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太空旅程進入尾聲!記錄下來的除了美景還有什麼?——《俯視藍色星球》下

PanSci_96
・2019/07/17 ・2611字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 487 ・五年級

本文接續上一篇:從太空往下看!我們生活的地球究竟長怎樣呢?——《俯視藍色星球》中

漫長而奇妙的旅程

南太平洋通常很平靜,北太平洋則是完全相反。阿留申群島是個超過 1500 公里的島鏈,分屬阿拉斯加和俄羅斯,以惡劣天氣聞名,我從太空看到的景象也確實是如此。

最令我印象深刻的是奇怪的氣旋天氣型態。這些暴風不像典型的颶風那樣充滿了連續雲帶,而是由幾組涵蓋了數百公里的薄螺旋狀雲帶組成。我常在想,這些看起來很像螺旋星系的暴風最後是不是會來到美國西岸。

梅莎颱風在太平洋上空的巨大颱風眼,這是我在太空中看過最叫人震驚的景象。我們所有組員都印象深刻。圖/大石出版提供

在北太平洋也經常可以看到一種不這麼暴烈的雲,只是一整片的小點──那是分散在地表上的蓬鬆積雲。太陽在特定角度照上去時,這些細小的雲層會呈現非常有趣的型態與反光。

沿著太平洋一路往下來到南美洲的尖端,則是地球上十分有趣的一個角落:火地島和麥哲倫海峽。這些地方幾乎總是被雲層覆蓋,我在太空站的 200 天裡,只有真的看到陸地兩三次。頭一次看到這些島嶼時是南半球的夏天,我想到了當時的海象是多麼危險,而費迪南.麥哲倫和法蘭西斯.德雷克爵士等人居然早在 16 世紀就能架著帆船通過這片暴風肆虐的水域。而將近 500 年後,我身為一個人類,竟然可以航行在太空中,俯看這個星球。不知道當年那些探險家可曾想過,人類終有一天會登上太空?

再往南則是環繞南極洲的水域:南冰洋。地球上再也沒有比這裡看起來更危險、更詭異的地方了。這片海域在我們繞地軌道的南邊,總是覆蓋在厚厚的雲層底下,我很少看到它露臉,不過偶爾會看到幾座冰山。如果說北太平洋出現螺旋形風暴是不尋常的,那麼南冰洋出現螺旋形風暴可以說是特異現象了。它的螺旋結構看起來比較像一個星系,而不是典型的天氣型態,我從來沒有看過地球上有類似的東西。

震撼人心的風暴

我曾經讀到 1917 年沙克爾頓爵士和堅忍號(Endur-ance)船員冒著這種詭異的風暴,划小船從南極洲逃到南喬治亞島的驚險故事。我現在從外太空這個視野絕佳的位置上看,更能體會當年他們九死一生、奇蹟似生還的境遇。

亞拉拉特山(Mount Ara-rat)是傳說中諾亞方舟停靠的地方,也是土耳其的最高峰。圖/大石出版提供

假如你可以在太空中待上 24 小時,不需要工作,所有時間都在看窗外,你一定會被不斷上演的難忘景象震驚得說不出話來。其中有一種會讓你終生難忘,我保證你不可能在地球上見到類似的東西:那就是夜晚出現的驚人雷暴。我的第一場閃電秀是 STS-130 任務期間在南美洲上方看到的,當時我簡直不敢相信自己的眼睛。

在這麼大片的區域上方,我每秒鐘見到的閃光多到像國慶日的煙火一樣。我 21 歲在美國空軍接受少尉飛行員訓練時,被教導說「承平時期的任務是不會要求你在雷暴中飛行的」。假如飛行員決定要飛,那麼雷暴中的亂流、冰雹、豪雨和閃電一定會讓他很有得受。從太空實際看過雷暴的樣貌後,我只能說「好家在」我們不用在那裡面飛!無論我在太空待多久,雷暴總是讓我著迷不已。

俯瞰智利索馬雷茲島(Isla Saumarez)。圖/大石出版提供

難忘的雨林雷暴與日夜分際的晨昏線

返回地球前一個月,我來到穹頂艙,讓自己自由漂浮,不去碰任何牆壁,在飛過非洲上空時,播放歌手恩雅的〈非洲風暴〉(Storms in Africa),看著底下叢林中難以想像的精采表演。這真是絕頂的體驗。晚上看得到閃電,雲卻是幾乎看不到的。白天則可以看到暴風雲,但看不見一道道的閃電。但有時候各種條件會剛好到位,就有機會看到大自然的完整演出。

在 STS-130 任務的最後,我們得將奮進號從太空梭改裝成飛機,準備返回地球。我和組員史蒂夫.羅賓森(Steve Robinson)正在裝卸區把太空梭機器手臂放回它的載具中。這工作大部分是史蒂夫做的,我都在拍照。我們在黃昏時分飛越南美洲上方,剛剛好趕上亞馬遜盆地每天的雷暴,巨大的雷雨雲中打出一道道強烈的灰藍色閃電,我們完全沒有預料到會看見這樣的景象。

在北太平洋上空旋轉的暴風雲。這樣的漩渦狀紋路在自然界很常見。圖/大石出版提供

對大多數人來說,《魔鬼終結者》(Terminator)是一系列由阿諾.史瓦辛格主演的電影。在太空中,所謂的 terminator 是指地球表面上日夜分際的那條線,稱為晨昏線,從白色過渡成藍色再到黑色。我在傍晚駕駛噴射戰鬥機時看到很多次晨昏線。

這讓我想到小學六年級的一堂天文課,老師拿著手電筒照向在教室另一端的籃球,一條長長的黑暗通道從太陽通過大氣層,延伸到黑暗的空間中,就像白天和黑夜之間的物理界線。從我在太空中的有利位置,可以清楚地看到太陽照亮了一半的地球,另一半則是漆黑一片。我們學過這個概念,卻無法在地球上看到。

我第一次看到晨昏線時不禁倒抽了一口氣。地球鮮明的藍白色在黎明中褪為柔和的色彩,然後變成我所見過最黑暗的夜晚。對我而言,這是令人難忘的太空景象。

用攝影記錄下母星地球

在太空中的任務一天天過去,我對地球也開始有了新的看法。我對攝影愈來愈感興趣,漸漸把注意力放到攝影上,想要用它來和更多人分享我的經歷。在地球上我大多是拍我的小孩,有機會的話也會拍日落、山景或海景。

我們在冬天飛過一片冰雪蒼茫的波士尼亞與赫塞哥維納。圖/大石出版提供

我從小就喜歡拍照,不過老實說,我大部分只是用相機的自動模式,偶爾在拍室內籃球賽時才會調整快門和感光度。不過在太空中我學會了很多新的技巧。在繞地軌道拍照是攝影者的夢想,我很興奮能拿著相機,進行這場畢生難得的冒險。

經過了這一整趟的長期太空任務,我才開始能夠吸納太空飛行的所有景致、聲音和經驗。我是一直到得以連續好幾個月觀察地球,才真正懂得欣賞這些事情。這是眾多意料之外的驚喜之一:親眼看到水這麼大範圍地覆蓋了我們的星球,驅動了幾乎每個層面的事。我很驚訝這個星球上有這麼多地方是白色和藍色的,並且充滿了我無法想像的圖案。那一年冬天,我對我的母星的認知發生了根本上的改變。

──本文摘自《俯視藍色星球:一位 NASA 太空人的 400 公里高空攝影紀實》,2019 年 4 月,大石國際文化出版

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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