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追風故事–探求綺麗的颱風異想世界

一群大氣科學家選在颱風即將到來時,搭乘小型噴射機直闖颱風雲層頂端蒐集資料。就現代科技來說,這是改進預測颱風的最有效方法之一,能夠取得衛星遙測無法量取的關鍵資料。
 
 
 
人們經常抱怨颱風預報不夠準確,對於這個問題不能完全苛責氣象單位,因為就目前的科技來說,他們對於颱風的動向,例如颱風的移動、形成、強度發展及降雨等的掌握能力仍然有限。主要因為大氣科學的「實驗室」是大自然,大自然廣闊無際、千變萬化,非人力所能掌控,致使大氣科學家無法像其他領域的研究人員一樣地「做實驗」。

現在研究大氣的主要方法是「電腦數值模擬」,就是把種種已知的控制大氣發展的物理與數學方程式轉換成數值模式,然後輸入初始資料或一些特定的影響條件,再由電腦計算這些複雜的變化過程,以推導出最有可能的狀況。這些結果是進行颱風或氣候預報的最重要參考資料,而電腦數值模擬就是研究大氣最主要的「實驗室」。

混沌效應影響颱風動向

目前世界上等級最高之一的超級電腦「地球模擬器」位於日本橫濱,這套系統占用的空間就像臺灣大學體育館那麼大,它能以非常高的空間解析度計算出未來數十到數百年的整個地球氣候系統的變化。但是,即便是這麼驚人的電腦系統,其所運算出來的大氣變化仍無法全然準確,充滿不確定性。而天氣預報也有 1 ~ 2 周的上限,其中的一項主因就是「混沌效應」。

混沌效應是美國麻省理工學院勞侖茲(Edward Lorenz)教授在 1960 年代的意外發現,簡單說,大氣是一個「非線性系統」,這個系統對於初始條件非常敏感,只要初始值出現非常微小的改變,就會隨時間擴大而導致天差地遠的計算結果。1996 年的薩恩颱風就是說明混沌效應的一個簡單例子。

當時部分作業單位的電腦系統預測薩恩颱風會侵襲臺灣,但是實際結果並非如此,致使那次預報成為過度預警。過後,研究人員在電腦數值模擬系統中,把薩恩颱風周圍的大氣背景條件進行特定或隨機的微小改變,並由電腦重新模擬,最後產生許多不同結果。有一系列的改變使得颱風撲向臺灣,但另一系列改變卻使得颱風往北朝臺灣東側及日本方向行進。這個結果凸顯颱風預報對於初始條件的敏感性。

由此得知,用來預測颱風的電腦數值模式有相當多的變數,只要大氣資料稍不完整或不精確,就可能使得預測結果與實際路徑大相逕庭,這是混沌效應的特性。這個問題困擾著許多科學家,若要改善,除改進電腦系統外,還須提高颱風初始觀測資料的準確性。

飛進雲層頂端進行觀測

二次世界大戰時,人們以雷達、飛機觀測颱風,1970 年代以後增加衛星探測。衛星與雷達探測都是透過發射及接收電磁波或輻射訊號,藉以推估風向、溫度、濕度等資料。可是這些遙測資料,通常解析度較不足,同時具有較大的誤差及不確定性,要得到比較精確的測量則有賴「原位觀測」。

以颱風觀測來說,由於颱風位在茫茫大海中,要積極進行原位觀測,需透過飛機飛到颱風周遭實地測量各項大氣參數。氣象學家在這項任務中扮演了相當重要的角色,因為機長在安全和科學需求之間衡量的時候,需要氣象專家提供即時資訊以協助判斷最佳觀測路徑。美國是最早也具備最成熟科技針對颶風進行原位觀測的國家,每次遇有颶風可能侵襲美國,他們的空軍與國家海洋大氣總署就派出 C130 運輸機、P3 反潛機或高空噴射機,飛到颱風眼內及颱風周圍,並從高空投下「投落送」(dropwindsonde),量取重要颱風資料。

投落送是美國國家大氣研究中心開發的量測儀器,長 40 公分,重 450 公克,裡面的電子感測器能量測降落過程中的大氣氣壓、溫度、濕度等。在頂端有一個簡單的拖曳傘,可控制它以每秒鐘約 10 到 15 公尺的速度緩緩降落,另又裝有 GPS 定位系統,以便投落送每 0.5 秒回傳量測資料時能知道它的確切位置,如此蒐集到的量測資料經計算後,就能得到風速與風向。

量測資料會先經由無線電傳輸器傳回飛機主機,經機上科學人員進行解碼、編碼、除錯後,再透過衛星電話傳送到主要的氣象作業中心。穿越颱風的飛行航道通常成一個蝴蝶型(或稱 α 型),以便取得 4 個不同象限資料。必要時可飛行兩個 α 型航道,藉以取得更多方位資料來探知颱風的詳盡結構。

2003年開始展開追風計畫

究竟颱風或颶風是如何形成的呢?熱帶海面上常有許多凌亂的、對流發展明顯的積雲,大部分積雲不超過數小時,至多半天就消散了。但是一年裡面總有 80 ~ 90 次,一些積雲會互相組織化、接著合併出渦旋,進而形成颱風或颶風。一旦颱風在低緯度東風帶海面形成後,會被東風導引往西移動。臺灣位處於全世界颱風最頻繁的西北太平洋西緣,正是飽受颱風侵襲的區域。

2001 年,納莉颱風、桃芝颱風在臺灣造成嚴重災害。爾後在國科會支持下,我國大氣科學研究團隊從 2003 年開始,租用及改裝漢翔公司的小型噴射機,搭載研究人員和機器設備,飛到颱風周圍上方雲層中拋擲「投落送」,這個研究稱為「追風計畫」(Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region, DOTSTAR)。截至 2009 年為止,追風計畫總共執行任務 45 次,拋投投落送 751 枚,觀測範圍涵蓋距離台灣東側與東南側 1,500 公里範圍的西北太平洋海域。所得資料除提供臺灣中央氣象局與全球主要氣象作業中心使用外,並用來進行先進的科學研究。

例如韓國氣象局以追風計畫資料定位颱風後,把 2007 年聖帕颱風的暴風半徑從 250 公里修正為 350 公里。2004 年的康森颱風則是追風計畫最具戲劇性的一次成果,當時日本氣象廳因為加入追風計畫取得的量測資料,而改善其颱風路徑三天的預測誤差達 1,500 公里,更驗證了追風團隊的「策略性(標靶)觀測」理論,這個理論是在探索影響颱風預報的敏感區域。

如何判斷颱風的敏感區域呢?執行追風計畫的觀測路徑基本上是以繞行颱風一圈,藉以取得颱風結構的基礎資料為主。此外還會再探索幾個可能影響颱風路徑的關鍵點,這些關鍵點稱為敏感區域。如同混沌效應的概念,敏感區域中細微的差異可能導致電腦數值模式截然不同的結果,在有限的資源前提下,謹慎挑選拋投投落送的地點極具科學意義。

追風團隊的「策略性(標靶)觀測」理論,是先利用各種科學原理推算出敏感區域的位置,再針對這些位置進行額外的量測。在康森颱風的後續實驗中證實,當初判斷是敏感帶而在颱風最東側所投下的 3 枚投落送,完全左右了颱風路徑的預測。在數值模擬中加入或不加入這 3 筆資料所得到的 72 小時颱風路徑預測誤差相差超過 1,000 公里,因此充分支持「策略性(標靶)觀測」可有效地改進颱風路徑預測結果的理論。

追風計畫與國際實驗接軌

追風計畫進行至今已得到許多重要成果,例如以追風計畫資料驗證衛星資料後發現,當風速超過每秒 20 公尺甚至 30 公尺時,利用衛星資料估計風速的系統性誤差相當明顯。2004 年的統計資料也顯示,幾個主要作業中心的全球數值預報模式,在採用追風計畫資料後,對於颱風 1 到 3 天路徑預報誤差平均可減少 20%。如果換算成經濟數據,以美國東岸為例,颱風路徑預測誤差每減少 1 英里,可減少 1 百萬美金的經濟損失。

而追風計畫不只是臺灣本地大氣研究領域的重大實驗,更已經與國際接軌。聯合國世界氣象組織在 2008 年 8 至 9 月,在西北太平洋進行一個大型的 T-PARC 實驗,共同使用 4 架飛機(包括臺灣追風計畫的一架噴射機)進行觀測,把颱風從初期生成、增強、結構變化、轉向、到達高緯度轉變成溫帶氣旋的完整過程全部記錄下來,這個實驗已為颱風研究帶來嶄新突破。追風計畫團隊研發的理論方法和設計出來的觀測策略,也和日本、韓國、美國、加拿大、德國等團隊一起分享、共同進行實驗。這項研究並已被美國國家地理頻道拍攝為一個珍貴的科學紀錄片。

颱風問題豐富有趣

預測颱風的過程有許多不確定性,大氣科學家至今仍無能力把這些不確定性全部排除。但是我們的研究至少有助於了解這個不確定性的範圍,它到底在哪裡,有多大,並試著把它降低。

而在颱風研究的領域裡還有許多其他有趣的議題,例如氣候系統會控制颱風發展,如果氣候系統改變,譬如全球暖化,颱風會因此出現怎麼樣的變化呢?根據最新研究顯示,相對於整個地球大氣,颱風雖然只是局限一隅的劇烈天氣系統,可是颱風的高速旋轉渦旋會引起颱風周遭海洋溫度的變化,並有可能進一步回饋影響地球的氣候系統。此外,颱風在海面上攪動以後,有機會把較深層營養鹽豐富的冷海水帶到表面,進而引起海洋生物與地球化學的變化反應,這是另一個既複雜又有趣的熱門科學議題。

本文取材自國科會「2007 秋季展望系列演講第6場」臺灣大學大氣科學系吳俊傑教授的演講內容。
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