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別小看颱風的「風」

阿樹_96
・2013/08/15 ・1525字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 509 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

今(2013)年第一起登陸的颱風「蘇力」,在全台各地造成不少災情,包括淹水、土石流與多起道路中斷等等,颱風在2013年7月13日徬晚遠離台灣。而截至7月13日止,造成了1死31傷,其中強勁風力造成的災情,包括在台北市造成800多棵路樹傾倒、多處招牌掉落,而唯一罹難的員警陳錦榮,疑似因風力造成磚塊擊中頭部而死亡。

因為台灣的地形山脈多而高,平原又多位於西部,颱風引起的災害多半為降雨,然而全世界對於颱風的分級多以中心最大風速為主,因此颱風的風力造成的災害也不容小覷,而所謂的最大陣風、平均風速又是如何測量的呢?

風杯型風速計,利用轉速來換算得到平均風速。(圖片來源:維基共享資源,作者Jack Chui)
風杯型風速計,利用轉速來換算得到平均風速。(圖片來源:維基共享資源,作者Jack Chui)

風的成因與測量

「風」其實指的就是大氣的流動現象,成因之一為溫度,小尺度的現象就是平常感受到的海風、陸風,是因地表溫度上升與下降速度較快而產生的風。大尺度就是季節變化與太陽的照射所影響,造成季風與各種熱帶溫帶風暴,大氣的水平運動會讓兩極與赤道的能量交換。再來就是氣壓,空氣的溫度、重量分布不均形成高低氣壓之分,在同一水平面上,氣流從高壓流向低壓,因而形成風。此外,還有地球自轉也會形成風(信風與西風帶)。

在風力的分級上,主要以風速來作為標準,而測量風速的科學儀器為風速計,風速計主要是由3或4個杯狀物與1個轉軸組成,亦有螺旋槳型的風速計,根據一定時間內的轉速,就可以換算出實際的平均風速。國際上,風速分級可見蒲福風級表,風級表依不同的風速分為0至17級,而進一步利用這個分級,或者是回歸原始測量到的風速,可以對照得到颱風的分級,中央氣象局的標準是以颱風的近中心最大風速來劃分,輕度颱風是8~11級,中度為12~15級,強烈在16以上。

颱風的風力可怕在哪?

越接近颱風的中心,氣壓的梯度越密集,因此風勢就變得十分強勁,而當中心的氣壓越低時,也代表著氣壓的梯度更密、風更大。至於經常提到報導中的「最大陣風」或「最大風速」,陣風指的是瞬間變化的風,一般而言量測風速時會取10分鐘內的平均值,而「陣風」則是在10分鐘內發生5m/s以上的風速差時會出現的現象,這樣的風不會一直持續的吹,而是突然間產生一股強大的風,這也是颱風中致災的風力,因為颱風來臨時,陣風的風速是平均風速的1.5至2倍,所以當平均風速是25m/s(10級)時,最大陣風可能會達到50m/s(15級)。

可以想像風速越大時,會造成越大的災害,但風速如何換算成災害呢?即使將50m/s的風換算成時速180公里,但因為風不是實體,不能拿高鐵或汽車的速度來對比,應該使用「風壓」來評估。風壓的定義為每平方公尺所受的力(公斤),因此,依照中央氣象局所提供的風速/風壓換算表,50m/s的風速等同於每平方公尺受力達310公斤的壓力,因此對於這次蘇力颱風過境,基隆所出現的15級風、台北的12級風(最高的風壓達164kg/m2),不難想像會發生路樹折斷、招牌掉落的災害。

颱風前的準備與注意事項,除了嚴防豪雨造成的水災,也要注意強風所造成的災害,宜先行固定易掉落飛走的物品、或是檢查招牌的固定是否良好,在都會區的常見馬路邊會出現的「活動旗幟」,也應在颱風來臨前撤除,否則在強風之下,除了增加災後清除的難度,也可能在颱風來臨時造成預期之外的傷害。

(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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!

文章難易度
阿樹_96
73 篇文章 ・ 19 位粉絲
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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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

參考文獻

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1112 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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沒有颱風的七月!颱風為何銷聲匿跡?——《科學月刊》
科學月刊_96
・2020/09/11 ・1882字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

  • 賈新興/臺灣大學大氣科學系博士,前中央氣象局長期預報課課長,現職為天氣風險管理公司總監。

夏季是颱風出現的季節,往年的 7 月平均會有 3~4 個颱風生成。但今(2020)年 7 月卻罕見地無颱風生成,主要原因是季風槽受太平洋高壓,以及較大的垂直風切所導致。

夏天是颱風的好發季節。圖:Pexels

颱風消失了?生成條件大盤點

每年的 7 月是颱風開始活躍的月份,平均而言,7 月都有 3~4 個颱風生成,從 1951 年以來的颱風生成資料顯示,歷年 7 月最少都有 1 個颱風生成,最多則有 8 個颱風生成,分別是 1971 年 7 月和 2017 年 7 月。

然而今年的 7 月,整個西北太平洋海域卻靜悄悄的,沒有半個颱風生成,到底是發生了什麼事,讓 7 月颱風銷聲匿跡了呢?就讓我們一一檢視颱風生成的條件。

生成條件一:溫暖的洋面

颱風生成在海面上,廣大的洋面能提供足夠水氣,當水氣蒸發釋放潛熱時,就可以讓颱風有足夠的能量成長。

一般來說,當海水溫度超過 26°C 時,才會產生足夠的水氣。而西北太平洋地區,每月氣候平均的海溫都在 27°C 以上,其中 2 月的平均海水溫度也有 27°C(圖一)。

圖為東經120度~160度,與北緯5度~20度之間的區域,即西北太平洋區域平均每月海溫值。通常海水溫度高於26℃時可以產生足夠的水氣,而往年7月的平均海溫都超過27℃,是颱風形成的重要條件之一。

因此,西北太平洋溫暖的海域,時時刻刻都有足夠的水氣提供颱風生成所需的能量。從西北太平洋區域今年 7 月平均的海水溫度分布圖發現,整個西北太平洋的海溫至少都超過 29°C(圖二)。

溫暖的洋面,雖然提供了足夠的能量,但為什麼颱風仍舊長不出來呢?讓我們再檢視其它颱風生成的動力條件!

條件二:活躍的季風槽

颱風是個逆時針旋轉的低壓中心。夏季時,當北半球的西南季風,和太平洋高壓所帶來的東風或東北風相遇,兩者所造成的輻合作用,會使低氣壓的漩渦繼續加深,讓風速增強。

當低氣壓的近地面最大風速到達或超過每小時 62 公里或每秒 17.2 公尺時,我們就將它稱為颱風。這個伴隨西南季風和太平洋高壓南側的東風或東北風相遇的地方,通常稱作季風槽,或是俗稱颱風生長的故鄉。

從 7 月大氣低空風場的氣候平均圖,可以看到西南季風和太平洋高壓南側的東風形成的季風槽,從東經 120 度往東南方向延伸至東經 160 度。比較今年 7 月的大氣低空風場(圖三)可以發現,整個季風槽不見了,原來應該是季風槽所在的區域,一整個都被太平洋高壓的東風所佔據了。

而太平洋高壓是個穩定且下沉的空氣,但颱風是個垂直發展的低氣壓,因此,偏強的太平洋高壓讓今年的西南季風無法深入至西北太平洋區域,剷平了颱風的家,也就讓颱風長不起來了。

條件三:垂直風切不能太大

另外,颱風垂直發展的高度至少可以達到對流層頂的高度,因此當高空風和低空風的風向差異太大時,也就是一般我們所說的垂直風切太大時,就無法讓水氣凝結所釋放出的潛熱更有效地提供颱風發展,造成颱風的垂直發展不好,颱風就不容易生成。

根據7月氣候上的垂直風切分布顯示,在西北太平洋區域的風切平均介於 -10~5之間。但今年 7 月的垂直風切,則介於 -10~10 之間,明顯比氣候平均值高,因此不利於颱風的垂直發展。

都是高壓和垂直風切惹的禍!

從以上颱風的生成條件來看,今年 7 月雖然有足夠的水氣提供的能量來源,但要讓颱風旋轉起來的季風槽,因為太平洋高壓太強,使得季風槽無法向東推進到西北太平洋區域;偏強的太平洋高壓帶來穩定的下沉空氣,連帶的也讓垂直風切太大,颱風更是長不起來!

今年 7 月的太平洋高壓太強,不但讓颱風長不起來,連帶的也是造成臺北創下自 1897 年以來的最高溫紀錄 39.7°C 的原因之一!至於為什麼今年的太平洋高壓如此強大,就是另一篇故事了。

圖二(上):以往的7月氣候平均海溫分布和大氣 850 百帕(hPa)流線圖,圖中粗黑線為季風槽,此在正常的氣候條件下是有利於颱風生成的。圖三(下):今年7月平均海溫分布和大氣850百帕流線圖。讀者可以發現,今年的海溫分布雖較以往高,有利於颱風出現,但原先的季風槽位置卻被太平洋高壓所佔據,造成颱風無法生成。

〈本文選自《科學月刊》2020年9月號〉

科學月刊/在一個資訊不值錢的時代中,試圖緊握那知識餘溫外,也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

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暑假有三寶「颱風地震屁孩到處跑」,面對天災該如何預防?
震識:那些你想知道的震事_96
・2019/07/04 ・2191字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

阿樹來說前言:本文雖然並不是單純跟大家談地震,但防災的思維是大同小異,我們若可以預先做好颱風防災,同樣思維下一定也能為地震防災做些事。

先別管屁孩了,遇到天災你都如何預防?

當颱風快來時,大家會怎麼做?先查人事行政局網頁有沒有放假?人事行政局傳送門:https://www.dgpa.gov.tw/(應該很多人存到我的最愛 or 書籤裡了吧?)

不是啦,先看氣象局的颱風潛勢機率再決定我們要如何因應,其實近年來在許多媒體、網路與科普人士宣傳下。雖然嘴巴上常罵氣象預報不準,但由於我們已漸漸習慣這樣的呈現方式,即使颱風預報可能會有些誤差,但我們至少知道它侵台的機率高、發生的可能性高,而我們也知道颱風對我們會帶來哪些危害或是不便,進而提前做出預防措施。

颱風潛勢和常見表示方式的說明示意。圖/取自阿樹的地球故事書

決定了隔天或是晚上停班停課、颱風來襲的可能性很高,接下來就可以擬定計畫,因為屆時風大雨大、就不要再出門去公司檢查了,「門窗有沒有鎖好鎖滿?」「防淹水的沙包閘門有沒有放置妥當?」「排水是否堵塞?」「怕水的重要文件電器有沒有做好預防措施?」有的時候過去曾有沒做好而受災的紀錄,這時就可以借鏡用來擬定對策,當然別人發生的情況也可以拿來一併思考。

再想遠一點,如果颱風不幸滯留的話,「差旅有沒有可能延期?」「會議有沒有變數?」「活動有沒有備案?」這類產生的問題雖然不是「災害」,但也是一種衍生問題,先做好因應,就能降低不便。(這類的思維還可參考單信瑜老師在個人臉書提供的建議。)

颱風防災和地震防災有什麼類似之處?

地震雖然沒辦法做到像颱風或降雨一般的預報,但如果把時間尺度拉長,利用統計和科學方法,一樣能得到發生的潛勢機率,只是這個尺度是三十年、五十年,把時間拉長的用意是因為科學上還無法掌握更短周期的不確定性,所以會需要更長尺度的評估。但是,防災絕不會因為時間拉長了就無能為力,而是需要調整一些做法。

五十年的最大地振動評估,最直接的應用就是建築的耐震設計,若相關單位能依此有計畫的實施耐震評估補強,提升房屋的韌性,雖然平常不會看到效果,但在地震來時就能達到減災之效。或許我們很在意地震到底會不會發生、到底何時發生,但事實上許多建物的設計都需要讓它至少使用五十年(法定年限),因此設計時考量五十年某個機率以上會發生的事件,就是一種預防措施。

台灣地表振動強度機率分布圖。圖/震識提供

或許有人會問說:那麼我的耐震設計做到更高不是更好?確實,但前提是這得花上不少錢。因此在全國適用的規定下,訂出個基本措施、優先處理震度高潛勢區、人口密集處等高風險區,可以說是考量未來可能遇到震度的「最低標準」。而如果我們有能力,做得比最低標準高當然是好事,但前提是要有能力,有許多新建住宅也會標榜其耐震、制震能力,相對的也提高了成本,並非人人都能負擔得起。那和我們前面提到基本的預防措施就是兩回事了。

我們也曾被問過,如果是自家房子想評估耐震怎麼辦?很抱歉這方面的問題不能光靠地震領域,還要跨到工程領域,阿樹只能提供營建署老舊住宅耐震安檢專區的連結,裡面有政府對住家耐震安檢的規定和補助,也有相關單位的資訊。阿樹不確定這樣的作為是夠還不夠,若有朋友有實際經驗,也歡迎大家分享。

長期抗災,我們能做什麼?

簡單舉幾個阿樹會做的事,其實不外乎是一些常提到的:

  • 櫥櫃固定於牆上
  • 減少家中懸吊物的風險
  • 平時就備有防災用品和食品等
  • 常待的地點必須事先想好防災逃生路線
  • 不要覺得防震演練很蠢要好好的思考做法用意
  • 知道各種地方情境(客廳、臥房、浴室、廚房、辦公室)該第一時間怎麼應對

以上是平時就可以做的事情,如果大家已經有了自覺,知道自己所處的地方具有地震風險潛勢,那麼就把覺得可以做的防災做為先做好,防災專家告訴大家的多半都是大觀念,更需要大家因地制宜的舉一反三,就如同我們已經熟悉颱風災害的處置一般,熟悉地震帶來的問題,因應與面對,我們可以擔心做得不夠多,但沒必要過度恐慌,更怕的是只喊著怕卻裹足不前!

延伸閱讀

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《如果你知道怎麼做好防颱準備,也該要知道怎麼做好防震準備》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

震識:那些你想知道的震事_96
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《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。