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不只導航 衛星還是天氣預報好幫手
沒看過衛星,也在新聞上看過衛星雲圖吧?我們常聽到的GPS衛星,為什麼會和氣象扯上關係呢?印象中用來定位導航的衛星,其實早在1965年,就有利用無線電掩星技術,觀測火星上氣象的先例。目前我國所使用的衛星觀測資料主要由「福爾摩沙衛星三號計畫」提供,而2019年6月用於氣象觀測的福衛七號也將升空,屆時將提供更大量的資訊,以提升預報精準度。
 
 
福衛七號軌道運行示意圖。(圖片來源:蘇瑞公司)
▲福衛七號軌道運行示意圖。(圖片來源:蘇瑞公司)
 
更新:福衛七號原規劃十二枚衛星,分兩組發射,因第二組經費議題,2017年10月,臺美雙方決定不執行第二組衛星。第一組六枚衛星仍依原規劃進行,預計於2019年六月發射升空。
 
從導航衛星到掩星觀測

大家生活中耳熟能詳的GPS是美國全球衛星定位系統(global positioning system)的縮寫,是全球導航衛星系統(global navigation satellite systems, GNSS)的一種。

美國國防部於1974年成功發射第一顆GPS衛星NavStar(navigation satellite time and ranging),顧名思義它是一個可以測量時間和距離的衛星,此後陸續發射其餘的衛星。GPS起初的目的是軍事用途,自1980年代開放民生使用後,至今已經是一套發展成熟且應用廣泛的技術。它的日常應用層面非常廣泛,例如行動導航、記錄、協尋功能等,甚至透過社交平台還可以和朋友互相分享去過的景點。而在專業領域的應用上也超乎一般人的想像,包括大地工程測量、地殼與建築監測、資源勘查、軍事、通訊、氣象等。

GPS衛星與氣象為什麼會扯上關係?事實上早在1965年美國國家航空暨太空總署(NASA)發射的海盜1號衛星,就是用所謂的「無線電掩星」(radio occultation, RO)觀測技術探測火星大氣。

「掩星」是指在觀察者和被觀察的天體之間有另一個天體通過,使得被觀測的天體受到遮蔽的現象,例如日蝕就是一種自然掩星事件,它是在地球上觀察到的太陽被月亮擋住的現象。「無線電掩星」則以「無線電接收衛星」和「無線電發射衛星」分別扮演觀察者和被觀察天體,由兩者之間的行星進行遮蔽的人造掩星事件,事實上被觀測的對象是兩者之間的行星。

由於光在不同介質的傳播速率不同,因此當光由一種介質進入另外一種介質時會發生折射現象。例如筷子放入裝水的玻璃杯中,從玻璃杯外看杯中的筷子好像是彎的,這是因為光在空氣與水中的速率不同而造成光的折射。無線電波的傳播在不同介質中也會產生折射現象,當衛星發射的電磁波射線通過行星大氣層時會因為折射而改變行進路線,由發射及接受到的訊號差異,加上兩個衛星的空間相對位置,可以推導出射線的偏折角,而能進一步推算對應的大氣折射率。

掩星技術示意圖。(圖片來源:科技部1080414新聞稿(福爾摩沙衛星七號起運)
▲掩星技術示意圖。(圖片來源:科技部1080414新聞稿(福爾摩沙衛星七號起運)
在各種媒體上看到天氣預報提供的資訊,不外乎氣溫、風速、溼度、雨量等,較進階的資訊可能有氣壓、日照、雲量等。一般人可能無法從大氣的「折射率」或電磁波射線在大氣中傳遞的「偏折角」聯想到氣象。事實上,某種介質的折射率與這介質的密度成正相關,而大氣的密度與氣壓、溫度、水氣含量有一定的關係,因此大氣的折射率與上述氣象資訊就可以經由複雜的關係式連結在一起。

這些折射率資料經過一些特殊處理後,可以推估出大氣中的溫度、氣壓、水氣等氣象資訊。但由大氣折射率推估溫度等氣象資訊的方法只有在大氣符合某些假設條件下才夠精準,因此這些推估得到的氣象資訊並不適合用於天氣預報,實際使用的資料是較上游的折射率或偏折角資料。

福爾摩沙衛星三號

目前我國及世界各國氣象作業預報單位所使用的GPS無線電掩星資料主要由「福爾摩沙衛星三號(簡稱福衛三號, FORMOSAT-3)計畫」提供,這個計畫是一個大型的台美雙邊國際合作計畫,由雙方政府授權執行。我方的執行單位是國家實驗研究院國家太空中心(簡稱太空中心),美方則是美國大氣研究大學聯盟,雙方建立全球大氣即時觀測網的先進技術發展計畫,又稱為「氣象、電離層及氣候的衛星星系觀測系統」(constellation observing system for meteorology, ionosphere and climate, COSMIC),簡稱為FORMOSAT-3/COSMIC計畫。

這項計畫於2006年在美國一次發射6顆微衛星,也就是福衛三號,分布於地球表面700~800公里高的不同軌道中,分別圍繞著地球運轉,組成涵蓋全球的低軌道微衛星星系接收美國 24 顆GPS衛星所發出的無線電射線訊號。它的主要目的就是觀測福衛三號接收GPS射線時,射線中途被地球「掩星」的現象,從這些探測到的無線電掩星資料可進一步推估出地球大氣層的垂直結構。這樣的觀測範圍涵蓋了全球大氣層及電離層,每天提供全球平均2,500點的輸入資料。

福衛三號軌道分布圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
▲福衛三號軌道分布圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)

福衛三號的無線電掩星資料散佈圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
▲福衛三號的無線電掩星資料散佈圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
 
這些資料均勻分布於全球上空,且約每3小時可完成全球氣象資料蒐集及計算分析,約每 90 分鐘更新一次。這種非傳統的觀測資料正好可以補足傳統觀測資料(氣象觀測站)不足的區域(如海洋及極地區域),另外這種類型的觀測技術不受天候、雲量影響,是可提供天氣分析與預報的一個非常穩定的資料來源。

數值天氣預報


現代天氣預報的方式是結合客觀的數值天氣預報與主觀的預報員經驗判斷。這裡的數值天氣預報指的是,用數學式來描述大氣中發生的許多複雜物理過程,再把這些數學式編寫成電腦程式,並運用高速運算的超級電腦來計算。這樣當我們以描述目前氣象狀況的數據當作輸入資料用超級電腦計算後,就可以得到未來天氣狀況的數據。可想而知,有好品質的目前氣象狀況數據,理論上就能夠計算出好品質的未來天氣狀況。

目前在數值天氣預報中運用觀測資料的技術稱為「資料同化」,這個技術的目的就是能夠有好品質的現在天氣狀況數據。簡單來說,「資料同化」就是以有限的觀測資料修正過去對目前天氣狀態的預報,藉以改進對目前狀態的了解。

為什麼不直接用觀測資料來表達目前狀態呢?因為目前大部分定時觀測的地點幾乎都集中在陸地,海面上的資料非常少,加上天氣預報需要的現況空間和時間解析度遠大於觀測密度,因此必須由解析度較高的過去預報結合目前的觀測資料,才能得到最適合用於預報的目前氣象狀態。而前述的福衛三號GPS無線電掩星觀測,就是修正過去對目前天氣狀態預報的觀測資料之一。

掩星觀測實際運用效果

GPS無線電掩星資料在實際天氣預報上的效果如何?各國氣象預報作業中心會針對所使用的觀測資料,分析它們對預報改進的貢獻程度。從歐洲中期天氣預報中心、美國國家環境預報中心、英國氣象辦公室、法國氣象局、日本氣象廳的各種觀測資料貢獻度來看,GPS無線電掩星資料的排名大約在第3至9名,我國中央氣象局的評估結果也名列第4,可見使用GPS無線電掩星資料有助於提升整體天氣預報的表現。

此外,國家實驗研究院颱風洪水研究中心(簡稱颱洪中心)針對2008年至2010年11個西太平洋影響台灣的颱風個案,進行使用掩星資料及不使用掩星資料的預報實驗,發現使用掩星觀測資料可使颱風三天預報的路徑誤差減少約5%。另外,在2008年辛樂克颱風及2010年凡那比颱風的路徑預報上,使用了GPS無線電掩星觀測之後的颱風路徑預報比較接近真實狀況。
 
颱洪中心針對 2008 年至 2010 年 11 個颱風個案,進行使用掩星資料及不使用掩星資料的預報實驗,統計的平均路徑誤差。
▲颱洪中心針對 2008 年至 2010 年 11 個颱風個案,進行使用掩星資料及不使用掩星資料的預報實驗,統計的平均路徑誤差。
 

颱洪中心針對 2008 年辛樂克颱風個案,進行使用及不使用無線電掩星資料的預報實驗。圖中紅線代表實際颱風路徑,紫線代表不使用無線電掩星資料的預報路徑,綠線代表使用無線電掩星資料的預報路徑。
▲颱洪中心針對 2008 年辛樂克颱風個案,進行使用及不使用無線電掩星資料的預報實驗。圖中紅線代表實際颱風路徑,紫線代表不使用無線電掩星資料的預報路徑,綠線代表使用無線電掩星資料的預報路徑。
天氣預報的曙光

既然無線電掩星資料對天氣預報有幫助,為什麼不增加資料量呢?新增無線電訊號發射衛星和接收衛星,都可以增加無線電掩星觀測的資料。導航衛星系統可不是只有美國的GPS,還有歐盟的Galileo以及俄羅斯的GLONASS,這些導航衛星系統都可以做為掩星觀測的無線電發射源,新一代的無線電掩星接收器也能接收上述全球導航衛星系統的無線電訊號以增加掩星觀測數量。

除此之外,無線電掩星接收衛星也不是只有福衛三號,還有其他各國的衛星也能提供無線電掩星觀測。中央氣象局目前的區域天氣預報作業僅使用福衛三號的掩星資料,颱洪中心則將與氣象局及國內外研究機構合作,研發如何用最佳方式加入其他可提供掩星資料的衛星以增加對預報的效益。

事實上,太空中心將與美國的合作伙伴在2016年執行「福爾摩沙衛星七號計畫」,這是福衛三號無線電掩星觀測更進階版的續作。它是由12顆衛星所組成的星系,每顆衛星也會搭載新一代的無線電掩星接收儀,可以同時接收GPS、GLONASS、Galileo的訊號,預計每天可以提供約8,000筆無線電掩星觀測(更新:每日可提供約4,000點的觀測資料)特別是對於台灣所處的低緯度地區會有更高的觀測解析度。屆時,無線電掩星觀測能對數值天氣預報提供更大量的觀測資訊,以提升氣象預報的準確度,並降低災害預警的不確定性。
 
福衛七號衛星的軌道分布圖(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
▲福衛七號衛星的軌道分布圖(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
 
福衛七號衛星的無線電掩星資料散布圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)
▲福衛七號衛星的無線電掩星資料散布圖。(圖片來源:福衛三號資料分析中心,http://cdaac-www.cosmic.ucar.edu/)

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