重溫2012(四)知颱才能治颱

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

新颱風生成後，大家最關心的就是颱風的路徑、帶來的風雨大不大，以及——到底放不放颱風假？要能預測和評估颱風的走向影響，可靠的氣象觀測資料是不可或缺的。這就不得不提，在我們頭頂上認真執行觀測任務的人造衛星，以及它們身懷測知氣象變化的絕技！

貢獻全球氣象資料，福爾摩沙衛星功不可沒

過去福爾摩沙衛星三號（福三）執勤十年，為全世界多個氣象中心與研究單位提供無以計數的資料，可謂台灣在國際氣象上的外交大使，於減少天氣預報誤差的貢獻度上，更曾被評為全球前五。福三榮退後，接棒的福爾摩沙衛星七號（福七）也在今年二月完成任務軌道的全部部署。福三和福七都不只有一枚衛星，而是由各 6 枚衛星組成的衛星星系（constellation）。每一枚衛星就像在不同位置巡守、收集氣象情報並互相通報的將士，使得觀測範圍可以覆蓋地球各個區域，提供即時而完整的三維觀測數據。

但福七與行經南北極的「繞極衛星」福三不同的是，它在南北緯 50 度間軌道繞行，主攻台灣、赤道與中低緯度颱風盛行區的觀測。因此福七可以提供密集度更高、更多的溫度、壓力、水氣等氣象資料。國家太空中心推估，它可提升氣象預報準度 10% ——以颱風為例，可以讓 72 小時的路徑誤差改善 10%，協助我們更精準地評估氣象變化與預防災害。

每日可提供 4000 點大氣垂直剖線資料、大幅提升全球氣象預報準確度的福七，究竟是怎麽辦到的？答案就是掩星技術 (Radio Occultation) 。

掩星技術，讓衛星成為太空中最精準的溫度計！

在天文學上，「掩星」指的是一個天體，在另一個天體與觀測者之間通過，產生的遮蔽現象。但英文中的「Occultation」，也可以指前景中的物體，阻擋遮蔽背景中任何物體的情形。而所謂的「掩星技術」，就是利用電磁波訊號在經過大氣層時，會因穿透不同溫度、壓力或濕度的空氣層，被「遮蔽」而產生轉向、變慢、減弱等的特性，來反演出地球上空之溫度、氣壓和濕度。

衛星與衛星之間，本來因為地球的阻隔看不到彼此，但可以接受來自彼此的電磁波訊號。福七的主要酬載儀器——全球衛星導航系統無線電訊號接收儀」（TGRS），可以接受美國全球定位系統（GPS） 和俄羅斯全球導航衛星系統（GLONASS）全球定位衛星通過大氣與電離層的折射訊號。接著，通過計算電波訊號的偏折程度，就可以反演出大氣與電離層中的溫度、水氣、壓力、電子密度等數據。

掩星技術在 1995 年才開始投入應用，而從 2006 年的福三，到如今福七計劃中積累的研究經驗，使台灣成為這項新穎技術領域的佼佼者。掩星技術所得到的資料具備高準確度和解析度，也擁有不需要大量接收訊號的衛星，就可以得到大範圍數據、降低成本的優勢，不僅可以用作氣象預報，更能幫助我們監控和增進對氣候變遷的瞭解。

衛星加上同位素的助攻，可以使天氣預報更精準

另一方面，除了改善觀測一般氣象資料如溫度、濕度、大氣壓力等參數的準確度，在氣象觀測中新增測定不一樣的參數——如大氣水分子的同位素，也可以讓我們的天氣預報更精準！

過去礙於資料的取得有限，同位素分析在氣象觀測與預報中常被忽略。但近年來人造衛星技術的發展，為氣象科學推開新的一扇窗。來自歐洲太空總署、搭載光譜分析儀的衛星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer )，讓東京大學的研究團隊，可以利用其所搜集到的大氣水氣資訊，在氣象預報的模型中，第一次嘗試納入同位素資訊的考量來做分析。

我們都知道，擁有相同質子數、不同中子數的氫與氧元素之同位素，會讓個別水分子的重量變得更重或輕一些。水分子同位素對氣相和液相轉換相當敏感，與一般的水分子 H₂O 相比，較重的水分子如 H²HO 或H₂¹⁸O 會更傾向於凝結成水珠，或更難蒸發。因此蒸發與降雨過程等大氣運動，便會影響不同同位素水氣分子的分佈。追蹤它們的行跡，能增進我們對氣象系統的瞭解。

研究團隊以 2013 年在日本發生的低壓事件作為參照，發現納入同位素的數據之後，氣象模型能更好地模擬這次事件的整體氣壓情形。而在全球的尺度，尤其是中緯度及北半球地區，融合同位素資訊後，氣象預報如氣溫及濕度預測的準確度，也都有所提高。雖然這只是初步的探究，但科學家期許，未來進一步完善氣象觀測衛星對同位素資料的收集，能使人類更往精準氣象預測的目標邁進。

人造衛星就像是科學家的千里眼，能觀測千里之外的風雲變化。發展衛星技術，不僅能讓我們更精準預測氣象，在全球化的現代，也能在國際上發揮「Taiwan Can Help」及互助的精神；各國對航太技術的投入與數據資源共享，更是科研工作與人類社會的一大福音。

參考文獻

• 福衛七號星系佈署完成
• Wikipedia-Radio occultation
• 掩星觀測簡述
• 福衛七號／何謂掩星技術？這裡一次解答
• 台灣太空科技扎根30年 未來1年1衛星發射
• Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
• IASI data product profile

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

架空世界：任腦中遨遊的世界，嗎？

法蘭克‧赫伯特的《沙丘》是 2021 年上映的硬派科幻電影^[註1]。《沙丘》之名，在科幻迷眼中，被視為科幻類型文本的開山始祖之一，更是難以電影化的科幻小說作品；在電影《沙丘》中，行星厄拉科斯（Arrakis）是作品中的主要場景，一片荒蕪的沙漠行星，除了有著珍貴的香料礦，還有可怕的沙蟲。

這樣的架空世界，屢屢存在於各個作品中，《魔戒》中有中土大陸（Middle Earth），《冰與火之歌》中有維斯特落大陸與厄斯索斯大陸，《星際大戰》更有具雙日的環聯星運轉行星克卜勒16b^[1]塔圖因星球。身為讀者，以及一位地球科學模擬科學家，有時不禁會想：這些架空是否真的有可能存在？這些作家設計的世界，真的能存在嗎？

今日，布里斯托大學氣象研究所的 Dr. Alexander Farnworth 與他的同事 Dr. Sebastian Steinig，以及薛菲爾德大學的 Dr. Michael Farnsworth 就實際驗證了一次，究竟一個架空星球的氣候環境，是否為真？是否真的適合人類居住？

《沙丘》的氣候模型：低碳高臭氧的沙漠環境

在他們發表的文章^[2]中，他們使用了氣候模型來模擬厄拉科斯的氣候。Dr. Farnworth 亦提到^[3]，他們使用的是同樣用在 IPCC（The Intergovernmental Panel on Climate Change，跨政府氣候變化專門委員會）報告中，用以預測未來氣候變遷狀況的 HadAM3B-M2.1D 模型^[4]，其不需要海洋模式，所以海洋模式也就不用運行了（當然也可以省下計算資源）。

這個模型使用與地球相同的物理行為與物理參數。他們也使用了《沙丘百科》所提供的資料，來告之氣候模型應使用的地型狀態以及星球軌道，而星球軌道將大大影響到一個星球上的季節情況。最後，則是厄拉科斯星球的大氣組成：350 ppm 的二氧化碳、0.5% 的臭氧層。這兩個數字會影響到地球的溫室效應，只不過雖然厄拉科斯的二氧化碳濃度低，但是同樣是溫室氣體的臭氧值高，因此具一定的溫室效應。

等這些數據確定後，氣候模型就可以開始運作並且計算。這個氣候模型一共跑了三週多，作者另外提到，他們總共模擬了五百年，而且還使用了地球的部份大氣情況來跑厄拉科斯的數據（當然同樣是為了省下電腦運算資源的策略）。幸運的是，在初始的幾年中，大氣就乾了，而五百年後，大部份的水都保存在地底^[3]。這也不難想象，尚未蒸發到大氣中的水會因重力滲流到地表下保存，而在沒有植物行光合作用的情況下，大氣中的水蒸氣也將成為厄拉科斯上居民爭奪的「黃金」。

為什麼要算五百年的氣候狀態？因為氣候／氣象模型餵進去的只是 Initial Condition，也就是「初始條件」，而初始條件只是氣候模型的開端而已，不能當做結果。所以算到最後，這個氣候模型必須達到「平衡態」——也就是說，模型算出來的四季，與下一年算出來的四季，必須要有極小的差值。等這個差值小到可以忽略時，這種數值模型才算是成功的。

住在「赤道比高緯度區域還舒適」的沙漠星球

在書中描述了厄拉科斯是極為嚴苛的生存環境，像是人會利用「蒸餾服」來回收排出的汗、尿，再自己喝，連血都會快速凝固來防止蒸發。書中描述的厄拉科斯是個非常乾熱的地方，所以大多數的人會住在兩極地區。

但是根據氣候模型，熱帶／赤道地區，在夏天會達到 45°C，冬天則不低於 15°C，但是在中緯度與兩極地區，最高溫會達到 70°C，在中緯度最低溫會達到 -40°C，兩極則會到 -75°C。其主要的原因就是兩極地區的大氣濕度高、雲層厚，造成其極端的氣候狀況。

另外與書中描寫不同的，是降雨狀態。書中的厄拉科斯沒有降雨，但是依據氣候模型的計算，在高緯度的夏天，還有山區與高原地區，還是有非常少量的降雨。也因為前述提到的極端溫差，所以兩極地區也不存在冰帽。

最後的問題，人類可以住在厄拉科斯嗎？根據氣候模型，人類最有可能居住在熱帶地區，而不是書中提到的中緯度：畢竟中高緯度才是最熱的地方，也是最不適合人類居住的氣溫。如果有誰想要用岩石煎牛排，是可以考慮到中緯度一遊吧？

雖然書中的描述與實際氣候模擬的狀況有一點落差，但是作者們也提到，《沙丘》原著出版時間早（1965 年），比真鍋淑郎發表第一支地表模式早了整整四年，在這樣的落差下，《沙丘》原著中對厄拉科斯的氣候描述，雖與氣候模型模擬的結果有部分落差，但並無大錯。

Dr. Alexander Farnworth 給中文讀者的話

筆者與撰寫《沙丘》氣候模擬的文章作者進行了一些交流，除了學術交流外，也榮幸邀請了作者給中文讀者一些感言：

「從數十年前開始，我便一直是法蘭克·赫伯特的作品《沙丘》的超級粉絲，而他也打開了從我童年時開始，對奇幻世界的眼界。這也讓我有機會用一個科學家的角度，來重新檢視童年時有對此世界的奇想。我希望就此成果，也能夠一樣能吸引更多的人來了解我們的氣候是如何運作，知道為什麼要保護我們的星球，更希望能夠激發更多下一代的氣候學家。」^[3]

I have been a massive fan of Frank Herbert’s Dune since childhood due to the fantastical world he first envisioned many decades ago, to be able to look at it as a scientist was a fantastic experience and brought back that childhood wonder. So, I hope this work equally inspires others to learn about how our climate works, how we should not take our planet for granted and maybe even inspires the next generation of climate scientists.

大氣科學是一門很有趣的學問，人類仰望星空，是透過地球的大氣層才有了閃爍的星光，也是有大氣層才保護人類免受宇宙射線侵害。人類在埃及、商朝、伽立略等年代，都建立了對星體運動的了解，但大氣動力學要一直等到納維爾－斯托克斯方程出現後，才有飛躍般的進展，更惶論在能用數值模型解釋氣候、氣象模型，以及人類擁有更精確、更大量的氣象資料後，才能大量驗證大氣運動，進而改良大氣模型，才能達到預測氣象與氣候推測（Climate Projection）的能力。但這非常需要大量的人力，以及大量的知識才能達到。

真鍋淑郎博士在近六十年前，以少數人力建構了第一代的地表模式，而現在最新的《通用地表模式第五版（Community Land Model Ver. 5）》，是橫跨多國的合作開發的模式^[5]，而這還只是地表模式，大氣模型中還有形成雲或雨的 Microphysics、輻射能量傳導模式的 Radiative Transfering Scheme、解大氣間傳輸的 Planetary Boudary Layer Physics、屬海洋領域的洋流模式，屬水文領域的三維地下水模型，以及用來進行數值解的計算流體動力學，更惶論日新月異的電腦資訊工程的發展，這些的確都需要未來學子們加入並一同改進，也是未來泛地球科學學門需要的生力軍。

註解

1. 2021 年上映的科幻電影《沙丘》舊譯為《沙丘魔堡》。除了 1984 年大衛·林區所拍攝的初代電影使用舊譯名稱外，還有九零年代的同名即時戰略遊戲；遊戲版的《沙丘魔堡II》，也是《終極動員令（Command & Conquer) 》創作公司Westwood的代表作之一。

參考資料

1. Doyle, L. R., Carter, J. A., Fabrycky, D. C., Slawson, R. W., Howell, S. B., Winn, J. N., … & Fischer, D. (2011). Kepler-16: a transiting circumbinary planet. Science, 333(6049), 1602-1606.
2. Farnwoth, A, Farnwoth, M, Steinig, S, 2021, Dune: we simulated the desert planet of Arrakis to see if humans could survive there. https://theconversation.com/dune-we-simulated-the-desert-planet-of-arrakis-to-see-if-humans-could-survive-there-170181?fbclid=IwAR2EhRwjxNsGtFdkZGic8SZRS7cOgQbjfFXt27PmGYyZoVLH3BpANma569g
3. Farnworth, A, 2021, Personal Communication.
4. Valdes, P. J., Armstrong, E., Badger, M. P. S., Bradshaw, C. D., Bragg, F., Crucifix, M., Davies-Barnard, T., Day, J. J., Farnsworth, A., Gordon, C., Hopcroft, P. O., Kennedy, A. T., Lord, N. S., Lunt, D. J., Marzocchi, A., Parry, L. M., Pope, V., Roberts, W. H. G., Stone, E. J., Tourte, G. J. L., and Williams, J. H. T.: The BRIDGE HadCM3 family of climate models: HadCM3@Bristol v1.0, Geosci. Model Dev., 10, 3715–3743, https://doi.org/10.5194/gmd-10-3715-2017, 2017.
5. Lawrence, D. M., Fisher, R. A., Koven, C. D., Oleson, K. W., Swenson, S. C., Bonan, G., … & Zeng, X. (2019). The Community Land Model version 5: Description of new features, benchmarking, and impact of forcing uncertainty. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11(12), 4245-4287.
   https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2018MS001583

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《接棒福三，福衛七號讓天氣預報更準確！》
• 作者／郭雅欣｜科技大觀園特約編輯

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。

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。 

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。 

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。

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。 

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！