多少讓人們能即時避災。

斷層的方向與震源破裂的瞬間,也決定了等震度圖的模樣

阿雲似懂非懂的接著問:「可是啊,為什麼有的時候大地震的等震度圖長得很奇怪,而且有些時候震度最大的地方都離震央好遠呢!也太巧合了吧?」

「這並不是巧合,因為震央下方的震源,指的其實是地震發生的起始點,並不是地震能量釋放最大的地方啊!」阿寶繼續解釋著。

「蛤!為什麼啊?」阿雲抓抓頭,一邊思考著。

地震是因為地下岩層破裂產生斷層滑動而造成的,雖然不是每個地震都會造成地表破裂,但目前科學家大多認為,地震的破裂只是藏在地底下,沒有延伸到地表而已,而且從地震的震度,也可以看出地底下斷層滑移的特性。

斷層在滑動時,主要的滑動和地震波傳出的地方,會集中在斷層面上某些特定的「地栓」(Asperity)之上,這些地栓又被認為「錯動集中區」,而通常透過傳統的地震定位求出來的震源,其實只是這些地栓中,最早開始錯動的地方。但實際上,整個斷層錯動最大的地方,往往都不會在那一開始錯動的地方,就像是我們跑步時,跑得最快的瞬間,不會發生在起跑的瞬間,而是在起跑後一小段的過程中,而錯動量最大的區域,才會是能量釋放最大的地方。而或許是小地震的地栓範圍小,震央幾乎就在最大滑移區的附近,因此也看不太出來,通常規模越大,震源的破裂行為會隨著時間傳遞,此效應才會越明顯。

震源與震央位置示意圖。圖/中央氣象局

那麼斷層上的地栓位置能否確認?這仍是科學上的難題,但近年來科學進展已經能讓我們透過地震波逆推斷層上的錯動集中區,至少可以透過地震波逆推斷層破裂滑移的型式,得以用來比對斷層破裂方向對震度分布的影響。以 2016 年臺南—美濃地震為例,最大錯動量的地區並不在震央所在的美濃附近,而是稍微偏西北方的臺南地區,也就是因為從地震資料逆推後,發現斷層在破裂時是向西北方向破裂。而更近一點的 2018 年花蓮地震,錯動量大、災害多的地方,也是與斷層破裂方向一致的西南方。

一張含有 地圖 的圖片  自動產生的描述
2016 年臺南美濃地震的等震度圖。圖/中央氣象局

透過更多的分析,現在也逐漸發現破裂方向性對於大地震震度分布的影響確實是重要議題。而雖然我們無法在地震發生之前就預知地栓的位置,但仍可從各種觀測資料作為基礎,針對目前已知的活動斷層進行模擬,就能做出「地震情境模擬」,並且由模擬結果找出可能有高危害度的地區,就能考慮對這些地區早先一步加強耐震或防災的準備工作。

多知道一點風險和危害度,多一份準備以減低災害

但是,直到目前為止,我們仍無法確知斷層何時會錯動、錯動是大是小。科學能給我們的解答,只能先評估出斷層未來的活動性中,哪個稍微大一些(機會小的不代表不會發生),或者像是斷層帶附近、特殊地質特性的場址附近,或許更要小心被意外「放大」的震度。而更重要的是,當地震來臨前,先確保自己的住家、公司或任何你所在的地方是安全還是危險,在室內要小心高處掉落物、在路上要小心掉落的招牌花盆壁磚、在鐵路捷運上要注意緊急煞車對你產生的慣性效應…多一些及早思考與演練,目的就是為了防範不知何時突然出現的大地震,在不恐慌的情況下保持適當警戒,會是對你我都很重要的防震守則!

【參考文獻】

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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