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一覽無遺 衛星影像全都錄

人間福報_96
・2012/10/08 ・1710字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 523 ・七年級

文/楊祖愛(美國太空總署太空工程師)

一提到太空,人們總有遙不可及的感覺,遙不可及,不僅是指距離上,太空在我們肉眼看不到的藍天之上,藍天已非伸手可及,天外之天更是在夢境之外了;遙不可及,也是科技上的感覺,飛機在離地面十一公里高的天上飛,十幾個小時可以從台灣海峽飛越太平洋,抵達美國西岸,已經很快了吧,而太空站在離地球約三百五十公里高的太空上,環繞地球一圈,只要九十分鐘,這太不可思議了。其他的還有人造衛星、太空飛船、火星探測車,多麼艱深複雜的東西,多麼遙不可及的科技啊!

人類心理,遇到與自己認知或經驗範圍之外的事務,頭一個反應也許是好奇,在好奇探索之際,若遇到難處,沒能突破,則易生放棄心,傾向於迴避,敬而遠之了,人們對於太空科技的遙不可及,大概是這樣的情懷吧。

其實,太空科技並非遠在天邊,而是時時跟在我們身邊的,太空科技已經應用在人類日常生活中的許多地方,對社會經濟和人文發展已經有許多貢獻,此話怎講?聽我道來。

看電視,是今日幾乎人人生活中不可或缺的一部分,但是我們有沒有想過,為什麼打開電視機,就可以看到各種節目表演和各地發生的新聞現場轉播?節目排演和新聞現場距離我們遠嗎?遠!有可能在千山萬水之外,電視距離我們近嗎?近!就在舉手按鈕之勞。

為什麼遠在他鄉的景物,我們在短時間內就可以由家中的電視機上收看到呢?這就要拜人造衛星之賜了。

人造衛星在太空上環繞著地球運轉,不同的衛星有不同的功能。簡略的說,衛星電視即是通過人造衛星,將地面發射站的微波信號,傳送到有定向天線的接受站,通過解碼器解碼以後,輸出給終端用戶收視;而電視上看到的氣象報告、海潮漁汛、災區實況等,則是由地球觀測衛星傳輸下來的,因為地球觀測衛星可以遙測地球表面的現象及環境,氣象及水土風雲的變化盡在眼底。

通訊衛星也與我們日常生活有密切關聯,在天上飛的飛機,因為移動而不能使用有線通訊,通訊衛星就派上了用場,可以迅速的傳輸信息給遠隔二地正在移動的目標物;全球定位衛星系統可以準確的認定物體移動的位置,汽車裡裝置的GPS定位器是常見的實例。此外,科學實驗用的衛星研究特定的科學現象,軍事用的衛星監測國土安全和國防策劃,都是默默的在給我們提供服務。

今日太空裡有大約三千五百顆衛星在運轉執行任務,這些衛星各司其責,我們每日享用著太空科技帶來的資源,卻不知太空科技已經應用在日常生活中,與我們貼得這麼近。

首顆人造衛星  1957年發射

你能想像有一天打開電視機,看不到影像而只剩下黑幕嗎?或是沒了氣象報告,交通運輸連不上線的日子嗎?

為了提倡人們對太空科技的認識,推廣太空科技的應用,聯合國把每年的十月四日至十日定為世界太空周(World Space Week),取十月四日是因為1957年這一天,蘇聯成功發射了第一顆人造衛星史普尼克一號,取十月十日是因為在1967年這一天,聯合國訂立了《太空條約》,這是關於各國探索和利用包括月球和其他天體的外太空活動所應遵守原則的條約。

每年世界太空周,都由聯合國太空科技應用計畫及其會員國合力選定一個主題來推動,今年的主題是「太空與人類安全保障」。

今日世界戰亂、毒品及恐怖組織威脅活動頻傳,太空科技不能阻止戰爭,但是人造衛星能遙測到正在興建中的核武工廠,能看到毒品植物的栽種地點,能立刻有效的傳輸訊息,來作阻止防範的措施;人造衛星能經由對大氣的觀察而預測風災水災的來臨而發出預警;近年來的全球氣溫變化,水旱災及農作物減產引起的糧食危機,直接影響人類生活品質和社會發展,地球觀測衛星可用來測知土地利用現況,森林植被、河流改道等,以協助農業土地規畫;這些都是太空科技能對人類安全保障所作的貢獻。

今日正值世界太空周內,太空科技應用不曾停歇,使今日日常生活無形中便利不少,太空其實就在我們身邊,太空不遙遠。

科學新知

書名:太空探險

作者:史托特
譯者:林嘉倫
出版社:貓頭鷹
出版日期:2005年07月23日


書名:探索太空100問

作者:李波浪
譯者:徐鳳擎
出版社:人類智庫
出版日期:2006年10月12日


原文發表於人間福報

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人間福報_96
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人間福報每周五與你一起《遇見科學》


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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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