0

0
0

文字

分享

0
0
0

天氣預報再創新準度?福衛七號再造太空精準溫度計

科學月刊_96
・2019/08/13 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

文/林俊良│國家太空中心主任與成大航太所博士。曾任助研員、講座教授、系主任、產學營運中心主任及副校長。
方振洲/國家太空中心福爾摩沙七號星系計畫系工經理、系統工程組研究員及國立交通大學光電工程研究所博士。

過去,國家太空中心發射的福爾摩沙衛星三號,曾在 2009 年莫拉克風災前預測其超高降雨量,也準確預測 2012 年侵襲美國的珊迪颶風 (Hurricane Sandy) 的路徑,並協助美國政府進行緊急疏散。

如今,福衛三號計畫的資料已免費公開給超過88個國家近4000個單位使用。而福爾摩沙衛星七號,也於今 (2019) 年成功發射,將擴大改善全球的劇烈天氣預測準確度,成為福衛三號後「2.0 版」的太空溫度計。

發射升空!—臺灣太空新里程

上 (6) 月 25 日,於臺灣時間下午 2 點 30 分,搭載 6 枚褔衛七號的美國 SpaceX 獵鷹重型火箭 (Falcon Heavy) ,偕同此次美國空軍的其他 18 枚衛星,順利於美國甘迺迪太空中心 (Kennedy Space Center, KSC) 發射升空。

發射後 91 分鐘,國家太空中心獲得由獵鷹重型火箭所傳回衛星與火箭分離時刻的狀態向量,隨即進行軌道計算,為後續地面站追蹤衛星的依據,同時將結果傳至位於澳洲的達爾文 (Darwin) 海外站及其他地面站,接收衛星資料。

發射後 165 分鐘,中心先與其中 2 枚成功通聯,後續再與其中的 3 枚完成通聯。最後,於當天臺灣時間下午 8 點 48 分於臺南的歸仁衛星信號接收站聯繫上最後 1 枚。

至此,6 枚衛星全部與地面完成通聯,並停留在離地表約 720 公里的同一個暫駐軌道上,確定第一階段任務成功。

福爾摩沙衛星七號模型。圖/維基百科

褔衛七號計畫是怎麼誕生的呢?

褔衛七號計畫為臺美大型科技合作計畫,雙方於 2010 年完成合作協議簽署,執行單位為臺灣國家實驗研究院國家太空中心 (National Space Organization, NSPO) 與美國商業部國家海洋暨大氣總署 (National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA) 。

褔衛七號的任務目標,是由高度 520~550 公里、24 度傾角的軌道上部署的 6 枚衛星組成的星系,建立高可靠度的氣象衛星系統,每日提供南北緯 50 度間約 4000 筆的掩星資料,大幅幫助天氣預報、劇烈天氣預報準確度及電離層太空天氣監測。

福衛七號所肩負的使命

福衛七號的 6 枚衛星,每枚皆裝載全球衛星導航系統無線電訊號接收器 (TriG GNSS Radio occultation System, TGRS) 的主酬載,該儀器可接收全球定位系統 (GPS) 和全球導航衛星系統 (GLONASS) 的無線電掩星 (radio occultation) 信號。

透過掩星訊號接收天線接收訊號,再利用阿貝爾轉換公式 (Abel transformation) 算出折射率,因大氣壓力及溫度與折射率有關,故由該折射率可進一步轉化成氣象預報使用的大氣觀測數值。

一般而言,天氣預報所涵蓋的大氣範圍為對流層,當折射角度越大,代表氣體密度越高,而氣體密度與溫度、溼度和壓力亦有關,後續資料經地面處理和校正後,可推算大氣層及電離層垂直分布結構的詳細資訊。

由於此次任務是 24 度傾角的圓形軌道,收集的資料集中於南北緯 50 度範圍內,有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。

福衛七號有助於臺灣在內的低緯度地區氣象資料預測準確度。圖/Gunter’s Space Page

另外,福衛七號也攜帶 2 個科學酬載儀器,分別是離子速度儀 (ion velocity meter, IVM) 及無線電射頻信標儀 (radio frequency beacon, RFB),前者可量測電離層的離子密度、速度、溫度與行進角度,評估太空天氣對太空船和通信的影響;後者則可透過地面站接收該射頻信標儀的閃爍訊號,進而獲得區域性電離層異常區的分布。

看看我的發射載具,已經變得這麼厲害了

福衛七號外型為長方體,於單側裝載太陽能板,燃料加注後總重約為 300 公斤,衛星採用鋰離子電池,通訊頻段為 S 頻段,衛星本體裝置 GPS 接收儀以進行導航,設計壽命是 5 年。

而伴隨福衛七號搭載的衛星分屬 15 個計畫,總共 24 枚衛星。全部衛星總重 3.7 公噸,其中福衛七號總重 1.8 公噸,為主要的任務衛星。

發射載具方面, SpaceX 公司所研發製造的獵鷹重型運載火箭,由1枚強化後的獵鷹 9 號為主推進核心,外加 2 枚側掛的側推力器。

除了第一節火箭外皆可回收重複使用,本次發射採用的獵鷹重型運載火箭側推力器,為前次任務所回收的通信衛星再重新填注燃料組合而成。另外,這次採用回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。

回收側推力器及夜間發射皆是史無前例的壯舉。圖/Joel Kowsky@NASA

別再說天氣預報不准啦!

為了得到均勻分布的觀測資料,各枚衛星設計在 520~550 公里高的 6 個任務軌道執行任務,該操作將在發射後所有衛星完成本體和酬載的健康檢查後陸續進行。

預計在發射後的 19 個月完成星系部署,衛星本身不做軌道轉換時仍會協同暫駐軌道上的其他衛星持續對經過的區域進行氣象觀測。

操控方面,褔衛七號計畫包含衛星發射及初期軌道操作、任務軌道部署控制、在軌任務操作及海外支援地面站指令資料傳輸等。

操控系統包括位於太空中心的衛星操控中心、國內外網路系統及美國所部署於夏威夷等 10 個海外地面站,綿密的網絡系統可在平均 30~45 分鐘內,取得大氣層垂直分布結構的最新觀測資料。包含溫度、濕度、降雨率、太陽活動程度、太陽黑子數、行星際磁場和太陽風密度、太陽風風速及預估地磁對臺灣地區擾動等。

此外,福衛七號所提供的資訊將與其他訊息提供管道進行資料同化 (data assimilation) ,透過數學模型擬合大量的觀測數據,以提供最後的氣象預報結果,未來天氣預報精準度將可提高約 10%。

也許在天氣預報精準度提高10%的未來,我們比較不會遇到被天氣預報騙得淋雨的情況了吧。圖/Genaro Servín@Pexels

福衛七號的資料應用,中央氣象局結合學界建立本地掩星資料應用系統,落實氣象數值模式的應用效益,提升劇烈天氣的預報能力、降低災害預警的不確定性。

舉例而言,將掩星資料與既有觀測資料同化後,對 2009 年莫拉克颱風的歷史資料進行模擬分析,發現颱風行進預測路徑非常接近實際颱風行進路線,顯見掩星技術具體實現後的效果。

福衛七號若成功,氣象資料多更多

目前, 6 枚福衛七號衛星已與臺灣地面站成功通聯,規劃在發射後 1 個月內完成衛星全部功能測試,接著開始衛星軌道調整,由 720 公里的暫駐高度,逐漸下降至 550 公里,每枚衛星包含酬載資料校正需時約 108 天。

此時衛星即可接收全球定位衛星的資料,分析大氣層垂直結構的溫度、氣壓、濕度及電子密度等。

隨後進行資料校正與比對驗證,預計發射後第 7 個月可提供全球氣象界使用大氣量測資料及產品;而發射後第 16 個月則可提供全球氣象界使用福衛七號的電離層量測資料及產品;第 19 個月,6 枚衛星將全部部署到高度 550 公里的任務軌道,自此可提供中低緯度均勻分布的掩星觀測資料,該衛星系任務便正式開展。


 

本文摘自《科學月刊 08 月號/2019 第 596 期:仿物種智慧》科學月刊社出版

文章難易度
科學月刊_96
216 篇文章 ・ 1246 位粉絲
非營利性質的《科學月刊》創刊於1970年,自創刊以來始終致力於科學普及工作;我們相信,提供一份正確而完整的科學知識,就是回饋給讀者最好的品質保證。


1

4
0

文字

分享

1
4
0

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
952 篇文章 ・ 245 位粉絲
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。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策