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遙測解開雙颱效應之謎——中央大學劉說安跨領域研究

國立中央大學太空及遙測研究中心特聘教授劉說安在雙颱研究上出色的成果,其實源自一些「意外」?除了颱風,劉說安通過遙測技術、空間計算和視覺化分析進行了一系列環境相關的研究,廣泛的研究興趣也源自求學時期培養的跨領域知識和獨立學習能力。
 
 
夏日一到,颱風季就來,氣象主播常說:「雙颱效應帶來更大的災害。」雙颱效應又稱為「藤原效應」,當兩個颱風距離在1,500公里內就會相互牽引,造成颱風滯留,帶來更大的降雨。
 
透過近10年的衛星圖像及颱風軌道數據,國立中央大學太空及遙測研究中心特聘教授劉說安發現,雙颱距離即使遙遠,但之間若有天氣系統(如熱帶低氣壓、東北季風、西南氣流等),藤原效應依然會發生,藉此推導「雙颱交互作用經驗公式」,增進颱風路徑受雙颱效應影響的了解。
 
陰錯陽差開始的颱風研究

「這是出其不意的發現!」劉說安笑說,過去大多從事地表過程(註1)、GPS氣象(掩星觀測)與冰凍圈相關的研究,2006年借調到清雲科大(現為健行科大)擔任電資學院院長時,擬訂發展方向之一為衛星科技,協助院內教授架設基地台接收「資源衛星」影像,卻陰錯陽差地設計成「氣象衛星」影像的基地台,「既然臺灣長年遭受劇烈天氣系統迫害,那就來看看颱風動態吧!」意外開啟颱風的遙測研究。

他表示,研究初期發現,雙颱明明距離很遙遠,卻仍有藤原效應,經分析衛星影像發現,雙颱中間存在著熱帶低氣壓時,兩個颱風可以透過各自與熱帶低氣壓牽制,而間接影響彼此動向,如同遊樂場中三個逆時針繞圈圈咖啡杯一樣,互相影響與箝制。
 
劉說安研究發現,2012年天秤與布拉萬颱風間夾著低氣壓,加強雙颱的交互作用。(圖/劉說安提供)
▲劉說安研究發現,2012年天秤與布拉萬颱風間夾著低氣壓,加強雙颱的交互作用。(圖/劉說安提供)
 
藉由日本MTSAT 1R、MTSAT 2及其後續Himawari 8的太陽同步氣象衛星數據資料,萃取颱風關鍵數據資料,如三維資訊、軌道等,劉說安推出雙颱相互作用的公式(Liou-Liu經驗公式),利於未來藤原效應的研究。此外,他也分析西北太平洋強颱形成的有利因素,包括冬季東北季風與夏季西南氣流的影響。

接錯訊號後,劉說安一連發了4篇颱風論文至頂級國際期刊。他坦言,自己是個隨遇而安、熱愛研究的工作者,視任務或時機需要,碰到有意義的問題就用心投入研究,所以研究範疇多元化,涵蓋颱風、福爾摩沙三號掩星觀測、冰川融化及全球生態環境脆弱度觀測等,也反應了遙測技術應用多元化的本質。
 
探訪北極圈 親見融冰現象
 
劉說安特別關注全球暖化的議題,曾至格陵蘭西部考察冰川融化的情況。他表示,看到褐色的地表因雅各布港冰川融化而裸露,海岸旁漂著碎冰塊,那時的擔憂勝過一睹北極圈風采的興奮。透過歷年福爾摩沙衛星二號影像,他看到北冰洋冰層裂縫日益擴大,2010年發現雅各布港冰河縮減達13平方公里。
 
 
他呼籲,政府應採取積極行動,因為依照融冰的速度,北冰洋冰帽會持續變薄、面積變小。當北極海的白色冰蓋大幅萎縮,海水會吸收更多陽光,導致暖化加劇,全世界的生態系都會受到影響。
 
近年劉說安持續透過各種遙測方式、地理資訊系統、空間計算及視覺化分析等技術,進行全球生態環境脆弱度分析,包括:旱災、水災、颱風、冰川、都市熱島效應等研究,研究範圍遍及臺灣、中國與東南亞國家,乃至全球。
 
劉說安赴格陵蘭西部考察冰川融化的情況。(圖/劉說安提供)
▲劉說安赴格陵蘭西部考察冰川融化的情況。(圖/劉說安提供)
 
跨領域學習 連結遙測和理論才能解決問題
 
遙測提供有別於地表觀測的視角與資訊,是相當好的研究利器,可應用於農漁業、水文、氣象、森林資源、都市規劃等研究。但劉說安表示,遙測僅是工具,除了懂得應用外,還需具備大氣科學、地球科學等跨領域知識,才能找到重要的研究議題,並針對問題找到關鍵的新發現,以及解決問題的方法。
 
為了豐富自己跨領域知識的缺口,劉說安在密西根大學攻讀電機工程碩博士時,就積極跨領域修課,除了精進電磁波與遙測技術外,還修習大氣、海洋與太空科學課程。他的指導教授是美國國家航空暨太空總署(NASA) 的太空人Anthony W. England,曾參與阿波羅13 號及16 號登月任務,更是遙測專家。

England教授雖是名師,但沒有架子,常鼓勵劉說安多提出自己看法,也影響他爾後的研究。1996年完成跨足衛星遙測技術與地表過程模式化的研究,提出精進地表過程與亮溫模式(LSP/R模型)(註2)的方法,取得密西根大學電機工程暨大氣、海洋與太空科學雙博士。

「博士訓練相當重要,它是人生中少數能全心全意做研究的時刻。」劉說安認為,單靠課程所學,並無法養成獨立研究的能力,因此建議學生務必要培養自學的能力。
 
劉說安建議同學不僅要跨領域修課,更要培養自學能力。(圖/劉說安提供)
▲劉說安建議同學不僅要跨領域修課,更要培養自學能力。(圖/劉說安提供)
 
他以自己做博士論文研究為例,主要透過衛星接收地表微波輻射觀測資料,來演算地表溫度、土壤含水量等參數,並進一步推測地表為凍融過程或覆蓋植被的狀況。過程中,研究所需的地表過程知識,完全是自己找書自修而來,而非課堂上所學習。
 
儘管原理解釋容易,但模式建立相當費工,必須窩在圖書館補足相當多的土壤、植被與大氣間的交互作用、能量守恆定律等知識。當時他的筆記本上寫滿自己所推導的公式,「唯有蹲好馬步、下苦功,才能將知識融會貫通,往後的研究才能紮實。」劉說安考慮日後或許可將當時的筆記整理並出版,這也顯示筆記內容的廣度與深度。

近30年的研究生涯,劉說安在遙測資料應用、氣象預報精準度提升與GPS掩星觀測理論不斷精進,發表期刊及論文超過百篇,也積極促成國際學術交流與合作,因而榮獲俄羅斯聯邦工程科學院外籍院士、國際宇宙航行科學院院士、韓國遙測學會榮譽終身會員及越南國家科學院的水晶貢獻獎,並在去年獲頒108年科技部傑出研究獎。我們可以期待,劉說安未來還會有更多跨領域的研究成果與貢獻。
 
註1:地表過程:地表土壤、植被及大氣間能量交互作用的機制。
註2:亮溫:亮度溫度或亮溫度是一種衛星遙測術語,表達物體在特定頻率輻射強度的溫度。運用遙測技術時,可以透過亮溫來解釋被觀測物體的物理特徵。
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