- 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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