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以震為鏡(一):聽聽看 地震科學是什麼?

陳妤寧
・2014/12/15 ・2612字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

採訪編輯 / 陳妤寧

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

中央大學地球科學系馬國鳳教授(圖片來源:作者自攝)
中央大學地球科學系馬國鳳教授(圖片來源:作者自攝)

講到「地震科學」一詞,好像包山包海所有相關學科無所不包,但對於這些書本上的知識如何化為生活中的科技,我們卻難以想像如何接軌。中央大學地球科學系的馬國鳳教授,從地震學家如何蒐集地質資料、如何以力學條件分析地震波的走勢、最終化為地震評估所仰賴的境況模擬,為科學如何走入科技做出深入淺出的解釋。

地震預測不是地震科學的唯一

大多數人聽到地震科學,反應都會是「那能夠預測地震嗎?」馬國鳳老師說,地震預測固然是科學家持續想挑戰的目標,但是「知其然不能不知其所以然」,在預測地震之前,還需仰賴地震科學、地質科學、地球物理學的基礎資料收集與研究,科學家才能了解斷層的幾何構造、進一步推估斷層錯動的模式,才有邁向「地震預測科學」的機會。

熱衷於追查地震的「前兆」時,必須研究這些前兆和地震之間是否具有穩定的因果關係。因此要先建立完善的偵測設備和地質資料、瞭解地底構造的物理性和化學性,才能分析地震振幅和週期如何變化,這一切並非一步到位的工作。而光是某斷層的位置或結構,就可能是一位研究者一輩子的研究成果。地震科學分支非常多,例如透過觀察地形以研究摺皺構造的地質學、研究斷層中力學條件如何影響滑動量和滑動方向的震源力學、透過震測或深鑽參考點投影出地底速度構造的地震物理學、還有研究沈積層和盆地效應的工程地震學。而馬國鳳老師所研究的地震科學領域,著重於地震對於「地表」的影響,也須仰賴其他研究地底構造的學科提供的知識作為「基礎建設」,才能進一步建構「境況模擬」的電腦方程式。

境況模擬,讓地震知識接軌科技

為了計算何種條件的斷層幾何、會產生多大規模的震度,地震學家將所有變數都輸入電腦中,按照物理力學條件模擬出地震發生時的搖晃程度,或是斷層在不同區段的錯動量差異。有別於在地震發生前數秒爭取逃生時間的「地震預警」,「地震境況模擬」並不探討地震會在「何時何地」來襲,而是在地震必然發生的前提下,模擬地震情境以判斷不同地點的危險程度、決定如何改善環境安全。若一味重視臨時地震預警,而不從日常評估補強做起;即使多了幾秒逃生時間,在脆弱的建物環境下,也未必能有好下場。

地震工程專家進一步根據境況模擬的結果,以量化的方式推估受損規模。有哪些設備或建物不夠符合當地的耐震需求?建築物的「自然震動週期」是否會和傳來的地震週期產生共振?大樓對於長週期的地震波較為敏感,低矮的房子則相反,對於搖得快的短週期地震波較為脆弱。接著專家試著研擬符合成本效益的補救措施,比如加設X型鋼樑能增加多少強度?重建的成本會不會反而更低?…等等。

以數字來看待天災下的人命,或許聽起來冰冷,但為了減少災後的悲痛,更需要於災前做好理性準備。對於企業而言,若能從清楚的數字了解投資建築補強所需的短期成本,和未來面臨地震時將蒙受的損失成本(包含因工廠產能停擺而需承擔的經濟損失)這兩者之間的關係,便更能將天災風險納入企業決策之中。

歷史地震中的科學與推理

除了從自然科學來研究地震之外,社會科學的角度也提供了影響震災傷亡程度的重要視角。不同人口、職業結構的地區,或在不同時段發生的地震,傷亡結果都可能產生極大的不同。例如凌晨六點的農村若發生地震,農民都出門到空曠的田裡耕作,受到建築物倒塌的傷害就較小。1906年的梅山地震,女性在逃生時因為流行纏足跑得不夠快,導致死亡比例遠高於男性,這個事件影響了台灣後來的解放纏足運動,是歷史災害影響社會文化發展的經典例子。

除了可一窺地震對於時代觀念的影響,歷史文獻中所記載的天災事件,也成為了地震學家推估歷史地震規模或震源時的重要資料來源。例如 1700 年日本宮城海嘯,文獻中記載了海嘯發生時的詳細狀況和浪高,今日的地震學家循跡調查,推估要達到宮城海嘯的規模,結果很可能是美國西雅圖大地震一路傳過太平洋所引起的結果。由於日本島位處隱沒帶下衝的正上方,海嘯襲來的強度和頻率,都遠較台灣島來得不易躲避。而 1862 年的台南地震,台灣當時仍未設置地震儀,但憑藉清廷官員的賑災記錄,例如房屋全倒和半倒所給予的撫卹金額,發現六甲地區的撫卹金額相對南邊受災地區較多,經過境況模擬之後,證實此斷層的北段錯動量的確較南段更大。

談到台灣的地震科學發展,「台灣人總是看著歐美日的發展而焦慮,別人已經做了的、質疑為何台灣還沒做;別人還沒做的、台灣卻又不敢做。」曾經在九二一大地震後趕往第一線調查車龍埔斷層的馬國鳳老師說,他不希望台灣只是「資料提供者」的角色,台灣的地震學界有足夠的能量去回答世界性的問題、提出地震學上的新理論、和世界上其他優秀的地震學家對話、回饋全世界對於地震理論的了解。「十五年後的今天,我可以說我們台灣地震學界確實有做到。」馬國鳳老師的團隊以車籠埔斷層北端發現的錯動量為證據,提出斷層滑移和潤滑作用的理論;而這在後來發生的世界地震中,陸續成為了其他科學家檢驗的研究議題。

地震科學在眾多地震專業領域之中,扮演了承先啟後的角色。地震科學必須應用基礎科學提供的資料,轉化為防災科技能夠參考的境況分析,使土木工程或是資通科技,能夠更好的運用於防災,服務於人群。「科學知識應該要走入科技、走入產業、也走入公部門的政策,讓知識發揮更為入世的價值。」(本文由科技部補助「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)

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。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!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

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以震為鏡系列專題:

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陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。


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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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