精准预测气象的「掩星技术」,让你知道台风放不放假!
2022 1月 17 By binance币安怎么注册下载 0 comment
  • 本文转载自科技大观园,原文为《放不放台风假就看它!——帮助卫星精准气象预测的「掩星技术」》
  • 作者 / 科技大观园特约编辑|曾繁安

新台风生成後,大家最关心的就是台风的路径、带来的风雨大不大,以及——到底放不放台风假?要能预测和评估台风的走向影响,可靠的气象观测资料是不可或缺的。这就不得不提,在我们头顶上认真执行观测任务的人造卫星,以及它们身怀测知气象变化的绝技!

贡献全球气象资料,福尔摩沙卫星功不可没

过去福尔摩沙卫星三号(福三)执勤十年,为全世界多个气象中心与研究单位提供无以计数的资料,可谓台湾在国际气象上的外交大使,於减少天气预报误差的贡献度上,更曾被评为全球前五。福三荣退後,接棒的福尔摩沙卫星七号(福七)也在今年二月完成任务轨道的全部部署。福三和福七都不只有一枚卫星,而是由各 6 枚卫星组成的卫星星系(constellation)。每一枚卫星就像在不同位置巡守、收集气象情报并互相通报的将士,使得观测范围可以覆盖地球各个区域,提供即时而完整的三维观测数据。

但福七与行经南北极的「绕极卫星」福三不同的是,它在南北纬 50 度间轨道绕行,主攻台湾、赤道与中低纬度台风盛行区的观测。因此福七可以提供密集度更高、更多的温度、压力、水气等气象资料。国家太空中心推估,它可提升气象预报准度 10% ——以台风为例,可以让 72 小时的路径误差改善 10%,协助我们更精准地评估气象变化与预防灾害。

每日可提供 4000 点大气垂直剖线资料、大幅提升全球气象预报准确度的福七,究竟是怎麽办到的?答案就是掩星技术 (Radio Occultation) 。

掩星技术,让卫星成为太空中最精准的温度计!

在天文学上,「掩星」指的是一个天体,在另一个天体与观测者之间通过,产生的遮蔽现象。但英文中的「Occultation」,也可以指前景中的物体,阻挡遮蔽背景中任何物体的情形。而所谓的「掩星技术」,就是利用电磁波讯号在经过大气层时,会因穿透不同温度、压力或湿度的空气层,被「遮蔽」而产生转向、变慢、减弱等的特性,来反演出地球上空之温度、气压和湿度。

卫星与卫星之间,本来因为地球的阻隔看不到彼此,但可以接受来自彼此的电磁波讯号。福七的主要酬载仪器——全球卫星导航系统无线电讯号接收仪」(TGRS),可以接受美国全球定位系统(GPS) 和俄罗斯全球导航卫星系统(GLONASS)全球定位卫星通过大气与电离层的折射讯号。接着,通过计算电波讯号的偏折程度,就可以反演出大气与电离层中的温度、水气、压力、电子密度等数据。

掩星技术在 1995 年才开始投入应用,而从 2006 年的福三,到如今福七计划中积累的研究经验,使台湾成为这项新颖技术领域的佼佼者。掩星技术所得到的资料具备高准确度和解析度,也拥有不需要大量接收讯号的卫星,就可以得到大范围数据、降低成本的优势,不仅可以用作气象预报,更能帮助我们监控和增进对气候变迁的了解。

卫星加上同位素的助攻,可以使天气预报更精准

另一方面,除了改善观测一般气象资料如温度、湿度、大气压力等参数的准确度,在气象观测中新增测定不一样的参数——如大气水分子的同位素,也可以让我们的天气预报更精准!

过去碍於资料的取得有限,同位素分析在气象观测与预报中常被忽略。但近年来人造卫星技术的发展,为气象科学推开新的一扇窗。来自欧洲太空总署、搭载光谱分析仪的卫星 IASI ( Infrared Atmospheric Sounding Interferometer ),让东京大学的研究团队,可以利用其所搜集到的大气水气资讯,在气象预报的模型中,第一次尝试纳入同位素资讯的考量来做分析。

我们都知道,拥有相同质子数、不同中子数的氢与氧元素之同位素,会让个别水分子的重量变得更重或轻一些。水分子同位素对气相和液相转换相当敏感,与一般的水分子 H2O 相比,较重的水分子如 H2HO 或H218O 会更倾向於凝结成水珠,或更难蒸发。因此蒸发与降雨过程等大气运动,便会影响不同同位素水气分子的分布。追踪它们的行迹,能增进我们对气象系统的了解。

研究团队以 2013 年在日本发生的低压事件作为参照,发现纳入同位素的数据之後,气象模型能更好地模拟这次事件的整体气压情形。而在全球的尺度,尤其是中纬度及北半球地区,融合同位素资讯後,气象预报如气温及湿度预测的准确度,也都有所提高。虽然这只是初步的探究,但科学家期许,未来进一步完善气象观测卫星对同位素资料的收集,能使人类更往精准气象预测的目标迈进。

人造卫星就像是科学家的千里眼,能观测千里之外的风云变化。发展卫星技术,不仅能让我们更精准预测气象,在全球化的现代,也能在国际上发挥「Taiwan Can Help」及互助的精神;各国对航太技术的投入与数据资源共享,更是科研工作与人类社会的一大福音。

参考文献

  • 福卫七号星系布署完成
  • Wikipedia-Radio occultation
  • 掩星观测简述
  • 福卫七号/何谓掩星技术?这里一次解答
  • 台湾太空科技扎根30年 未来1年1卫星发射
  • Better weather forecasting through satellite isotope data assimilation
  • IASI data product profile

  • 情慾、性别、身体与性犯罪——科学视角下的性教育
  • 如何打造科学家的房间!科学实验室EP.6 — 会动的AR绘本
  • 利用阿基米德浮力原理,当玻璃小球浮起时测量气温~伽利略温度计
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