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【2013回顧】PNAS 十個細菌小故事(下)

陳俊堯
・2014/02/04 ・3506字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 464 ・五年級

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這篇其實有個上集,也是五個過去一年發表的細菌故事。

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圖片是長大後的玉米根蟲。來自維基百科

肚子裡細菌的魔法

現在的農業大規模種植同一種作物,讓病原們有了個容易大展身手的舞台。輪作有很多已知的好處,其中一項是讓病菌害蟲失去原本的宿主而沒有辦法建立穩定而龐大的族群,用生物性的方法控制了病害的發生。不過為了生存,這些病菌害蟲也會用盡方法要打破人類的限制來求生存。

這個研究的主角是玉米根蟲(Western corn rootworm, Diabrotica virgifera)。它的幼蟲會啃食玉米的根,當然就影響了玉米的生長。在美國大規模推行的玉米和大豆輪作可以抑制病害的大發生,因為黃豆的組織裡有對抗食的秘密武器. 大豆組織裡含有一種蛋白酵素抑制素( cysteine protease inhibitors)可以讓玉米根蟲沒辦法消化吃下去的蛋白質而無法生存。看起來這方法不錯,但是實行一陳子後還是出現了可以生存下來的玉米根蟲

這篇研究想找出是什麼原因讓玉米根蟲也能在靠大豆裡生活。研究團隊先是發現具抗輪作能力的根蟲有特殊的腸道細菌組成,懷疑細菌跟這能力有關。接著他們用抗生素先除掉根蟲腸道裡原有的細菌,再把它們放在大豆葉子上。結果發現具抗輪作能力的根蟲在少了腸道菌的幫助後,變得無法對抗大豆葉子帶來的毒性。原來生物可以利用腸子裡細菌朋友的幫忙,來找出活下去的新契機,而不一定要慢慢痛苦地等突變了。

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研究原文

Chu CC, Spencer JL, Curzi MJ, Zavala JA, Seufferheld MJ. Gut bacteria facilitate adaptation to crop rotation in the western corn rootworm. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Jul 16;110(29):11917-22. doi: 10.1073/pnas.1301886110.

 

teeth
圖來自 Humphrey et al. 原研究.

飽暖生蛀牙

蛀牙跟食物有很大的關係。在人類文明裡一直到開始農耕生活,有了充足的富含碳水化合物的食物,才讓口腔裡的細菌有機會使用這些化合物發酵產酸,進而引起蛀牙。哺乳類以吃東西能力好打天下,牙齒隨年紀逐漸磨損,不少哺乳類壽命上限都跟沒有堪用的牙齒有很大的關係。如果針對引起蛀牙的細菌 Streptococcus mutans 的 DNA 序列進行分析,也可以看到它們族群大擴張的黃金時期剛好就在人類進入農耕生活之後。

故事轉到摩洛哥境內的 Grotte des Pigeons 遺址。這個地區在 1995 被聯合國教科文組織(UNESCO)指定為世界遺產,埋藏著過去近兩萬年來的人類歷史。從找到的很多人類遺骸裡可以看出在當時成人的蛀牙狀況非常嚴重,可以高到51.2%,跟現代人有一樣的問題了。奇怪的是,在這時期的人類還以在原野裡採集食物為生,沒有農耕技術。難道過去認定的蛀牙與農耕間的關係是錯的嗎?

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研究人員同時也發現當地一萬五千年前的植物化石,證實在當地有不少可食植物,提供包括橡實及松子等高品質食物。雖然當時的人們還是以採集為生,但是食物供應充足,導致牙齒壞光光。過年期間大家也會過著食物充足的日子,請把這篇研究的教訓謹記在心,記得刷牙,不要留給細菌太多好處。

研究原文

Humphrey LT, De Groote I, Morales J, Barton N, Collcutt S, Bronk Ramsey C, Bouzouggar A. Earliest evidence for caries and exploitation of starchy plant foods in Pleistocene hunter-gatherers from Morocco. Proc Natl Acad Sci U S A. 2014 Jan 21;111(3):954-9. doi: 10.1073/pnas.1318176111

 

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圖片是長大後的科羅拉多金花蟲。來自維基百科

聲東擊西的金花蟲

植物其實也有免疫系統可以攻擊外來的病原。當植物被咬了一口,組織裡的茉莉酸(jasmonic acid)會上升,啟動植物的免疫系統進行防衛,就像動物受傷了會腫會發炎一樣。一旦免疫系統啟動了,這些啃植物的蟲兒就慘了。

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為了要能持續保有好吃的食物,這些蟲兒必須有更厲害的步數。這篇研究發現科羅拉多金花蟲(Colorado potato beetle, Leptinotarsa decemlineata)的幼蟲可以分泌某種東西抑制茉莉酸的出現,以及植物免疫系統的啟動。進一步檢驗後他們發現這種神奇物質可能是分泌物裡的細菌。幼蟲在經過抗生素處理後失去這項能力,追加細菌後又重獲這能力。他們逐一測試分離出來的細菌,發現屬於 StenotrophomonasPseudomonas, Enterobacter 三個屬的細菌真的可以抑制植物植物免疫系統的啟動。細菌到底有什麼魔力可以關掉植物的防守?其實應該這樣說,植物在碰到蟲咬時會啟動茉莉酸為首的防衛機制,碰到微生物進攻時則改用水楊酸(salicyclic acid)開頭的機制應戰。科羅拉多金花蟲很巧妙利用細菌騙過植物,讓植物進入對付微生物攻擊的模式,植物的免疫攻擊就對它不管用囉。

研究原文

Chung SH, Rosa C, Scully ED, Peiffer M, Tooker JF, Hoover K, Luthe DS, Felton GW. Herbivore exploits orally secreted bacteria to suppress plant defenses. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 24;110(39):15728-33. doi: 10.1073/pnas.1308867110.

 

slime

小改變,好友變晚餐!

過年是靜下來回顧這一年來得失的日子。有的人前一秒是友,下一秒成敵,有時這關鍵只因一個小小的轉換,利益總是最大考量。自然界裡原本緊密的共生關係也有這樣因為小事而大翻盤的例子,例如會種細菌來吃的黏菌。

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養細菌的變形蟲是怎麼回事?這裡的主角 Dictyostelium discoideum 是一種黏菌(slime mold),它是單細胞的真核生物,平常以變形蟲的長相在環境中生活。當環境變差的時候會展現出它們的社會行為,大家聚在一起變成一個大群體,決定分工,長出子實體(fruiting body)產生孢子來延續族群的生命。過去有一篇在 2011 年的研究指出這種黏菌會在孢子上攜帶自己愛吃的細菌,走到哪種到哪,食物不缺乏,可以被當做是在演化上最早出現的農夫了。

在今天談的這篇研究裡,研究人員從這些黏菌上分離出兩株螢光假單胞菌(Pseudomonas fluorescens) 菌株。雖然都是同一種細菌,但是特性不一樣,就像你能區分台灣人跟白種人間有差別。這兩株細菌的命運大不相同,一個是食物,另一個則是黏菌的好伙伴,能分泌毒素對抗真菌(這毒素叫 pyrrolnitrin),以及分泌一種能促進黏菌產生更多孢子的 chromene 類分子。研究人員很好奇,為什麼它們明明是同一種細菌卻可以出現這麼大的特性差異,導致它們由朋友身份變成食物,於是對它們做了基因體定序,來解讀所有的 DNA 密碼。比對兩株菌的 DNA 後他們很驚訝地發現這一切的改變都源自一個 gacA 基因上的點突變。這個突變導致 gacA 失效,連帶著所有受這個蛋白質調控的基因全部停擺,於是這隻細菌對黏菌不再能提供保護,就被打入食物界當養份了。這個故事告訴我們,新的一年還是要認命地被利用才不會被吃掉(咦?)。

研究原文

Stallforth P, Brock DA, Cantley AM, Tian X, Queller DC, Strassmann JE, Clardy J. A bacterial symbiont is converted from an inedible producer of beneficial molecules into food by a single mutation in the gacA gene. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Sep 3;110(36):14528-33. doi: 10.1073/pnas.1308199110.

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NASA 的 DC-8 空中實驗室
NASA 的 DC-8 空中實驗室

在高空中旅行的細菌

搭飛機時你一定有這個經驗:飛機起飛後加足馬力往上衝,先要奮力衝過上下晃動的雲層,才進入舒適平穩的高空,接著期待的餐點才會出現。那段上下晃動的地方就是對流層(troposphere),所有的雲啊霧啊都在那混亂的一層,地面上感受到的晴雨也都看這層的狀況決定。細菌跟這些雲霧也能扯上關係,為什麼?在這樣高度,氣温低,也沒什麼養份,過去不認為這裡會有多少活著的微生物的。 不過這些年的研究發現大氣裡的細菌可能有機會影響天氣,因為連在數千公尺的高空,細菌都被證實可以幫助冰晶形成,幫助凝結水滴來形成雲。

這群研究人員為了研究這些離地面幾公里遠的細菌,跟美國航空與太空總署(NASA)借了架 DC-8 四引擎研究機(這機型是可以載兩百人的大飛機啊),在美國本土,加勒比海和大西洋上空採樣。他們的目標是對流層中上層,分別在颱風前後進行採樣,希望知道颱風對空氣裡微生物組成的影響。研究結果發現空氣裡有相當多的細菌,估計每立方公尺約有 15 萬隻,而且樣本裡的細菌 60%-100% 是活著的。細菌大小約在 0.25-1.00 um左右,佔空氣中這種大小顆粒數的 20%。這些搭順風車的細菌來自何方?經過 DNA 分析後,發現這些細菌來自各種環境,但主要還是來自海洋,這跟颱風是打海洋端生出來的有關。颱風後細菌的數量增加,而且颱風過後空氣裡開始出現來自人類糞便的菌種,顯然颱風捲起了不少下面人類世界的微生物同行。那有沒有那種細菌是適合做這種長途飛行的呢?他們發現普遍出現在所有樣本裡的細菌種類有限,多半能利用含一個碳或兩個碳的有機物,而這些化合物恰好在雲裡都不少,看來細菌要能吃天上的食物才可能在雲端安居。如果天上有這麼多細菌,那以後學大氣科學的人是不是該修一下微生物學,或者也有機會讓我這細菌人坐飛機上去做做大研究啊?這個拿來當做新年新希望來努力夢好了。

研究原文

DeLeon-Rodriguez N, Lathem TL, Rodriguez-R LM, Barazesh JM, Anderson BE, Beyersdorf AJ, Ziemba LD, Bergin M, Nenes A, Konstantinidis KT. Microbiome of the upper troposphere: species composition and prevalence, effects of tropical storms, and atmospheric implications. Proc Natl Acad Sci U S A. 2013 Feb 12;110(7):2575-80. doi: 10.1073/pnas.1212089110.

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文章難易度
陳俊堯
109 篇文章 ・ 22 位粉絲
慈濟大學生命科學系的教書匠。對肉眼看不見的微米世界特別有興趣,每天都在探聽細菌間的愛恨情仇。希望藉由長時間的發酵,培養出又香又醇的細菌人。

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原來牙膏只是潔牙的配角?
衛生福利部食品藥物管理署_96
・2023/10/07 ・2009字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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本文轉載自食藥好文網

  • 文/陳儀珈、國立臺灣大學醫學院附設牙科醫院住院醫師郭宸輔 共同撰稿

明明都有乖乖刷牙,為甚麼我們還是會蛀牙?想要解答這個疑惑,必須了解蛀牙的原因和潔牙的原理。

當我們吃甜食,我們口腔內的細菌會將食物中的糖分轉換為酸,隨著酸性物質停留在牙齒表面,酸性物質會使得牙齒的礦物質流失,使琺瑯質「去礦化」進而造成蛀牙。所謂的牙菌斑,是細菌、食物殘渣、唾液⋯⋯等的集合體,為了避免蛀牙,我們就必須清除黏附在牙齒表面的牙菌斑。

由於牙菌斑會緊緊黏附在我們的牙齒上,無法光靠漱口來清除,也沒有辦法使用泡沫或藥劑將牙菌斑變不見,因此在清除牙菌斑的方法中,目前以「物理性清潔」為主,建議大家使用牙刷、牙線或牙間刷,才能儘量把牙菌斑從牙齒上面刷掉、刮掉。

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雖然牙膏並不是清除牙菌斑的主力,但也是關鍵的輔助角色,透過牙刷和牙膏的相輔相成,有助於減少蛀牙率。

牙膏如何成為最強輔助?

牙膏的主要成分包括研磨劑、氟化物以及甜味劑。

目前牙膏中常見的研磨劑包括「碳酸鈣」和「水合氧化鋁」,可以協助牙刷移除牙齒上的牙菌斑以及染色區域。需要注意的是,雖然現今被添加在牙膏中的研磨劑通常都很溫和,不太會傷害到琺瑯質,但刷牙力道仍然需要控制,儘量不要太大力刷牙。

其中,氟化物能夠將琺瑯質的主要成分「羥磷灰石」中的氫氧根離子 (OH) 替換為氟離子 (F) ,當氫氧根離子被替換為氟離子後,溶度積常數( Ksp 值)會降低,換句話說,就是讓琺瑯質更難被細菌產生的酸性物質酸蝕,進而達到預防蛀牙的效果。

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為了讓大家更願意刷牙,牙膏中也添加了甜味劑,使民眾對刷牙的接受度更高,同時也能在刷牙後有擁有一口清新的口氣。請大家別誤會,添加甜味劑並不代表牙膏被摻雜了糖,而是使用糖精、山梨糖醇、木糖醇來增加甜味。

除了上述主要成分外,有些牙膏使用不同添加物,以此達到各式各樣的功效,但基本的作用大同小異。例如,美白牙膏會添加過氧化物,藉由氧化還原牙齒表面來美白牙齒;加入如硝酸鉀等成分後,可以藉由改變鉀離子濃度或封閉牙本質小管來改善敏感狀況,成為市面上常見的抗敏感牙膏。

每天至少使用含氟牙膏兩次!

根據衛生福利部口腔健康司「成人口腔保健手冊(專業版)」指出,只要有進食就要刷牙,其中,睡前的潔牙尤為重要。

我們每天至少要使用含氟離子濃度 1000 ppm 以上的牙膏潔牙 2 次,且每次不得少於 2 分鐘。含氟牙膏的使用量少於豌豆的大小即可,約 0.25 g 左右。刷牙時,須搭配「貝氏刷牙法」的潔牙順序,將刷毛傾斜,使刷毛與牙齒表面呈現 45° ~ 60° ,深入牙齦溝,每一次清潔兩顆牙齒,左右來回清刷十次後,再換下兩顆牙齒。

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除了刷牙外,也建議使用牙線、牙間刷刮除牙縫沾黏的食物與牙菌斑。潔牙後避免漱口、喝水,維持口腔中氟離子的濃度,讓氟離子持續作用 30 分鐘以上。

此外,食藥署也提醒:選購一般牙膏時,記得選購標示完整的產品,不購買來路不明或標示不清的產品,使用時保留外包裝或說明書以便了解產品相關資訊。此外,以化粧品管理的一般牙膏如有添加含氟化合物,其氟總量不得超過 0.15% (1,500 ppm) ,且不具有醫療效能,不可治療牙周病等病症;若有嚴重口腔問題,應就醫治療。

參考資料

衛生福利部食品藥物管理署_96
65 篇文章 ・ 22 位粉絲
衛生福利部食品藥物管理署依衛生福利部組織法第五條第二款規定成立,職司範疇包含食品、西藥、管制藥品、醫療器材、化粧品管理、政策及法規研擬等。 網站:http://www.fda.gov.tw/TC/index.aspx

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說好的颱風呢?!氣象預報不準?要準確預測天氣有多難?
PanSci_96
・2023/09/12 ・4646字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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小心啊,打雷囉,下雨收衣服啊!

氣象報告說好是晴天的,怎麼一踏出門就開始下雨了?

昨天都說要直撲的颱風,怎麼又彎出去了?

多麼希望天氣預報能做到百分之百正確,只要出門前問一下手機,就能確定今天是出大太陽還是午後雷陣雨,是幾點幾分在哪裡?又或是最重要的,颱風到底會不會來?

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但你知道,現在的氣象預報,已經動用全球最強的超級電腦們了嗎?既然如此,我們現在的氣象預報能力到底有多準?我們什麼時候能徹底掌握這顆蔚藍星球上發生的所有天氣現象?

天氣預報有多困難?

雖然我們常常嫌說氣象預報不準、颱風路徑不準、預測失靈等等。但我們現在的實力如何呢?

目前美國國家海洋暨大氣總署的數據分析,對西太平洋颱風的 24 小時預測,誤差平均值約 50 英哩,也就是一天內的路徑誤差,大約是 80 公里。其他國家的氣象局,24 小時的誤差也約在 50 到 120 公里之間。台灣呢?根據中央氣象局到 2010 年的統計,誤差大約在 100 公里內。也就是臺灣對颱風的預測,沒有落後其他先進單位。

現在只要打開手機隨便開個 APP,就能問到今天的天氣概況,甚至是小區域或是短時間區間內的天氣預報。但在過去沒有電腦的時代,要預測天氣根本可以不可能(諸葛孔明:哪泥?)。

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近代且稱得上科學的天氣預測可追溯回 1854 年,那個只能靠人工觀測的年代,英國氣象學家為了保護漁民出海的安危,利用電報傳遞來蒐集各地居民的觀察,並進行風暴預報。後來演變成天氣預報後,卻因為有時預報不準,預報員承受了輿論與國會批判的巨大壓力,最後甚至鬱鬱離世。

19 世紀的氣象學家為了保護漁民出海的安危,會利用電報蒐集各地居民的觀察進行風暴預報。圖/Giphy

在電腦還在用打洞卡進行運算的年代,一台電腦比一個房間還大。氣象局要預測天氣,甚至判斷颱風動向,得要依賴專家對天氣系統、氣候型態的認知。因此在模擬預測非主流的年代,我們可以看到氣象局在進行預測時,會拿著一個圓盤,依據量測到的大氣壓力、風速等氣象值,進行專家分析。

當時全球的氣象系統,則是透過全球約一千個氣象站,共同在 UTC 時間(舊稱格林威治時間)的零零時施放高空探測氣球,透過聯合國的「World Weather Watch」計畫來共享天氣資料,用以分析。關於氣象氣球,我們之前也介紹過,歡迎看看這集喔。

也就是說,以前的颱風預測就是專家依靠自身的學理與經驗,來預測颱風的動向,但是,大氣系統極其複雜,先不說大氣系統受到擾動就會有所變化,行星風系、科氏力、地形、氣壓系統這些系統間互相影響,都會造成預測上的失準,更遑論模擬整個大氣系統需要的電腦資源,是非常巨大的。

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那麼,有了現代電腦科技加持的我們,又距離全知還有多遠呢?是不是只要有夠強的超級電腦,我們就能無所不知呢?

有了電腦科技加持,我們的預報更準了嗎?

當然,有更強的電腦,我們就能算得更快。才不會出現花了三天計算,卻只能算出一個小時後天氣預報的窘況。但除了更強悍的超級電腦,也要更先進的預測模型與方法。現在的氣候氣象模擬,會先給一個初始值,像是溫度、壓力、初始風場等等,接著就讓這個數學模型開始跑。

接著我們會得到一個答案,這還不是我們真正要的解,而是一種逼近真實的解,我們還必須告訴模型,我容許的誤差值是多少。什麼意思呢?因為複雜模型算出來的數值不會是整數,而是拖著一堆小數點的複雜數字。我們則要選擇取用數值小數點後 8 位還是後 12 位等等,端看我們的電腦能處理到多少位,以及我們想算多快。時間久了,誤差的累積也越多,預測就有可能失準。沒錯,這就是著名的蝴蝶效應,美國數學暨氣象學家 Edward Norton Lorenz 過去的演講題目「蝴蝶在巴西揮動了翅膀,會不會在德州造成了龍捲風?」就是在講這件事。

回到颱風預報,大家有沒有發現,我們看到的颱風路徑圖,颱風的圈怎麼一定會越變越大,難道颱風就像戶愚呂一樣會從 30% 變成 100% 力量狀態嗎?

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輕颱鴛鴦的颱風路徑潛勢圖。圖/中央氣象局

其實那不是颱風的暴風圈大小,而是颱風的路徑預測範圍,也就是常聽到的颱風路徑潛勢圖,​是未來 1 至 3 天的颱風可能位置,颱風中心可能走的區域​顯示為潛勢圖中的紅圈,機率為 70%,所以圈圈越大,代表不確定性越大。​

1990 年後,中央氣象局開始使用高速電腦,並且使用美國國家大氣研究中心 (NCAR) 為首開發的 Weather Research and Forecasting 模型做數值運算,利用系集式方法,藉由不同的物理模式或參數改變,模擬出如同「蝴蝶效應」的結果,運算出多種颱風的可能行進路線。預測時間拉長後,誤差累積也更多,行進路徑的可能性當然也會越廣。

「真鍋模型」用物理建模模擬更真實的地球氣候!

大氣模擬不是只要有電腦就能做,其背後的物理複雜度,也是一大考驗。因此,發展與地球物理相關的研究變得非常重要。

2021 年的諾貝爾物理學獎,就是頒給發展氣候模型的真鍋淑郎。他所開發的地表模式,在這六十年間,從一個沒考慮地表植物的簡單模型,經各家發展,變成現在更為複雜、更為真實的模型。其中的參數涵蓋過去沒有的植物反應、地下水流動、氮碳化合反應等等,增強了氣候氣象模型的真實性。

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2021 年的諾貝爾物理學獎得主真鍋淑郎。圖/wikimedia

當然,越複雜的模型、越短的時間區間、越高的空間精細度,需要更強大的超級電腦,還有更精準的觀測數據,才能預測接下來半日至五日的氣象情況。

世界上前百大的超級電腦,都已被用來做大氣科學模擬。各大氣象中心通常也配有自己的超級電腦,才能做出每日預測。那麼,除了等待更加強大的超級電腦問世,我們還有什麼辦法可以提升預報的準度呢?

天氣預報到底要怎樣才能做得準?

有了電腦,人類可以紀錄一切得到的數據;有了衛星,人類則可以觀察整個地球,對地球科學領域的人來說,可以拿這些現實資訊來校正模擬或預測時的誤差,利用數學方法將觀測到的單點資料,乃至衛星資料,融合至一整個數值模型之中,將各種資料加以比對,進一步提升精準度,這種方法叫做「資料同化 (Data Assimilation)」。例如日本曾使用當時日本最強的超級電腦「京」,做過空間解析度 100 公尺的水平距離「局部」超高解析氣象預測,除了用上最強的電腦,也利用了衛星資料做資料同化。除了日本以外,歐洲中程氣象預測中心 (ECMWF),或是美國大氣暨海洋研究中心 (NOAA),也都早在使用這些技術。

臺灣這幾年升空的福衛系列衛星,和將要升空的獵風者等氣象衛星,也將在未來幫助氣象學家取得更精準的資料,藉由「資料同化」來協助模擬,達到更精準的預測分析。

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如果想要進一步提升預報準度呢?不用擔心,我們還有好幾個招式。

人海戰術!用更多的天氣模型來統計出機率的「概率性模擬」

首先,如果覺得一個模型不夠準,那就來 100 個吧!這是什麼意思?當我們只用一種物理模型來做預測時,我們總是會追求「準」,這種「準確」模型做的模擬預測,稱為「決定性模擬」,需要的是精確的參數、公式,與數值方法。就跟遇上完美的夢中情人共度完美的約會一樣,雖然值得追求,但你可能會先變成控制狂,而且失敗機率極高。

「準確」的模型就跟遇上完美情人共度完美約會一樣,雖然值得追求,但失敗機率極高。圖/Giphy

不如換個角度,改做「概率性模擬」,利用系集模擬,模擬出一大堆可能的交往對象,啊不對,是天氣模型,再根據一定數量的模擬結果,我們就可以統計出一個概率,來分析颱風路徑或是降雨機率,讓成功配對成功預測的機率更高。

製造一個虛擬地球模擬氣象?

再來,在物理層面上,目前各國正摩拳擦掌準備進行等同「數位攣生 (Digital Twin) 」的高階模擬,簡單來說,就是造出一個數位虛擬地球,來進行 1 公里水平長度網格的全球「超高」解析度模擬計算。等等,前面不是說日本可以算到 100 公尺的水平距離,為什麼 1 公里叫做超高解析度?

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因為 500 公尺到 1 公里的網格大小也是地表模式的物理適用最小單位,在這樣的解析度下,科學家相信,可以減少數值模型中被簡化的地方,產生更真實的模擬結果。

電腦要怎麼負荷這麼大的計算量?交給電腦科學家!

當然,這樣的計算非常挑戰,除了需要大量的電腦資源,還需要有穩定的超級電腦,以及幾個 Petabyte,也就是 10 的 15 次方個位元組的儲存設備來存放產出的資料。

不用為了天氣捐贈你的 D 槽,就交給電腦科學家接棒上場吧。從 CPU、GPU 間的通訊、使用 GPU 來做計算加速或是作為主要運算元件、到改寫符合新架構的軟體程式、以及資料壓縮與讀寫 (I/O)。同時還要加上「資料同化」時所需的衛星或是全球量測資料。明明是做氣象預報,卻需要等同發展 AI 的電腦科技做輔助,任務十分龐大。對這部分有興趣的朋友可以參考我們之前的這一集喔!

結語

這一切的挑戰,是為了追求更精確的計算結果,也是為了推估大魔王:氣候變遷所造成的影響必須獲得的實力。想要計算幾年,甚至百年後的氣候狀態,氣象與氣候學家就非得克服上面所提到的問題才行。

一百年來,氣候氣象預測已從專家推估,變成了利用龐大電腦系統,耗費百萬瓦的能量來進行運算。所有更強大、更精準的氣象運算,都是為了減少人類的經濟與生命損失。

對於伴隨氣候變遷到來的極端天氣,人類對於這些變化的認知還是有所不足。2021 年的德國洪水,帶走了數十條人命,但是身為歐洲氣象中心的 ECMWF,當時也只能用叢集式系統算出 1% 的豪大雨概率,甚至這個模擬出的豪大雨也並沒有達到實際量測值。

我們期待我們對氣候了解和應對的速度,能追上氣候變遷的腳步,也由衷希望,有更多人才投入地球科學領域,幫助大家更了解我們所處的這顆藍色星球。

也想問問大家,你覺得目前的氣象預報表現得如何?你覺得它夠準嗎?

  1. 夭壽準,我出門都會看預報,說下雨就是會下雨。
  2. 有待加強,預報當參考,自己的經驗才是最準的。
  3. 等科學家開發出天候棒吧,那才是我要的準。更多想法,分享給我們吧

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PanSci_96
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守護飛行安全的重要後援!航空氣象知多少
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/04/19 ・3347字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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本文由 我的青航時代-2023航發會×暑期航空營 委託,泛科學企劃執行。

座落在熱帶和亞熱帶氣候帶的台灣,地形複雜,天氣的變化多端,比另一半翻臉的速度還快。在地面上的人們尚且需要天氣預報,才能順利規劃日常生活起居;在天空中翺翔的飛機,同樣也必須仰賴航空氣象的資訊,才能完成一趟安全的飛行。一起來瞭解航空氣象扮演的重要角色吧!

努力讓「不測風雲」變得可測

過去不少令人觸目驚心的空難憾事,如 2014 年復興航空 222 號班機空難受颱風麥德姆風雨影響墜毀、2020 年空軍黑鷹直升機因天氣驟變失事,都與天氣因素有關。根據台灣國家運輸安全調查委員會的報告,台灣近 10 年的民用航空運輸重大飛航事故分析中,「天氣」是其中僅次於人員因素的事故原因。

因此要守護機組人員與乘客的安全,能否及時提供可靠的機場氣象觀測、預報及警報,供飛航作業人員參考,便至關重要。

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2012-2021 年民用航空運輸業重大飛航事故原因分類統計(單位:事件個數)
。圖/國家運輸安全調查委員會

那麽氣象資訊是怎麽來的呢?幕後功臣就是設置於台灣各處民航機場,堅守各自崗位的航空氣象臺。目前全島共有 5 個航空氣象臺(松山、桃園、高雄、豐年及金門)與 5 個任務臺(蘭嶼、綠島、恆春、北竿、南竿)[註1]負責監測航空氣象。

航空氣象人員的職責,就是蒐集、整理、分析和解釋飛航所需的機場及航路之預測、預報、警報及顯著危害天氣資訊。他們是飛航安全背後的强力後援,全天候守視飛航情報區天氣變化及提供諮詢。

氣象資訊從哪來?來認識氣象觀測的好幫手們

要即時準確地進行氣象觀測,絕對少不了各種氣象裝備的幫忙!任憑氣象七十二變,氣象人員也能透過氣象觀測隨時掌握情況,確保航空安全。飛航服務總臺在各民航機場都有設置的自動氣象觀測系統(Automatic Weather Observation System,簡稱 AWOS),是一個多功能的好幫手。它可以觀測風向、風速、能見度、跑道視程、雲量、雲高、溫度等等各種項目,讓氣象人員可以用來進行機場天氣測報和航機管制作業。

飛機在起飛降落時,最擔心遇到增加飛行難度的風切(Wind Shear)。風切指的是大氣中不同兩點之間,風速或風向的劇烈變化。低空風切(Low-level wind shear)則是指 1600 呎(500 公尺)以下空氣層中的風切,可能造成飛機難以操控而被迫重飛,甚至失速導致飛航事故,因此需格外注意。

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針對棘手的風切問題,氣象臺在松山機場和桃園國際機場設置了 低風切警報系統(Low Level Wind-Shear Alert System,簡稱 LLWAS),利用機場周邊沿跑道兩側及跑道延伸線外之多個 20 公尺以上測風塔進行風場觀測。當風場變化達到風切發生條件時,系統立刻就會透過文字、圖形和聲音等警告資訊,提醒氣象觀測員及塔臺管制員,發布風切警報警示進場和離場的機師做好因應措施。

低風切警報系統中的測風塔。圖/飛航服務總臺

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達(Doppler weather radar),長得就像一個巨型氣球,是當時全亞洲首座供作業用的 C 波段氣象雷達,掃描範圍可達 300 公里。它就像個盡責可靠的氣象觀測員,負責台灣北部機場和附近航路天氣的即時監測與預警,可以掌握劇烈天氣如颱風、雷雨、風切和亂流等天氣現象的發展和移動,提供資訊給飛航相關人員作業參考,確保飛行安全。

1985 年在桃園國際機場架設的都卜勒氣象雷達。圖/飛航服務總臺

「有字天書」——航空氣象報告内容大解密!

如果你拿到一份航空氣象報告,恐怕會以為這是一串亂碼。由各種英文字母縮寫和數字組成的航空氣象電碼,其實有著國際規範的通用格式。只要懂得解讀,就會發現裏頭包含了風向、風速、能見度、雲層狀況、溫度露點及氣壓等多項氣象資訊。按照其用途,航空氣象報告可以分成不同的類型,以下簡單介紹其中幾種。

依照機場的作業規模,航空氣象臺會每半小時或每小時發布機場例行天氣報告(Meteorological Terminal Aviation Routine Weather Report,簡稱 METAR),供飛行員和航管員使用來評估該地區當前的天氣狀況。當天氣變化達特定條件時,則會發布機場特別天氣報告(Aviation Special Weather Report,簡稱 SPECI)。另外,觀測員也會發布未來 2 小時天氣預報,提供航機進行作業因應規劃。

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若需要預測更長程的天氣變化,臺北航空氣象中心也會每天四次更新機場預報(Terminal Aerodrome Forecasts,簡稱 TAF),其有效時間長度分為 30 小時/24 小時/18 小時等三類,讓航空公司可以用來擬定航班飛行計劃,作為航機調度、載重、油料和旅客安排的參考。

安全至上!如何從惡劣天氣中全身而退

在航空業中,天氣變化不只是出門要記得帶傘這點程度的不便,更會影響航班的安排規劃。如果預計會有暴雨或風暴,航空公司可能會取消或延誤航班,以確保乘客和機組人員的安全。當風速和風向發生改變,機師也可能需要改變飛行路線和高度,以大大降低航程的風險。

但你是否也有過類似經驗:明明天氣很好,來到機場卻遇上航班延誤的消息,而感到困惑不解?這些讓旅客滿肚子哀怨的情況,其實也都是為了安全考量,所作的因應安排。因為即使機場所在地的天氣肉眼可見的良好,並不代表機場適合起飛降落。

例如飛機降落前到達一定高度時,機師必須完全看得見跑道及地面狀況,覆蓋在機場起降航道附近的低雲、雷雨區,都可能造成能見度下降,造成飛機不能按時降落。飛行時,若航路前方有雷雨天氣,基於安全考量,機師通常會繞過或飛越,也就增加了航行時間導致班機誤點。靠山邊的機場如蘭嶼機場,常因地形產生風切亂流,導致飛機降落困難,不得不重飛或返航,延誤航班。

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此外,同樣是飛往某地的航班,也可能發生有些能走,有些卻被告知走不了的情況。這是因為航機機型大小不同,適航標準也不同。即使是相同的機型,也會因駕駛員的證照類別、航空公司所訂的安全標準之差異,綜合機場條件、天氣和駕駛員對航機狀態的判斷後,對班機行程做出不一樣的決策。

氣象服務網與 APP 在手,航空氣象即時就有

飛航服務總臺也緊跟時代脚步,建設各項線上即時的氣象資訊服務,包括「航空氣象服務網」和「航空氣象資訊 APP」。航空氣象服務網主要讓航空公司簽派員、飛行員及航空相關人員申請註冊使用,以查詢全球各主要機場即時天氣測報及預報資料。在網站首頁,也有機場即時天氣資料、台灣地區機場適航狀態、即時衛星雲圖等資訊,開發讓一般民衆查詢。

航空氣象資訊 APP 也應行動裝置普及誕生,可供航空從業人員下載使用。一般民衆也能透過 APP 取得全球各大機場即時天氣資訊、東亞地區衛星雲圖及臺灣地區雷達回波圖等資料。

航空氣象資訊 APP 使用介面。圖/飛航服務總臺

【註解】

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  1. 任務臺業務分別由豐年 (業管蘭嶼、綠島)、高雄(業管恆春)、松山(業管北竿)及桃園(業管南竿)航空氣象臺負責管理。

參考資料

  1. 飛航服務總臺:航空氣象服務介紹
  2. 飛航服務總臺:臺北航空氣象中心
  3. 飛航服務總臺:氣象裝備
  4. 台灣飛安統計(2012 – 2021)。國家運輸安全調查委員會。
  5. 飛航服務總臺:桃園機場都卜勒氣象雷達介紹
  6. 航空氣象服務網
  7. 「2020 飛航解密 暢遊天際」系列講座 – 臺北航空氣象中心主任余曉鵬精彩演講內容
  8. Wikipedia – 航空例行天氣報告
  9. Wikipedia – 終端機場天氣預報
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