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夏威夷最冷、最難的工作

臺北天文館_96
・2011/07/19 ・1686字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 493 ・六年級

想像觀看求職欄,結果發現一則如下內容:「徵男性,工作危險,薪資微薄,得對抗酷寒與長達數個月的黑暗,不確定是否可安返,但完成後會倍覺榮耀。」 這可不是在唬爛,而是一則真實的徵人啟事,不過不是在現在的夏威夷,而是一世紀前南極探險家薛克頓(Ernest Shackleton)在英國刊登的一則徵人啟事,而且還真的由此找到他的探險同伴哩!

另外一則:「徵工作伙伴,工作危險,得待在孤立且酷寒之處,空氣稀薄,可能改變血液化學性,讓腦袋和肺無法維持平衡,如果夠幸運的話,只會暫時改變你 的個性。工作成就由其他人刊出的科學論文篇數而定。」這則可不是真的廣告,不過這倒是真實地描述了在海拔4200公尺的冒納基亞山頂(Mt. Mauna Kea),努力維持13座天文台正常運作的工作者狀況。這些工作者日夜輪班、開車到氧氣含量僅及海平面60%的山上去工作。不過稀薄的空氣只是這個工作的 挑戰之一,有時這些工作者還假裝這是個福利。

凱克天文台(Keck Observatory)望遠鏡維護技師Joe Gargiulo表示:「我覺得心情好像變得比較愉快,幽默感變得比較好耶!」這個效應在每天換班的時候最明顯:「我們要下山時迸出的玩笑話,比上山的時 候還多得多呢!」不過,Gargiulo又說:「當一天工作結束回到低海拔處時,就得付出代價,身體會覺得特別疲累,尤其是剛下山的頭半個小時,完全不想 有人靠近我。」

目前凱克天文台共有約120位雇員,其中35位每天得前往山頂維護望遠鏡和周邊儀器。在晚上,當天文學家從夏威夷Waimea凱克總部或世上其他地 方,利用遠距遙控方式進行他們的研究時,天文台內還是有一位技師(skeleton crew)協助處理兩台望遠鏡的技術事宜。

因海拔高度所引起的短暫效應讓Gargiulo得承受一個特別挑戰:每當他放工回到家時,他的女兒總想給他一個大大的擁抱。之後,Gargiulo得趕緊獨處,因為脾氣暴躁的狀態會持續約一小時左右。

資深凱克天文台觀測助理Joel Aycock同意地說:「我覺得這種狀況蠻常見的。」觀測助理通常是排班制,需要一連工作好幾晚,生理時鐘得日夜顛倒,所以有另一種壓力。Aycock在 到凱克天文台工作前,已經在海拔3050公尺的毛伊島Haleakala山頂上工作8年之久,並住在海拔1200公尺的地方,因此很習慣高海拔的環境了。 他表示:「我不覺得冒納基亞山有啥不同,可是當我上山去工作,居然還是會有這種高山效應。」每當輪值了13~16小時的班之後,得花遠超過1小時的時間來 恢復正常;事實上,他等待恢復的時間長達36~48小時左右。所以他通常會一連輪60小時的工作週,之後要整整休息一星期。

Gargiulo還提到:高山效應還有其他令人驚訝的反應,其中最讓他意外的是視力。有時他輪到夜班工作時,他的同事鼓勵他在補充氧氣時,順便抬頭仰 望冒納基亞絢爛的星空;結果卻發現當他在吸氧氣時所看到的星點數目居然倍增!因某些特殊原因得待在山頂天文台的科學家或工程師們也會不定時補充氧氣,不然 他們會發現自己變得行動遲緩,或是本來在山下可輕易搞定的事,在山上卻怎麼也解決不了。

至於社交活動,Aycock表示:「嚴重受限,我覺得我就是個被自然界造就的隱士。」僅限的社交活動只有夜晚見到的其他觀測助理和當天申請觀測的天文 學家,而且那些天文學家還是透過視訊來聯絡呢!更別說沒開飲機可以在休息時間倚著聊天了,這些觀測助理們連喘口氣的時間都沒有,因為得分分秒秒和時間競 賽,在太陽升起之前,捕捉每一分毫來自宇宙深處的星光。

一般人對這些高山上的望遠鏡最大的誤解是什麼?Aycock說:「很多人誤以為我們晚上工作時,就是透過望遠鏡目鏡觀察星空,這只是個浪漫的幻想罷 了。」事實上,所有星空影像都是經由特殊的電子相機傳遞到電腦螢幕,而且原始影像都是黑白的。這對一般人來說一點都不刺激,對天文學家來說可就不同了。 「我曾看過天文學家只為了5分鐘狀況非常好的影像而笑開懷哩!因為這來自冒納基亞大望遠鏡所取得的5分鐘璀璨星空,已足以造就一位天文學家的職業生涯。」

不過,縱使有著種種挑戰,Gargiulo等人還是覺得這兒是個很棒的工作地點。Gargiulo說:「我會來凱克是因為我喜歡這項任務,甚至很高興成為凱克的一部分。每當我結束一天的工作時,都覺得完成了一項很有價值的工作呢!」

資料來源:Cosmic Matters Blog: Hawaii’s Coldest, Steepest Job [Jul 11, 2011]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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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