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又是暖化又是冰期?科學家你搞得我好亂啊!

阿樹_96
・2015/07/23 ・2640字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 551 ・八年級

最近一則新聞提到「科學家警告:太陽15年後『休眠』 地球進入小冰河期!」是不是也就代表著,我們該擔心的是地球變冷,而不是全球暖化?

當然…不是這樣的,要是科學家真的有這麼說,不用鄉民,其他科學家會先把他拖出來鞭,這只是科學現象的理解與科學用語詮釋的問題。接下來我們先從新聞文章與科學研究了解此議題。

首先是多數人會看到的新聞版本:

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截圖自ETtoday

好,這是一篇再摘錄過的報導,因為看文章的尾巴就知道文章的結論是蠻薄弱的(所謂「跟蒙德極小期相同的效應」也是語焉不詳的一句話),而下方所謂的「原文」也非研究人員或單位發布的新聞稿,而是摘自大多媒體最喜歡翻譯外電之一的「每日郵報」

這種「轉手再轉手」 新聞消息,往往就像我們玩喝水傳話一般,誤差是會隨之放大,就算是具科學背景的人士乍看這篇報導,也很難揣測原意是什麼,而實際上的研究成果應為下面這則英國皇家學會的稿件:

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資料來源:The Royal Astronomical Society

科學家到底怎麼說

某位對岸的網友李汀先生在新浪網的投稿中,也提到了這個研究與每日郵報報導中的落差,不過在此我們從一些太陽活動的背景先談起:

  1. 太陽的「活動」是有周期性的,而所謂的活動包括了產生太陽風日冕太陽黑子等現象,簡單來說就是太陽會定時的向外突然放出高能的粒子、宇宙射線這些東西,平均來說周期是11年左右(如下圖紅線的太陽黑子個數年變化、橘線的太陽黑子個數日變化),但並不是那麼剛好的11年,有時會多1年、有時會少個1年。
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近400年來的太陽黑子數目統計
  1. 造成太陽運動周期變化的主要原因是磁場變化,這樣講或許有點抽象,就像是對流的概念,裡面的東西向外湧出,而外面的東西又跑到內部,而像黑子就是一些不均勻的活動…再講就太深了,先就此打住!
  1. 接著回到這個研究,過去科學家已經知道了磁場、對流的影響。而今天科學家Valentina Zharkova這項研究的出發點,就在於他們認為造成太陽運動會有變動的一大主因可能就是太陽內部流體的對流可以「分成兩層」,所以他們便以此為前提來建立模型模擬,並對比到真實的觀測紀錄。
  1. 要理解Zharkova的模型,我們可以想像把「兩層」的對流想像成兩個11年上下的穩定波動,有各自的週期,但它們會有疊加、相消的作用。當兩層的波動疊加時,活動就特別大,當相消時,就會特別小,而Zharkova研究團隊的模型與真實的觀測資料對比,有高達97%的準確率。
  1. 以此前提我們似乎就可以拿來預測一下未來的活動…結果不得了!原來2030年太陽的活動將會減少為現在的60%,至於上次降那麼多是什麼時候呢?就是所謂的「蒙德極小期」(上圖的Maunder Minimum的區間,約在西元1645~1715年間),而那段時間也正好是「小冰期」的時間點附近(一般指的小冰期是西元1550年至1770年間,也有人認為那是明朝衰亡清朝興起的原因之一)。
23與24太陽週期活動的太陽黑子
23與24太陽週期活動的太陽黑子,圖片來自NOAA

科學家對於科學上用詞總是講求精準,誇大對科學家來說是個忌諱,綜合上面五點來看,只有第5點才勉強和地球將要變冷有一點點的擦邊球,但實際上科學家有以此「警告」人們嗎?沒有…為什麼不這麼說?因為那不是科學家有把握的事!即使太陽活動減少至現在的60%,我們還是不知道會降溫多少…甚至連會不會降溫都不知道呢!

所以現在到底是在暖化還是冰期要來?

實際上影響氣候的因子非常多,而且還非常難驗證。舉個例子來說,塞爾維亞科學家米蘭科維奇在本世紀初就提出米蘭科維奇循環,指出地球的氣候模式受到地球離心率轉軸傾角和軌道的進動的影響,但實際上我們現在知道的理論則是到1976年才確立的(見文獻[1])。除此之外,像太陽黑子、板塊運動、火山活動皆會對氣候有不同尺度的影響。你說要斬釘截鐵的說:未來幾年天氣將會怎麼樣怎麼樣的,我相信那一定不是研究大氣或古今氣候的學者會做的事,頂多說會「我們要注意朝向XXXX發展」之類的說法。

再來,從時間尺度來談,蒙德極小期和冰期的相關性還有待討論,而這個太陽活動研究所提出的精準模型預測也還是需要科學家再論證…畢竟蒙德極小期持續了數十年之久,和11年的規律尺度還是有些落差,而在過去的紀錄中,即使能看見「溫度」和「太陽黑子」的相關性,我們也可以發現差距甚至不到1度(見下圖)。像IPCC的主流科學家也認為太陽的活動影響可能不若其它的因素顯著(包括暖化也是),而一般也認為太陽活動對氣候的影響甚小(見[2])。

所以總體來說,IPCC的主流科學家們認為暖化是一件事,而科學家Valentina Zharkova做的研究是另一件事,這兩件事也可能同時發生,而以目前的證據與研究來說,暖化的效應和尺度似乎大一點,但真實的情況是…我們目前拿的出來的科學證據說不定還不夠用,所以現在把這些研究拿來說些駭人聽聞的事,似乎都言之過早。

那氣候變遷怎麼辦?人類要怎麼因應?至少我們人類別讓自己的影響太過頭(臭氧破洞就是個例子),起碼眼下節能減碳的目標(至少別燒那麼兇),也還算是條穩健的路。至於那些枝微末節或是高深莫測的學問,我們還是努力相信科學家幫我們找答案吧!對了,別忘了看這類的科學研究還是要保持著「科學精神」,避免斷章取義、以偏蓋全哦!

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Comparison of sunspot numbers, Central England Temperatures and a basket of Northern hemisphere Temperature reconstructions compiled by IPCC ByMichaelLockwood

參考文獻

延伸閱讀

文章難易度
阿樹_96
72 篇文章 ・ 16 位粉絲
地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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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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