一層樓高的氣象雷達球成功上船啦!美國研究船「莎莉萊德號」的神秘任務是什麼呢?

八月底,美國海軍所屬的研究船「莎莉萊德號(Sally Ride)」在基隆港邊短暫停留。這艘船身懸掛「中華民國」國旗、長度將近 73 公尺、3000 噸的大洋級研究船,格外引起大家的注意。

這難道有什麼八卦嗎?其實,莎莉萊德號剛剛結束印度洋的任務,停泊在基隆港邊,進行補給和研究人員更替的任務,而船身掛國旗其實是對停泊港國的尊重。

莎莉萊德號首次來到臺灣,停泊基隆港補給,之後前往帛琉海域執行 PISTON 計畫。(圖片提供/臺大海洋研究所)

儘管沒有軍事八卦,這艘莎莉萊德號的來頭實在不小!2016 年由美國耗資 8900 萬美金(約台幣 27 億)打造完工,最長可在海上闖蕩 42 天以上。

目前是美國最新的大洋級研究船,交由美國聖地牙哥史奎普斯海洋研究所管理。船內不僅裝載十幾項最新海洋科學儀器,甲板作業區也相當寬敞。前甲板可放置一個 20 呎貨櫃實驗室,後甲板則可放置三個,

而本次莎莉萊德號來到基隆,一直與美國海洋研究緊密互動的臺灣大學海洋研究所,因此受美國 PISTON 研究團隊之邀,得以上船參觀。

不可能的任務:一層樓高的氣象雷達球上船

一登上船,臺大大氣科學系教授林博雄的讚嘆之情溢於言表,驚呼:「把整顆氣象雷達球搬上去,是件不可思議的事!再加上放置數據的貨櫃實驗室,這艘研究船儼然是行動氣象站。」

這艘研究船共有三顆雷達,分別是兩小顆位於船頂最高處的通訊雷達和一大顆位於船首的氣象雷達。這顆氣象雷達將近一層樓高(4.3 公尺),功能相當於氣象局放在山上觀測雲滴的氣象雷達,而貌似足球的外型是雷達的罩子。

你注意到Sally Ride上有三顆大球嗎?船頭那顆最大就是氣象雷達喔!(圖片提供/臺大海洋研究所,拍攝連政佳)

這顆氣象雷達是俄勒岡州立大學 (Oregon state university) 所屬的「海基型雙偏極化氣象雷達」(ship deployable dual-polarization meterological rada, SEA-POL)。技術人員特別從美國飛到臺灣,運用一週的靠港時間,將雷達完成組裝、測試後,再用吊臂將雷達與實驗室放在前甲板上。

林博雄表示,海上雷達運轉不只要需要克服船上的強烈風速及搖晃,而快速從零搭建、組裝雷達也是門學問。

目前為止,自 2018 年啟用至今,只有三艘船使用過這顆氣象雷達,莎莉萊德號便是其中一艘。

SEA-POL原本並不在船上,是在地面安裝完畢後,由吊臂掛上去的(圖片拍攝/簡鈺璇)。

這種雷達是最新型的雷達設施,能藉由發射水平和垂直兩方向的電磁波,再依據都卜勒效應回推水平、垂直方向的回波,就可推測雷達周遭的雨滴型態、降雨機率和降雨量1, 2。它能在每十分鐘完成一次雨量觀測、雲滴分析,經過資料處理後,就能繪製即時雨圖。

SEA-POL的資料,可以分析雲滴的組成成分(圖片拍攝/簡鈺璇)。

而且波段是 C-band,觀測距離能延伸至 200 公里,解析度為 100 公尺,相當於每 100 公尺有一個雨量站。

一般來說,氣象雷達常見的波段有 10公分(S-band)、5公分(C-band),3公分(X-band)。S-band 波長最長,發射距離最遠,可達 400 公里,但雷達半徑最大、耗電大、建置成本高,是氣象局使用的觀測雷達;相反的 C-band 的波長較短,解析度高,可檢視更小的雲滴,但信號容易衰減,適合小地方的觀測,加上零組件較小,機動性更強。

從雷達球的內部可知,SEA-POL 其實是個大耳朵(圖片拍攝/簡鈺璇)。

「大足球」的秘密任務:研究海上氣團 BSISO

大家可能會好奇:為何要特地在台灣將氣象雷達搬上船呢?這跟 Sally Ride 的任務有關。

莎莉萊德號離開臺灣基隆後,將至帛琉海域進行為期 25 天的海上研究,執行美國、菲律賓和臺灣合作的「季內熱帶震盪的傳播觀測計畫」(Propagation of Intraseasonal Tropical Oscillations,PISTON)。PISTON主要研究目的為瞭解「北半球夏季熱帶季內震盪現象」( Boreal summer intraseasonal oscillation,BSISO)原因。

BSISO 聽起來好像很複雜,但一點也不難喔!簡言之,你可以想像大氣就像一個盒子,裏頭有不同的勢力在互相影響,BSISO 就是其中一股勢力。

它是赤道周圍有一坨氣團,裡頭有對流區旺盛和無對流兩區,這坨氣團以每 30-60 天為一個週期,由印度洋東側自西向東至太平洋中央移動,此氣候現象現象類似於馬登-朱利安振盪(Madden Julian Oscillation, MJO)3。由於準確度、現象描述的差異,MJO 指數通常適用於北半球冬季觀測,BSISO 指數則適用於夏季。

美國氣候預報中心(CPC)在2006年的MJO指數的變化(五日移動平均、EEOF分析)。縱軸為時間軸,橫軸為經度。圖中顯示對流活動較強的藍色區域,隨時間而向東移動(從4/16-6/16),約每30-60天為一個循環(圖取自維基百科)。

當 BSISO 對流區掃過的地方,就會帶來豐沛的降雨。過往研究指出, BSISO 主要對流區從菲律賓海向西北移至台灣附近時,會使西南風更強,臺灣降雨量更大。BSISO 也會影響颱風、陸上高溫的變化,氣象局科技中心在2015年也加入 APCC(亞太經濟合作會議氣候中心)的 BSISO預報實驗。4, 5

目前科學家未完全掌握 BSISO 的成因,而 PISTON 任務便是透過海氣交互現象相關參數的觀測,釐清水和空氣在海洋與大氣層之間交換的過程,如何影響 BSISO 的發展與移位,這對於東南亞國家、臺灣預報颱風生成和降雨皆有助益。

氣象歸氣象,海洋歸海洋?不行!海氣會有交互現象

PISTON 研究團隊結合了海洋物理、大氣專家進行研究。大氣組會利用雷達(SEA-POL、W-band 雷達)、氣象塔,以及定點施放探空氣球,來蒐集數據,跑數值模型進行分析;海洋組則會利用「紊流儀」,分析海表水溫、海洋上層流速、紊流、水文剖面等觀測。

這裡出現了一個關鍵字「紊流」,紊流指的是亂流,例如水碰到障礙物時,水中產生擾動或漣漪就是紊流。好der,那紊流與海氣現象又有什麼關係呢?為什麼研究氣候現象要特別觀測紊流呢?

試想我們在靜止的水面上加熱,熱其實是很難傳到底層的,但如果拿根棒子在水上攪動,熱就傳下去了。臺大海洋研究所副教授張明輝表示,紊流就像攪拌棒,能將太陽的熱從海表面傳下去,一定要有紊流,海洋和大氣的交互現象才會進行,上層的熱下去,底層的冷水上來,造成海水溫度變化及風向改變。著名的聖嬰現象,就是東太平洋水溫上升,使得赤道東風減弱,導致太平洋東岸出現乾旱。

張明輝解釋,海溫跟風向會不斷箝制,風帶起海底層的冷水,但冷水又讓上方空氣冷,會使大氣對流變得薄弱,風就又變小了,此時底層海水又上不來了,這是個複雜的交互作用,也是 PISTON 研究需要湊合大氣和海洋物理專家的原因。

PISTON 量測紊流的儀器有兩種,都是研究團隊自行開發的,一是像洗衣板型的儀器「Surfotter」,上面會掛溫度計,以及測海水導電度的溫鹽探儀,主要是掛放在距離船 200 公尺處,測量近海表層紊流所造成的現象;二是像掃帚的長型紊流儀「Chameleon」, 設計成掃帚是為了讓紊流儀可以垂直、慢慢下降至海底觀測區,主要是測量海洋混合層(200公尺)以下的紊流現象。

測量紊流的儀器有兩種,此為類似洗衣板的Surfotter,會掛在船的兩側約200公尺處,上面一根根桿子裡都有放溫度計,最下面的白色筒子是鹽度計(圖片提供/謝欣崧)。

掃帚型的紊流儀Chameleon,是垂直觀測紊流的儀器(圖片拍攝/簡鈺璇)

張明輝表示,垂直觀測紊流是因為海水過了混合層後就急遽降溫,因此深水區的紊流擾動就會影響海表層溫度變化。他笑著表示,長型紊流儀探測也十分有趣,就像是把一根竿子直直投進海中,看它被紊流干擾、轉動的狀況,即量測紊流造成的「動能消散率」。

不過,用 Chameleon 這隻「掃帚型」的儀器做研究可不簡單。美國研究人員表示,無論風吹日曬雨淋,24小時都必須有人輪班站在甲板上,把 Chameleon 慢慢放置海底 200-300 公尺處,然後再慢慢拉回來,整個航程會累積數千筆的資料。

此次,臺大海研所也有兩位研究人員登船 25 天,協助這個任務。臺大貴重儀器中心技術員謝欣崧表示,投放 Chameleon 必須垂直入水,儀器下水後兩人一組,一人在電腦前監控數據、存擋資料,另一人則在外面聽從裡面指示操作絞機,將 Chameleon 回收,但要控制收攬的速度,避免儀器抓不到數據,整個過程下放和回收的過程約 8-10 分鐘,一小時做六組,然後換班。

「大太陽底下工作很熱!外面一站就是滿頭汗。」謝欣崧開玩笑地說,在甲板工作時,電腦室的人會用耳機跟外頭夥伴聊天,避免施放儀器恍神,掉到海裡。

將紊流儀Chameleon放入水中後,工作人員必須聽從電腦操控端的指示,右手控制收纜繩的速度,左手操作控制桿(圖片提供/謝欣崧)。

臺大海研所也與 PISTON 計畫合作,在去年及今年將美國奧勒岡州立大學 Jim Moum 教授的紊流儀掛放在 NTU3 海氣象觀測浮標上,此浮標位於臺灣東南方海域,位在東經 125 度、北緯 21 度的錨碇站位上。去年 PISTON 計畫是由美國華盛頓大學研究船 Thompson 靠港,那時海研所也有八位研究人員上船協助。

臺大海研所楊穎堅副教授表示,早在 1980 年臺大海研所與美國有許多研究的交流,這段期間建立了深厚的友誼,讓美方這次相當樂意來台補給、交流,台灣這邊當然也把握機會開開眼界啦。

台灣研究團隊、船廠至Sally Ride上的參訪合照(圖片拍攝/簡鈺璇)。

對海研船設計的啟發

參訪完畢後,研究人員與新海研船的造船師皆對船上的研究設備配置、空間安排表示讚賞。

「我們真的很羨慕這艘船!」林博雄教授表示,以往海研船為了海洋研究都著重後甲板的設計,但忽視氣象觀測的前甲板需求,例如:莎莉萊德號設計一根快兩層樓高的在氣象塔在船頭,且這根氣象塔可以傾倒更換儀器,儘管可能會影響前面開船的視線,但可透過攝影機彌補阻礙。

船上的氣象塔可以橫躺,讓研究人員保養、更換儀器設備(圖片拍攝/簡鈺璇)。

「莎莉萊德號為了研究需求而設計的,但現行台灣的海研船比較像是研究人員去適應船上的空間,想辦法把儀器放上去。」臺大貴重儀器中心技術員謝欣崧則表示,莎莉萊德號上很多東西都可以拆裝,連圍住甲板的圍欄都可拆,這對於採集海底岩心等需大空間的研究作業相當方便,但這對造船廠一般的認知會認為這樣設計很危險。

後甲板的藍色圍欄可以拆卸,利於海上研究作業(圖片拍攝/簡鈺璇)。

執行「新海研船」建造的台灣國際造船(台船)施經理則表示,莎莉萊德號甲板留很多放置移動式儀器的空間與固定儀器的卡榫,雖然新海研船也有,但就沒那麼多,這是他們未來可以學習的。

甲板尚有許多孔,使得這艘船就像組樂高一樣,可以拆卸、裝載不同儀器,適合各類海上研究(圖片拍攝/簡鈺璇)。

看了美國大洋級的海研船,大家是否也開始期待預計將於今(2019)年底明年初開工的 MIT 的三艘「新海研1、2、3號」呢?記者也想跟著出航 25 天啊~這樣就沒人找得到我啦~

參考資料

  1. 科技大觀園,電磁波知多少:氣象雷達
  2. 中央氣象局,聽見雨的聲音—雷達
  3. Intraseasonal rainfall variability in North Sumatra and its relationship with Boreal Summer Intraseasonal Oscillation (BSISO)
  4. 臺灣師範大學地理學系洪致文教授 出國報告書:  Intraseasonal Oscillation and the Taiwan Climate
  5. 中央氣象局科技研究中心盧孟明、李思瑩:APCC BSISO 預報計畫與氣象局的參與

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關於作者

Suzuki

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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