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讓我們「丈量世界」的科技

阿樹_96
・2013/02/06 ・2464字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 467 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

丈量世界,道盡許多科學家的心聲。什麼是科學?坐在桌子前面鑽研萬物的道理,運用嚴謹的邏輯推理,這是高斯對洪堡說的,洪堡也以自己對萬物的「好奇心」予以回應,認為唯有踏遍世界上的每一個角落,親眼見到真相,才能明白萬物的道理。兩者都對,也可以說都不對,後來他們相視而笑,原來他們都是在走自己的科學道路,只是用的方法不同罷了。

抱著地球科學在學校打滾了六年,慶幸自己因而能體會兩種不同的科學探索,也曾上山下海的探索地形與地質的樣貌,當然,沒能像洪堡一般能探索未知的文明,但在太魯閣見到的各種變質岩,的確有別於在課堂桌面上冰冷的石頭,親身在船上見過鑽取岩心的過程,才會了解岩心裡頭微小的有孔蟲是多麼千辛萬苦的到顯微鏡底下。而曾經在地震相關單位的工作,眼中看到的地震,只有儀器裡的波形,去計算震央的位置與規模,甚至會憑藉著地表晃動的時間差(有感覺到P波與S波時),憑空估算地震的方位與深度規模。

進入正題,讓我們真正丈量世界的科技究竟是什麼?不得不讓我提到測量學中的「3S」,包括RS(Remote Sensing,遙感探測)GPS(Global Positioning System,全球定位系統)GIS(Geographic Information System,地理資訊系統)。或許大家對GPS一詞可能朗朗上口,現在許多智慧型手機也內建了GPS接收器,可以進行即時定位,也或許很多人也知道,GPS乃是接收天上衛星的訊號。從維基百科也可以查到整個系統分三部分:空間星座(24顆衛星)、地面監控(1個主控站、4個天線站、6個監測站)、再來就是你我手中的接收機或手機等。但是…怎麼靠這些設備做到的呢?讓我們用最「簡單」的方式來談談:

第一,要有「夠準確」的時鐘,每一個GPS衛星上都有一個時鐘,早期用石英,後來曾改為銣原子鐘、氫原子鐘,這也就是為什麼GPS除了定位還能校時。第二,就是要有統一的「坐標系」,每顆衛星在太空裡頭要拿什麼做參考呢?也就是所謂的WGS84,定出了地球的中心、楕球的扁率、長短半徑等資訊。第三,就是衛星不斷的發送訊號,我們的接收器才會收到。最後,就是前面提到的「地面監控」,讓衛星能乖乖的不偏移軌道。

GPS的工作原理簡單來說就是利用4顆以上的衛星即可完成定位(左圖),太空中的24顆衛星分布幾乎能隨時在世界各地進行定位。自2000年柯林頓時期的政府開放民用的精確度後,一般導航與定位的精度都能在10米以內。雖然今年大學學測的自然科中,就有利用GPS研究311的同震變形觀測到數公尺的地表變形,但我們平常監測地表變形的科學研究,都是在研究公分級的變化,如何利用GPS能做到呢?

其實GPS誤差來源十分「多元」,首先就是衛星其實不會這麼精確的走在既定的理論軌道,因而在衛星軌跡的星曆就依精確度分為預估精密星曆、快速精密星曆與最終精密星曆。另外還有電離層和大氣層的變動也會對精度造成影響,但有趣的是這些造成影響的因素卻可另作科學研究,其它還有週波脫落、多路徑效應等各種不同的參數,好在分別利用長時間的觀測、軌道的修正、多站的差分等特果可以把精度縮的很小,全靠的都是電影裡那般的高等「數學」,但這樣仔細的運算都要花上一段時間處理,適於科學就究,尚無法運用在我們平常的導航上。

遙感探測,最貼近你我生活的就是google 的衛星影像,但這也只是小小的冰山一角,凡是以衛星或空中載具的影像來觀察我們的地球,就是遙感探測。而另外像大家熟知的氣象衛星、搖控的空拍影像、軍用間諜衛星也都是遙感探測,除了能測量陸地,也能測量海洋,譬如水色、溫度變化等等,利用特定的電磁波段(舉凡可見光、紅外光、紫外光、微波等各種波段的影像),來進行不同目的的測量,這樣說起來全世界最大宗的遙感探測單位莫過於NASA和NOAA(大氣暨海洋總署)了!上面是我最喜歡的一張:earth at night,從太空中看晚上的地球是怎麼樣呢?用這張來看人類活動,是不是比白天更加顯著呢?

最後來談談GIS地理資訊系統,這也是非常貼近你我身旁的科學,雖然有ESRI等大公司出品了許多專業的GIS軟體,但一般人都用的上的,還是google earth,google earth裡頭左下的各種選單,分別代表不同的「資訊」,拜科技所賜,所有的地圖和地理上的任何參考資訊,都可以存在一個資料庫,我們要分析某些資訊時再從資料庫挖出來,是一個把統計與分析結合了地理、地圖學的系統。像是今天你想要搜尋特定種類的店家,軟體能幫你依名稱篩選;甚至連政治也能用GIS!比如選區的畫分與選民的分析,如果把各種不同的政治意向的選民、年齡分布等建立了資料庫,便可以進行分析,以進行有效果的「操作」。如果你要的是今天各地的天氣,還可以透過網路連線載入資料庫,說到這裡,由於網路與雲端技術的發展,未來地理資訊系統一定會變得更豐富而實用。

最後的最後,還是再提一下,直接和電影有關的「科學」。眼尖的觀眾在看影片時,會看到上圖這台機器,其實就是所謂的「經緯儀」,其實它才應該是整部片的重心,在那個年代,要丈量世界沒有這台是不行的!它的基本原理就是利用中間的望眼鏡看目標物,用兩組水平、垂直角度,配上其中的一個已知邊長,就能進行三角測量(下圖),這個原理與技術一直到現今仍在使用,只是儀器的設計上比較先進且電子化,加上了像是雷射測距、自動計算等功能,無論是在工程規畫、長期監測或是國土測繪,還是會運用這樣的測量技術。或許我們現在看這些事物是理所當然,但是如果欠缺了好奇心,也不會有這些科學存在我們生活周遭。雖然當初念書時,微積分和工數也搞得我快要爆炸,但這些數學,確確實實有它重要之處啊!

 

 

本文同時發表於作者部落格:阿速司說故事,轉載請註明作者名稱並附上出處。

文章難易度
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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讓你一看就懂的無人機原理!——《世界第一簡單無人機》
世茂出版_96
・2022/03/23 ・2311字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

為什麼無人機飛得起來?

不管是載人的直升機,還是無人機,飛起來的原因都相同。轉子可帶動螺旋槳旋轉,使螺旋槳上下的氣壓產生差異。當螺旋槳上方的氣壓比下方的氣壓低,就會有一股拉力將螺旋槳往上拉(升力,將物體垂直向上拉升的力量),如此一來便能讓機體上升。

再來,同時使用多個螺旋槳,並分別調整各螺旋槳的轉速,就可以讓無人機自由上升 / 下降、前進 / 後退、左 / 右移動。事實上,仔細觀察飛行中的無人機螺旋槳,會發現相鄰的螺旋槳旋轉方向剛好相反。

想讓無人機前進時,會讓機體前方下傾。左右移動時也一樣,會讓前進方向的機體部份下傾。只要讓其中一側的螺旋槳轉速下降,就可以讓那一側的機體下傾,往那個方向移動。如果要讓四軸無人機旋轉,則需讓其中一條對角線上的螺旋槳轉速降低。

無人機的運動機制

無人機需靠轉子(馬達)轉動螺旋槳才能移動。大疆 Phantom 系列的多軸無人機所搭載的馬達,是所謂的無刷馬達(brushless motor)。

大疆「精靈4」民用無人機。圖/維基百科

無刷馬達顧名思義,就是沒有電刷的馬達。相對的,學校自然科課程中提到的電刷馬達則是需要讓電刷與整流子持續摩擦旋轉,使用時會逐漸磨損。無刷馬達則是透過特殊電路驅動其旋轉,可以減輕維護的負擔。而且,無刷馬達可以透過名為 Hall IC 的磁場感應器持續監測馬達狀態,故可穩定控制其速度,當發生馬達負荷過重、線路接觸不良、斷線等異常狀況,可以馬上停止馬達運作,並發出警告訊號,以提高無人機的安全性。其他還有速度可控範圍廣、均勻扭矩(flat torque)、高功率等優點。

另外,將訊號送至轉子的零件叫做 ESC(Electric Speed Controller)。也可以說,ESC 就是控制轉子旋轉速度的零件。原則上,無人機搭載的 ESC 數量會與轉子數量相同。

ESC 的輸出端有三條電線,電流可控制轉子的旋轉。隨著轉子位置的不同,ESC 會輸出不同方向、不同大小的電流,使轉子能夠持續旋轉。也就是說,無刷馬達中的 ESC,扮演著一般馬達中整流子及電刷的角色。

相對的,ESC 的輸入端也有三條電線,分別是連接到電源正負極的電源線,以及從 FC(Flight Controller)接收訊號的訊號線。其中,FC 會蒐集來自陀螺儀感應器、加速度感應器、氣壓感應器、超音波感應器、磁場方位感應器、GPS 等裝置的資訊,以控制機體的行動。

A generic ESC module rated at 35 amperes with an integrated eliminator circuit。圖/維基百科

無人機的感應器

  • 陀螺儀感應器與加速度感應器

陀螺儀感應器可以計算機體傾斜的角度,是穩定機體時不可或缺的感應器。相對的,與陀螺儀感應器十分相似的加速度感應器,則用於檢測速度。陀螺儀感應器與加速度感應器的組合,可以同時計算「傾斜狀況」與「速度」兩者的變化量,並控制機體往傾斜方向的反方向拉回,保持機體平衡,懸停於空中。簡單來說,陀螺儀感應器與加速度感應器就是能夠保持無人機姿態平衡的重點感應器。

  • 氣壓感應器與超音波感應器

高度越高時,氣壓感應器會測到越低的氣壓,故無人機可參考氣壓數字,以維持在特定高度。不過畢竟這只能用來偵測氣壓,要是遇到陣風或其他原因造成的氣壓變化,就有可能會失去功能。

超音波感應器可以利用超音波的回聲來感應自身高度。在無人機起飛或降落時,如果位於地表附近的無人機沒辦法透過氣壓感應器蒐集到足夠的高度資訊,就會用到超音波感應器。在高空使用氣壓感應器,在地表附近使用超音波感應器,兩種感應器的組合搭配,便可讓無人機在每個高度區間都能維持一定高度。

  • 磁場方位感應器與 IMU

磁場方位感應器有時也直接稱做羅盤,可感應地球的磁場(地磁),藉此瞭解無人機目前朝向東西南北哪個方向。不過,地磁的北邊(磁北)與地圖的北邊有一定差異,即磁偏角。而且隨著時間與地點的不同,磁偏角也不大一樣。舉例來說,札幌的磁北比地圖北邊往西偏了 9°,那霸卻只偏了 5°(參考自日本國土地理院網站)。因此,若換一個地方飛無人機,就需進行「羅盤校正」,重新確認磁場感應器所指示的北方,與實際北方間的差異。

  • IMU

GPS 是全球衛星導航系統(GNSS:Global Navigation Satellite System)的一種,是美國的衛星系統。就像汽車的導航系統與智慧型手機的位置資訊服務一樣,無人機可接收 GPS 的電波,藉此判斷自身所在位置,並設定好飛行路線的經緯度自動飛行,或是可以懸停在某個固定位置。這就是所謂的「衛星定位系統」,用於戶外飛行的無人機多會裝設相關的電波收訊器。不過,就像汽車在進入隧道後,導航系統會失效一樣,無人機使用 GPS 時也有可能會突然收不到訊號。因此,為了維持無人機的安全飛航,操控者需隨時注意 GPS 電波的接收狀況。

另外,包括 Phantom 在內的某些多軸無人機,不僅會接收 GPS 訊號,也會同時接收俄羅斯衛星系統 GLONASS 的訊號,偵測機體本身的位置。

這些控制機體姿態的感應器通稱為 IMU(慣性測量單元:Inertial Measurement Unit)。

當出現「IMU 錯誤訊息」「機體不穩定」「羅盤方向不對」「穩定器傾斜」等狀況,就需進行「IMU 校正」。請養成攝影前以及在他處飛行前,一定要進行 IMU 校正的習慣。

——本文摘自《世界第一簡單無人機》,2021 年 9 月,世茂出版
世茂出版_96
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旗下有三家出版公司,分別是世茂出版有限公司、世潮出版有限公司及智富出版有限公司。出版品以養生保健、銷售管理、親子幼教、簡易圖解科學、芳香精油、寵物教養、心理勵志、NLP等類為主。

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30年來全球最大的火山爆發?日本都發布海嘯警報了,臺灣呢?feat. 不會冷&阿樹【科科聊聊 EP.77】
PanSci_96
・2022/01/28 ・2692字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

泛泛泛科學Podcast這裡聽:

你覺得「海嘯」和臺灣人的距離有多遠?1 月 15 日東加王國的海底火山大爆發,不僅炸毀了當地的無人島和海底電纜使得對外通訊全部中斷,火山灰、海嘯的威脅更使得環太平洋國家人心惶惶,臺灣的鄰居——日本甚至發布了大範圍的海嘯警報。

這個三十年來全球最大的火山爆發,究竟是怎麼一回事?們有辦法透過科學儀器提前偵測海嘯嗎?臺灣有沒有被海嘯侵襲的紀錄和可能性?讓我們一起和 y 編、泛科學專欄作者阿樹以及從事海嘯和地震觀測工作的不會冷,一起聊出這些問題的答案!

  • 00:36 引起全球矚目的「東加火山大爆發」

不會冷指出,東加火山在臺灣時間 1 月 15 日 12 點 15 分左右爆發後,有很多氣壓計都有顯示出異常的訊號,並引發地球科學社群的熱烈討論。傍晚時,國內的新聞媒體也開始陸陸續續出現海嘯相關的報導。 此次東加爆發的火山是由洪加湯加、洪加哈派兩座無人島組成,是一座大型的海底火山,上一次的噴發紀錄落在 2014 年附近,而這一次的大規模爆發其實有點出乎科學家的意料。阿樹補充道,以當前地球科學界而言,海底火山非常難以被偵測,不僅聲納所得出的精確度不高,就連許多監測陸地火山的方法如氣體、地表變形都難以應用,現在大都只能用地震資料來監測海底火山。

  • 10:35 東加火山爆發後,發生了什麼事情?

阿樹表示,近日有許多媒體會以「 30年來全球最大的火山爆發」來形容東加事件,在此前就是 1991 年於菲律賓爆發的皮納土波火山,它與 1815 年印尼坦博拉火山引起的「無夏之年」一樣,當時都對地球的氣候造成了嚴重的影響。而根據科學家們的判斷,這一次東加海底火山爆發事件,並不會大範圍的改變氣溫或氣候,也不會對臺灣產生什麼顯著的災害,後續的觀測也顯示海嘯傳遞到臺灣時,浪高少於 30 公分。

三人組, 人, 公寓 的 免費圖庫相片
東加海底火山爆發,被地球科學家認為是當地「千年難得一遇」的大規模爆發事件。圖/NASA
  • 15:36 日本都發布海嘯警報了,臺灣卻沒什麼感覺?

不會冷指出,一般而言,比起地震、斷層、海溝引起的海嘯,火山爆發所導致的海嘯波長都會比較短,衰減的速度較快,也不會影響到太遠的地方。此外,以臺灣的海嘯預警作業而言,針對像是東加火山這種遠地的事件,就必須仰賴太平洋海嘯警報中心所提供的訊息,才可以評估要不要發布海嘯警報。

延伸閱讀:

台灣面臨海嘯威脅時,該如何應對?專訪海嘯專家吳祚任

逼逼逼~海嘯警報,別成國家級邊緣人!——《震識》

爆發當天,除了太平洋海嘯警報中心沒有立即的動作、美國地質調查所沒有上傳地震資訊,普遍認知上也大都不認為火山會引發嚴重海嘯,因此中央氣象局並沒有發布海嘯警報。反觀日本發布海嘯警報的作法,反而是違反經驗和常理的,而後續的觀測也顯示海嘯的高度並沒有日本預測的 3 公尺那麼驚人。

  • 22:05 海嘯不是一波高浪打來,而是永無止盡的漲潮

海嘯是週期很長、波長也長的水波,波長可以高達數公里到數百公里。當地震、斷層或海溝產生錯動時,容易使地表產生大範圍的形狀變化,進一步對海水造成擾動,最後就有可能形成「海嘯」。不會冷表示,由於海嘯的波長很長,所以其實海嘯不是大家想像的被浪打到,更像是一場永無止盡又快速的漲潮。如果只是浪高很高,波長很短,那就不是海嘯,而是瘋狗「浪」。

  • 24:40 臺灣的海嘯紀錄竟然要去廟裡看?

阿樹指出,較近期的、討論較多的海嘯紀錄是 1867 年的基隆海嘯,但原因並不明,當時也沒有什麼科學儀器和資料留下來,只有一些歷史文獻記錄著當地有大水。不會冷說明,國內經確認的海嘯紀錄不多,但未經確認的海嘯文獻其實很多,像是屏東、臺東的廟誌都有許多像是「大水」逞罰不孝子、八重山地震引發 80 公尺高的海嘯紀錄,可惜的是,我們很難確認這到底是煞有其事,抑或只是古人們的誇大其實。

延伸閱讀:

面對海嘯有三寶,水門、堤防、趕快跑!──《課本沒教的天災日本史》

海嘯石辨認指南:颱風都能搬大石頭了,還需要海嘯嗎?

18 世紀臺灣西南沿海真的發生海嘯嗎?——《科學月刊》

你以為海嘯就像是一波大浪拍到岸上?不不不,這個觀念是錯誤的!圖/Flickr @Douglas Sprott
  • 29:00 「東部海很深所以不會有海嘯」是真的還是假的?

坊間傳聞,因為臺灣東部的海域很深,所以我們才不會面對來自東加的海嘯?這個說法是錯誤的!不會冷澄清,海嘯會有所謂的「淺化」現象,當水深越來越淺,波速會越來越慢,波長會越來越短,使得能量被累積、浪高也越來越高,而人類住在陸地上,只要海嘯來,就會經過淺化,不會因為東部的海深而沒有海嘯。

  • 34:18 經過東加火山事件,臺灣學到了什麼?

不會冷認為,當前中央氣象局的海嘯發布作業有極大的程度仰賴太平洋海嘯警報中心,也許未來在發布作業上可以有檢討和調整的空間,而近年氣象局也建置了海嘯浮標、海底電纜等等非常先進的儀器,這一次東加火山事件也可以成為這些儀器使用上的寶貴觀測經驗。

延伸閱讀:

臺灣會發生海嘯嗎?東部海域的地震「烽火台」海纜觀測系統

那些海嘯教我們的事

阿樹則感慨的說,相比起地震,臺灣人對於海嘯還是太陌生,從基礎研究、發布作業、預警配套到海嘯的科普教育,都非常的不足。從歷史的經驗來看,人們總是要經過一次嚴重的天災,才會懂得重視、懂得害怕,例如經過九二一大地震後,臺灣的防災教育、相關法規和研究才有了大幅度的進步,難道海嘯也要透過血淚才能得到教訓嗎?想必這是大家都不樂見的未來。

PanSci_96
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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

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

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!

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科技大觀園_96
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