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災害預測新技術 (二):無山不崩 雷達測雨全面網羅

陳 慈忻
・2013/04/11 ・2147字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 536 ・七年級

台灣降雨時節不均、山地又佔了三分之二,水災、土石流成為台灣常見的天災,為了達到災害預警,「到底雨量測站夠不夠?」也變成許多政府單位及民眾關切的問題。究竟國內的雨量監測有哪些技術?目前又是如何運作的呢?台大地理環境資源學系(簡稱地理系)的黃誌川教授與台大大氣科學系(簡稱大氣系)的周仲島教授將為大家介紹。

天下無山不崩

颱風結束之後,不代表危險消失了,因為在下雨之後,大概接著就有山坡地開始崩塌(landslide),台灣100公尺以上的地方約有2%的崩塌地。「南部崩塌發生較快,因為南部的板塊上升速度比較快,如果日降雨超過200mm,大約就要開始崩了。」地理系的黃誌川教授說。造山運動的作用使地勢更加陡峭,因此崩塌會集中在造山帶上,而全球崩塌地分布最密集的地區大約就在東亞。

天下無山不崩,再堅固的工程也終究阻擋不住,在這樣的事實下,我們要怎麼用軟性的態度去處理他?「我們需要先了解,什麼情況我們要啟動災害預防的機制,我們歸納出一些指標,然後特別注意超出指標的地區。」黃誌川教授說。

譬如就地震強度及降雨量而言,台灣會發生比較嚴重的崩塌大約是地震強度6級以上,而降雨事件約超過600mm的時候,初步了解這些條件之後,進一步關注哪些地方容易發生大於600mm的降雨事件,以及近期地震強度較大的區域。

雨量測站足夠嗎?

既然土石流及崩塌地發生與降雨量息息相關,雨量監測變成了相關防災的重要工作。從小學起,我們就學到雨量筒能用來測量降雨量的原理,而比較精密的雨量筒擺在雨量測站,設置雨量測站的地方,就能直接測量該位置的雨量。沒有雨量筒的地方怎麼辦?可以利用周遭的雨量測站數據推估出來。

這麼一來,雨量測站越密集,應該就能夠得到越準確的雨量數值,因此許多地方政府或民眾擔心:台灣的雨量測站夠嗎?「中央氣象局的測站大約有四百多個,水利署有一百七十幾個,加起來號稱有600個;如果加上農改場或者中小學自行架設的雨量測站,大概全台灣總共有1,000個雨量站,而每1個雨量站大約能管60平方公里。」黃誌川教授說。

這樣的雨量站數量夠不夠?在平地是夠的,但在山區確實不足,「山坡地的降雨可能換一個坡面,雨量就不同了,如果要真的精準量測山區雨量,雨量站是設不完的。」周仲島教授說。

雨量監測技術不只1種

有些地方政府希望轄區內能夠架設更多雨量測站,以輔助土石流及洪水的預警,但是可能會面臨到經費問題,因為精密的雨量監測儀器可能所費不貲,如果要遍地架設,可能會耗費大筆公帑。有沒有雨量測站以外的監測方案?

在新技術的面向上,中央氣象局整合了一套「雷達雨量監測系統」,使用全台灣的4個降雨雷達:墾丁、台南、花蓮、五分山,來觀測全台灣的雨量資料,雷達的掃描(scan)是以面為單位監測,不像雨量測站是以點為單位測量。所以儘管1個雷達的成本比1個雨量測站還高,一個雷達測站所能夠獲得的資料卻往往是上百個雨量測站才能蒐集而成的,所以總體的成本不見得比較高。

「雷達的降雨資料解析度可以達到1.3平方公里1個網格」黃誌川教授說,「雷達能夠監測的是連續資料,可以記錄降雨的時空動態及強弱變化。」周仲島教授說,這些都是雷達的優點,監測面積廣、資料連續、解析度高等等,因此雷達得到的資料很適合作為如何預警的研究資料。

有了雷達,一般雨量測站就不需要了嗎?其實不然,雖然雷達監測的時間解析度很高,能夠比較精準的掌握連續時間下的變化,但是雷達的監測資料卻是推估而來的,換句話說有「猜」的成分。

而雨量測站的測量是屬於直接的測量,一般認為量到的數字貼近真實,這是雨量測站相較於雷達最大的優勢。但是雨量站所量測的雨量值都不會失誤嗎?「雨量站的維護其實相當耗費人力,偏遠地區的雨量測站有時候被樹葉塞住了,可能好幾個月沒去檢查,看到這個地方都不下雨才發覺不對勁。」周仲島教授說。

抉擇:雨量測站還是降雨雷達?

既然雨量測站與降雨雷達兩種監測技術各有優劣,氣象局如何在考慮成本、效益之下選擇合適的技術?「其實目前是hybrid system,也就是混用的方式。」周仲島教授說。

雷達能發揮大面積監測的效果,但又擔心非直接測量會有不準確的疑慮,因此氣象學家從數百個雨量站中挑選幾個維護較為嚴謹的「標準測站」,可以避免上文提到的測站故障,然後用這些數據來修正雷達監測結果,找出出降雨雷達資料的「修正係數」,最後得到經實際值校正的時空連續的監測資料。

過去沒有雷達技術,單靠雨量測站來監測雨量會面臨好幾個問題,除了上文提及雨量測站很多,逐一去檢查維護有其困難,資料的傳輸及整合又經過多重手續,最後如何修正檢查出錯誤的數據也是一個問題,「但是現在不必然需要一個一個設置雨量測站,因為有遙測技術(雷達)。」周仲島教授說,目前水利署預計要在新北市樹林、台中大肚山、高雄建立3個降雨雷達,兩分鐘就掃描1次,比現在10分鐘1次的雷達資料詳細。

科技的進展是瞬息萬變的,但是不同的技術不一定是取代的關係,如何掌握優劣使他們搭配、互補,也是學習發明之外的另一種智慧。

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!

延伸學習:防災降雨雷達網104年完工

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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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