解析「福卫七号」的观测原理——它发射升空後,如何让天气预报更准确?
2022 1月 17 By 科学探索家 0 comment
  • 本文转载自科技大观园,原文为《接棒福三,福卫七号让天气预报更准确!》
  • 作者/郭雅欣|科技大观园特约编辑

2019 年 6 月 25 日,福尔摩沙卫星七号(简称福卫七号)在国人的引颈期盼下升空。一年多来(编按:以原文文章发布时间计算),尽管卫星还没有全部转换到预定的轨道,但已经回传许多资料,这些资料对於天气预报的精进,带来很大的助益。中央大学大气系特聘教授黄清勇及团队成员杨舒芝教授、陈舒雅博士最近的研究主题,就是福卫七号传回的资料,对天气预报能有哪些改善。

掩星观测的原理

要介绍福卫七号带来的贡献,得先从它的上一代──福卫三号说起。福卫三号包含了 6 颗气象卫星,轨道高度 700~800 公里,以 72 度的倾角绕着地球运转(绕行轨道与赤道夹角为 72 度)。这些卫星提供气象资讯的方式,是接收更高轨道(约 20,200 公里)的 GPS 卫星所放出的电波,这些电波在行进到气象卫星的路程中,会从太空进入大气,并产生偏折,再由气象卫星接收。换句话说,气象卫星接收到的电波并不是走直线传递来的,而是因为大气的折射,产生了偏折,藉由偏折角可推得大气资讯。

气象卫星会一边移动,一边持续接收电波,直到接收不到为止,在这段过程中,电波穿过的大气从最高层、较稀薄的大气,逐渐变为最底层、最接近地面的大气,科学家能将这段过程中每一层大气所造成的偏折角,通过计算回推出折射率,而折射率又和大气温度、水气、压力有关  ,因此可再藉由每个高度的大气折射率,得出温湿度垂直分布,这种观测方式称为「掩星观测」。掩星观测所得到的资料,可以纳入数值预报模式,进一步做各种预报分析。 

资料同化──观测与模式的最佳结合

在将掩星观测资料纳入数值预报模式时,必须先经过「资料同化」的过程。数值预报模式内含动力方程式,可以模拟任何一个位置的气块的运动,但是因为大气环境非常复杂,模拟时不可能纳入全部的动力条件,因此模拟结果不一定正确。而另一方面,掩星观测资料提供的是真实观测资讯,杨舒芝形容:「观测就像拿着照相机拍照,不管什麽动力方程式,拍到什麽就是什麽。」但是,观测的分布是不均匀的—唯有观测过的位置,我们才会有观测资料。

所以,我们一手拥有分布不均匀但很真实的观测资料,另一手拥有很全面但可能不太正确的模式模拟。资料同化就是结合这两者,找到一个最具代表性的大气初始分析场,再以这个分析场为起点,去做後续的预报。资料同化正是杨舒芝和陈舒雅的重点工作之一。 

由於掩星观测取得的资料与大气的温度、湿度、压力有密切关系,因此在预报台风、梅雨或豪大雨等与水气量息息相关的天气时,带来重要的帮助。黄清勇的团队针对福卫三号的掩星观测资料对天气预报的影响,做了许多模拟与研究,发现在预测台风或气旋生成、预报台风路径,以及豪大雨的降雨区域及雨量等,纳入福卫三号的掩星观测资料,都能有效提升预报的准确度。

黄清勇进一步说明,由於台风都是在海面上生成的,而掩星观测技术仰赖的是绕着地球运行的卫星来收集资料,相较於一般位於陆地上的观测站,更能够取得海上大气资料,因此对於预测台风的生成有很好的帮助。另一方面,这些资料也能帮助科学家掌握大气环境,例如对於太平洋高压的范围抓得很准确,那麽对台风路径的预测自然也会更准。根据团队的研究,加入福卫三号的掩星观测资料,平均能将 72 小时台风路径预报的误差减少约 12 公里,相当於改进了 5%。

豪大雨的预测则不只温湿度等资讯,还需要风场资讯的协助,杨舒芝以 2008 年 6 月 16 日台湾南部降下豪大雨的事件做为举例,一般来说豪大雨都发生在山区,但这次的豪大雨却集中在海岸边,而且持续时间很久。为了找出合理的预测模式,杨舒芝探讨了如何利用掩星观测资料来修正风场。 

福卫七号接棒观测

随着福卫三号的退休,福卫七号传承了气象观测的重责大任。福卫七号也包含了 6 颗气象卫星,不过它和福卫三号有些不同之处。

福卫三号是以高达 72 度的倾角绕着地球运转,取得的资料点分布比较均匀,高纬度地区会比低纬度地区密集一些。相较之下,福卫七号的倾角只有 24 度,它所观测的点集中在南北纬 50 度之间,对台湾所在的副热带及热带地区来说,密集度更高;加上福卫七号收集的电波来源除了美国的 GPS 卫星,还增加了俄国的 GLONASS 卫星,这些因素使得在低纬度地区,福卫七号所提供的掩星观测资料将比福卫三号多出约四倍,每天可达 4,000 笔。

另一方面,福卫七号的软硬体比起福卫三号更加先进,可以获得更低层的大气资料,而因为水气主要都集中在低层,所以福卫七号对水气掌握会比福卫三号更具优势。

从福卫三号到福卫七号,其实模式也在逐渐演进。早期的模式都是纳入「折射率」进行同化,而折射率又是从掩星观测资料测得的偏折角计算出来的。「偏折角」是卫星在做观测时,最直接观测到的数据,相较之下,折射率是计算出来的,就像加工过的产品,一定有误差。因此,近来各国学者在做数值模拟时,愈来愈多都是直接纳入偏折角,而不采用折射率。黄清勇解释:「直接纳入偏折角会增加模式计算的复杂度,也会增加运算所需的时间,而预报又是得追着时间跑的工作,因此早期才会以折射率为主。」不过现在由於电脑的运算能力与模式都已经有了进步,因此偏折角逐渐成为主流的选择。 

福卫七号其实还没有全部转换到预定的轨道,不过这一年多来的掩星观测资料,已经让中央气象局对热带地区的天气预报,准确度提升了 4~10%;陈舒雅也以今年 8 月的哈格比台风为案例,成功地利用福卫七号的掩星观测资料,模拟出哈格比台风的生成。

除了福卫七号,还有一颗称为「猎风者」的实验型卫星,预计 2022 年将会升空。猎风者的任务是接收从地表反射的 GPS 卫星电波,然後推估风速。可以想见,一旦有了猎风者的加入,我们对大气环境的掌握度势必更好,对於台风等天气现象的预报也能更加准确。就让我们一起期待吧!

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