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地震不會殺人,建築物才會──《地震:火環帶上的臺灣》

春山出版
・2019/11/19 ・2090字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 521 ・七年級
  • 作者/林書帆、黃家俊、邱彥瑜、李玟萱、王梵

地震工程界有句老話:「地震不會殺人,建築物才會。」這句話當然不是絕對,因為地震引發的山崩、海嘯一樣會致命,但不可否認,地震時大部分的傷亡都是因建築倒塌或嚴重損毀所造成。

傳統的土角厝。圖片來源/國家地震工程研究中心

一九○六年梅山地震與一九三五年新竹—臺中地震造成上千人死亡的主因,就是當時普遍的土角厝建築耐震能力太差,雖然日本殖民政府因此不再將土角厝列為合法建築,但因民眾普遍經濟能力不高,實務上無法禁止繼續使用、興建。直到九二一地震前,全臺灣建築總數還有約五% 是土角厝,但住在這五% 土角厝中的居民,卻占了九二一罹難者總數的四一%。

鋼筋混凝土建築也不安全?

另外有 二八% 的罹難者,是居住在理應較為堅固的鋼筋混凝土建築中。

根據國家地震工程研究中心的勘災結果,鋼筋混凝土建築達嚴重破壞以上程度者占了 四八% ,導致民眾產生「鋼筋混凝土建築不安全」的印象,使得九二一地震後的房產市場吹起一陣鋼骨鋼筋混凝土構造風潮,其實這是個迷思,在一九九五年的阪神地震中,嚴重破壞比例最高的反而是鋼骨構造樓房,這個例子很能說明不同的建築材料各有不同特性及優缺點,事實上只要設計得宜,不論鋼筋混凝土、鋼骨鋼筋混凝土或鋼骨構造都可以有良好耐震能力。

那麼為何鋼筋混凝土建築在九二一地震中會被破壞得如此嚴重?

其中一個主要原因是「軟弱層」的問題。

懸臂式建築懸空的樓板下,通常作為遮雨騎樓或商家營業使用。圖/嵌入自國家地震工程研究中心

臺灣因氣候炎熱多雨,沿著馬路或街道興建的街屋通常會有騎樓供行人遮陽避雨,這類建築形式一樓與道路平行方向的牆壁量本就較少,早期甚至還有一種連柱子都沒有的懸臂式騎樓,導致底層耐震能力不佳,而街屋一樓常做為店鋪使用,商家為了展示商品、打造開闊的賣場空間,常會把隔間牆敲除,這種種原因使得一樓成為整棟建築最脆弱的軟弱層,地震發生時最先受到破壞,因此九二一地震後處處可見一樓整個被壓垮而矮了一截的房屋。當時損壞的各種不同型態鋼筋混凝土建築中,有騎樓的建築所占的破壞比例最高,達到八四%。

施工品質不良或監工不實是另一個使房屋倒塌的重要因素

誠如英國地震學家穆森所言:「你可以賄賂建築督察員,但是你無法賄賂地震!」

鋼筋混凝土建築中的鋼筋就像房屋的骨架,有良好的「骨本」就不容易被地震摧毀。在一根混凝土柱子中,直立的鋼筋稱為主筋,再加上外圍的一圈圈箍筋、內部的繫筋將主筋圍束起來。為了便於運送,一般鋼筋大約會裁切成十二至十五公尺長,蓋房子時再將兩段鋼筋搭接起來。

由於搭接處是柱子相對脆弱的地方,鋼筋混凝土構造施工規範中,對於鋼筋的搭接長度、位置都有要求,有些在九二一地震中倒塌的建築就有鋼筋搭接長度不足、或相鄰主筋搭接位置沒有錯開的問題,臺北新莊「博士的家」大樓就是一例。其他如箍筋間距過寬、兩端僅彎折九十度而未伸入混凝土中的施工方式,都容易使箍筋在地震時鬆脫,導致混凝土崩落,進而使房屋倒塌。

耐震規範不完備,可能也是建築倒塌原因

不可否認,人為因素是九二一地震中大量建築倒塌的原因之一,不過不一定所有受損的建築都是故意偷工減料,也可能與早期耐震規範尚不完備有關。

在探討耐震規範沿革前,必須先有一個觀念,那就是不管遭遇多大地震,都完全不會受損的建築並不存在,就算技術上有可能做到,經濟上也不允許,因此耐震規範是以「小震不壞,中震可修,大震不倒」的原則訂定的。

小震不壞,中震可修,大震不倒。圖片來源/國家地震工程研究中心

小震、中震與大震在耐震規範中的正式用詞分別是:中小度地震、設計地震、最大考量地震,這三種地震水準並非直接對應某個規模或震度,而是考量建築形態與建材、建物所在地所屬震區、地盤性質、距斷層遠近等眾多因素計算而得,會因地而異。

以一棟建築的使用年限約五十年來看,它會有八○%以上機率遭遇「小震」水準的地震,如果它完全按照耐震規範設計,結構體理應完全不會損壞。

而一棟建築在未來五十年內遭遇「中震」或「大震」的機率,分別是一○%與二%,在中震水準下,建築所受到的損害必須是要可修復的,萬一不幸遇到大震,則要求建築至少不能倒塌,以避免人命傷亡。中震與大震指的就是回歸期四百七十五年與兩千五百年的地震,但回歸期並沒有固定週期,對一棟建築物來說,大震可能發生在五十年的頭一天,也可能發生在最後一天。

——本文摘自泛科學 2019 年 11 月選書《地震:火環帶上的臺灣》,2019 年 10 月,春山出版

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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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