順時鐘逆時鐘？南北半球的馬桶水流真的不一樣？

• 本文轉載自科技大觀園，原文為《放不放颱風假就看它！——幫助衛星精準氣象預測的「掩星技術」》
• 作者 / 科技大觀園特約編輯｜曾繁安

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！

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。

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。

參考文獻

• 福衛七號星系佈署完成
• Wikipedia-Radio occultation
• 掩星觀測簡述
• 福衛七號／何謂掩星技術？這裡一次解答
• 台灣太空科技扎根30年 未來1年1衛星發射
• Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
• IASI data product profile

〈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。

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）。

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。

〈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。

• 作者／蘭德爾‧門羅（Randall Munroe）；譯者／黃靜雅

人類喜歡住在河流附近，這代表我們常常發現自己需要過河。

過河最簡單的方法是「涉水而過」，意思其實就是「假裝河不在那裡，一直走一直走，走多遠算多遠」。

在河水很淺的地區，人們通常會試著涉水過河，但即使是淺水，也可能會有令人意想不到的危險。水的流速有多快，不太容易判斷，只要深及腳踝的水，就能把人沖得連站都站不穩。

如果河水太深，無法涉水而過，你可以試著游泳過河。但游泳是否行得通，很大程度取決於河的狀況。如果河水太湍急，你可能會被水流沖到下游，或是被吸入急流或障礙物底下。

會游泳的普通人（但不是游泳選手之類的）游速可能是每秒 2、3 公尺。這比有些河快很多，也比有些河慢很多，河水的流速從每秒不到 0.3 公尺到每秒超過 9 公尺不等。

假如河流是理想化的水域，以固定的速率沿直線流動，很容易就可以算出游泳過河所需要的時間，因為你可以直接游向對岸，忽略水流不計。游泳過程中，流速較快的河流會把你帶到下游較遠的地方，但你仍然會在相同的時間內游到對岸。

不幸的是，真正的河流並不是以均勻的速率流動。水的流速往往在河的中間比在河的邊緣更快，在河面比在河底更快。流速最快的地方通常位於河流最深處的上方、略低於水面下。河底平滑均勻、沿直線流動的河，其速率可能像這樣：

河床有寬平區域也有深水道，看起來可能比較像這樣：

如果你試圖游過這種河，你的路徑看起來會更複雜。而且，真正的河不會以直線流動。河裡有小漩渦、大漩渦和來來回回的曲流。在真正的河裡，你可能會發現水流不斷把你推離河岸，或把你捲入河底，或把你沖到下游的瀑布。

聽起來挺危險的。我們還是來看一些別的方法吧。

跳遠過河法

如果游泳過河吸引不了你，你可以試著跨越它。如果河夠小的話，最簡單的方法就是跳過去。

有個簡單公式可以算出，在理想條件下，拋射物以斜角發射可以飛多遠。

\(距離= \frac{速率^{2}}{重力加速度}\)

你能跳多遠，確切的距離取決於你的跳法、起跳、落地的細節，但可能的距離是多少，這個公式提供了相當實際的估計值。根據公式，如果你以時速 16 公里起跑，預期可跳過的間距達到 2 公尺左右。這證實，以非常小的河來說，跳過去絕對是個選擇。

你可以藉由提高速率來增加距離，這就是為什麼跳遠冠軍有時候也是短跑冠軍，某種意義上，跳遠選手正是擅長於「突然向上騰起而不是向前衝刺」的短跑選手。最厲害的跳遠選手可以跳出將近 9 公尺的距離，這代表短跑速率在起跳前一剎那加速到時速 32 公里以上。

自行車比短跑選手更快。如果你騎一輛很棒的自行車，用力踩踏板，或許能加速到時速 48 公里左右。以這樣的速率，你可以跳過 18 公尺寬的河（理論上）。

不幸的是，由於能量守恆，如果你起跳的時速是 48 公里，當你在對岸降落時，你的時速也會是 48 公里。這樣太快了，很容易造成嚴重或致命的傷害。在寬度「超過」18 公尺的河上嘗試這種特技，實際上可能比較安全。

如果你試圖跳過 24 公尺寬而不是 18 公尺寬的河，你會在「靠近對岸的水裡」降落，這樣對你的身體造成的傷害，大概會比「在堅硬的地上」降落來得不嚴重。

至少，假設水夠深的話。

更快的車子當然可以跳得更遠。時速 96 公里的汽車理論上可以跳過將近 73 公尺寬的間隔。然而，汽車以時速 96 公里降落，這不太可能。

飛車手克尼維爾（Evel Knievel）藝高人膽大，他因為騎摩托車飛越各種東西而出名，廣為人知的是，他曾嘗試騎火箭自行車飛越蛇河峽谷（Snake River Canyon）。由於法律因素，火箭自行車技術上被歸類為飛機。克尼維爾在職業生涯中究竟斷過幾根骨頭？這點眾說紛紜。但是他的「摩托車跳躍成功次數：骨折」比值並不大，可能還不到 1。

仔細想一想，或許你應該把「跳遠過河」留給專業人士，說不定專業人士也決定不要做這種事。

「掠水過河」法

人無法在液態水的表面上行走，至少在沒有科技或超自然力量的幫助下不行。

有些影片在網路上爆紅，影片中的人跑步過水、騎自行車過水或騎摩托車過水。所有這些特技背後的基本原理很簡單：如果你跑得夠快，當你碰到水的時候會滑過去。這些影片之所以爆紅，往往是因為至少它們看起來像真的一樣，直到惡作劇的始作俑者坦承，或是科普節目「流言終結者」（MythBusters）去嘗試，事情才真相大白。

哪些類型的特技是真的、哪些是假的，以下是簡單的概述：

赤腳滑水的人都知道，為了保持在水面上，你的腳相對於水需要以大約時速 50 或 60 公里移動。就算是博爾特的飛毛腿，當他在衝刺時也沒跑那麼快。

自行車也不行。你試都不用試，只要問問經驗豐富的自行車手就能搞清楚。自行車手可以告訴你，自行車和汽車不一樣，自行車通常不會「打滑」。自行車或許會在潮濕的路面上摔倒，但由於車輪的彎曲形狀把水往兩邊推，所以自行車輪胎不會因為「抓不到地」而在一層水的上面「衝浪」。

摩托車輪胎比較扁平、胎面有花紋，和汽車輪胎一樣，兩者都會打滑，「流言終結者」節目已經證實，這些輪胎也可以用來「過水」一小段距離，相當戲劇化。但這又讓我們回到飛車手克尼維爾的地盤了。

當然，有那種專門設計用來行駛於水面的車子。

如果你有船，那是非常完美的方法。事實上，有些河有長期駐守的船隻，在兩岸之間為人們擺渡往返。

——本文摘自泛科學 2020 年 2 月選書《這麼做就對了！：最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》，2020 年 1 月，天下文化。