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某科學の超電報

海上浮標護衛臺灣,讓準確預報颱風不是夢

  • 圖/科技部提供

在台灣除了地震,另一項難以預測的天災就屬「颱風」。大家難以忘懷的「莫拉克颱風」在2009年橫掃南臺,導致六百多人喪生、超過一千五百億臺幣財損,如果當時我們能更準確預報颱風,及早採取適當防範與避難措施,損失與傷亡可能就不會這麼嚴重了。

在科技部、臺灣大學、氣象局等單位的支持下,由臺灣大學海洋研究所團隊布建的海氣象浮標,收集到史上第一回超級颱風中心沿路掃過的海洋浮標觀測資料。在此研究領域中,這是首次完全由本土人才、臺大團隊完成,並發表在 2019 年4月《自然通訊》(Nature Communications) 的研究,研究成果也將被轉譯成電腦程式語言,植入颱風數值預報模式,朝準確預報颱風邁進。

「不可能的任務」——颱風預測

圖/wikimedia

準確地預報颱風,除了靠我們對海氣交互作用物理機制的認知,也需要關鍵的大氣和海洋現場觀測資料不斷地注入電腦數值模式,時時校驗、修正預報結果。

隨著科技的發展,以及大量衛星遙測資料的彙整,對於颱風路徑的預報已有長足進步,但對於海洋與颱風互動的觀測仍相當缺乏,在颱風強度的預報依然面臨很大的挑戰,尤其如何把握時機在颱風撲台前派研究船到海上「守株待兔」進行觀測或布放測量儀器,幾乎是「不可能的任務」。

若能事先到選定的海域,布放錨定式浮標「堵」颱風,用各種探測儀器自動量測大氣和海洋的關鍵性質,再以最快的速度傳回陸上實驗室,進行預報分析工作,無疑是安全又有效的行動。

然而,市面上並沒有這種能一邊準確測量海氣性質、一邊又能快速回傳資料的商品化浮標,即使能夠重金購得,也還需要一筆請廠商布放、維護的龐大經費。

斜槓團隊,一起來去堵颱風

圖/科技部提供

為了挑戰這個近乎不可能的任務,臺大海洋所憑藉數十年養成的研究實力輔以「海研一號貴儀中心」精良的探測技術,於 2015 年(莫拉克6年後),由時任所長的魏慶琳教授集合海洋物理專長的教師和電子、機械、錨碇探測和資訊專長的技術人員組成浮標團隊。善用來自臺大邁頂計畫、科技部和中央氣象局挹注的資源和人力,突破技術瓶頸,拆掉海氣象浮標上的舊品,換裝運用省電科技自力研發之中控系統與即時資料衛星傳輸,連年由楊穎堅副教授領軍於颱風經過最頻繁,而現場觀測資料最缺乏的西北太平洋海域布放此進階版浮標,捕捉颱風肆虐下的海氣象變化,研究狂風猛浪下的海氣交互作用。

解開颱風謎團

約在 1970、80 年代,科學家就看出海洋上層的熱水可以孕育出颱風,颱風靠著不斷吸收海面上的熱氣茁壯,而暖水層夠不夠熱、熱能吸收的效益,則似乎取決於颱風眼經過當地海洋前後僅僅10小時內的關鍵期(稱為風直接影響期),但科學家始終苦於沒有海洋現場的高解析度觀測資料以解析箇中道理。

研究團隊的兩組浮標成功紀錄了 2016 年超級颱風「尼伯特」來襲時的資料,這個謎團可說被兩組浮標一舉解密,揭露關鍵時刻大氣和海洋間互動的連續過程。

尼伯特颱風期間,海氣交互作用之示意圖。圖/科技部提供

研究數據顯示,海水上層溫度在颱風眼到來的 4 小時內,陡降 1.5°C,但尼伯特的強度卻未增減。在數據分析後,發現了限制颱風成長的機制,原來表層水溫減少 1.5°C的熱量,颱風只吸收了一點點。

另一方面,從浮標上的縮時攝影機拍到史無前例的超級颱風影像,以及海流儀的資料分析,在這關鍵的 4 小時內,海洋上層的熱水雖被狂風、巨浪所激起的水花散到颱風裡,但同時颱風本身又強迫表層海水快速向前衝,上層海流變快了,下層海流跟不上,上下層海水拖拉之間在水裡捲出無數大大小小的漩渦,底下冰冷的海水反而被迅速翻攪上了水面,破壞了颱風繼續茁壯的機會,成了名符其實的「吃快弄破碗」。

兩組浮標,在 2016 年成功地挺過超級颱風「尼伯特」颱風眼掃過前後的摧殘,不負眾望地即時傳回現場精準的海氣象實測數據,幫忙我們解析瘋狂海象下,大氣與海洋互動的細膩過程,達成此艱鉅任務中的不可能任務,可謂以小搏大立大功。

浮標計畫成功的背後……

圖/科技部提供

整個浮標任務,從科學目標的擬定、設計、製作、測試、施放到資料分析,都是由臺灣本土團隊自力完成,以極少的資源獲得極大的成果,顯示臺灣已有培養海洋科技高階人才的能力。此外,海氣象浮標的應用涵蓋災防、環保、社教與學術研究,甚至在拓展臺灣國際活動空間層面上都能扮演角色,值得政府相關單位關注與支持。

自2015年以來,浮標已記錄到10個颱風經過時的海氣象變化,揭露本限制機制僅是其中一小部分的研究成果。這項「利他」行動的最終目標是要在TOMATO (TOwards Multiple Arrays for Typhoon Observations) 「多平台颱風觀測網」計畫下,建立西北太平洋海氣象浮標和水下滑翔機觀測陣列,捕風捉影守護臺灣,未來亦計畫跟菲律賓氣象單位及大學合作,擴大TOMATO防護網範圍。

浮標團隊計劃將於今年 6 月前往西北太平洋布放兩組浮標再戰颱風。颱風、海嘯、氣候變遷預警防災不能靠喊口號,決戰第一線也不在陸上,讓海上浮標成為護衛臺灣的前哨!

延伸閱讀

  1. Yang, Y. J., Chang, M. H., Hsieh, C. Y., Chang, H. I., Jan, S., & Wei, C. L. (2019). The role of enhanced velocity shears in rapid ocean cooling during Super Typhoon Nepartak 2016Nature communications10(1), 1627.
  2. New data buoys watch typhoons from within the storm》——Earth & Space Science News
  • 本文改寫自科技部新聞稿〈準確預報颱風不是夢!浮標觀颱研究登頂尖期刊〉
 

 

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