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颱風耍任性?我真是猜不透你啊!

阿樹_96
・2012/09/14 ・2019字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

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「有百分之 70 是 7,百分之 30 是 jack,不是 7,就是 jack」
海珊:「開張 6 給他.讓他贏個莊家 100 塊。」

結果開出來是 6 點,和電腦分析完全不一樣。

電腦分析也有失準的時候,當然拿這個去比颱風有點搞笑,但我想說的是,只有 70%,那別忘了另外 30% 的可能!

本篇的旨意不是要告訴大家颱風的移動方式、或者是原理機制,而是想幫大家解讀一下電視或氣象局網頁上的一些預報方式,正好這兩天看到一篇新聞標題主播嗆氣象局:別照本宣科,裡面有人指出某記者提到了一點:「民眾根本無法真正理解預測圖的意義。很多人看到紅圈圈和路線,以為颱風就是那麼大、就會這樣走。」所以到底,預測圖怎麼看呢?

以氣象局的預測圖為例,早期傳統的預測路徑由上所示,明確的告訴大家颱風將怎麼走、暴風半徑多大。但現今除了警報單,路徑潛勢多半都會以下圖( 70% 機率)來表示,但我第一次看到這種時也覺得莫名奇妙,暴風半徑怎麼會大的那麼誇張?其實右上的「本產品的意義」,就寫著未來可能移入的範圍,中心可能有 70% 會進入該區,至於 7 級暴風圈,則是用粉紅色框框表示,已經經過的路徑上會用不同顏色的線來表示強度,強度難以預測,所以也只能給大家過去的資訊以作參考。(下方有圖說)

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所以問題來了,未來颱風將怎麼跑?看看旁邊的圖吧,簡單的畫了幾個五顏六色的可能路徑,每一條都有可能,而黑色那條雖然跑到外面來,但是也不無可能,因為機率的意義比較接近:10 次路徑有 7 次會掉在 70% 框,而另 3 次是亂跑,也就是說,我們經過資料收集與電腦運算的結果,還是有可能會有 30% 的可能會被颱風擺了一道!聽過「蝴蝶效應」嗎?有太多不確定的因素存在,而且隨時間會影響,一點點的變化都會放大數千數萬倍,這也是為什麼那個 70% 的路徑潛勢會越來越大的原因。

另外還有一張圖,看起來也是頗有藝術感!?也是另一種機率的統計方式,告訴大家,未來 120 小時內中心位置的機率分布圖,紅色的部分達80%,當然,從這圖上,可以了解颱風的威脅有多近,基本上比綠色還外面的區域看起來安全多了。其實網頁上有不少說明文字或連結,然而這些在新聞上是隻字未提!

在新聞中,也常聽到媒體說,路徑詭異、史無前例……等字眼,然而換個方向想,就是「從未有這個記錄的路徑」,如此而已,大自然的變化本來就存在許多不確定性,我們進行觀測、統計,期望找到一個規律,但遺憾的,規律常常是沒有 100% 的,自然界的探索還有待人類的努力。就圖面來說,氣象局提供的資訊,是符合科學精神的!

資料來源:中央氣象局

或許有人說:我不管什麼狗屁科學精神!我只想知道,颱風會不會來?但實際上沒有人能給你確切回答,像上次天秤颱風,或是造成大水災的納莉颱風(上圖),許多颱風可能突然因為某些因素突然轉變方向,所以最好的做法,就是「了解」風險有多少,再進行決策。防災單位的防救災準備、政府機關決定是否放假,必須要了解是否有風雨增強或減弱的可能,颱風接近,本來就是要做好準備,如果颱風沒來,也是萬幸不是嗎?至於突然間變化的氣候,造成有時緊急宣布放假,我想決策本身並不是問題所在,更多的案例,可以幫助人們去應對「不測風雲」。

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其實,該介紹這些資訊的或許是氣象局或新聞媒體,但有趣的是在上面提到那則新聞中,看到了兩邊互推責任,也推動了我寫這篇文章。氣象局發布這些資訊,但資料的詮釋如何進入人們的腦子裡,仍有待加強;而媒體在告訴民眾未來颱風的動向時,也該讓我們明白「那段時間」該當心。經常看到引用日本美國的路徑圖,或者是引用 CNN 報導,我們習以為常的中度颱風,被 CNN 報的跟「怪獸」一樣,但事實是:在美國,1000毫米的累積雨量可能是某些地區好幾年的數值,而美國國家海洋大氣總署近期也不斷的宣導民眾要「高規格」看待劇烈天氣,以達減災效果;日本 NHK 更是因為早年災害訊息誤報而成立的電臺,對於防災更加重視。這些國家即便遇到這種變化多端的颱風路徑,仍然是謹慎以對、不敢輕忽,更不會有斥責預報不準的「異象」出現;我曾在311後的會議上問過 NHK 的記者,對於地震或氣象的誤報,該如何報導,NHK 記者回答我,本來這類的預報或預警就有不確定性,他們的民眾也能理解這一點。

引用其它國家路徑圖也並無不妥,但實際上不同的路徑是告訴我們「颱風難以預測」,而非「誰預測的比較準」,說實在的,災難當頭,「準」有意義嗎?如果因而責難氣象學者或從業人員,我想應該不會有人繼續這個吃力不討好的工作吧?或許這次颱風登陸機率不高,但這幾天是最接近的時候,偶爾還是關注一下吧!

作者部落格:地球故事書

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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說好的颱風呢?!氣象預報不準?要準確預測天氣有多難?
PanSci_96
・2023/09/12 ・4646字 ・閱讀時間約 9 分鐘

小心啊,打雷囉,下雨收衣服啊!

氣象報告說好是晴天的,怎麼一踏出門就開始下雨了?

昨天都說要直撲的颱風,怎麼又彎出去了?

多麼希望天氣預報能做到百分之百正確,只要出門前問一下手機,就能確定今天是出大太陽還是午後雷陣雨,是幾點幾分在哪裡?又或是最重要的,颱風到底會不會來?

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但你知道,現在的氣象預報,已經動用全球最強的超級電腦們了嗎?既然如此,我們現在的氣象預報能力到底有多準?我們什麼時候能徹底掌握這顆蔚藍星球上發生的所有天氣現象?

天氣預報有多困難?

雖然我們常常嫌說氣象預報不準、颱風路徑不準、預測失靈等等。但我們現在的實力如何呢?

目前美國國家海洋暨大氣總署的數據分析,對西太平洋颱風的 24 小時預測,誤差平均值約 50 英哩,也就是一天內的路徑誤差,大約是 80 公里。其他國家的氣象局,24 小時的誤差也約在 50 到 120 公里之間。台灣呢?根據中央氣象局到 2010 年的統計,誤差大約在 100 公里內。也就是臺灣對颱風的預測,沒有落後其他先進單位。

現在只要打開手機隨便開個 APP,就能問到今天的天氣概況,甚至是小區域或是短時間區間內的天氣預報。但在過去沒有電腦的時代,要預測天氣根本可以不可能(諸葛孔明:哪泥?)。

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近代且稱得上科學的天氣預測可追溯回 1854 年,那個只能靠人工觀測的年代,英國氣象學家為了保護漁民出海的安危,利用電報傳遞來蒐集各地居民的觀察,並進行風暴預報。後來演變成天氣預報後,卻因為有時預報不準,預報員承受了輿論與國會批判的巨大壓力,最後甚至鬱鬱離世。

19 世紀的氣象學家為了保護漁民出海的安危,會利用電報蒐集各地居民的觀察進行風暴預報。圖/Giphy

在電腦還在用打洞卡進行運算的年代,一台電腦比一個房間還大。氣象局要預測天氣,甚至判斷颱風動向,得要依賴專家對天氣系統、氣候型態的認知。因此在模擬預測非主流的年代,我們可以看到氣象局在進行預測時,會拿著一個圓盤,依據量測到的大氣壓力、風速等氣象值,進行專家分析。

當時全球的氣象系統,則是透過全球約一千個氣象站,共同在 UTC 時間(舊稱格林威治時間)的零零時施放高空探測氣球,透過聯合國的「World Weather Watch」計畫來共享天氣資料,用以分析。關於氣象氣球,我們之前也介紹過,歡迎看看這集喔。

也就是說,以前的颱風預測就是專家依靠自身的學理與經驗,來預測颱風的動向,但是,大氣系統極其複雜,先不說大氣系統受到擾動就會有所變化,行星風系、科氏力、地形、氣壓系統這些系統間互相影響,都會造成預測上的失準,更遑論模擬整個大氣系統需要的電腦資源,是非常巨大的。

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那麼,有了現代電腦科技加持的我們,又距離全知還有多遠呢?是不是只要有夠強的超級電腦,我們就能無所不知呢?

有了電腦科技加持,我們的預報更準了嗎?

當然,有更強的電腦,我們就能算得更快。才不會出現花了三天計算,卻只能算出一個小時後天氣預報的窘況。但除了更強悍的超級電腦,也要更先進的預測模型與方法。現在的氣候氣象模擬,會先給一個初始值,像是溫度、壓力、初始風場等等,接著就讓這個數學模型開始跑。

接著我們會得到一個答案,這還不是我們真正要的解,而是一種逼近真實的解,我們還必須告訴模型,我容許的誤差值是多少。什麼意思呢?因為複雜模型算出來的數值不會是整數,而是拖著一堆小數點的複雜數字。我們則要選擇取用數值小數點後 8 位還是後 12 位等等,端看我們的電腦能處理到多少位,以及我們想算多快。時間久了,誤差的累積也越多,預測就有可能失準。沒錯,這就是著名的蝴蝶效應,美國數學暨氣象學家 Edward Norton Lorenz 過去的演講題目「蝴蝶在巴西揮動了翅膀,會不會在德州造成了龍捲風?」就是在講這件事。

回到颱風預報,大家有沒有發現,我們看到的颱風路徑圖,颱風的圈怎麼一定會越變越大,難道颱風就像戶愚呂一樣會從 30% 變成 100% 力量狀態嗎?

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輕颱鴛鴦的颱風路徑潛勢圖。圖/中央氣象局

其實那不是颱風的暴風圈大小,而是颱風的路徑預測範圍,也就是常聽到的颱風路徑潛勢圖,​是未來 1 至 3 天的颱風可能位置,颱風中心可能走的區域​顯示為潛勢圖中的紅圈,機率為 70%,所以圈圈越大,代表不確定性越大。​

1990 年後,中央氣象局開始使用高速電腦,並且使用美國國家大氣研究中心 (NCAR) 為首開發的 Weather Research and Forecasting 模型做數值運算,利用系集式方法,藉由不同的物理模式或參數改變,模擬出如同「蝴蝶效應」的結果,運算出多種颱風的可能行進路線。預測時間拉長後,誤差累積也更多,行進路徑的可能性當然也會越廣。

「真鍋模型」用物理建模模擬更真實的地球氣候!

大氣模擬不是只要有電腦就能做,其背後的物理複雜度,也是一大考驗。因此,發展與地球物理相關的研究變得非常重要。

2021 年的諾貝爾物理學獎,就是頒給發展氣候模型的真鍋淑郎。他所開發的地表模式,在這六十年間,從一個沒考慮地表植物的簡單模型,經各家發展,變成現在更為複雜、更為真實的模型。其中的參數涵蓋過去沒有的植物反應、地下水流動、氮碳化合反應等等,增強了氣候氣象模型的真實性。

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2021 年的諾貝爾物理學獎得主真鍋淑郎。圖/wikimedia

當然,越複雜的模型、越短的時間區間、越高的空間精細度,需要更強大的超級電腦,還有更精準的觀測數據,才能預測接下來半日至五日的氣象情況。

世界上前百大的超級電腦,都已被用來做大氣科學模擬。各大氣象中心通常也配有自己的超級電腦,才能做出每日預測。那麼,除了等待更加強大的超級電腦問世,我們還有什麼辦法可以提升預報的準度呢?

天氣預報到底要怎樣才能做得準?

有了電腦,人類可以紀錄一切得到的數據;有了衛星,人類則可以觀察整個地球,對地球科學領域的人來說,可以拿這些現實資訊來校正模擬或預測時的誤差,利用數學方法將觀測到的單點資料,乃至衛星資料,融合至一整個數值模型之中,將各種資料加以比對,進一步提升精準度,這種方法叫做「資料同化 (Data Assimilation)」。例如日本曾使用當時日本最強的超級電腦「京」,做過空間解析度 100 公尺的水平距離「局部」超高解析氣象預測,除了用上最強的電腦,也利用了衛星資料做資料同化。除了日本以外,歐洲中程氣象預測中心 (ECMWF),或是美國大氣暨海洋研究中心 (NOAA),也都早在使用這些技術。

臺灣這幾年升空的福衛系列衛星,和將要升空的獵風者等氣象衛星,也將在未來幫助氣象學家取得更精準的資料,藉由「資料同化」來協助模擬,達到更精準的預測分析。

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如果想要進一步提升預報準度呢?不用擔心,我們還有好幾個招式。

人海戰術!用更多的天氣模型來統計出機率的「概率性模擬」

首先,如果覺得一個模型不夠準,那就來 100 個吧!這是什麼意思?當我們只用一種物理模型來做預測時,我們總是會追求「準」,這種「準確」模型做的模擬預測,稱為「決定性模擬」,需要的是精確的參數、公式,與數值方法。就跟遇上完美的夢中情人共度完美的約會一樣,雖然值得追求,但你可能會先變成控制狂,而且失敗機率極高。

「準確」的模型就跟遇上完美情人共度完美約會一樣,雖然值得追求,但失敗機率極高。圖/Giphy

不如換個角度,改做「概率性模擬」,利用系集模擬,模擬出一大堆可能的交往對象,啊不對,是天氣模型,再根據一定數量的模擬結果,我們就可以統計出一個概率,來分析颱風路徑或是降雨機率,讓成功配對成功預測的機率更高。

製造一個虛擬地球模擬氣象?

再來,在物理層面上,目前各國正摩拳擦掌準備進行等同「數位攣生 (Digital Twin) 」的高階模擬,簡單來說,就是造出一個數位虛擬地球,來進行 1 公里水平長度網格的全球「超高」解析度模擬計算。等等,前面不是說日本可以算到 100 公尺的水平距離,為什麼 1 公里叫做超高解析度?

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因為 500 公尺到 1 公里的網格大小也是地表模式的物理適用最小單位,在這樣的解析度下,科學家相信,可以減少數值模型中被簡化的地方,產生更真實的模擬結果。

電腦要怎麼負荷這麼大的計算量?交給電腦科學家!

當然,這樣的計算非常挑戰,除了需要大量的電腦資源,還需要有穩定的超級電腦,以及幾個 Petabyte,也就是 10 的 15 次方個位元組的儲存設備來存放產出的資料。

不用為了天氣捐贈你的 D 槽,就交給電腦科學家接棒上場吧。從 CPU、GPU 間的通訊、使用 GPU 來做計算加速或是作為主要運算元件、到改寫符合新架構的軟體程式、以及資料壓縮與讀寫 (I/O)。同時還要加上「資料同化」時所需的衛星或是全球量測資料。明明是做氣象預報,卻需要等同發展 AI 的電腦科技做輔助,任務十分龐大。對這部分有興趣的朋友可以參考我們之前的這一集喔!

結語

這一切的挑戰,是為了追求更精確的計算結果,也是為了推估大魔王:氣候變遷所造成的影響必須獲得的實力。想要計算幾年,甚至百年後的氣候狀態,氣象與氣候學家就非得克服上面所提到的問題才行。

一百年來,氣候氣象預測已從專家推估,變成了利用龐大電腦系統,耗費百萬瓦的能量來進行運算。所有更強大、更精準的氣象運算,都是為了減少人類的經濟與生命損失。

對於伴隨氣候變遷到來的極端天氣,人類對於這些變化的認知還是有所不足。2021 年的德國洪水,帶走了數十條人命,但是身為歐洲氣象中心的 ECMWF,當時也只能用叢集式系統算出 1% 的豪大雨概率,甚至這個模擬出的豪大雨也並沒有達到實際量測值。

我們期待我們對氣候了解和應對的速度,能追上氣候變遷的腳步,也由衷希望,有更多人才投入地球科學領域,幫助大家更了解我們所處的這顆藍色星球。

也想問問大家,你覺得目前的氣象預報表現得如何?你覺得它夠準嗎?

  1. 夭壽準,我出門都會看預報,說下雨就是會下雨。
  2. 有待加強,預報當參考,自己的經驗才是最準的。
  3. 等科學家開發出天候棒吧,那才是我要的準。更多想法,分享給我們吧

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如何知道報導數據有沒有騙你?試試「利特爾法則」——《一輛運鈔車能裝多少錢?》
三民書局_96
・2023/07/08 ・2027字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「每天有 10,000 名嬰兒潮出生的人年滿 65 歲。」——《紐約時報》,2014 年 8 月 1 日

「每月有 8,000 名嬰兒潮出生的人年滿 65 歲。」——《紐約時報》,2016 年 5 月 7 日

每天都會有幾千份不同的報紙刊登這樣的報導:「每『某段時間』有『多少』『某族群』『如何』。」許多報導內容都與某個「里程碑」(milestone) 相關,或是一生只會發生一次的事,例如出生、死亡或特定年齡的生日。

你對每月有多少嬰兒潮出生的人年滿 65 歲有任何概念嗎?我其實也完全沒概念。所幸我們往往可以理性推論出,這些陳腔濫調的說法是否合理。而在本例中,甚至能夠找出上述哪一則報導的說法基本上正確,而哪一則報導肯定錯誤。

要如何才能判斷新聞上的數據是正確的呢? 圖/envato

什麼是利特爾法則?

其中一種方法是根據稱作利特爾法則 (Little’s Law) 的經驗法則。它是一種守恆定律 (conservation law),說明經過某些處理過程的事物數量、事物抵達某處理階段的速度,以及處理過程所花費時間長短,三者之間的關係。

以下舉一個簡單例子,你就能輕鬆記住這個法則,並且用來檢視你的思路。想像一間有「1,000 名」學生的學校;每名學生入學後會就讀「4 年」,然後畢業;如果忽略輟學生和轉學生,則每個年級會有「250 名」學生,如圖所示。

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圖 7.1:利特爾法則應用於一所有 1,000 名學生的 4 年制學校。圖/《一輛運鈔車能裝多少錢?》

利特爾法則把上述 3 個數字的關係連結起來:總共 1,000 名學生等於每年級 250 名學生乘以 4 年。1,000 除以 250 得到 4,1,000 除以 4 得到 250,而 250 乘以 4 則得到 1,000。單就上述例子來說,這樣的關係現在看來顯而易見,但利特爾法則說明的關係,卻是由麻省理工大學史隆管理學院 (MIT Sloan School of Management) 的利特爾 (John Little) 教授,於 1954 年第一次提出。

接下來就使用利特爾法則來估算,每天有多少嬰兒潮出生的人年滿 65 歲吧。為了簡化計算,首先假設美國人口為 3 億人,也就是正在「處理過程中」的人數。「處理過程」指的是一個人的一生。假設每個人活到 75 歲,則 75 年就是「處理時間」。上述數字其實過度簡化,原因是有些人英年早逝,而有些人則長命百歲;此外,人口估算的方法也忽略了遷入、遷出和出生率,但目前為止,這個估算數字已經夠好。

如果將 3 億除以 75,會得到各年齡組別都有 400 萬人,這個數字同時也是抵達率 (arrival rate):每年 400 萬人出生;以及離開率(departure rate):每年 400 萬人死亡。同時 400 萬人也是每年抵達任何年齡里程碑的人數,其中就包含年滿 65 歲。如圖 7.2 所示,包含 65 歲在內,任何特定年齡的人數都是 400 萬人。

圖 7.2:利特爾法則應用於美國人口。 圖/《一輛運鈔車能裝多少錢?》

將 400 萬除以「1 年(400 天)」,可以得到每天 10,000 人。但實際上 1 年只有 365 天,也就是比 400 天少了 10%,所以可以將 10,000 增加 10%,得到每天達到任何年齡里程碑的人數約為 11,000 人的結論。

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因此,「每天有 10,000 名嬰兒潮出生的人年滿 65 歲」的說法正確,而「每月有 8,000 名嬰兒潮出生的人年滿 65 歲」則錯誤,「每月」應該改為「每天」。

使用之前,先了解數字是怎麼來的

相同類型的推理也可以應用到其他地方:

「今年的每一天,都約有 1,800 人會慶祝最具意義的生日(65 歲生日),這也意味著他們即將退休。」——《每日郵報》(Daily Mail),2011 年 8 月 2 日

英國人口約為 6,500 萬人,因此可以假設人們的壽命為 65 年,藉此簡化計算。這代表每年有 100 萬名英國人年滿 65 歲,因此每天約有 2,700 人年滿 65 歲。然而,英國的預期壽命略為超過 80 年,因此更接近的數字應該是每天 2,300 人年滿 65 歲(6,500 萬除以 80 再除以 365)。這個數字比報導中的 1,800 人還要多,但相差不大,報導數字還在合理範圍內。

為了進一步確認,我另外找了一些獨立資料來源。許多報導都提到,出生於 2013 年 7 月 22 日的喬治王子(Prince George),是那天出生的「2,200 個嬰兒」中的其中一個。當然喬治王子很可能成為未來英格蘭的國王,身分和其他嬰兒顯然不同。

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請注意,以上為了計算方便,都是使用近似數字,如有必要,之後還可以進一步進行更精確的計算。例如,我並不確定報導包含英國的哪些區域,有可能實際上相關的人口是 7,500 萬人,這樣的話就可以先假設預期壽命為 75 年,便於計算,然後在更確定實際的人口數後,進行上調或下修。

簡化數字的方法,確實能幫助你更容易計算數字。無論計算任何數字,你都應該先尋找簡化數字的方法,之後再來考慮,是否需要計算更精確的數字。

——本文摘自《一輛運鈔車能裝多少錢?:輕鬆培養數感,別再被數字迷惑》,2023 年 6 月,三民出版,未經同意請勿轉載。

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三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。

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颱風耍任性?我真是猜不透你啊!
阿樹_96
・2012/09/14 ・2019字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 582 ・九年級

「有百分之 70 是 7,百分之 30 是 jack,不是 7,就是 jack」
海珊:「開張 6 給他.讓他贏個莊家 100 塊。」

結果開出來是 6 點,和電腦分析完全不一樣。

電腦分析也有失準的時候,當然拿這個去比颱風有點搞笑,但我想說的是,只有 70%,那別忘了另外 30% 的可能!

本篇的旨意不是要告訴大家颱風的移動方式、或者是原理機制,而是想幫大家解讀一下電視或氣象局網頁上的一些預報方式,正好這兩天看到一篇新聞標題主播嗆氣象局:別照本宣科,裡面有人指出某記者提到了一點:「民眾根本無法真正理解預測圖的意義。很多人看到紅圈圈和路線,以為颱風就是那麼大、就會這樣走。」所以到底,預測圖怎麼看呢?

以氣象局的預測圖為例,早期傳統的預測路徑由上所示,明確的告訴大家颱風將怎麼走、暴風半徑多大。但現今除了警報單,路徑潛勢多半都會以下圖( 70% 機率)來表示,但我第一次看到這種時也覺得莫名奇妙,暴風半徑怎麼會大的那麼誇張?其實右上的「本產品的意義」,就寫著未來可能移入的範圍,中心可能有 70% 會進入該區,至於 7 級暴風圈,則是用粉紅色框框表示,已經經過的路徑上會用不同顏色的線來表示強度,強度難以預測,所以也只能給大家過去的資訊以作參考。(下方有圖說)

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所以問題來了,未來颱風將怎麼跑?看看旁邊的圖吧,簡單的畫了幾個五顏六色的可能路徑,每一條都有可能,而黑色那條雖然跑到外面來,但是也不無可能,因為機率的意義比較接近:10 次路徑有 7 次會掉在 70% 框,而另 3 次是亂跑,也就是說,我們經過資料收集與電腦運算的結果,還是有可能會有 30% 的可能會被颱風擺了一道!聽過「蝴蝶效應」嗎?有太多不確定的因素存在,而且隨時間會影響,一點點的變化都會放大數千數萬倍,這也是為什麼那個 70% 的路徑潛勢會越來越大的原因。

另外還有一張圖,看起來也是頗有藝術感!?也是另一種機率的統計方式,告訴大家,未來 120 小時內中心位置的機率分布圖,紅色的部分達80%,當然,從這圖上,可以了解颱風的威脅有多近,基本上比綠色還外面的區域看起來安全多了。其實網頁上有不少說明文字或連結,然而這些在新聞上是隻字未提!

在新聞中,也常聽到媒體說,路徑詭異、史無前例……等字眼,然而換個方向想,就是「從未有這個記錄的路徑」,如此而已,大自然的變化本來就存在許多不確定性,我們進行觀測、統計,期望找到一個規律,但遺憾的,規律常常是沒有 100% 的,自然界的探索還有待人類的努力。就圖面來說,氣象局提供的資訊,是符合科學精神的!

資料來源:中央氣象局

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或許有人說:我不管什麼狗屁科學精神!我只想知道,颱風會不會來?但實際上沒有人能給你確切回答,像上次天秤颱風,或是造成大水災的納莉颱風(上圖),許多颱風可能突然因為某些因素突然轉變方向,所以最好的做法,就是「了解」風險有多少,再進行決策。防災單位的防救災準備、政府機關決定是否放假,必須要了解是否有風雨增強或減弱的可能,颱風接近,本來就是要做好準備,如果颱風沒來,也是萬幸不是嗎?至於突然間變化的氣候,造成有時緊急宣布放假,我想決策本身並不是問題所在,更多的案例,可以幫助人們去應對「不測風雲」。

其實,該介紹這些資訊的或許是氣象局或新聞媒體,但有趣的是在上面提到那則新聞中,看到了兩邊互推責任,也推動了我寫這篇文章。氣象局發布這些資訊,但資料的詮釋如何進入人們的腦子裡,仍有待加強;而媒體在告訴民眾未來颱風的動向時,也該讓我們明白「那段時間」該當心。經常看到引用日本美國的路徑圖,或者是引用 CNN 報導,我們習以為常的中度颱風,被 CNN 報的跟「怪獸」一樣,但事實是:在美國,1000毫米的累積雨量可能是某些地區好幾年的數值,而美國國家海洋大氣總署近期也不斷的宣導民眾要「高規格」看待劇烈天氣,以達減災效果;日本 NHK 更是因為早年災害訊息誤報而成立的電臺,對於防災更加重視。這些國家即便遇到這種變化多端的颱風路徑,仍然是謹慎以對、不敢輕忽,更不會有斥責預報不準的「異象」出現;我曾在311後的會議上問過 NHK 的記者,對於地震或氣象的誤報,該如何報導,NHK 記者回答我,本來這類的預報或預警就有不確定性,他們的民眾也能理解這一點。

引用其它國家路徑圖也並無不妥,但實際上不同的路徑是告訴我們「颱風難以預測」,而非「誰預測的比較準」,說實在的,災難當頭,「準」有意義嗎?如果因而責難氣象學者或從業人員,我想應該不會有人繼續這個吃力不討好的工作吧?或許這次颱風登陸機率不高,但這幾天是最接近的時候,偶爾還是關注一下吧!

作者部落格:地球故事書

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。