0

8
2

文字

分享

0
8
2

船隻設計的基礎,船模實驗大解密!——成功大學系統及船舶機電工程學系陳政宏副教授專訪

科技大觀園_96
・2021/12/03 ・3981字 ・閱讀時間約 8 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

臺灣近年推動自主國防,時常可以看到國艦國造的相關新聞,但你有沒有想過:所費不貲動輒數億的造船經費,要如何知道實船完工是真的功能完整的呢?國立成功大學系統及船舶機電工程學系副教授陳政宏指出,為了驗證船隻模型性能,研究者們設計了各種船模實驗,廣泛用於建造實船之前評估目前船隻設計方案的性能是否符合期望,或是存有潛在流體動力學上的問題。

國防自主艦國造計畫中的磐石軍艦。圖/中華民國海軍全球資訊網

釐清速度與阻力之間的關係:裸船阻力實驗、單獨螺槳實驗與自航實驗

船模實驗中研究者將縮小船模置於其中實驗水槽進行各種操作,並推估放大後的性能狀態。其中,裸船阻力實驗便用來釐清直線航行時,船隻速度與阻力之間的關聯,進而評估推進器設計、馬力與船體如何搭配恰當。然而,螺槳產生推進力的效能同時會受到其本身性能與船殼造成的流場交互影響。

裸船阻力測試。圖/RGB國家研究資訊系統

陳政宏教授解釋,為了拆解可能的混淆變項,因此又衍伸了兩種實驗:螺槳單獨性能實驗、自推實驗。螺槳單獨性能實驗中,螺槳會被放置在一個均勻、流速固定的流體中檢視它的推力大小,以及是否有性能問題。例如螺槳最怕遇到的空蝕 (Cavitation) 問題,當螺槳透過推動水流取得前進的推力時,根據白努利定律,流體速度提高、壓力下降便可能使水氣化,進而出現小氣泡改變整體流場狀態影響實驗結果,甚至氣泡破裂時產生微小的力量也會逐漸侵蝕葉片表面。如何設計出能產生強大推力,但最小化空蝕現象的螺槳,便要依靠螺槳單獨性能實驗。

自航實驗則用來處理螺槳與船殼的搭配問題,裸船阻力實驗中,船首在拖航水槽中由儀器拖動加速,而實際船隻運行時螺槳從後方推動船殼,兩者間產生的流場不同。不同船殼設計也會造成進入螺槳的水流不同,使得實際阻力可能不同。此時便需要透過自推實驗取得螺槳與船殼交互作用後的綜合性、修正後的性能結果。相反的,若缺少裸船阻力實驗與螺槳單獨性能實驗,當自推實驗不理想,研究者也難以分析是哪個部份出現問題。

了解船模製造的流場分布:艉跡流實驗

陳政宏教授也提及,前面提到不同船殼搭配同個螺槳可能產生截然不同的效果,源於不同船殼尾部產生的艉跡流流場不同。因此需要額外實驗以決定如何搭配、設計螺槳,甚至當船殼設計不佳,導致流場流速差異過大,也能夠考慮重新設計船殼或增加整流器。儘管整流器會增加些許阻力,但若能顯著提升螺槳效率反而有亡羊補牢的效果。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

艉跡流實驗也帶出船隻研究的重大議題——電腦運算速度仍不夠快到能投入實用,因此船模實驗仍有存在的必要。目前電腦還無法直接、快速、精確地處理紊流的問題,超級電腦要花上千年才能算完一艘潛艇定速航行時的流場。然而即使使用紊流模型模擬流場以加快速度,也會面臨精確模擬的另一大挑戰是必須提供足夠多、詳細且精準的初始與邊界條件給電腦,才能確保模型模擬結果的準確性。實務上,通常是船模實驗與電腦模擬兩者並重,對船隻設計進行評估。

實船放大後仍會遇到許多變數-紊流與製造技術限制

即使通過船模實驗,真實比例的實船航行時仍會遇到預期外狀況。紊流便是其中之一,因為流體的黏滯力,行進時流體會在船體表面形成一層稱為邊界層的薄膜,邊界層前段為流動較規則的層流,中後段則是不穩定的紊流。船模與實船時前進時,紊流在流場中出現的相對位置不同。因此船模實驗可能會在船艏貼上砂紙或釘子作為激紊器,希望模擬放大為實船後會有相似的紊流邊界層特性。

前段流動較規則的層流,及中後段不穩定的紊流。圖/wikipedia

此外,製造技術產生的公差放在船模與實船,也會導致不同尺度的影響。一公分的誤差對實船或許影響不大,但對船模而言可能改變流場甚鉅。所以船模也必須有一定尺寸並製作精密才能製造貼近實船的流場,如大型商船船模需要在 6 – 8 公尺最為恰當。

如何確定船模實驗結果可以類推到實船:幾何、運動學與動力學相似性

船模實驗為了確保結果有效性,不只要求船模符合幾何相似,還需要運動學與流體動力學相似性。幾何相似指的便是船模外型須與實船相似,運動學相似則是指流場形狀、流速與壓力分佈必須相似。最複雜的動力學相似,要求船模受到各種作用力間彼此的比例關係必須對應,如流場中流體黏滯力、移動產生的慣性力與波浪所形成的重力波。但由於實驗中上述三種作用力,兩兩間的比例關係無法同時滿足:

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
  1. 若想固定慣性力與黏滯力間的比例,「船速度 × 船長」必須為一常數。
  2. 若想固定慣性力與重力之間的比例,則是「船速度 ÷ √船長」 必須為一常數。

由上面的公式可以知道,船模較實船尺寸縮小,因此若想讓 1. 比例維持一致,則船隻速度要增加。但同時想要固定 2. 的比例,則要求船隻速度縮小,兩者是相互矛盾的。因此陳政宏教授也提到實務上,通常會犧牲慣性力與黏滯力的比例,因為通常紊流流場中慣性力對黏滯力的比例夠高。此時在紊流完全發展下,慣性力對黏滯力的比例差異造成的影響差異較小。

讓船隻前進更有效率:減少阻力的方法

根據造成阻力的原因,研究者們發展了各種方式降低船隻行進中受到的阻力。船隻在流體中前進主要會受到三種類型的阻力影響:

第一種是最直觀的表面摩擦力,可以透過使用光滑材質設計船體,或是疏水性或親水性鍍膜、塗料減少摩擦力。但儘管鍍膜與塗料在實驗中取得很好的成效,實務上仍有諸多挑戰,例如:實船長期航行塗料脫落重新上塗料成本巨大、塗料是否環保,如海洋生物附著在船體也會增加表面摩擦力等原因,都是降阻方案投入實務領域面臨的挑戰。

海洋生物附著在船體會增加表面摩擦力,需要定期清理。圖/flickr

第二種阻力為船隻行進時造成的波浪,透過船殼形狀設計可以減少行進時製造的波浪,例如斧艏與劍艏利於破浪;或是流行近百年的球形艏,在船艏水面下的部分設計突出的鈍形構造,能在水面下先製造一個波浪與船艏製造的波浪抵銷。此外,整體船型在細尖的船艏、寬敞的肩部與舯段、船艉之間,不能太快變寬或收攏,才能減少造浪。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

最後一種為黏性壓差阻力,源於垂直於船體表面的壓力。船體左右對稱左右合力抵銷,但船艏由於船體向前進壓力較大,船艉由於原本貼於表面邊界層中的流體因為速度下降剝離,形成紊流區,使壓力降低。這使得整體壓力的合力向後,形成阻力,需要透過流線型船殼與較佳的船艉設計解決。

為實際航行提供指引:耐海與運動操縱性能實驗

陳政宏教授也補充,前面提到的實驗都還只是在靜止水域觀察船模性能,但實際航行時海象變化莫測,還需要評估船體在有浪環境的性能表現,才能確保安全。此時會先使用造波機製造固定波高與波長的規則波浪,觀察船模在規則波浪中前進受到的阻力,以及在空間中六個自由度(前後、左右、上下、俯仰、橫搖與平擺)上的運動。進一步也會參考實際海浪觀測資料中各種波長的機率分布,模擬做出不規則波浪,同時檢視各角度海浪拍打下船模的運動狀態。另外也會做迴旋、之字形航行……等各類操縱,完整了解運動性能。這些數據日後都能提供給船東或船長參考,判斷當船遇到各程度的海浪時,船隻速度下降、耗油增加程度,或是在何種海況下船隻應該停航以確保安全。

不只要夠大,還要夠安靜的水域:潛航器自航實驗

相較於水面上航行的船隻,潛航器自航測試類似無人船的概念,將模型放置在夠大的水體後,依靠裝置於潛航器上量測設備,記錄其航行姿勢、尾舵方向與力道、航行軌跡。因為需要在夠大的水體中進行,英國便是在人工興建的水庫中進行測試,也較容易控制環境變數。而基於軍事需求潛艇也強調匿蹤、安靜性能。因此挑選的水域不能夠太過吵雜,周邊有過多的遊憩設施、碼頭的噪音都可能干擾實驗結果。也因為要考慮聲學目的,對水域大小需求又會比一般自航實驗更大。以美國為例,則是找到位於愛達荷州由天然冰川侵蝕形成的湖泊 Lake Pend Oreille,狹長數十公里,且周邊只有少數聚落,成為進行潛艇實驗的理想場地。

整體而言,設計船隻時要解決的流體力學問題,主要有阻力與流場中的紊流。陳政宏教授最後提到,實務上同時需要船模實驗與電腦模擬數據相輔相成,從裸船殼到螺槳整合;從靜止水域到動態水域航行測試,經過一系列船模實驗評估,最終才能確保實船可以兼具性能與安全的揚帆啟航。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

參考文獻

文章難易度
科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1124 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

0

4
4

文字

分享

0
4
4
除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
196 篇文章 ・ 302 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

5
2

文字

分享

0
5
2
怪獸襲來!為什麼會有哥吉拉形狀的雲朵?:千變萬化的流體(三)
ntucase_96
・2021/12/11 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(三):哥吉拉雲—流體的不穩定性

海岸邊的雲層上緣,出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲;原子彈投下後,劇烈爆炸引起的蕈狀雲;土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象,背後其實成因都可以歸納為:流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊,有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片(圖一左上);也有飛行員在雲層上分享過類似的照片(圖一右上);除此之外,天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層(圖一下)。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高,不只在地球上出現,連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢?

圖一左上:海岸邊的哥吉拉雲,圖/大間觀光土產中心推特
圖一 右上:飛行員在雲層上看到的哥吉拉雲,圖/世界氣象組織(WMO)推特
圖一下:土星大氣層內的雲帶照片。圖/NASA

在<千變萬化的流體(一)>一文中,我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種:層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定,它可以被視為一層一層獨立的流動來討論;相對的,紊流如同它的名字所表示,流體內部的流動較為混亂,不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」[1]

在描述天氣系統為甚麼難以預測時,常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事:位在大西洋的颶風,其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀,這個初始的小擾動,隨著時間演變,最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動,若整個流體的不穩定性足夠大,微小的擾動便有機會繼續成長,直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性,在本篇文章中,我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性:克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

克耳文-亥姆霍茲不穩定性:哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家:發明絕對溫標的克耳文爵士,以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲(在<香檳聲音哪裡來?>一文中,他曾經登場過)。這個不穩定性發生的條件是:兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二,讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體,分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時,一切無事,如圖二(a)。但這個狀態其實並不穩定,任何的擾動,都可能會破壞這個完美狀態。例如,流體中形成了如圖二(b)的擾動,接下來流體的運動會如何變化呢?

對於淺藍流體來說,A 點的體積較原本略小,因此流動速度較大,如同澆花時,將水管捏住(管徑縮小),水可以噴得更遠。此外,流速較快也會使得 A 點的壓力減小;但對於紅色流體來說,A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二(c)。兩種流體之間的壓力差,會進一步使擾動長大,如圖二(d)。最後,由於流體本身橫向的速度,使擾動在橫向上出現變形,如圖二(e)。如此一來,哥吉拉形狀是不是就出現了呢?

圖二:克耳文-亥姆霍茲不穩定性形成示意圖。圖/CASE 報科學

瑞利-泰勒不穩定性:核爆蘑菇雲

接下來,讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見,但是看過就很難忘記的不穩定性現象:核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因,是來自於瑞利-泰勒不穩定性,它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量,將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道,氣體的溫度越高,密度越低,因此在爆炸中心,會瞬間形成大量的低密度空氣。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

讓我們用簡單的模型來看看,這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三(a)中有兩種流體,密度較高的在上,此時整個流體系統處於不穩定態,只要有一點擾動 ,如圖三(b) ,不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異,重力使得密度小的流體上升,密度大的下降,使不穩定度振幅逐漸增大。此外,由於壓力差與密度差的方向並不平行,會導致流體的邊界形成渦旋,如圖三(c)。以上這些效應疊加在一起後[2],流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵,如圖三(d)。

圖三:瑞利-泰勒不穩定性示意圖。圖/CASE 報科學

以上兩種流體不穩定性,其實在我們生活中也存在,例如:點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升,空氣密度下降,此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件;當熱空氣上升時,和兩側靜止的空氣有一相對速度,也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小,發生速度較快,肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此,各位讀者在了解這些不穩定性之後,若是試著觀察看看生活中的各種流體,也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔!

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE<上下顛倒漂浮船>一文
[2] 實際上,形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關,數學模型較為複雜,此處只是簡單概述其成因。

參考資料

  1. Kelvin–Helmholtz instability
  2. Rayleigh–Taylor instability
  3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.
ntucase_96
30 篇文章 ・ 1339 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

0

0
0

文字

分享

0
0
0
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?
Suzuki
・2019/10/30 ・4631字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

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
Suzuki
18 篇文章 ・ 0 位粉絲
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。