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海燕颱風為什麼這麼強?

李柏昱
・2013/11/27 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

 

海燕颱風@維基
海燕颱風@維基

大自然的驚人威力又再增添一起紀錄:菲律賓中部在2013年11月初遭到超級颱風海燕(Typhoon Haiyan)侵襲,受創最慘重的城市更是完全被颱風帶來的風暴潮(storm surge)夷平,災後宛如南亞與日本海嘯肆虐慘況重現。不過為什麼海燕颱風強度會這麼強?甚至創下衛星觀測時代以來的最強颱風紀錄,有哪些氣候條件讓它成為「魔鬼颱風」?。

熱帶氣候研究專家麥克諾迪(Brian McNoldy)11月14日在《華盛頓郵報》氣象專欄中表示,根據美國現行使用來區別颶風強度的薩費依-辛普森颶風等級(Saffir-Simpson Hurricane Wind Scale, SSHS),海燕颱風能列入最強的第五級。利用紅外線衛星雲圖觀測海燕,可以看見海燕颱風眼周遭的雲層相當明亮,代表該處的雲層頂端溫度相當低,也就是說雲頂高度相當高,表示颱風中心有紮實且高聳的雲層。

麥可諾迪推測,導致海燕如此強烈的原因,在於對流層頂(tropopause)的高度。所有的天氣現象都發生在大氣最下層的對流層(troposphere )中,颱風此類熱帶氣旋也不例外。我們可以把熱帶氣旋視為一種熱量的傳輸引擎,藉由把熱量從溫暖的海面傳遞至寒冷的對流層頂獲得能量。

當海面與對流層頂的溫度差越大時,就越有助於颱風強度的發展。而在西太平洋熱帶地區的對流層頂相當高,而且溫度很低,讓西太平洋的颱風在發展條件上就更具優勢。

除此之外,海燕也因為其他因素的配合,匯集了幾乎所有颱風發展的正向條件。第一,海燕形成在開放的海域上,讓它能肆無忌憚地擴展其暴風圈,發展出幾乎完美對稱的颱風中心,並利於獲得海面的水氣。

第二,海水表面溫度非常暖和,達到攝氏30度左右。重要的是,溫暖海水的分布也相當深,即便強風攪動海水,仍會有源源不絕的溫暖海水湧升遞補,增強颱風。與此相反,若是冷水湧升則會削弱颱風。

第三,颱風生成時的垂直風切(wind shear)相當小。垂直風切指的是高空和低空風的速度方向差異。垂直風切大時會撕裂發展中的颱風,讓其強度減弱。大西洋因為旺盛西風造成的垂直風切,讓颶風強度很少如太平洋這麼強烈,颶風季也較晚開始。

海燕最致命的一點是,當它挾帶著可怖的扎實雲系抵達菲律賓的時候,強度正好達到顛峰,加上災區不到一個月前曾發生芮氏規模7.2的地震,鬆軟的土石加劇了土石流的嚴重程度。此外,海燕快速的移動速度,雖然減少了風暴肆虐時間,但也代表菲律賓的防災準備更為倉促。

這次台灣在北方逃過一劫,但是未來西太平洋必定會再出現與海燕強度不相上下的魔鬼颱風,而且隨著氣候變遷,魔鬼颱風恐怕只會有增無減,台灣遲早會面對它的強風暴雨。問題是,台灣準備好了嗎?(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/2013年11月)

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!

延伸學習:

文章難易度
李柏昱
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成大都市計劃所研究生,現為防災科普小組編輯。喜歡的領域為地球科學、交通運輸與都市規劃,對於都市面臨的災害以及如何進行防災十分感興趣。

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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

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

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 ・ 1097 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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人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀 aka 星象儀
黃 正中_96
・2021/08/17 ・2131字 ・閱讀時間約 4 分鐘

文/黃正中 研究員、丘政倫 博士|國家太空中心

幾千年來,航海者觀察著星星來確定他們在海上的位置,這種「看到而知之」的概念,也被運用在人造衛星的「恆星追蹤儀」上,用來確認所在位置與控制人造衛星的姿態,因此也被稱為「人造衛星的眼睛」。

福爾摩沙五號衛星的恆星追蹤儀。圖/太空中心

人造衛星的眼睛——恆星追蹤儀

恆星追蹤儀,又稱星象儀,是人造衛星的關鍵元件,工程師們利用恆星追蹤儀所記錄宇宙中的星光比對恆星(如下圖),參考地球自轉速率,以及人造衛星飛行的慣性,經過演算,可以判斷目前人造衛星飛行的位置和姿態。

恆星追蹤儀比對恆星軟體。圖/wikipedia

在宇宙中任何兩顆明亮的星星,星星之間的角度、間隔都是獨特的,沒有一對間隔完全相同的明亮的恆星。恆星追蹤儀使用分離角度來識別相機所指向的恆星,利用這些信息,人造衛星可以演算出在太空中的相對位置。

但是,約莫二十年前的發射的福衛一號,其實並沒有裝上恆星追蹤儀喔!這沒有眼睛的人造衛星到底是怎麼一回事呢?

沒有眼睛的福爾摩沙衛星一號

國家太空中心所研製的福爾摩沙衛星一號,在研發階段時,恆星追蹤儀尚未成為標準元件,而是使用慣性導航系統(inertial navigation systems, INS),慣性導航系統所選擇的引導星取決於地球自轉的時間和目標的位置,利用加速計和陀螺儀測量物體的加速度和角速度,估算連續運動物體位置、姿態和速度。慣性導航系統的優勢在於給定了初始條件後,不需要外部參考外部資訊 (例如恆星資料庫),就可確定當前位置、方向及速度,然而,隨著遙測衛星的照相的需求,對於地理位置判斷,姿態控制的精確度已經跟不上任務需求。

因此,後續發展的福爾摩沙二號衛星,便使用了「恆星追蹤儀」,以參考恆星資料庫與相對角度的方法,大幅提高了姿態控制的姿態控制精確度。當時的「恆星追蹤儀」是外購衛星元件,然而從福爾摩沙八號衛星開始,我國衛星採用自主研發成功的恆星追蹤儀,成為我國衛星姿態控制的標準配備。

恆星追蹤儀的結構

恆星追蹤儀是光學裝置,若使用光電池作為主要偵測器,準確度比較低;偵測器若使用照相機則靈敏度較高,可以獲得相對比較好的解析度;恆星追蹤儀主要的配置包括遮光罩、鏡頭、影像感測器(CCD 或 CMOS)、驅動控制器、處理器、軟體、電源供應以及介面。

恆星追蹤儀主要配置。圖/作者提供

目前天文學家已經精確測量了許多恆星位置,並記錄在恆星資料庫中,因此人造衛星可以用來比對恆星資料庫,經由偵測器獲取鏡頭視野中恆星分布的圖像,經由演算法可以測量人造衛星在參考座標中的所在位置,用以確定衛星飛行的方向或姿態。

恆星追蹤儀的發展

恆星追蹤儀經過廿年來的發展,市面上已經出現許多高靈敏度的恆星追蹤儀型號,具有過濾錯誤光源的功能,例如人造衛星表面反射的陽光或人造衛星推進器產生的廢氣羽流,以排除陽光反射或恆星追蹤儀窗口受到污染等干擾。除了各種誤差源,新型的恆星追蹤儀能修正包括球差、色差,以及低空間頻率、高空間頻率、時間等的各種誤差。

恆星追蹤儀的識別機制

一般恆星追蹤儀的識別算法,主要利用宇宙中共有約 57 個常用的明亮導航星星;但是,對於更複雜的任務,則需要更多數量的恆星數據庫以確定人造衛星的方向;通常高精度姿態需要數千顆恆星的目錄以確保全天各角落都有足夠星數落在視野內可供辨識,比對並過濾以去除有問題的光點,例如大尺度的星際變化,顏色指數不確定性,或在資料庫中的位置顯示不可靠的情況。這些類型的恆星目錄經演算法最佳化後,即儲存為衛星上的機載恆星資料庫。

恆星追蹤儀發展恆星識別算法,還要注意很多潛在的混淆源,例如行星,彗星,超新星等相鄰天體;除此之外,太空中鄰近的人造衛星,地球上大城市的燈源或光污染等光點,則需要擴散函數的雙峰特徵加以排除。

商用恆星追蹤儀

近年來商用恆星追蹤儀如雨後春筍,相繼出現在大型航太展;看到了立方衛星的商機,恆星追蹤儀也出現微小化,麻雀雖小卻五臟俱全,誤差精度已表現不俗,可以裝置在衛星上。

上圖是微小型恆星追蹤儀影用在立方衛星上(下圖)。圖/NASA

國家太空中心恆星追蹤儀研發

近幾年來國際上許多單位相繼投入恆星追蹤儀的研發,包括我國的國家太空中心將恆星追蹤儀列為前瞻關鍵研發項目,並已掌握跨領域整合之關鍵技術,取得不錯的研發成果,國產恆星追蹤儀將會應用在福爾摩沙八號衛星。

參考資料

  1. 國家太空中心網站 
  2. 恆星追蹤儀維基網站
  3. NASA 網站
黃 正中_96
8 篇文章 ・ 6 位粉絲
國家實驗研究院國家太空中心研究員。勿忘對科學研究的熱情,勇敢築夢,實現夢想…...

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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

〈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。

科學月刊_96
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