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體感溫度是什麼?它是重要的天氣指標嗎?

艾粒安鈉
・2016/02/07 ・3623字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 501 ・六年級

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每逢冷氣團或寒流來襲時,只要打開電視,新聞主播總是不斷提到體感溫度:「北部地區預計低溫9度,體感溫度更可低達3度…」大家或許常有這個疑惑,9度就9度,為什麼感覺像3度呢?斯斯有三種、溫度有實際溫度和體感溫度兩種,我們到底要用哪一種呢?

插圖/艾粒安鈉
插圖/艾粒安鈉

首先回歸氣象單位的標準職務–觀測、記錄並預測天氣,反映到民間就是讓大家預先知道今天、明天、未來的天氣,除了為將來可能發生的氣象災害做好準備之外,也能對每天出門時要怎麼穿?要不要帶雨傘?等等這些最基本的問題有些概念。帶雨具與否可由降雨機率來決定;至於穿多穿少的抉擇,當然與溫度息息相關了。

但想必我們大家多少都注意到,溫度固然非常重要,但並不是影響感覺冷熱的唯一因素。常有人說:濕冷比乾冷感覺冷、濕熱比乾熱感覺熱;夏天有風感覺涼爽、冬天有風感覺冷颼颼。所以各國氣象單位為了符合民眾的最基本要求–「出門怎麼穿」,而發展出一些公式計算出在特定天氣情況下的感覺像是溫度幾度,這就是所謂的體感溫度了。

酷熱指數

體感溫度的計算方式有很多種,首先我們考慮濕熱vs.乾熱的問題。美國氣象學家喬治‧溫特靈(George Winterling)在1978年發展出了「酷熱指數」(heat index),後來被美國國家氣象局(NWS)採用,作為夏天的體感溫度。計算酷熱指數的公式只與溫度和濕度相關,簡單而言,同樣溫度下濕度越高,酷熱指數也越高。因為人體散熱主要依靠的是體表水分的蒸發,環境濕度越高,水分蒸發也越慢而不易散熱,讓人感覺更加炎熱。

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這個指數對許多因素如個人身高體重、衣服多寡、日照、風速等等都做了假設,若實際情況偏離假設過大時,計算出的酷熱指數偏差也會很可觀。其中最主要的假設有二:1. 酷熱指數是基於在陰影下的溫度,若曝曬在太陽下,體感溫度可增加達8度之多。2. 指數不考慮風速的影響,若有風會讓體感溫度降低,除非氣溫比體表溫度還高。酷熱指數的公式如下:

Heat Index formula

其中HI為酷熱指數,T為溫度、R為相對濕度。c1~c9是九個常數

照片來源:Flickr / 韵升白
照片來源:Flickr / 韵升白

加拿大氣象局使用另一個版本稱為濕度指數(humidex)的體感溫度,J.M.馬斯特頓(J. M. Masterton)和F.A.李察森(F. A. Richardson)在1979年提出,概念與酷熱指數相似,都是基於濕度越高、體感溫度越高的假設。濕度指數的公式如下:

Humidex formula

其中Humidex為濕度指數、Tair為溫度(攝氏)、Tdew則為露點溫度(絕對溫標)。

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……等等,「露點溫度」是什麼啊?這可不是指衣服的多寡,而是指當你將潮濕空氣降溫時,使空氣中的水氣飽和所要達到的溫度。由於溫度越高,水越容易蒸發,也會產生越多的水蒸氣,因此空氣中可以容納更多的水蒸氣才會飽和。

溫度越低,飽和水氣量越低,當空氣中含水量超過飽和時,水氣就會凝結成露。露點溫度高的意思,就是在更高的溫度時水就會凝結出來了,表示空氣中的濕度高。所以露點溫度與濕度是成正比的。大家想想看,在悶熱的夏天,喝一罐冰涼的飲料消暑,罐子外面是否會凝結水珠呢?這就是因為飲料的溫度低於露點溫度的關係。如果天氣比較乾燥,或者飲料不冰,飲料罐上的水珠就比較少、甚至不會有水珠。

至於相對濕度裡的「相對」,就是指空氣水氣量相對於飽和水氣量的百分比了。

風寒指數

在台灣大家聽到體感溫度的主要熱門場合,其實是冬天的冷氣團與寒流。氣象學家一般假設在天氣寒冷時,影響體感溫度的主因是風速而不是濕度。由於溫度較低時,一來空氣中飽和水蒸氣壓也低,水氣多寡的變化範圍較窄;二來無風下蒸發速率也遠不及熱天,因此濕度對散熱以及體感溫度的影響較小。這時候體表散熱主要助力,就是空氣流動(風)了。

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那麼為何大家覺得濕冷比乾冷還冷呢?其實這是因為,台灣的濕冷天氣經常伴有霧或雨,液態水與氣態空氣相比,更容易傳導熱量;而且水的比熱也遠比同體積的空氣高,因此當水滴附著在身體和衣服上時,可以帶走遠比空氣更多的熱,若還加上風的吹拂讓水分得以蒸發,更讓你感覺加倍寒冷。但由於降水強度的預報是相對新穎的氣象技術,當初在設計冬季體感溫度時,便做了人體不直接接觸降水的假設。

照片來源:維基百科 / LIFE Photo Archive
照片來源:維基百科 / LIFE Photo Archive

美國與加拿大氣象組織當初設計的風寒指數,真的是個指數(Wind Chill Index),算出來是一個與體感溫度完全不同的數字;因此也提供民眾一個資訊,當這個指數高於1400時便容易凍傷。但這個另外的數字實在太不直覺了,因此在2001年11月,美國、加拿大和英國的氣象學家共同發展出新的風寒指數,其公式如下:

Wind Chill formula

其中Twc為風寒指數、Ta為溫度(攝氏)、V為風速(公里/小時)。但風寒指數與酷熱指數一樣,也基於許多假設,因此個人穿著多寡、是否有陽光、降雨降雪情況等等的差別,也會造成個人體感溫度的不同。

體感溫度

最後要說的是目前台灣中央氣象局所使用的體感溫度。上面已經提到,體感溫度與濕度、風速、日照、和人體都有關係,其中日照和人體的個人差異比較難以量化,因此體感溫度所採用的公式,只將濕度和風速納入考慮。與美國和加拿大使用的酷熱指數、風寒指數相比,中央氣象局的體感溫度,採用的是R.G.斯戴德曼(R. G. Steadman)在1984年發表的《體感溫度的通用公式》(A universal scale of apparent temperature):

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體感溫度 = (1.04 × 溫度) + (0.2 × 水氣壓) — (0.65 × 風速) — 2.7

其中溫度以攝氏為單位、風速以公尺/秒為單位,水氣壓的單位為百帕,計算公式如下:

水氣壓 = (相對濕度 / 100) × 6.105 × exp[ (17.27 × 溫度) / (237.7 + 溫度) ]

澳洲氣象局使用的體感溫度與此相似,只是溫度、水氣壓和風速的係數有些微不同。

這個體感溫度公式,可謂冬夏適用。其中濕度在溫度較高時對體感溫度造成顯著的影響,溫度低時影響甚小;而在此公式中,也做了一個假設:風速對體感溫度的影響是線性的,不論四季,只要有風,降低體感溫度的程度都是相同的。因此顯而易見,這個對風速的假設有潛在的問題–當熱浪來襲,氣溫比體溫還高的時候,風雖然帶走體表的更多水分,卻也讓更多比身體還熱的空氣接觸身體,風力對體感溫度的影響程度就遠不及天氣較涼的時候了。

體感溫度比一比

上面提到了各國氣象組織使用不同計算體感溫度的公式,下面我們就把這些體感溫度表格化,比較其中的差異吧!

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heat1

上圖是中央氣象局(CWB)體感溫度、美國酷熱指數(heat index)、加拿大濕度指數(humidex)的比較,其中中央氣象局的體感溫度,是基於無風的情況計算;高於60度的溫度省略不寫。比較之下三者的差異顯而易見,在溫度較低時,CWB體感溫度與美國酷熱指數的數值大同小異,但當溫度、濕度提高時,酷熱指數很快增加,勝過了CWB體感溫度。至於加拿大濕度指數除了非常極端悶熱的條件外,數值都比另兩者高。

小編猜測,究其原因,極有可能是各國氣候不同,造成同樣溫度、濕度的悶熱夏季天氣,大家的平均感受不同吧。台灣地處亞熱帶與熱帶交界,氣候濕熱;美國只有南部地區均溫與台灣相似;至於加拿大位於美國北方,氣候更為寒冷,人們的耐熱度也就更低了。所以也反映在不同國家的「體感溫度」上面。

接著再以下面的GIF動畫比較冬天的體感溫度吧!中央氣象局的體感溫度,以濕度50%計算。

cold1

這個差異就更加明顯了,中央氣象局的體感溫度,明顯比美國、加拿大、英國使用的風寒指數(Wind Chill)低上一大截啊!風寒指數的使用說明還表示,公式只適用於攝氏10度以下,所以在溫度較暖時,計算出的風寒指數甚至比實際溫度還高!

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這就更能反映各國的氣候差異了,台灣冬季平地氣溫鮮少降到5度以下,但歐美大部分位於溫帶地區,冬季比起台灣寒冷許多。因此也造成台灣人比較怕冷,氣象局使用的體感溫度自然比較低。小編在美國波士頓住了六年,習慣了當地嚴寒又大雪紛飛的冬天;前陣子在台灣碰到霸王寒流,不僅覺得根本沒什麼,在4度C冷雨之中,還可以穿短袖短裙跑馬拉松,之後也沒有感冒。

所以說穿了,體感溫度只是一個將人體實際感覺到的溫度粗略量化的方式,計算過程中做了許多假設和簡化;但實際上每個人對溫度的感覺都不盡相同。因此在新聞用聳動的標題,報導超高或超低的體感溫度之餘,別忘了天氣如人飲水,冷暖自知,體感溫度僅供參考、僅供參考、僅供參考(很重要所以講三遍)!

參考文獻

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艾粒安鈉
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主修有機合成。對化學、天文、幾何學、地理、氣候、統計學、語言學、心理學、社會學、音樂和烹飪都有興趣。不願一生為學術研究爆肝,而熱愛為感興趣的學科認真寫科普文章,並用創意比喻和爛梗讓大家喜歡科學。多元性別,最高心跳210,海豚音到重低音一手包辦。

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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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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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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

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這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

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但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

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「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

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「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

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製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

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——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載