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，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／fatcat11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！
姓名標示─非商業性─禁止改作