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從亞馬遜熱帶雨林的大火新聞,探討媒體現象與科學真實──《科學月刊》

科學月刊_96
・2019/10/19 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 563 ・九年級
  • 文/林朝欽,林火學博士,現任亞熱帶生態學會理事長。

近年來,從初夏的 6 月開始,森林火燒新聞常成為世界性的焦點。通常,新聞中的火燒地點都是在北半球溫帶的美國、加拿大、俄國或地中海型氣候的歐洲;當北半球野火季在 10 月結束後,森林火燒的新聞轉為南半球,例如 12 月左右的澳洲。今 (2019) 年 7 月西伯利亞森林大火,3 百萬公頃森林過火,就是一件典型的夏季野火新聞,但到 8 月中旬,卻被大半位處南半球的巴西亞馬遜熱帶雨林火燒取代,加上名流在社群媒體如推特、臉書上的議論,堪稱罕例。每年夏天巴西都會有農民燒墾,為什麼今年特別被關注?

亞馬遜並未全副燃燒,但毀林持續發生

今年 8 月 19 日,火燒的濃煙飄進了南美最大城聖保羅市,蔽日濃煙讓白晝變黃昏,濃煙其實是來自農民引火的農牧場,森林早在幾個月前被砍伐了,並非活生生的綠色雨林。

熱鬧的媒體報導與名流議論中,透露了人們關心亞馬遜熱帶雨林的事實,但普遍誤解火燒現象與濫用資料,例如法國總統馬克宏 (Emmanuel Macron) 說世界上 20% 的氧氣由亞馬遜森林提供,亞馬遜熱帶雨林這個「地球之肺」正在燃燒,好似人類即將缺氧。

事實上,亞馬遜森林光合作用產生的氧氣,與呼吸作用消耗的氧氣幾近相等。另外,網路上瘋傳的照片更是張冠李戴,媒體也正模糊誤導雨林正在燃燒的意象,但這些火燒處其實是已成農場或雨林不久前被砍伐的新墾地。

比如說這張常有名的照片,其實拍攝於距今 (2019) 16 年前。

依據全球森林觀測 (Global Forest Watch) 的衛星影像數據,估計目前有 20% 亞馬遜熱帶雨林遭到毀林 (deforestation) ,也就是說大部分亞馬遜熱帶雨林並沒有起火燃燒,但毀林作業目前並沒有停止。

亞馬遜熱帶雨林五百年來的境遇

世界銀行 (World Bank) 的數據顯示,森林佔陸域生態系 30.17%;若依聯合國生物多樣性公約 (Convention on Biological Diversity, CBD) 的森林分類,熱帶雨林屬於熱帶濕闊葉林或乾闊葉林,分布在南北緯10度之間,約佔全球森林面積13%,其中南美洲的亞馬遜熱帶雨林最大。

而根據世界野生動物基金會 (World Wildlife Foundation, WWF) 的資料指出,亞馬遜熱帶雨林約有 670 百萬公頃,與美國面積差不多大,是當今最重要的森林生態系,其中約 60% 面積在巴西境內。

當葡萄牙人於 1500 年抵達巴西後,亞馬遜熱帶雨林就註定了被毀林的悲慘命運。最初是巴西紅木 (Pau-brasil) 的大量砍伐,後來是橡膠樹 (Para Rubber Tree) 成為掠奪對象,美國福特汽車公司 1934 年廢棄的橡膠城 (Fordlândia),即是毀林紀錄之一。

時至今日,亞馬遜熱帶雨林還要跟全球化貿易的牛肉、大豆、石油氣與礦產競爭生存權,看來這段悲慘命運仍將繼續下去。

森林火不一定是災害

不論是自然如閃電,或人為如縱火等原因,有森林就可能有火燒。

地球政策研究院 (Earth Policy Institute) 統計,全球每年平均有 75~820 百萬公頃森林火燒。人們通常認定所有森林火燒為「森林火災」,一旦發生必須加以撲滅,是一種負面的災害想法。

然而,生態學的研究中早就發現火與森林關係密切,特別是溫帶地區的針葉樹林,像美國的美國黑松 (lodgepole pine)、長葉松 (longleaf pine)、紅杉 (sequoia) 及加拿大的雲杉 (spruce) 都靠自然火幫助更新,如果沒有自然火,還得使用計畫性引火來人為幫助。

而這類的樹種被稱之為「賴火樹種 (fire dependent species)」,美國國家公園對這類森林甚至執行野火不救政策

臺灣雖處亞熱帶,但分布在中高海拔地區的臺灣二葉松也被認為是賴火樹種,臺中大甲溪上游週期性的有臺灣二葉松林火燒,但火的生態功能從未被思考,一概以森林火災視之處理,造成大量滅火人力、物力的準備與投入。

分布在中高海拔地區的臺灣二葉松也被認為是賴火樹種。圖/Kplant

此外,溫帶針葉樹富含油脂,閃電引發火燒是很正常的現象。而眾所周知的熱帶雨林,是潮濕多雨的闊葉常綠樹,雖然有乾季,也不容易發生自然性的火。

但亞馬遜熱帶雨林卻有傳統的墾燒 (slash and burn),這是一種符合保育原則的農耕方式,熱帶雨林的土壤並不肥沃,原住民通常會在乾季前砍伐一小片森林,乾季來臨時引火,焚燒後的灰分提供土壤養分,適合種植農作物,耕作幾年後,因為土地已再次貧瘠,原住民會放棄這塊農作地,搬移到另一個地點,再墾燒一塊新農作地,形成像遊牧一樣的遊耕。

被廢棄的農耕地因為周遭森林種子的進入而有所恢復,也促進了生物多樣性健全。這樣的遊耕在亞馬遜熱帶雨林進行了數千年,是保育與永續生產模式。

所以,縱使是沒有自然火的熱帶雨林,在乾季引火墾燒成為傳統,也沒有人會認為是森林火災。

在全球化與經濟開發的商業模式下,農牧礦生產必須大面積砍除森林,以利機械化與長期固定的耕作,最簡單的開發方式是乾季墾燒,但這方式卻不知不覺從傳統的遊耕用火,變成破壞森林生態系的森林火災。

在巴西,這樣的開墾方式仍被政府允許,也為民眾接受,甚至認為是既有文化,這才是今天火燒的實況,也是媒體報導與名流討論誤解的地方。

經濟發展競賽必然要毀林才有生產的土地,火不過是這種必然性的工具,如果要譴責護林或救火不力,不如思考經濟發展競賽為何主宰著當今社會。

繼續燒下去,亞馬遜熱帶雨林會消失嗎?

世界野生動物基金會曾調查,2001~2012 年間亞馬遜熱帶雨林每年毀林平均約 1.4 百萬公頃,總共約 17.7 百萬公頃已轉作農、牧和礦場,主要分布在巴西、秘魯與波利維亞;依此毀林趨勢,預估到 2030 年亞馬遜熱帶雨林約 25% 會消失。

這種趨勢會不會像媒體與名流所傳播的「亞馬遜熱帶雨林將消失」呢?根據去 (2018) 年發表在 Nature 的一篇研究指出:1982~2016 年間全球森林覆蓋面積增加了 2.24 百萬平方公里,全球裸露地面減少 1.16 百萬平方公里。

森林覆蓋面積為何增加?經濟學家提出了所謂 U 型的開發與保育關係論,亦即初期帶來的破壞與汙染會在經濟成長後反轉改善。

依此毀林趨勢,預估到 2030 年亞馬遜熱帶雨林約 25% 會消失。圖/CNN

2012 年發表在《加拿大農業經濟》(Canadian Agricultural Economics Society) 期刊的一篇研究指出,1972~2003 年間全球 52 個開發中國家人均收入達美金 3100 元時反轉毀林作業為植林恢復,這就是所謂的U型的的開發與保育關係。

巴西在 2004 年人均收入達美金 3600 元後,毀林面積開始逐年減少,但願這結果為亞馬遜熱帶雨林悲慘命運帶來一絲樂觀希望。

在爭議之後……?

當前巴西的火,雖已投入軍隊協助滅火,但何時才會熄滅?恐怕要等到 11 月的雨季來臨,因為被認可的墾燒季對已開發或正要開發的農耕地來說所剩時間不多,且媒體關注高峰已過,要燒的地還是要儘速燒。而這場森林火燒,應該已創下南半球在夏季世界性森林火燒新聞的紀錄……


 

〈本文選自《科學月刊》2019 年 10 月號〉

在這個資訊不被期待的時空裡,卻仍不忘科學事實至上的自由價值。

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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!

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