追風計畫

 
2018/08/29 吳俊傑 | 國立臺灣大學大氣科學系     887
 

追風啟航

 

2003年9月1日上午,「杜鵑」颱風正悄悄逼近臺灣中。此時,位於臺中清泉崗機場,一架漢翔航空的噴射機已加滿油料整裝待發,機上除了三位機組人員正在進行飛航路線與飛航安全的最後確認,另有三位包括臺灣大學大氣科學系研究團隊負責指揮工作的科學家、系統工程師與編碼的研究生,正謹慎檢視著電腦、衛星傳輸系統及投放儀器的設備等,先前研究團隊雖已為此次首航做過試飛演練,但真正執行任務時,仍感覺到有些許的緊張與興奮。

 

這架搭載六人團隊的改裝噴射機準時於12點起飛,航行目標則是迎向正直衝臺灣而來的中度颱風「杜鵑」。研究團隊為此次任務已事先計算出杜鵑颱風中心周圍的「敏感區域」,因此當飛機接近杜鵑颱風上空時,便可將「GPS投落送」(Dropwindsonde)投射至「敏感區域」中。此時,張開小拖曳傘的「投落送」,從13公里左右的高空順著重力和風力緩緩飄落,以每0.5秒測量一次溫度、溼度、氣壓、風向及風速等大氣環境資料,並立即回傳到飛機上的電腦系統。經過電腦編碼與確認,立即將第一手的颱風資料,透過衛星傳送至中央氣象局及全世界各主要氣象單位,以進行後續的處理、分析及模式預報。同時,飛機亦繼續飛往下一個定點施放「投落送」,不斷地重複直到完成10枚「投落送」觀測為止。

 

當天下午4時左右,飛機安全返回清泉崗機場後,為紀念完成臺灣氣象史上第一次追風任務,研究團隊也在機身貼上「首航成功」的標記貼紙。15年前,此項成功的任務,就是「侵臺颱風之飛機偵察及投落送觀測實驗」(Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region, DOTSTAR),代號為「追風計畫」,也開啟了臺灣颱風研究的重要篇章。

 

追風緣起

 

為什麼會有「追風計畫」?臺灣地處亞熱帶的西北太平洋海域,每年夏季都會有數個颱風報到,嚴重者甚至會造成重大的損失。如1996年賀伯颱風侵臺,造成73人死亡、463人受傷,以及南投及阿里山區嚴重的土石流。

 

在2001年共有8個颱風侵臺,其中「桃芝」颱風造成214人死亡、188人受傷,其後的納莉颱風不僅讓大半個臺北市成為汪洋一片,連臺北捷運都泡在黃水之中,交通癱瘓達數個月之久,全臺損失逼近千億元。由於這一年的颱風給臺灣帶來相當大的震撼,無論是官方、學界或民間,都在思索是否可有多點突破性研究,以提前因應、防範天災。因此,在科技部(原國科會)的支持下,由臺灣大學大氣科學系吳俊傑教授、林博雄教授與中央氣象局葉天降主任(現任中央氣象局局長)共同主持的颱風重點研究於2002年8月正式啟動。

 

本項計畫包括兩部分:一為飛機觀測事宜,包含飛機租用、國際航管、通訊設備、投落送發射及資料接收、機上資料偵錯/分析、策略性觀測及航路設計等工作;另一則為研究本體,包括投落送資料之接收、分析、模擬同化、對颱風預報影響評估及國際研究合作等。在經過長達一年的籌備期中,研究團隊與美國國家海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)轄下的颶風研究中心合作,並接受為期兩個月的飛機觀測訓練;與漢翔公司簽署合作意願備忘錄,選定以色列IAI公司出產的Astra雙引擎噴射機加以改裝;並與中央氣象局合作進行模式同化及分析事宜。此外,因為特殊飛航路線會經過他國飛航情報區,必須在臺灣特殊的國際處境下與日本、菲律賓等國的航管單位來回協調,以符合其航空法規。

 

2003年5月23日及6月13日,在臺灣東部外海進行兩次試飛,投擲「投落送」和電腦系統及模式套用測試,6月24日也在琉球和菲律賓飛航情報區完成第三次測試。萬事俱備,只欠「颱」風。終於2003年9月1日,迎接這歷史性的一刻。

 

從2003年9月的「杜鵑」颱風開始,至2012年底的「杰拉華」颱風為止,追風計畫針對共49個颱風完成64航次的飛機偵察及投落送觀測任務,總計在颱風上空飛行334小時、成功投擲1,051枚投落送,其中2008及2010年,還與日本、德國的Falcon、美國的P3、C130 等飛機進行聯合觀測國際合作實驗(T-PARC及ITOP),成果相當豐碩。

 

追風科學

 

直接觀測颱風的方式主要有衛星雲圖以及雷達回波圖,還可透過電腦數值模擬協助掌握颱風移動,但相對於陸地的觀測網絡密集,海面上的氣象觀測資料較為不足,對於電腦計算的準確度有很大的影響,尤其颱風大部分的發展階段都是在海面上,因此為了瞭解颱風發展過程及環境狀況,需要更豐富且詳細的大氣觀測資訊。

 

以飛機觀測熱帶氣旋的紀錄始於1943年。起初受限於設備與技術,到1970年代中期,美國NOAA向其海軍添購兩架P3偵察機,針對熱帶氣旋的結構與發展的動力學進行科學研究,並持續監其生成、移動及強度,作為防災應變之參考。隨著人造衛星用於氣象觀測逐漸成熟,美國海軍自1987年起正式停止西北太平洋的颱風C-130飛機觀測計畫,僅持續進行東太平洋及大西洋的飛機觀測。西北太平洋的颱風飛機觀測就此中斷,直到2003年「追風計畫」第一次執行了杜鵑颱風的任務,才得以接續。

 

為充分掌握飛行資源及時效,如何規劃「策略性觀測(targeted observing strategy)」為整體觀測任務中相當重要的環節。研究團隊使用及發展最新策略性觀測方法,包括「系集深層平均風變異 [ ensemble deep-layer mean (DLM) wind variance, Aberson 2003] 」、「系集變換卡爾曼濾波器 [Ensemble-Transform Kalman Filter (ETKF), Majumdar et al. 2002] 」、「奇異向量(Singular Vector, Peng and Reynolds 2006)」、及「颱風駛流敏感共軛向量 [Adjoint-Derived Sensitivity Steering Vector (ADSSV), Wu et al. 2007a] 」等,預先評估關鍵的敏感觀測位置,配合飛機航程及航管限制,決定投落送的最適當投落位置。研究團隊發展以共軛模式計算出颱風觀測敏感區域的創新策略理論(Wu et al. 2007a),亦被採用作為新一代國際颱風飛機觀測之參考。

 

在觀測的同時,這些寶貴的投落送資料皆即時進入中央氣象局及世界各國氣象單位之電腦模擬預測系統中,協助預測颱風路徑及分析其颱風外圍結構,如暴風半徑與雨帶結構特徵等(Wu et al. 2005, 2007a,b)。

 

追風成效

 

那麼追風計畫的成效如何呢?研究分析顯示,美國氣象局、美國海軍及日本氣象廳全球電腦模式加入追風計畫的投落送資料後,對於颱風路徑預測準確度的改進平均可達20% (Wu et al. 2007b)。Chou et al.(2011)則進一步分析過去7年(2003-2009) 42個案例,探討投落送資料於NCEP GFS模式對路徑模擬的影響,結果顯示投落送資料可以改善NCEP GFS模式72-120小時的颱風路徑誤差達19%左右。另一方面,投落送也已成功用來驗證及校正衛星與雷達等遙測資料(Chou et al. 2010)。研究使用2003-2007年追風計畫所觀測的457枚投落送資料,用以與衛星反演風場進行比對,結果顯示在所有可以校驗的資料中,衛星風的風速誤差為2.6 m/s,而風向誤差為17度。研究也指出,由於QuikSCAT衛星風場在低於17 m/s的量測具有一定的精確度,因此可以提供作為分析颱風暴風半徑與決定颱風結構之觀測依據。

 

追風計畫研究團隊與國內外各學術、作業單位充分合作,並在科技部(原國科會)及中央氣象局的支持與經費支援下,成功開創並完成許多觀測任務,也發表許多具有重大科學進展的論文。研究團隊完成追風任務在臺灣的開創、技術研發及理論應用等階段性使命後,自2013年起,已完整將追風計畫相關標準作業流程、技術與理論移轉給中央氣象局及其它相關單位。

 

本項計畫成果於2009年獲選為國科會50週年「50科學成就」、2010年之遠見雜誌「新臺灣之光100」及2014年受聯合國世界氣象組織WMO THORPEX (2005-2014)十年計畫貢獻卓著表揚。國家地理頻道也為2008年的T-PARC國際合作觀測實驗拍攝一小時的科學紀錄片,並於2009年七月起在全球一百多個國家播放,讓全世界看到臺灣亮眼的研究成果。

 

追風計畫除了帶領臺灣的颱風研究邁進一大步,更影響其他同受颱風所影響的國家,例如日本與香港均派員至臺灣取經參訪,邀請臺灣追風計畫主持人擔任諮詢顧問。自2016年起,日本名古屋大學、琉球大學以及日本氣象廳三方合作執行,啟動日本版的追風計畫,執行飛機觀測計畫;香港天文臺亦於2017年跟進,使用全新下投式探空儀進行「追風」任務,搜集颱風的垂直剖面數據,包括氣壓、溫度、濕度、風速及風向等,以量度大氣層不同高度的三維結構,並預測颱風強度及變化。

 

回顧追風15年,不僅拓展了臺灣科學研究的領域,也讓臺灣成為整個東亞地區颱風研究的領頭羊,除對防災有所貢獻之外,更為人類追求知識及探索世界的歷程,譜下氣勢磅礡的樂章。

 

(本文由科技部「主題科學傳播」執行團隊撰稿)

責任編輯:郭啟東/國立中山大學