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隱藏在大氣裡的神祕訊息!用氣象衛星監測火山爆發產生的氣象波動與環境汙染

Ciao True_96
・2022/01/30 ・4193字 ・閱讀時間約 8 分鐘

  • 作者/邱麒豪(國立中央大學大氣物理研究所博士候選人)、劉千義(中央研究院環境變遷研究中心副研究員)

咦!地球彼端的火山爆發和我們有什麼關係?

距離臺灣八千多公里的東加王國發生了前所未有的火山爆發,當太平洋周遭國家開始擔心海底火山噴發引起海嘯的同時,卻有更多不為人知的事情正悄然發生。到底火山噴發的同時除了引發海嘯還造成什麼樣影響呢?讓我們一同來瞭解!


看不見也摸不著的氣象波動——大氣重力波

大氣的重力波現象並不罕見,通常是垂直方向上的氣塊受到擾動,在浮力(作為恢復力)與重力的雙重影響下而在水平面上形成振盪式的波動。

常見的氣流流經山峰並在背風處產生圓盤狀的雲系(莢狀高積雲),以及晴朗穩定天氣下出現的波狀高積雲即為大氣重力波在自然這張畫布下最好的圖繪。而火山爆發,同樣有機會引起大氣重力波。

西元 2022 年 1 月 15 日,臺灣時間下午 12 時 20 分(事發當地時間下午 5 時 20 分)左右,位於西南太平洋島國——東加王國首都努瓜婁發(Nuku’alofa)北方65公里的洪加湯加-洪加哈派(Hunga Tonga-Hunga Ha’apai)海底火山大規模爆發,伴隨而來的地震與引起的海嘯引發世界的關注。

這場可能是 21 世紀以來最大規模的火山噴發,其一連串的後續效應不僅被地震儀及海象儀器記錄下來,當天下午 8 時左右,臺灣的氣象站也陸續觀測到海底火山噴發造成的氣壓變化,根據觀測資料顯示,這次的海底火山噴發事件在臺灣造成的氣壓變化量約 1 至 2 百帕(hPa),這大約是日常標準大氣壓力的千分之一至千分之二的變動(圖一)。

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【圖一】中央氣象局 222 個自動氣象站氣壓擾動動畫。
圖/中央氣象局第二組;資料來源:中央氣象局

若將地面氣壓資料的解析度提高到每分鐘,並將中央氣象局109個局屬測站由東南向西北排列,繪製成臺灣高密度測站氣壓擾動的二維時間序列圖(圖二),火山噴發由東南向西北傳遞的能量作用於大氣中最先於臺灣東南方的蘭嶼測站測量到,時間上和最晚被觀測到的馬祖測站相差約 25 分鐘。其次,火山噴發造成的大氣波動除了氣壓變化最為劇烈的主波外,尚有前導波與數次的餘波產生。

【圖二】中央氣象局 109 個局屬測站氣壓擾動二維時間序列圖。
圖/黃椿喜博士;資料來源:中央氣象局

綜觀全球的大眼睛——從氣象衛星看見大氣重力波

從上圖可以觀察到,這些波動的週期約為 10 到 15 分鐘,不容易從 10 分鐘的觀測資料中發現。目前在西太平洋與東太平洋地區監測的地球同步衛星向日葵八號(Himawari-8)與 GOES-17,可分別提供 2.5 分鐘與 1 分鐘高解析度的衛星觀測,對於高頻的大氣波動將有比過往更好的解析能力。

不只是地面氣象觀測站,位於地球上空 3 萬 6 千公里的地球同步衛星同樣也捕捉到火山噴發的證據。日本氣象衛星 Himawari-8 觀測到火山噴發後產生的陣陣漣漪(圖三),以火山噴發口為中心產生的漣漪即為大氣的重力波現象。

【圖三】火山噴發造成雲頂高度變化的重力波振盪。
圖/邱麒豪;資料來源:Himawari-8

東加王國所在的區域不僅位於向日葵八號的觀測網內,也涵蓋在美國的地球同步衛星 GOES-17 監測之中。下圖(圖四)為 GOES-17 氣象衛星紅外線水氣頻道每 10 分鐘的亮度溫度差,藉由對流層中層的水氣頻道雲圖可以明顯看到火山爆發產生的內重力波由火山口為圓心向外傳遞。

【圖四】火山噴發造成的重力波振盪。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

火山噴發引起快速上升的氣流與火山灰造成的重力波現象在學理上是可行的,但在觀測上實屬少見,特別是海底火山能將大量的火山灰與氣體穿過海洋快速釋放至大氣中,並造成如此壯觀的大氣波動並不是件容易的事。

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這場大氣波動產生的雲系高度深,範圍廣,觀測到的雲頂紅外線亮度溫度達 -105.18ºC 可能打破了自 20 世紀末有雲頂溫度的監測以降,最低溫的紀錄(圖五)。

【圖五】火山噴發產生的重力波雲,雲頂亮度溫度達 -105.18ºC。
圖/CIMSS / UW-Madison;資料來源:GOES-17

除了上述的兩顆地球同步衛星,搭載於美國國家航空暨太空總署(NASA)之 Aqua 衛星上的大氣紅外探空儀(Atmospheric Infrared Sounder,AIRS)也同時發現了此一現象(圖六)。德國尤利希超級運算中心的大氣科學家——霍夫曼博士(Dr. Lars Hoffmann)說:「AIRS 自 2002 年 5 月開始觀測以來,從未在過往的火山噴發個案中發現過類似的情況」,這也意味著這次的海底火山噴發事件是前所未有的劇烈。

【圖六】AIRS/Terra 觀測到數量極為龐大的同心圓狀重力波雲。
圖/Dr. Lars Hoffmann;資料來源:AIRS/Terra

英國牛津大學物理系大氣、海洋與行星物理組的氣候科學家 Scott Osprey 博士也表示:「這次噴發可能會干擾熱帶地區風向週期性的逆轉,長遠看來或許會造成歐洲地區天氣型態的改變,必須非常小心地關注它造成的變化」,可見整個地球系統都可能因為這次的火山爆發造成巨大的影響。

雲圖之外——衛星於汙染物探勘之應用

衛星不僅僅能夠監測雲層的移動與大氣中的水氣分佈,近年來較為廣泛的應用是使用衛星針對大氣中的汙染因子做大範圍的遙測。舉凡工業污染排放之氣溶膠、交通源排放之二氧化氮,以及生質燃燒產生之煙塵與黑碳微粒,均可藉由衛星的觀測進而推估汙染程度,並搭配氣象模式的模擬進行短期的預警。

下圖(圖七)為 NASA 的 Suomi-NPP 衛星觀測到的氣膠垂直剖面分佈與雲頂高度,可以清楚看到伴隨火山噴發的氣膠粒子衝破對流層進入平流層,高度可達 30 公里。這些氣膠粒子在平流層中不易沉降至地表,長期下來可能會對氣候造成重大影響。舉例而言,氣膠依照光學特性的不同可粗略分為散射能力較強與吸收能力較強的兩大群體,散射能力較強的氣膠進到平流層中將造成更多的太陽短波輻射被反射回外太空,進而降低地球平均溫度(氣膠直接效應);反之吸收能力好的氣膠則是會讓地球溫度上升。

【圖七】Suomi-NPP 探測到火山噴發的氣膠粒子可衝破對流層進入平流層。
圖/Dr. Ghassan Taha;資料來源:Suomi-NPP

而對流層中的氣膠對氣候的影響更為複雜,會進一步改變雲的微物理狀態,在特定條件下吸濕性高的氣膠容易成為雲的凝結核,若大氣中的水氣含量不變,這些新形成的雲凝結核有可能與大氣中既有的雲滴競爭原先的水氣,進而致使雲滴數目增加且雲滴平均的粒徑降低,進而散射截面積增加,反射更多太陽光而達到降溫的效果。但也因為雲滴粒徑變小後,變得不利於雲滴粒子間的碰撞合併過程而形成為雨滴,使得地表降水減少與雲的生命週期增加,此謂氣膠間接效應。

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不管是氣膠的直接效應或是間接效應都非常複雜,會受到氣膠種類、氣膠數量、氣膠粒徑分佈、大氣條件等影響,也正因為充滿了各種不確定性,氣膠的氣候效應預測非常困難,目前還需要更多的觀測,特別是用大範圍的衛星觀測加以驗證與評估。

火山噴發除了氣膠粒子的污染以外,對環境造成的另一個衝擊是大量的氣體被釋放到大氣中。常見的火山氣體有:水氣(H2O)、二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、硫化氫(H2S)與氮氧化物(NOx)等。

以二氧化硫為例,評估大氣中微量氣體多寡的單位為杜布森(Dubson, DU),指的是一大氣壓的空氣柱中,該氣體分子累積起來的厚度(垂直積分)多寡。若將氣柱中的二氧化硫全部累積在一起相當於 10 微米厚,稱為 1 DU 的二氧化硫。SO2 氣候平均值約略低為 0.5 DU,歐洲氣象衛星開發組織(EUMETSAT)的 MetOP-B 與 MetOP-C 觀測到的峰值高達 50 DU 以上,高於氣候平均值 100 倍。(圖八)

【圖八】MetOP-B 與 MetOP-C 發現火山噴發的二氧化硫濃度超過氣候平均值 100 倍。
圖/Dr. Simon Carn;資料來源:MetOP-B & MetOP-C

氣象與環境衛星遙測之展望

近年隨著科技的發展與遙測技術的精進,氣象衛星能提供的不僅僅是精美的天氣雲圖,還有許多從雲圖看不出來的科學議題可加以探討。這些科學議題不單只存在於象牙塔內,更多且更重要的是生活上的應用。社會大眾關心的是:下午的聚會會不會下雨?明天空氣汙染有多糟?或是下禮拜一晚上會多冷?

衛星掩星觀測技術的發展(如:福衛三號、福衛七號、Sentinel-6 等)補足了廣大洋面探空資料的缺失以及人力施放的不足,蒐集偏折角資訊與折射率變化推估出的大氣垂直溫溼度剖面,藉由數值預報模式的資料同化系統改善天氣預報的誤差

汙染物濃度的監測也可以藉由衛星的觀測進行評估,不論是民眾在乎的近地表懸浮微粒濃度抑或是工業燃燒造成的空氣汙染,皆可藉由衛星的探測第一手掌握(如文章提到的 MetOP-B、MetOP-C 以及 Sentinel-5P)。

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降雨來自天空中的雲,若能對雨的前驅物—雲有更深的瞭解,降雨的推估也能做得更準確。以我們所處的東亞地區而言,像是以 Himawari-8 觀測而開發的雲微物理科學資料,或是國際上整合多重衛星觀測的日本 GSMaP 、美國 NASA IMERG 等衛星推估的地面降水資料就是很好的例子

當然,科學的發展並不是單純為民生服務,但在發展科學的同時能兼顧民眾的福祉相信也是社會大眾所樂見的。

延伸閱讀

  1. Liu, C.-Y., C.-H. Chiu, P.-H. Lin, and M. Min (2020), Comparison of Cloud‐Top Property Retrievals from Advanced Himawari Imager, MODIS, CloudSat/CPR, CALIPSO/CALIOP, and radiosonde, J. Geophys. Res., Vol 125.
  2. Lin, C.-A., Y.-C. Chen, C.-Y. Liu, W.-T. Chen, J. H. Seinfeld, C.-K. Chou (2019), Satellite-Derived Correlation of SO2, NO2, and Aerosol Optical Depth with Meteorological Conditions over East Asia from 2005 to 2015. Remote Sens., Vol 11, 1738.
  3. Explosive eruption of the Hunga Tonga volcano” in CIMSS Satellite Blog.
  4. Tonga volcano eruption created puzzling ripples in Earth’s atmosphere” in nature’s news article.
  5. 中央氣象局預報中心副主任黃椿喜博士臉書
  6. 報天氣-中央氣象局」臉書粉絲專頁
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Ciao True_96
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主修大氣科學,參加天文社。 年輕的外表下住著古老的靈魂,喜歡看老電影,也喜歡拿著底片相機記錄生活中的點點滴滴。 是個科學工作者但對藝術、音樂、歷史與文化也稍有涉略,畢竟「什麼都略懂一點,生活就多采一些!」

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馬斯克不屑一顧;比爾蓋茲卻視若珍寶!氫能源會成為永續發展的救世主嗎?
PanSci_96
・2024/02/04 ・5539字 ・閱讀時間約 11 分鐘

馬斯克的「氫能愚蠢說」被打臉了嗎?

馬斯克曾多次斷言發展氫能是個愚蠢的決定,更說氫氣不會自然出現在地球上。

然而今年 7 月,美國新創公司 Koloma 從比爾蓋茲與其他投資者手中,獲得了總計 9100 萬美元的融資,準備開採地下氫氣。今年 9 月,地質學家更是直接在法國的地底下發現大量氫氣,總量估計有 4,600 萬噸。
而且比起需要搭配綠能或是熱裂解設備才能製造的綠氫與灰氫,這些氫氣價格將會十分低廉,難道,氫氣的時代要到來了嗎?為了環保,我們得挖呀挖呀挖?

地球上真的還有氫氣嗎?

這張照片就能證明地底中含有氫氣?

這拍攝於澳洲的珀斯盆地,大大小小的圓圈被稱為仙女圈,在仙女圈內沒有植物生長,甚至向內凹陷形成鹽湖。當科學家調查這些仙女圈,他們意外發現土壤中竟然含有氫氣。氫氣與仙女圈之間的確切關係還未知,有人推測可能氫氣抑制了植物或是微生物菌落的生長,使得該區光禿甚至土壤流失。

我們知道氫氣是世界上最輕的氣體,一旦進入大氣,就會向上飄散,直至被拋至太空,離開大氣層。然而地球的大氣層中還是有少量的氫氣被束縛住,大氣濃度約為 0.55 ppm ,是臭氧的 13 倍。

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圖/pexels

但只要沒有進入大氣,還是被封在地底的氫氣因為不容易溢散,至今存量還很豐富。不只在澳洲,世界各地都觀察到了氫氣從地底向地表洩漏的情形。

第一炬奧運聖火至今還在燃燒?

位於土耳其奧林匹斯山山谷,就在希臘火神赫菲斯托斯的神廟廢墟上方,大大小小的火焰從土石間冒出,就好像赫菲斯托斯至今都還存在在該處一樣。該地的冒火處有十幾個,總燃燒面積高達 5000 平方公尺。

根據地質學家推估,這片火焰已經燃燒了 2500 年,根據史料比對,很有可能就是最早奧林匹克聖火的發源地。

圖/wikipedia

地質學家調查了這股火焰的形成原因,發現從岩石中噴出的氣體,除了含有 87 % 的甲烷以外,還含有百分之 7.5 到 11 是氫氣。這股持續 2500 年間不斷冒出的氣體,根據地質學家推估,與石油、天然氣成因不同,並不是因為遺骸或微生物等生物原因才產生的。而是大地之母地球源源不斷提供給我們的,這又是怎麼一回事?

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氫氣知多少:哪來這麼多地底氫氣?

地底的氫氣怎麼來?

這與岩石的變質作用息息相關,我們知道火成岩、沉積岩會在高溫高壓下產生變質作用,轉為性質截然不同的變質岩。而富含鎂與鐵的矽酸鹽類礦物,例如橄欖石、輝石,當他們在高溫環境下與水作用,會轉為蛇紋石、水鎂石、磁鐵礦等礦物,這個過程稱為蛇紋石化作用。

圖/wikipedia

這種作用是一種化學反應,會將大量的水吸入岩石,讓岩石的密度下降。在反應結束後,除了礦物特性產生變化以外,還會生成副產物,也就是氫氣。如果地層中又剛好有二氧化碳存在,就會在高溫的環境下進一步甲烷化,將氫氣與二氧化碳轉成甲烷。

目前科學家認為,大部分地層中非生物性原因產生的的氫氣與甲烷,多是由這樣的過程產生的。奧林匹斯山的聖火,推測也是這樣產生的。

而對於地質學家來說,也代表尋找天然氫氣這一目標,也可以從盲目搜尋,轉為限縮在尋找有經歷過蛇紋石化作用的地層上。

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圖/usgs

但除了蛇紋石化作用以外,大自然還有兩種生產氫氣的主要方式:深層蘊藏與水的輻解。

地球內的氫氣

在地底深處,推測蘊藏著大量氫氣。它們深達地底,甚至可能存在於地函與地核之中。

我們現在的技術當然無法直接來個地心探險開採這些氣體,但科學家陸續從美國、俄羅斯、東歐等地的岩石鑽探結果可以觀察到,在越深的地方氫氣濃度越高。因此地質學家推測這些氫氣可能來自更深的地方,並正從橄欖岩緩緩地擴散,進入靠近地表的岩層之中。

然而,因為我們還無法進入地底,因此即便我們知道它們存在,但對於這些氫的形成原因目前還未有結論。有些科學家放眼整個太陽系的形成過程,推測在原始地球形成時,整顆行星包含地核之中就有氫的存在。而也有人認為,地核中的鐵元素與水反應,形成氧化鐵與一氫化鐵兩種物質型態,將氫存在地核之中。

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這個問題的解答,就等待地球科學家為我們帶來解答吧。而且了解這些元素存在於地核、地函的形式,也可以解開許多未知謎團,例如地核的詳細組成分、地函存在異常低電阻區的原因、改善地函動力學模型,以及找出哥吉拉到底在哪裡等等。

圖/giphy

輻射也能產生氫氣?

地殼中的釷、鈾等放射性元素,在漫長的衰變過程中,會緩慢地將地層中的水分子鍵結破壞,形成氧氣與氫氣。例如一顆 1 MeV 的 α 粒子,平均足以讓 10 個水分子解離。而當岩石擁有更高的孔隙率, α 粒子會更有機會與水分子產生作用,會有更高的氫氣產量。

但其實,考慮到衰變的速度以及放射性元素存在於地底的超低含量,這個方式的效率並不高,而且實際上 α 粒子用來解離水分子的能量只消耗了 1 % ,剩餘的能量都還是被附近的岩層吸收,以熱的形式消耗掉。

除了產量不高以外,理論來說在輻射發生的地方,應該要能看到氫氣與氧氣同時存在,但目前實地調查的結果,都只有發現氫氣。氧氣是否進一步參與了其他反應,或是已經逸散,或甚至這個理論需要再做調整,還需要更多的研究。

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好的,我們知道氫氣是怎麼產生的,那麼重點是,我們到底有多少氫氣能用呢?

地底有多少氫氣?

世界各地都有發現自然氫氣的存在。對了,雖然這張地圖看起來氫氣的發現地點都集中在北亞與東歐,但這只是因為目前的探勘都聚集在這邊,並不代表真實的氫氣分布。

這些來自地底的氫氣,我們稱為地質氫,如果用顏色來分類,則稱為白氫或是金氫。如果氫氣的開採規模能像天然氣一樣龐大,白氫的價格,預計會落在每公斤 1 美元。

相比之下其他的氫氣生產方式,例如我們上次提到,由蒸汽重組產生的灰氫,售價約為 0.9~3.2 美元。由綠能生成的綠氫則是 3~7.5 美元。因此,如果白氫正式被大量使用,將大幅降低現在的氫氣價格,甚至帶動氫氣運輸、儲存、發電機組等產業鏈的發展,連帶降低其他顏色氫氣的隱含成本。

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比爾蓋茲與氫能產業

與馬斯克看衰氫能不同,比爾蓋茲不僅投資白氫的開發,也投資了不少氫能產業。

例如他就投資了西班牙公司 H2SITE ,一間致力於氫能運輸與氫氣製造的公司。因為現在運輸氫氣的成本是製造氫氣的三倍,如果能降低運輸成本,將有助於整個氫氣產業的發展。在開採方面,各國也都開始投入地質氫的調查與開採技術研發。

美國地質調查局初步估計,全球地底下可能藏有百億噸的氫氣等著被開發,能滿足全人類數千年的能源需求。當然,這個數字並沒有考慮到開發的困難度,只是單純地以全球存量作分析。

但也有人正打算轉個念頭,何不將熱水注入富含鐵的岩層中,促使更多的氫氣產生?類似於地熱發電會使用的增強型地熱系統,只是我們獲得的不是直接的熱能,而是氫氣。

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什麼?氫氣也是溫室氣體?

話說回來,氫氣真的會成為救世主嗎?先等等,事情可能沒那麼簡單。

氫氣作為最輕的氣體,存在於大氣的壽命大約只有兩年。但氫氣在存在的這段時間中,會與大氣中的羥自由基和其他氣體作用,產生一系列的反應。造成的結果包含增加甲烷停留在大氣的時間、臭氧的增加、與平流層中水氣的增加。

圖/wikipedia

因此,氫氣屬於一種「間接」溫室氣體,氫氣的一百年全球暖化潛勢 GWP 100 ,被評估為 11.6 ,也就是以 100 為區間進行評估,氫氣的溫室效應是二氧化碳的 11.6 倍。

此外,我們對氫氣的研究還太少,所以才到現在才發現它就在我們的身邊。而就跟我們上次提到的一樣,大量使用天然氣,就意味會有許多天然氣洩漏。而伴隨著氫氣被大量開採,一定會有更多的氫氣被釋放到大氣之中。這對我們的大氣是否會產生負面效應,甚至於弊大於利,都還需要更多研究。

最後想問問大家,馬斯克與比爾蓋茲,對氫能的看法十分兩極。你呢?你認為氫能會改變未來的能源形式嗎?

  1. 會,不論是什麼顏色的氫,大家都很認真的在進行研究,一定很快就有好結果。
  2. 不會,氫能運輸、儲存成本怎麼看都還太高
  3. 不論有沒有氫能,人類懂不懂得節制,才是關鍵中的關鍵

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參考資料

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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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守護飛行安全的重要後援!航空氣象知多少
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/04/19 ・3347字 ・閱讀時間約 6 分鐘

本文由 我的青航時代-2023航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣,地形複雜,天氣的變化多端,比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報,才能順利規劃日常生活起居;在天空中翺翔的飛機,同樣也必須仰賴航空氣象的資訊,才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧!

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事,如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事,都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告,台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中,「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全,能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報,供飛航作業人員參考,便至關重要。

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2012-2021 年民用航空運輸業重大飛航事故原因分類統計(單位:事件個數)
。圖/國家運輸安全調查委員會

那麽氣象資訊是怎麽來的呢?幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場,堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺(松山、桃園、高雄、豐年及金門)與 5 個任務臺(蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿)[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責,就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援,全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來?來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測,絕對少不了各種氣象裝備的幫忙!任憑氣象七十二變,氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況,確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統(Automatic Weather Observation System,簡稱 AWOS),是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目,讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時,最擔心遇到增加飛行難度的風切(Wind Shear)。風切指的是大氣中不同兩點之間,風速或風向的劇烈變化。低空風切(Low-level wind shear)則是指 1600 呎(500 公尺)以下空氣層中的風切,可能造成飛機難以操控而被迫重飛,甚至失速導致飛航事故,因此需格外注意。

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針對棘手的風切問題,氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統(Low Level Wind-Shear Alert System,簡稱 LLWAS),利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時,系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊,提醒氣象觀測員及塔臺管制員,發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

低風切警報系統中的測風塔。圖/飛航服務總臺

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達(Doppler weather radar),長得就像一個巨型氣球,是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達,掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員,負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警,可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動,提供資訊給飛航相關人員作業參考,確保飛行安全。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達。圖/飛航服務總臺

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密!

如果你拿到一份航空氣象報告,恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼,其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀,就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途,航空氣象報告可以分成不同的類型,以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模,航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report,簡稱 METAR),供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時,則會發布機場特別天氣報告(Aviation Special Weather Report,簡稱 SPECI)。另外,觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報,提供航機進行作業因應規劃。

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若需要預測更長程的天氣變化,臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報(Terminal Aerodrome Forecasts,簡稱 TAF),其有效時間長度分為 30 小時/24 小時/18 小時等三類,讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃,作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上!如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中,天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便,更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴,航空公司可能會取消或延誤航班,以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變,機師也可能需要改變飛行路線和高度,以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗:明明天氣很好,來到機場卻遇上航班延誤的消息,而感到困惑不解?這些讓旅客滿肚子哀怨的情況,其實也都是為了安全考量,所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好,並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時,機師必須完全看得見跑道及地面狀況,覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區,都可能造成能見度下降,造成飛機不能按時降落。飛行時,若航路前方有雷雨天氣,基於安全考量,機師通常會繞過或飛越,也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場,常因地形產生風切亂流,導致飛機降落困難,不得不重飛或返航,延誤航班。

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此外,同樣是飛往某地的航班,也可能發生有些能走,有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同,適航標準也不同。即使是相同的機型,也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異,綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後,對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手,航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步,建設各項線上即時的氣象資訊服務,包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用,以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁,也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊,開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生,可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

航空氣象資訊 APP 使用介面。圖/飛航服務總臺

【註解】

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  1. 任務臺業務分別由豐年 (業管蘭嶼、綠島)、高雄(業管恆春)、松山(業管北竿)及桃園(業管南竿)航空氣象臺負責管理。

參考資料

  1. 飛航服務總臺:航空氣象服務介紹
  2. 飛航服務總臺:臺北航空氣象中心
  3. 飛航服務總臺:氣象裝備
  4. 台灣飛安統計(2012 – 2021)。國家運輸安全調查委員會。
  5. 飛航服務總臺:桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
  6. 航空氣象服務網
  7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
  8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
  9. Wikipedia – 終端機場天氣預報