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震識大小事知多少:該如何逃難?地震震度又是如何分布?

科學月刊_96
・2019/09/21 ・2050字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 564 ・九年級

地震來臨時,要如何避難逃生,提升自己的存活率?而在地震過後,各地震度是如何分布?與地震規模又有何不同?《科學月刊》九月號主題為「正視震知識」,就先帶讀者一同釐清各種與地震有關的大小事。

解析地震:各種「波」是什麼?有什麼差別?

地震波(Seismic Wave):地震發生時,人們所感受到的搖晃是由於地震波的傳播。而地震波,是一種藉地震為能量來源的波動,以岩層為介質傳遞,依波動特性可分為實體波、表面波和尾波。

地震儀紀錄下的地震波,紅線是先到來的P波,綠線是較晚的S波。source:Wikimedia

實體波,又可分成縱波(P波)和橫波(S波),P波是地震發生時最早到達的波,介質運動方向與波動方向相同,有點類似聲波;S波則比P波晚,且介質振動與傳播方向垂直,因此S波行進時會以上下或左右方向震動。此外,由於S波傳至地表以水平震動為主,較容易造成建築物受水平向的拉扯,所以S波經常是造成地震破壞的主因。

表面波,是一種由地震波產生的波,好發於地表或是地層的交界面,速度雖然比S波更慢,但威力更大。而表面波還在某些環境中會被放大,例如在具場址效應的環境,因為地震波在地表與地下的波速差異較大,使表面波更明顯。

尾波,是一種因地球內部的不均勻性、對地震波散射而產生的地震波。由於地表會有較密集或疏鬆的地質,所以,當震波向外傳播時,這些不均勻或散射質點與震波作用,產生散射現象的散射波,即是尾波。如同地震波線圖上異質性所留下的指紋,因此,研究尾波也可促進對地質結構的了解。

定義地震

地震規模(magnitude, M):為一種表示地震規模大小的方式,代表這次地震發生時所釋放出的能量程度,因此每一個地震理論上只會有一個規模值。最早被廣泛使用地震規模,為美國地震學家芮克特(C. F. Richter)與古登堡(Beno Gutenberg)於 1935 年所建立的芮氏規模(Richter magnitude scale),主要是由觀測點處地震儀所記錄到的地震波,其最大振幅的常用對數演算而來。

規模相差 1 代表振幅相差 10 倍,而所釋出的能量則相差約 32 倍。不過,此測量方式在後來遇到瓶頸,規模太大時無法適用,因此,地震學者以不同的震波分析方式提出不同的規模,近來地震學研究上或是更為廣用的地震規模為日裔美國地震學家金森博雄(Kanamori Hiroo)提出的地震規模(M),雖然方式不同,不過對數的概念亦接近。

不同規模的年均發生次數和震央地區的影響。source:美國地質調查局

地震強度:為地震所引起地表搖晃的加速度,在地表實際感受到的程度,簡稱震度。地震發生時,不同地方的人或建築物感受到地面搖晃的程度不相同,通常愈靠近震央的地方,搖晃愈劇烈。一般以整數來表示震度等級,臺灣使用的地震震度分級,是由交通部中央氣象局制定,以地動加速度(gal)來區分,分為 0~7 級,共 8 個等級,級數愈大表示地表晃動的加速度愈大。

近年來,也有研究指出,地震不僅僅是受到地動的加速度影響,速度值也是其中重要關鍵。因此,在美國、日本也開始加入速度或地震頻率作為震度分級標準的考量,未來,臺灣的震度分級也可能因應此趨勢進一步調整,使震度分級更能對應地震的實際影響。

臺灣現行地震強度分級標準。source:臺灣交通部中央氣象局

地震避難原則:趴下、掩護、穩住

當地震發生時,若處室內,大方向的原則為立即採趴下掩護穩住的動作,以保護頭部、頸部避免受傷,並躲在桌下或牆角。躲在桌子下時可握住桌腳,當桌子隨地震移動時也可隨著桌子移動,形成防護屏障。如果蹲在牆角或床邊等地方避難時,則要小心家具、電器、燈具、書櫃或貨架等墜落。平時在設置家中擺設時也應考量家具等物品掉落的情況,且預先做好固定。

不過,位處地震帶的臺灣,隨時都可能遭受地震的來襲,以下提供讀者在不同情境下的各種避難方式:

  1. 躺在床上時:

就近利用枕頭或棉被保護頭部,直到地震結束。如果床邊有足夠且安全的躲避空間,可以利用床的高低差獲得更好的保護,床的擺設應盡可能遠離易倒櫃體或窗邊。

  1. 在浴室時:

不要急著離開,以免因濕滑跌倒,因為浴室可支撐的柱牆較多,相對較耐震。若在泡澡,則可放低頭部,低於浴缸邊緣,並用手保護頭部;若有懸空的洗手台則需小心掉落。

  1. 在廚房時:

如果正在瓦斯爐旁使用爐火,立即隨手關閉瓦斯,就地避難且遠離熱鍋,直到地震結束。如果無法順手即可關閉瓦斯,先就地避難,躲在安全的地方,不要貿然衝去關火,以免受傷。

  1. 在實驗室或教室時:

遠離火源和化學藥品,並在安全的地方避難。待地震停下後,再小心的移動到室外以免餘震繼續來襲。

  1. 在戶外時:

遠離大樓,並聚集在一個空曠、安全且地板沒有裂縫的地方。並且避免待在具有地下停車場或地下街的一樓。


 

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

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科學月刊_96
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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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