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為大氣層體檢：福衛三號與福衛七號的觀測

  照片來源：國家太空中心 NSPO


文/吳育雅



 前言：準備好面對極端天氣

今(2019)年五、六⽉在台灣、⽇本等地常⾒「暴⾬狂轟猛炸」的劇烈天氣，瞬間豪⾬造 成的積⽔與交通癱瘓，⼈⼈感同⾝受。在進⼊盛暑之際更令⼈驚駭的是歐洲持續的熱浪消息，南法的加爾省(Gard)氣溫在6⽉28⽇達到攝⽒45.9度，在南歐許多地區的氣溫打破過去所有的紀錄，⾼溫也促發了對流層臭氧污染等問題，媒體標題紛紛以「地獄般」來加以形容。我們了解「熱浪」不單是出現駭⼈的⾼溫，更是⾧達數天出現⽐平均溫⾼出攝⽒五度以上的氣溫 （圖1），想像⼀下整個區域連續數天浸沒在蒸汽浴的⾼溫環境下，還真是有如地獄般的嚴酷考驗！這⼀波熱浪打破了2003年歐洲史上最熱的攝⽒44.1度的⾼溫紀錄，唯⼀可欣慰的是今年歐洲氣象中⼼（RCC-CM/WMO）在數天之前提出極端熱浪警報的預報，⽽有效防範像2003那⼀年熱浪造成15,000⼈死亡的慘劇。
福衛三號與福衛七號的觀測圖片1
圖1. 2019年6⽉25-29⽇歐洲熱浪，右側⾊標顯⽰與氣候平均值的差異，南歐⼤多數地區⽐平均溫度⾼出攝⽒5~9度。(照片來源)

 觀測資料：天氣準確預報的關鍵

氣候變遷與極端天氣是⼈類不得不⾯對的挑戰，我們也越發依賴「數值預報」系統，提供我們⽣活⾏動的資訊。⽽預報天氣或氣候⼗分仰賴觀測資料，在時間上或空間上密集與精準的即時資料接收與同化，是電腦數值運算最為⾄關緊要的依據。

傳統的氣象觀測包含百葉箱、⾵向⾵速儀、⾬量筒等收集地⾯的觀測資料 ; ⾼層⼤氣的狀態則透過施放測⾵氣球及無線電探空儀，從地表每分鐘上升三、四百公尺，直到⼤約三⼗公⾥⾼。⼀⾯升空時⼀⾯將感應器偵測到的氣溫、氣壓、濕度等⼤氣資料，透過無線電發報器傳回接收站 ; 探空氣球可能被⾵吹送⽽飄離施放地點上空，因⽽從探空儀的位置也可以獲得⾵向與⾵速的資訊。

以傳統氣象觀測而言，中央氣象局有26個地⾯綜觀氣象站，⾼空氣象以花蓮和板橋兩站 為主，每⽇早、晚⼋點(國際標準時：0時與12時)各完成⼀次探空作業(圖2右上)。全球約有11,000 個主要的地⾯觀測站每三⼩時提供⼀筆新的觀測，然⽽⾼空觀測站固定每隔12⼩時提供資料的測站⼤約僅有⼀千多個(圖2)，更⼤的問題是觀測資料分布很不均勻，觀測站幾乎都設置在陸地上，且集中在已開發的國家。
福衛三號與福衛七號的觀測圖片2
圖2. 全球1,300個⼤氣探空觀測站的位置，其中三分之⼆的測站每⽇施放兩次探空氣球，⼤約100〜200個測站⼀天⼀次，有些測站在特殊天氣需要時才會實施探空作業(根據國際氣象組織/WMO 2017年11⽉資料)，測站分布位置很不均勻，特別是缺少海⾯的觀測資料。 (照片來源：左圖引⾃WMO網⾴，右上為中央氣象局網⾴。)

預報⼤氣系統的流動或預測天氣現象，需要各區域的初始觀測資料，空氣流動是沒有國界的，很多⼈知道蝴蝶效應的名⾔：「北京的蝴蝶揮⼀揮翅膀，可能造成紐約的大風雪」。在地球的所有層圈中⼤氣圈質量最小、是最靈敏的層圈，容易受到所有層圈各種因素的影響。⼤氣現象雖然由物理定律所控制，也因層層種種的影響⽽加倍複雜，⼀個地區的天氣預報必須考慮全球的⼤氣系統變化，同時需要時時根據真實的觀測資料來檢驗並修正預報。因此，盡快獲取全球的真實⼤氣資料是所有數值預報的基礎。

2006年4⽉我國福衛三號的六顆微衛星升空之後，對於收集全球⼤氣資料的能⼒⼤幅提升，每三⼩時可取得⼤氣資料切點(Ray tangent point)分布如(圖3)，平均每天可以得到兩千⾄三千點從⾼空⾄近地表⼤氣剖⾯，彌補了原本稀疏的海⾯及⾼緯度觀測地點的資料。同時由於掩星技術可以取得很⾼的精準⼤氣數據，引起全球⼤氣研究組織的重視，國際⼤氣研究的先驅紛紛來台訪視，也成功促進我們在⼤氣學界的友好外交與國際地位。福衛三號計畫是由國家太空中⼼(NSPO)與美國⼤學⼤氣研究聯盟(UCAR)共同合作，命名為「氣象、電離層及氣候觀測星系」(Costellation Observing System for Meterology , Ionoshere and Climate, COSMIC)，國際上提到這項計畫時，常以「FORMOSAT-3/COSMIC」稱之。有關這項計畫的掩星技術，雖然天⽂界早已普遍作為⾏星研究的⽅法，1995年開始應⽤到地球上的氣象觀測，⽽直到FORMOSAT-3/COSMIC⾸次進⾏涵蓋全球的⼤氣的規模密集觀測，將掩星技術提升到可應⽤在改進每⽇氣象，尤其是減少劇烈天氣災害的價值。

圖3. 福衛三號掩星技術每三⼩時可以獲得的⼤氣資料點分布(圖片來源：Cosmic.ucar.edu)

 掩星技術：福衛三號與福衛七號的觀測原理

我們知道光不像聲⾳，是不會轉彎的，無線電波和光⼀樣都是電磁波，只能直線傳播。所以我們不想被⼈發現時，只要躲在物體背後就可以遮掩。應⽤掩星技術研究⼤氣，簡單地說，就是原本被遮掩的物體，理論上無法收到訊號，卻因為⼤氣使訊號折射⽽接收到了。透過地球⼤氣層可以使全球定位系統衛星(GPS)發射的無線電波產⽣折射的關係，得知⼤氣的折射率，再分析出影響折射率的⼤氣因素，即為掩星的基本原理。

全民很常⽤在導航上的全球定位GPS (GNSS)衛星，在⾼度20,200公⾥，⼤約每12⼩時繞地球⼀周。福衛三號及七號是在500-800公⾥⾼的近地軌道衛星，公轉速度要⽐GPS快些，週期⼤約將近100分鐘(圖4)。在衛星不停地環繞全球運⾏時，透過掩星關係得到電波折射⾓度，便可得知折射⾓度，再根據中學曾經學過的司乃耳定律(Snell’s Law)( 可參考高瞻自然科學教學資源平台)求折射率。

圖4. 如果沒有地球⼤氣造成電波的折射，福衛三號將因地球遮掩無法接收GPS 衛星的信號，當福衛三號收到GPS電波經⼤氣折射傳來的信號時，便可由兩者相對的位置獲得折射 ⾓，圖⽰電波通過上層⼤氣時所受的影響

如同圖5所⽰意，當衛星不斷運⾏⽽改變位置時，就會切過不同⾼度的⼤氣。假設把圖4中的上下兩層⼤氣細分為100層，即得⼤氣在100個不同⾼度的折射資訊，實際上福衛三號的近地表⼤氣⾼層解析度在每100公尺即可解算出⼀筆數據(Anthes, 2011)。我們已知改變⼤氣折射率的主要變因是氣溫、氣壓、濕度和電⼦密度(圖6下)，在電離層主要改變折射率的是電⼦密度，臭氧層則受到氣溫與氣壓影響，⽽⽔氣集中在⼤氣底部的對流層，決定對流層折射率的除了氣壓、氣溫之外，還加上⽔氣的影響。複雜的掩星演算法即是透過以上基本原理推導，最終得出⼤氣電離層的電⼦密度以及低層⼤氣的氣溫、⽔氣等分布(圖6下最右側)。

圖5. 福衛七號的週期較短，相對位置改變比GPS衛星大，當福衛七號不斷移動時，接收的信號即受不同高度的大氣層折射而來(參考NOPS網頁繪製）



圖6. 福衛三號取得⼤氣不同高度資料的⽰意。福衛三號與GPS衛星不停地在高空運⾏，兩者相對位置的改變受不同⾼度的⼤氣層折射(左上)；可讀取不同⾼度⼤氣折射率，有如洋蔥構造般（右上）⼀層層解析⼤氣的電⼦密度、氣溫、氣壓、⽔氣等影響因⼦（見圖中折射率公式）與⼤氣分層⽰意（右下），最終獲得⼤氣剖⾯不同⾼度的各項氣象因⼦（右下)

掩星技術的成功能受到重視，除了可涵蓋沒有氣象站的地點，另⼀⽅⾯由於探空儀⼤約到達30公⾥⾼空氣球就會爆破，因此僅獲得從地表⾄30公⾥⾼的⼤氣資料，⽽掩星技術可以衍算出⼤氣五、六百公⾥⾼的數據。同時探空儀由於回收困難，施放⾼空氣球⼀次需要的成本是台幣⼀萬，⽐起來使⽤期⾧達數年的衛星計畫絕對是本⼩利⼤。其實更重要的原因是福衛三號的掩星技術已證明是⽬前最精確與準確的氣溫與濕度觀測結果！

 數據的準確度與精確度

福衛三號從2006年升空運轉以來，每⽇提供數千筆⼤氣剖⾯的資料，也透過國際交換成為全球⼤氣研究單位⾮常重要的資料來源，因此這⼗多年來發表的研究成果⼗分豐碩。以下稍微理解如何⽐較資料的準確度與精確度。

簡單的說準確度就像打靶要正中靶⼼，以量體重來說，在不同的體重計如果得到的重量都不⼀樣，那⼀個體重計數值⽐較準呢？通常我們會找更多不同的測量結果來進⾏⽐較，更直接的⽅式則是已知那⼀實驗室擁有最精準的測量⼯具，先去⽤它的測量結果⽐對。同樣地關於掩星技術的結果，Shu-peng Ho等⼈(2010)透過⾼準確度的探空儀感應器(Vaisala-RS92) 和五千筆福衛三號的觀測結果互相⽐較，獲得兩者的氣溫差距⼩於0.13度，不同的⽐較⽅式，也有多篇研究結果發表，也⼀致認同福衛三號的觀測資料有很接近真實⼤氣的⾼準確度。⾄於精確率是⽤來形容多次測量 結果的⼀致性，也就是測量數次都有相同的結果。這項計畫在衛星升空初期，六顆衛星在相距不遠的位置觀測，是檢驗掩星技術精確率的⼤好時 機。圖7即為福衛三號升空後第8天，⽤福衛三號模組⼀(FM-1)和模組四(FM-4)分別取得的氣溫剖⾯(⿊線，FM-1; 紅線，FM-4)，兩者⾮常相近， 再與鄰近探空儀觀測⽤內差換算相同位置的數值(AVN)進⾏⽐較也相當吻合，這些論⽂對於福衛三數據的⼀再確認，讓福衛三號的掩星法獲得響亮的「太空中最精準的溫度計」的名號！

圖7. 2006年4⽉23⽇在福衛升空第8天，由福衛模組⼀(FM-1，⿊線)福衛模組四(FM-4，紅線)取得西經95.4度、南緯20.4度上空的低層⼤氣氣溫資料，兩者⼗分⼀致，再與鄰近地區探空資料(AVN)⽐較(資料來源：引⾃R. A. Anthes ，2011)

掩星技術的數據還有其他優異的特性，例如全球覆蓋、資料的⾧期穩定性，時間與空間上的⾼解析度等。福衛三號的掩星數據除可供天氣數值預報參考的觀測值，特別是在提升颱⾵路徑預報等威脅民⽣的劇烈天氣系統有明顯的助益，同時在監視全球電離層、太空天氣與氣候變遷也有很多重⼤發現，⾧達13年的忠勤紀錄是相當寶貴的研究數據庫。在國家太空中⼼以及UCAR的網⾴可以連結眾多論⽂，有興趣的讀者可以在此讀取⾮常豐富的研究文獻。因此太空中⼼與美國的⼤氣與海洋總署(NOAA)於2010年再度簽署合作計畫，繼續發展掩星觀測的福衛七號（COSMIC-2)計畫，第⼆期接替的六顆微衛星已在台北時間2019年6⽉24⽇的下午2:30順利升空並成功通聯，取代福衛三號繼續⼤氣、氣候與電離層的精進研究。

 結語

掩星技術過去在天⽂⾏星研究上有50年的歷史，直到福衛三號的發展讓⼤氣界眼睛 ⼀亮，認同這項技術可以是⼤氣觀測的利器，掩星技術才開始廣泛應⽤在⼤氣上。台灣參與這國際合作的機緣可遠溯⾄1997年5⽉的⼀場颱⾵研討會。在此之前⼀年7⽉底，台灣剛經歷賀伯颱⾵對全台的衝擊，賀伯是「西北颱」⾵⾬驚⼈，南投神⽊村出現⼤規模的⼟⽯流， 全台各地也都災情慘重。颱⾵來⾃台灣附近海域，⽋缺觀測資料使我們對颱⾵路徑難以掌 握。時任國科會副主委蔡清彥教授領隊赴美參加颱風研討會，當時在美國⼤學⼤氣研究聯盟(UCAR)的郭英華博⼠(蔡教授在台⼤任教時的學⽣)指出針對颱⾵預報迫切需要海⾯觀測，促成了UCAR 與太空中⼼的福衛三號衛星合作計畫。不過，要完成⼀項偉⼤⼯程需要的是很多英雄豪傑的合作，台灣還有在太空電離層領域的先驅劉兆漢院⼠和李羅權院⼠，他們的前瞻願景是建⽴台灣的衛星能⼒，並做出對⼈類有貢獻的科學研究，以這樣的遠⾒共同合作引領了這項創新研究的科學任務規劃，因此UCAR的董事 Robert Anthes教授在發表COSMIC成果時感受深刻地說：「創新、毅⼒、⽇以繼夜努⼒，更因領袖⼈物之間的信賴， 是這項新的技術成功的關鍵！」。這些科學前輩們從規劃、設計到執⾏計畫歷經20年的認真⼯作堅持創新和合作無間，實在是值得青年學⼦了解的典範！

圖8. 1997 年的颱風研討會中決定了後續的福衛三號計畫(FORMOSAT-3/ COSMIC)，發展這項計畫關鍵的與會領袖：R. Anthes (左2) 、蔡清彥教授(左3)、劉兆漢院士 (左6)、李羅權院⼠ (左8)等(資料來源：Anthes，2016)

 參考資料及相關網頁

高空氣象觀測：中央氣象局網⾴
國際氣象組織
太空中心網頁
UCAR網頁
World Meteorological Organization (WMO)
R. A. Anthes (2011) Exploring Earth’s atmosphere with radio occultation: contributions to weather, climate and space weather, Atmos. Meas. Tech., 4, 1077–1103, 2011.
R. A. Anthes (2016) FORMOSAT-3/ COSMIC, 20 years of History,Third International Conference on GPS
Radio Occultation Taipei. 9-11, March 2016.




臺大師資培育中心兼任專技助理教授
吳育雅