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氣候變遷下的災難須知(二):決策者需要最完整的災變資訊

陳 慈忻
・2013/03/01 ・2009字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 569 ・九年級


氣候變遷充滿了不確定性,不是1個單純的科學問題。從平均狀態改變到極端事件,做好準備,降低風險絕對不容輕忽。國家災害防救科技中心(簡稱:防災中心)是中央政府面臨防災救災時諮詢的首要研究單位,我們特別採訪了陳永明組長,請他告訴我們目前台灣防災工作的最新狀況。

防災中心如何與民眾溝通?

陳:一般民眾從網路就能取得災害疏散避難地圖,專業研究者則是透過災害風險地圖,進階到風險解讀的層次,但是現在也希望能夠將專業資料簡化成民眾能夠閱讀的版本。

為什麼民眾也需要風險解讀能力?過去政府使用「因為專家這麼說」來說服民眾配合政策,但現在專家的預測也不見得準確的情況下,政府無法繼續用過往模式要求民眾全盤相信專家。但是如果有管道讓民眾親自解讀專業訊息,能夠藉由雙向溝通的的方式達成共識。地圖比起冗長的專業文字,更能夠讓一般民眾理解,是災害風險溝通中常見的形式。

另一種防災工作中實際溝通的例子是防災社區,防災社區通常位於災害風險較高的居住地區。經認定後的防災社區,常藉由活動形式讓社區民眾自發性參與,透過公家機關支援防災資源,居民從航照圖、立體模型深入了解身處環境,以及疏散避難場所位置。此外,防災社區也結合民眾親自繪製、屬於社區的防災地圖,加強居民的參與感跟責任感。

防災中心有哪些支援任務?

陳:評估風險的科技在歷史上是分階段的。早期在2001年納莉颱風之前,政府單位會在災害發生後開始救災行動;納莉颱風之後引進災害前預警措施,包含氣象、洪水、土石流預報,還整合衛星遙測的資訊,在事件即將來臨卻還沒有釀成災害時發布警報;然而儘管防災科技日漸進步,2008年卡內基颱風、莫拉克颱風的傷亡人數反而比過去更多。

台灣位於環太平洋火山地震帶,又位於颱風頻繁的亞熱帶地區,防災工作在台灣已經推行三十幾年了,經驗相當豐富,像是土石流、淹水等個別災害研究都有相當水準,但是台灣面臨的是「複合型災害」,是指同一時空之下,發生不止一種災害類型,譬如颱風來襲時土石流、淹水同時發生,就是一種複合型災害。

而政府面對同時複雜的多重災害,又要能針對不同區域即時做出決策是相當困難的。防災中心研發「災害應變決策輔助系統」,整合了各種災害資料,包括颱風訊息、淹水預報、土石流警戒,甚至哪裡有橋梁可能會斷,讓公家單位有判斷依據,災難影像快拍也會呈現在這套系統當中,能夠協助規劃搜救行動。

防災科技中每個領域都有專家,但每個專家對其他領域也要有所了解,才能面對複合性災害進行有效整合。

面對氣候變遷,民眾可以做哪些應對措施?

陳:氣候變遷之下,災害嚴重度會比以前高,住在高風險地區的民眾需要了解潛在危機與災難應變措施。降雨分布越來越不平均,面對水資源匱乏,民眾要培養節約用水習慣。全球暖化、溫度上升導致疾病更容易傳染,民眾得更留意疾病主管機關的指示。

台灣人過度依賴進口食物,在氣候變遷之下是相當嚴重的,當國外受到極端氣候衝擊,糧食來源便斷絕了。民眾需要將食品需求導向在地的糧食來源,多買台灣生產的農糧產品。


以地方為主的防災力量蓬勃、企業防災概念興起

陳:近年來許多大學成立了防災中心,有些大學的土木系改名為土木與防災系。人們意識到災害具有地方的特色,不同地方的學校、學生在研究防災時也回饋當地。有些公家機關也與學術機構組成協力團隊,台南市政府與成功大學的防災中心合作就是一個顯著的案例。

過去防災研究容易忽略企業,然而災害影響企業將會造成巨大的經濟衝擊,連帶影響人民生活。災害預測本身已經是困難的工作,想要能夠預測天災發生在小區域的產業園區其風險如何,更是目前技術所不及的境界。不過除了預測風險,提升調適能力更是企業防災的具體作法,在日本311大地震之後,國內外更加重視企業災害的復原能力,推動企業永續計畫,目標降低產業面的災害損失。台灣過去在這方面做得不夠,可以加強。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

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陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。


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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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