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「算計」洪水

阿樹_96
・2013/07/13 ・1286字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

6月初歐洲發生大洪水,在德國、捷克、奧地利等國家受大水侵襲重創,預估損失超過100億歐元;而六月中加拿大的洪水,影響人數也近十萬人,與此同時,印度亦發生大規模的水災,至26日止,已造成1000人以上死亡。造成這些洪水氾濫的原因,多半是降雨所引起,歷時長的強降雨往往會致災,不過為何會形成洪水?我們接著來探索其中的機制。

6月初發生在歐洲的大水,在德國、捷克、奧地利等國家受大水侵襲重創,預估損失超過100億歐元。照片攝於德國的帕紹(Passau)。(圖片來源:Wikicommons)

當降雨落到地表,有部分的雨水會被地表土滲透吸收,而剩下的水就會成為逕流,匯聚到河流當中,不過當河流或湖泊的水位因此升高,超過陸地時,就會形成洪水的災害。不過洪水造成的氾濫也會帶來豐沛的沉積物,有利於發展農業,而河流也是早期商業的重心,所以一直以來,人們除了認識洪水的成因,也試著去面對這個問題,建立水利設施,修築河堤、排水系統等,但卻不見人們能真正克服水災的夢靨。

據聯合國跨政府氣候變遷研究小組(IPCC)2007年2月提出的研究報告指出,未來氣候暖化對亞洲國家的傷害將特別大,颱風、乾旱、洪水等極端氣候型態發生機率增加且程度增強,而從1980至2000年間的統計結果,颱風、洪水所造成的災害有上升的的趨勢。 當然以目前的研究結果,要確認氣候變遷與各地的洪水災害的關係,仍需進一步的驗證,不過可以確定的是,降雨的特性實際上十分難以捉摸。雖然目前人們可以利用觀測雨量記錄,加上統計分析,可以設計暴雨的防災參考,常聽到「重現期50年、100年的降雨」等等,是指長時間的平均下,每100年會發生1次,換個說法,就是百分之一的機率。所以再現周期100年,只的是它的頻率較低,而不是100年才會發生1次的洪水。

不過上述的統計方式,也只能提供相對的可能性,對於災害的預防的幫助有限。當然,我們所擁有的降雨資料也是十分有限的,如何利用現有的資訊突破因境呢?目前國際間的研究機構與中央氣象局針對極端事件(如莫拉克颱風等極端的降雨),就會採用「極端理論(Extreme Value Theory)」,以廣義極端值(Generalised Extreme Value, GEV)的方程式來分析並模擬各個地區可能出現極端降雨的可能性,而在氣象上極端事件的要素之一是機率不能高於10%,如果發生機率過頻繁當然就不符合。而這樣的方式可以用來探討極端降雨、洪災、坡地崩塌等現象,甚至也包括了河川生態與水庫的效益等等。

運用極端理論的優點是對於風險的評估更加符合需求,因為傳統的常態分部的鐘型曲線常常會低估了潛在的風險,而廣義極端值正好可以解決這個問題。在民國100年的氣象局的建國百年研討會中,國家災害科技防救中心助理研究員朱蘭芬等人,根據近百年台灣極端降雨量的變化,而台灣6個氣象站(台北、台中、台南、恆春、花蓮、台東)中,預估雨量最極端的地區為恆春,其次是花蓮,光是50年再現週期的降雨,皆超過了400mm的門檻。隨著計算方式的演進,這樣的估算結果亦可以做為災害評估與治水方針的參考。

(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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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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無聲的溺水:溺水的死亡人數可能比你想像中更多?掌握救溺五步驟——叫、叫、伸、拋、划
椀濘_96
・2022/07/21 ・3194字 ・閱讀時間約 6 分鐘

近台灣掀起一股露營的風潮,正逢暑假期間,野外溯溪、戲水活動盛行,然而消暑玩樂之餘別忘了,水域安全的觀念尤為重要。

根據內政部統計近年的各級水域救援數據,平均每年約有 700 多人溺水,死亡人數超過一半,其中又以發生地點為溪河的事故案件最多,而且這個數字正在逐年增加……。

全球溺水死亡的人數,比你想像中更多

2021 年 9 月,一篇發表於專業醫學期刊《刺胳針全球衛生》(The Lancet Public Health)的研究顯示,比起其他重大公共衛生問題,溺水在全球各地造成的死亡人數更多,然而這點卻很常被忽視。

研究中提到,在高收入國家中,溺水為 1~24 歲兒童和青年人的第六大死因;在澳洲、法國、紐西蘭、瑞士和美國,則是 1~4 歲兒童的第二大死因。而在中低收入國家,溺水的死亡率是高收入國家的三倍以上。

在溺水死亡率居高不下的背後,可能包括監督過失與兒童缺乏游泳技能的問題。

溺水與全球各地其他重大公共衛生等問題相比,死亡人數更多。
圖/envato

除了休閒活動之外,無法預測的天災──洪水,也是造成溺水死亡率偏高的原因之一。由於氣候變遷,遭受洪水災害的人數,以及相關的災害嚴重程度都在增加,預估未來還會持續上升。

值得注意的是,氣候變遷也導致海洋變暖,進而影響世界上從事漁業或水產養殖的 6000 萬人,也迫使小規模的家計型漁業(artisanal fishery)需要到更遠的地方捕魚。這意味著船隻需要停泊在不熟悉,甚是不適合的水域中進行長時間的捕魚作業,導致漁民落船溺水的風險也跟著提高。

容易被忽視的危險水域

  • 溪流

台灣溪流多數蜿蜒湍急,河道可能會有高低差或縮減等情形,從事溪流的水上活動時,應謹慎評估該溪谷地形的風險。另外,一條溪流的流速並非均一致,而是呈現分層;水面及靠河床處往往流速較慢,水面下則較快,這點亦被輕忽,還需多加留意。

例如台灣溪域中蠻常出現的「翻滾流」(backwash),溪流經過瞬間落差的地形(如:瀑布、攔沙壩、水壩等)時,在重力作用下,下沖的水流會將落水處侵蝕凹陷,由於撞擊河床後的水流方向改變,以逆流的方式流向上游,而上方的空氣也會被水流捲入,當水流的浮力大於流動的慣性時,上下水流就會來回捲動,就形成一個不停翻滾的迴圈;人會因此卡住,甚至被吸附翻滾而無法脫離,造成嚴重傷亡。

翻滾流的模擬影片。
在水淺時可以很明顯地看到翻滾流,但在水深的時候,除非靠近否則難以被察覺。 影/ YouTube

除翻滾流外,水面下還可能暗藏「渦流」(又稱漩渦)。

渦流由反水流形成,是一種漩渦型水平滾動的水漩;水流經石頭孔隙時會相互推擠,進而形成圓錐狀渦旋(Vortex),渦流會捲入從旁流經的物或人,將其捲沉至水底或石縫間,無法脫離。

除水流外,另一潛在殺手則是石頭。除了長期受水流影響外,其上附著的蘚苔、藻類等也使得石頭表面變得光滑,踩踏行走時若稍有不慎,則可能跌入水深處,情急下便提高了溺水風險。

  • 海邊

於海邊戲水時,「離岸流」(Rip current)容易被忽視但卻隱藏著巨大危機……。

離岸流又稱「裂流」,為一種從海岸帶到海中、向外海方向快速移動的海流,流向幾乎與岸線垂直。離岸流和巨浪並不相同,通常是毫無防備的情況下突然出現,而且在任何天氣條件下都可能發生,持續時間從幾分鐘到幾星期不等,可能突然出現、突然消失。若發現該水域兩側均為海浪,但中間出現相對平靜無浪的區域時,應有所察覺此處有離岸流,盡量遠離。

離岸流示意圖。圖/Wikipedia

強勁的海流能將強壯的人迅速帶離海邊,將人推向外海,若試圖抵抗,則會因體力耗盡而發生溺水事故。若不幸遭遇離岸流時,可試著讓自己漂浮於海面,保留體力揮手向救生員求助。

離岸流宣導影片。影/YouTube

溺水時,比你想像得更難求助

也許你想像中發生溺水時應該是用力揮打四肢拍水、大聲喊叫等大動作來呼救,但其實不然。

當人溺水時會想拼命嘗試把頭伸出水面呼救,若過程中不甚吸入水使聲帶進水,聲帶及上呼吸道因而緊繃,造成無法順利發聲。

等到無力、頭部低於水面時,冰冷的水流入上呼吸道引起咽喉痙攣緊縮、氣管收緊,再後來喉頭放鬆,便會使大量水份灌入呼吸道及肺部,肺泡無法換氣,人體因此無法呼吸而窒息,導致腦部缺氧受損甚至死亡。

整個溺水的過程遠比我們想像中來的無聲無息,這致命的傷害僅短短幾分鐘,即使一旁有人也難以察覺,直到溺水者無意識漂浮於水面時已為時已晚。

而兒童溺水事故,也比想像中更危險,為台灣 5 歲以下幼童的三大死亡原因之一。

夏季從事水上活動時,應選擇有專業救生員、救生裝備的安全水域環境。圖/Pixabay

幼兒處於溺水狀態時,較成人更加難以察覺,家長往往以為有在旁照看就能避免憾事發生。而大部分溺水後的兒童,都會有嚴重的腦缺氧後遺症,影響著日後正常的生活機能。

但有些徵兆可幫助大家判斷,孩子是在游泳還是正在溺水,例如:眼神呆滯無法聚焦、身體呈垂直且腳沒有活動等等。

溺水救法及注意事項

看到有人溺水時,若不是接受過水難救助訓練的專業人員,請不要貿然下水施救!

切記救溺五步驟:叫叫伸拋划。

:大聲呼救。

:撥打 119 求助。

:利用延伸物,如:竹竿、樹枝等,讓溺水者抓住。

:向溺水者拋送漂浮物,如:瓶、球、繩等。

:利用大型浮具,如:救生船、救生圈等,划向溺水者,將之救援。

除此之外,夏季從事水上活動時,暖身需要做確實,避免抽筋、肌肉痙攣等情況,並且選擇有專業救生員、救生裝備的安全水域環境。如果出現身體不適、飲酒後、精神情緒狀態不穩定時,請不要輕易下水!

最有效的預防不外乎就是將基本的水上安全、游泳技能,融入進教育課程,從根本上幫助防止溺水事件的發生。

切記救溺五步驟:叫叫伸拋划。 圖/envato

參考資料

  1. Medd, D. R., Scarr, J., Larson, K., Vaughan, J., & Krug, E. G. (2021). Drowning Prevention: Turning the Tide on a Leading Killer. The Lancet Public Health, 6(9), e692–e695.
  2. 秘境苦花潭溺水事件:如何判斷渦流、翻滾流與渡溪安全
  3. 海邊戲水 先來認識「離岸流」—台灣環境資訊協會-環境資訊中心
  4. 離岸流—維基百科
  5. 溺水的人其實不太會掙扎,乾性溺水也可能致命!(懶人包)—照護線上
  6. 兒童溺水知多少—中國醫藥大學兒童醫院
  7. 發現有人溺水,救溺五步驟—臺北市政府消防局防災科學教育館
  8. 救人五招:「叫叫伸拋划」—中華民國紅十字會
椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)

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天氣學家看《天氣之子》:雨災不只是淹水,是極端氣候下的慢性死亡
Y.-S. Lu
・2022/03/29 ・4824字 ・閱讀時間約 10 分鐘

新海誠,對大家來說是這五年高品質動畫電影的代表,不管是《你的名字》、《天氣之子》,都讓大家耳熟能詳,而其中的災害主題則扣住了他的愛情主題,不論隕石來時的避難,或是氣候異常的降雨,都是非常值得討論的主題。

筆者做為大氣科學從業人員,本篇文章,想要從《天氣之子》來討論極端氣候,因為極端氣候不僅是聯合國《永續發展目標 (Sustainable Development Goals)》的主要議題,也在近年來深深地影響人們生活。

天氣之子的氣候狀況

這次新海誠用了一個很大膽的主題,也就是主角再也不是為了地球飛去宇宙深處作戰的女高中生(《星之聲》),也不是挽救過去將被隕石毀滅的村子的男高中生(《你的名字》),而是在犯罪邊緣的少年少女,而他們並未為了日本跟地球,而犧牲自己成為人柱。

從某個角度來說,人都有年輕不懂事過,為了愛犧牲理性也非意想不到,但是主角在「拯救世界」與「拯救戀人」之間,選擇戀人而放棄世界,也算是少有的故事情節,因此開映之後,的確造成了一些話題性。

不過,筆者比較有興趣的,是其中的降雨情節。日本降雨從 2021 年持續到 2024 年,的確是不可能的,除了要有足夠的水氣,以及足夠的對流將氣團推往較冷的高空外,還須要足夠的氣溶膠來形成足夠大的水滴,才有機會造成降雨。

如果電影中的「神」希望靠物理作用,讓日本持續下雨三年,那我想這不會是對流造成的雨:因為在連續降雨而缺乏晴天的日本,潛熱(單純的水蒸發與植物的發散作用)與顯熱(因為地表與空氣溫差造成的熱量傳播)都將成歷史。在夏天時,缺乏地面形成低氣壓的情況下,也無法產生梅雨所需要的對流作用。

所以最有可能的,就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴,但又因為氣壓帶的影響,讓此風暴持續盤旋在日本外海,替日本帶來大量的水氣。

要造成三年的連續降雨,最可能的情況就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴。圖/envato elements

這樣的風暴若持續一整年不停歇,即使粗估每小時不到 2mm 的降雨量,一年下來也會帶給日本超過 10000mm 的降雨。日本年均降雨約在 1500mm 到 1800mm 左右,此風暴將造成四到五倍的年降雨量,這可能會對日本造成破壞力僅次於《日本沉沒》的最大自然災害。也就是說,光是一直下雨,的確有可能淹沒整個日本的都會區。實際上,2021 年的夏天,德國西部與比利時東部大小城鎮,就在低氣壓氣旋 Bernd[1] 帶來的豪雨下,受到了重大的打擊。

但可惜的是新海誠對於日本淹沒這個概念有點誇大,在影片結尾,日本的「彩虹大橋」被淹沒,彩虹大橋塔高 126 公尺[2],動畫中大約被淹沒超過一半,這邊就先估僅 63 公尺高。

這應該是天氣之子的Bug,因為要淹到 63 公尺的高度,唯一合理的解釋只有全球氣候異常,造成冰河融解。在《自然》科學期刊中,Gregory & Oerlemans (1998) 估算在全球暖化的影響下,考量到冰河區的融化量,海平面到 2100 年將會上升「數公尺」;而美國地理調查所( USGS) 在網頁簡略提到,如果全球冰層溶解,大約會是 76 公尺高[3]

也就是說,在《天氣之子》中,全球極度暖化,導致海平面上升 63 公尺,這已經是勘比《2012》的世紀災難了。

另外一點,兩年半中經歷氣候變化(真的如主角講的:「我們改變了世界」)後的日本,在海平面上升 63 公尺的情況下,造成將近有 17.41% 的國土面積喪失,而情況最嚴重的則在大東京都地區。

左:災前日本。右:災後日本淹水地區。圖/
Y.-S. Lu. Data Source: Derived from GTOPO-30 tiles, https://lta.cr.usgs.gov/GTOPO30 by CC 4.0

豪雨造成的問題

豪雨可以說是地球上最容易觸發災難的關鍵氣象要素。相較於需要板塊交界的地震、需要大氣運動才能造成的颱風/颶風,以及只有高緯度地區才有的雪災,任何地方只要「會下雨」,就有可能豪雨成災。對土木界而言,水一直是問題也是重點防治對象之一。

所以,撇除不合理的海平面上升之外,這邊還可以再淺談一些《天氣之子》中可能會出現的豪雨災害。

在豪雨的侵害下,日本平地的地下水位應該會保持在地面,而山區的地下水水位也可能會偏高,土壤含水量偏高後,不僅會造成土壤重量上升,亦導致側向土壓上升,再加上日本與台灣一樣,是造山運動強烈的地方,所以坡沙土堆積淺,土石流、泥石流的情況將會十分強烈。

在日本持續降水期間,山區會有許多因為崩坍造成的堰塞湖,山區居民應全數徹離以保全生命安全。

山區道路除了會因為坍方造成道路中斷,高水位也會超過道路上擋土牆的設計。擋土牆原本就是根據地區水位做估算與設計,但是在連年降雨下,水位高度將超過一般設計的強度,所以道路上的擋土牆也會有坍塌的危險。

豪雨侵襲將帶來嚴重土石流、泥沙淤積與堰塞湖。圖/台灣農委會林務局網頁

而岩層區也會因為岩隙間的水壓上升、破壞岩體,導致挖穿山間的隧道開始因為水壓,而坍塌阻塞。

由於山區的降水無法被土壤吸收保留,所以大多數的水將會匯流到平地,平地的淹水狀況將比往常更嚴重,都市內的排洪系統將完全失效;而河道的防洪牆雖然阻擋了河道暴漲,但都市內的淹水也將難以排除。

都市中的高樓雖然提供了居民可用的居住環境,但是因為大多數的高樓機房都設在地下層,所以樓房機能將損失殆盡,除了電梯無法使用,污水與糞水也將漂滿都市內部,好在連年下雨,所以這些污水早已成為龐大水體的分子,所以也不是真的很「污染」(但感性上不能接受),另外從山區湧入的人口,可能會因為人口擁擠,造成更大的社會與治安問題。

除此之外,伴隨降雨而來的,還有厚重的雲層。雲層阻擋了陽光,也阻擋了植物進行光合作用,可想而知,日本的農業也會隨之被破壞,菌類養植可以繼續,也就是日本在沒有被核戰爭攻擊的情況下,卻可能必須過著有如《地鐵 (Metro2033)》的生活。

同時,在缺乏陽光的基礎下,人類無法自然產生維他命 D,兒童也將因此生長不良,更惶論因為長期陰天導至人們憂鬱症比例上升。

連日下雨缺乏陽光,容易導致人們憂鬱。圖/envato elements

在豪雨不斷的氣候異常下,原本就存在的極端天氣狀況只會更甚,日本連年降雨,就有可能是某處連年乾旱。在動畫中,日本的異常降雨,代表人類的世界可能只是將更快速地步向滅亡。畢竟現今為了減低溫室效應造成的危機,各國正在提出方法來淨零,但《天氣之子》一口氣就造成了更嚴重的氣候影響。

總而言之,《天氣之子》與其說是放棄日本拯救少女,其實更有可能是放棄全世界整救少女。

當德國遇上「天氣之子」

近年最大的洪災,便發生在 2021 年,從美洲到歐亞洲,各國都遭遇到了前所未見的洪災。

2021 年,當德國還正因為 COVID-19 感染人數下降,逐步微解封之時,七月發生的大水災,造成了人命與財物[4]的重大損失。除了高達 70 億歐元的保險賠償外,德國西部的 Ahweiler、Erftstadt、Hagen 等城鎮被淹沒、房屋被沖毀,許多河道旁的居民,也在雨災過後丟出許多被洪水泡毀的家具電器,損失慘重。

雖然部份民眾將炮火轉向預警系統的失敗[5],但預警系統並非毫無作用。在德國可以裝 NINA app 做為推播使用,某些城市也會有警報廣播系統,但即便已發出手機 app 的警報,以及俗稱 Siren 的警報,民眾不一定會意識到災難的到來並進行疏散,也有民眾忽略警報選擇不避災,甚至有民眾說從未能想像德國發生「有如第三世界」的洪災,但事實上,德國大河(如萊茵河、易北河)在近 10 年內,就有過類似洪災的紀錄。

德國7月洪災淹沒了城鎮。圖/德國之聲 新聞截圖

2016 年時,德國酒鄉之一的阿爾魏勒(Ahweiler),其周邊的阿爾河(Ahr)就氾濫過一次,當年低氣壓帶來連日的綿綿大雨,造成了小部份地區被水淹沒;但是當 2021 年的洪災再次來臨,居民還是覺得很震驚,可見該地區的居民對洪災是缺乏想像的。

2021 年的這場洪災,德國城鎮的管理層級並非沒有作為,筆者居住的小鎮,在洪峰來臨前十二小時就已封閉橋樑,許多志工開始投入疏散河提居民的工作,將居民安置在大賣場,且有志工開車接送。然而,在河水暴漲的岸邊,不僅有路人無視路障通過,有更多人在岸邊拍照,紀錄淹水狀況。受災區域亦同。

但是話說回來,居民與當地警消的這種反應可能也是非戰之罪,因為許多的測站都遭遇到破紀錄的水位高,如阿爾魏勒的測站阿爾特納爾(Altenahr)在資料中寫下了「最高紀錄」[6],但是因為測站毀損,沒有具體數字;有學者則提出,這是 200 年洪災的規模。但是防災等級的提升,也意謂著公共工程經費的支出。如何在兩者間取得共識,一直是防災工程的大哉問。

德國的氣象預警也並非無作為,但並不是所有的預告都能說服人,歐洲中期天氣預報中心 (ECMWF) 的叢集預策系統 (Ensemble Prediction System)利用了氣象模擬中的不確定性,以多重運行結果進行機率預測,來替代傳統的單一運行的單一結果。然而,即便用上機率預測方法,也只能在極端的機率 (第 99 percentile) 下預測到德國西部會有 122mm/day 的最大降雨,而德國氣象中心 (DWD) 的在當日所量測到的是 144mm/day 最大降雨。

嚴格說來 ,即便使用了叢集系統亦無法補捉到雨量的最大值,實屬可惜。所以氣象預報並非完全有效,加上只有 1% 的機率可以達到四分之一的年均雨量,這個機率很難說服一般人馬上進行避險。

ECMWF與DWD雨量比較。圖/Luis Samaniego @twitter

這樣一次性的暴雨時期,德國遭受了超過七十億歐元的保險賠償,並有將近 200 人死亡,可見當災難超過預測時,人類的應對是遠遠不足的。同時,德國因為二戰時期與冷戰的陰影,對政府集權相當的反感,也間接導致無法使用如台灣的細胞簡訊的方法,來廣範地疏導民眾。如何增強防民眾對災難的因應意識,有可能將也是德國接下來的課題了。

在極端氣候之下,要更有防災意識

天氣之子因為對治安黑暗面的描寫,以及主角的選擇,造成了不少的爭議,也造成觀影程度與《你的名字》有所相差,雖然對筆者而言,其氣象的狀況算是超現實,且對社會重建的描寫不夠深入,但是在氣候變遷下,人們必須思考並建立對防災的概念與意識,在降雨強度變強、極端溫度更高的情況下,災難是有可能會更嚴重的。

台灣的讀者可以多參考水土保持局的相關防災宣導與資料,建立與更新相關知識,更重要的,應該是隨時有防災意識,才能保護自己,以及保護別人。

參考資料

Y.-S. Lu
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自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。

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精準預測氣象的「掩星技術」,讓你知道颱風放不放假!
科技大觀園_96
・2021/11/16 ・2380字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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!

每次颱風來襲,大家都關心會不會放颱風假。圖/pixabay

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。

福衛七號結構示意圖。圖/國家太空中心

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。

福爾摩沙衛星拍攝的美麗福爾摩沙島。圖/國家太空中心

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科技大觀園_96
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