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TAHOPE專輯(一):預測豪雨的蹤跡-氣象人的逐夢大計

「啊你念天氣的,那等等會下雨嗎?」
「......」(你想被揍嗎?)

壹、捉摸不定的暴雨

對天氣預報而言,突來的暴雨、和大量的暴雨,是心中最煩惱的一塊。

我們能推估明天高雄市的降雨機率、能算出下半季的聖嬰趨勢,但對於極短時間內的天氣變化,如:「三小時後,臺北市信義區會下午後雷陣雨嗎?」這種短瞬即生的變化,以及「明天下午兩點到五點,臺南永康的累積雨量會超過200毫米嗎?」這種精確的定量降雨預報,在科學上仍有難以預測的技術門檻。

所以,人類需要擲杯求助神明投資新科技!於是2022年、臺美日的聯合大型氣象觀測計畫-TAHOPE閃亮登場惹!

天然的「劇烈天氣實驗室」-臺灣

臺灣,位於世界最大的海洋與大陸之間、熱帶與副熱帶之間、並有高山平原錯落的地形,造就了臺灣天氣的複雜與多樣性。每到夏天,梅雨、颱風、午後暴雨等,就是我們的日常。這些天氣系統雖然帶來了豐沛的雨水、卻也同時伴隨著致災的風險:如淹水、山洪暴發、坍方、土石流等,對人們的生命財產安全產生了巨大威脅。

因此,中央氣象局用了數個世代,在全臺各地逐步建置了大量的氣象觀測基礎建設:全球幾乎最密集的地面雨量觀測網、涵蓋全臺的4座大範圍雷達網加上強調都會人口密集區的降雨雷達觀測、傳統高空觀測探空站、大氣垂直溫濕度剖風儀、水象粒子觀測雨滴譜儀、密集閃電觀測網...等,以其能在可能致災的事件發生前,掌握大氣的蛛絲馬跡,提前預警。

然而,現階段人類的科學能力,對這些事件的理解和預測仍然有限,因此各國科學家亟需一個有利的環境,密集地了解「豪大雨」的各種面貌。

科學的第一步是「觀察」,而臺灣,就具備四個關鍵特色,使其成為科學家眼中理想的「劇烈天氣實驗室」:
● 富含水氣的環境
● 複雜地形、海洋環境
● 密集的專業大氣觀測網絡
● 高頻率的各種類型強降雨

豐富的天然環境條件,加上完整的基礎觀測網,提供了優良的科學研究環境,吸引各國大氣科學家帶著最先進的設備訪臺、一起「觀天測雨」,透過大量觀測取得資料,抽絲剝繭,解讀大雨的秘密。

於是2022年夏天,集結臺美日三國之力,進行了「臺灣區域豪雨觀測與預報實驗(Taiwan-Area Heavy rain Observation and Prediction Experiment, TAHOPE, )」,以最先進的設備、最密集的觀測頻率,觀測、收集臺灣的梅雨、颱風,及各種劇烈天氣的數據,盼能讓我們對劇烈降雨有更多的了解[註1]。

註1:此跨國大型計畫,在各國的名稱略有不同。美國:Prediction of Rainfall Extremes Campaign in the Pacific,簡稱PRECIP。日本:Tropical cyclones-Pacific Asian Research Campaign for Improvement of Intensity estimations/forecasts,簡稱T-PARCII。

TAHOPE。


貳、看得更多、看得更細,才能預判未來
想對「豪大雨」有良好的預測,必須先有充足的觀測資料,以及具備模擬豪大雨能力的電腦程式,也就是「數值預報模式」。

在TAHOPE計畫實驗期間,為了對帶來豪大雨的強對流系統有更精細的了解,在觀測的空間上及時間上都進行加強,不僅提高了劇烈天氣發生前及發生當下的觀測頻率和密度,並且更使用了國際上最先進設備,如:S-Pol 雷達、CSU SEA-Pol 雷達、微脈衝差異衰減雷射雷達(MicroPulse Differential Absorption Lidar)等,佈署在不同的觀測地點,取得比平時更多的資訊。那麼,它們扮演了什麼角色呢?

一、氣象雷達

「XX颱風中心位於花蓮市東方外海約100公里處,過去兩個小時正逐漸加速北轉、由東轉北北東前進...」咦,花蓮外海又沒住人,氣象局怎知道颱風中心正在轉彎?

因為有雷達啊~

氣象雷達是什麼?
氣象雷達會向天空發射我們人眼看不見的電磁波,當這些電磁波碰到雲層中的水滴、冰粒時,有些電磁波會反射回來,被雷達接收,而根據電磁波反射回來時間、方向及訊號強弱,我們就可以分析出遠方天空中雨水的位置及移動,就能「監測」到遠方的對流雲、甚至颱風、梅雨等天氣系統,進而推估它們未來的影響,是現今天氣觀測及預測上非常中要的工具!

為了「眼觀四面」,臺灣自1966年在花蓮設置第一座氣象雷達之後,氣象局陸續於北、中、南、東建置,並於2002年完成了觀測範圍涵蓋全臺的「氣象雷達網」,監測、掌握來自各個方向的天氣系統的威脅。隨著技術的演進,在2014率先將位於新北市五分山的雷達,升級為功能更強大的「雙偏極化都卜勒雷達」,幫助氣象人員更正確地推估可能的降雨量與降水型態。在地狹人稠的臺灣,為了守護人口密集的都會區,氣象局自2016年起也佈建了新一代的「防災降雨雷達」,能夠對北中南三大都會區更有效地監測短時間形成的強降水,提前發出預警,也與原有的雷達相輔相成,使臺灣的雷達觀測網更為完備。

而除了臺灣原有的氣象雷達網之外,在TAHOPE計畫裡,美國更送來了S-POL雷達、實驗期間架設在新竹港南。該雷達和我們的五分山雷達一樣,都屬於雙偏極化都卜勒氣象雷達,不過它是一款專為大型觀測實驗設計、易於移動安裝的氣象雷達,比起常態作業雷達具有更多的彈性和功能,可以依據科學議題安排特殊的掃描策略,提供更多科學家想要了解的資料。而位在臺灣東方不遠的日本琉球與那國島(距離蘇澳約100公里),也架著美國的CSU SEA-POL和日本名古屋大學Ka波段等雷達。美日夥伴提供的強力資源,搭配臺灣的「追風計畫」(DOTSTAR,侵台颱風飛機投落送觀測),恰好補足臺灣東方海面缺乏雷達觀測的限制,在颱風來臨前能更早獲得颱風結構、強度資訊

而除了固定式雷達外,中央大學大氣科學系的移動式氣象雷達(TEAM-R)也加入觀測,並駐紮在同為臺灣西北沿海的桃園永安漁港。因為其使用的X波段電磁波恰好和新竹的S-POL雷達不同,因此當天氣系統從臺灣西北方靠近之際,科學家就能同時使用兩種波段觀測同一個天氣系統,進而取得更細緻的觀測資料

S-pol氣象雷達。

架設於新竹港南運河邊的美國S-pol氣象雷達


二、探空氣球

天空很大,我們通常用「遙測」的方式,包括衛星或一些透過偵測電磁波訊號的儀器,來「間接推估」大氣中溫、濕度等資訊。但是遠遠觀測所得到的資訊並不一定相當精確,因此,不如讓儀器飛到空中看看吧!「探空氣球」,就是用填充氫、氦的氣球搭載可量測溫度、濕度、氣壓、高度等資訊的儀器,如同天燈般直接鑽入空中,一路透過第一手的接觸,蒐集大氣裡的「真實數據」。換言之,相對於雷達、衛星的「遠遠看」,探空氣球是少數能「直接量測」到大氣變化的珍貴工具。

以氣象局的常規觀測而言,每天會於臺北和花蓮,每12小時施放一顆探空氣球。而TAHOPE計畫裡,則會透過提高施放氣球的頻率及地點、取得「高時空解析度」的資料。除了增加新竹、宜蘭、彭佳嶼等施放氣球的地點外,在有待觀測的天氣系統靠近前,施放頻率就會由原本12小時放一顆,提高到每3小時就升空一顆探空氣球。透過高頻率的釋放,取得大氣環境高密度的時間變化資料。

並且,由於人工施放氣球需有諸多考量,比如施放地點環境或派駐人力之因素,常造成觀測上的限制。此次的TAHOPE實驗期間,氣象局也啟用了由臺灣自行研發、熱騰騰、新上路的「自動探空觀測系統」、能在目標天氣靠近時自動充氣、施放氣球,不僅避免了危險天氣下人員操作的風險,更有機會進一步達成遠距觀測、即時觀測的目的,使探空觀測的作業與場所更加彈性。

臺灣自製的「自動探空觀測系統」施放探空氣球過程


三、電腦數值預報

然而,氣象人員辛苦取得這麼多觀測資料,究竟有甚麼用途呢?這就要從「天氣預報是怎麼來的?」開始說起。

現代的天氣預報,是先收集大量的觀測數據,輸入到模擬自然界大氣變化的電腦程式中,讓電腦程式進行運算,進而推測出未來大氣可能的變化,達到預測天氣的目的,這個過程,就稱作「數值天氣預報」,而這些龐大的模擬程式,就叫「數值天氣預報模式」。每一天,氣象局的預報員,都會根據電腦預報的資料,搭配觀測資料及經驗的修正,討論出可能性最高的結果後進行發布,成為大家每日看到的天氣預報資訊。

然而,人們對大氣變化過程的了解程度至今仍然有限,因此這些電腦模式運算的過程,無法100%符合大自然真實的變化,導致天氣預報一定會有誤差。時至今日,全世界的大氣科學家,仍在奮力不懈地研究大自然的變化過程,就是希望有朝一日,可以讓電腦模擬出的預報越來越準確。

在TAHOPE實驗期間,氣象人員運用氣象局目前最先進的高解析度預報模式,評估未來可能發生豪大雨的日期和降雨型態;而觀測人員就會依據這些資訊,在可能受天氣系統影響的特定期間進行加強的密集觀測。當事件結束後,科學家就可以回過頭來,細細地檢視,實際的觀測和模式的預報到底有沒有一致?一致的部分,代表模式有能力掌握,但如果不一致,就表示現在的模式裡有些地方不太正確,需要詳細分析觀測到的資料,找出可能的機制,進行調整。當我們知道模式為什麼對、為什麼錯之後,就有機會改善目前模式的不足之處

也就是說,這麼努力地觀測,是為了讓我們更細緻地了解強降雨從無到有發生的環境和過程,然後氣象學家就可以把這些透過TAHOPE實驗研究所得、更接近真實大氣的變化過程寫進電腦模式裡,提升未來電腦模式預報豪大雨的能力!


「歡迎來臺灣做實驗!」-那些年以來的跨國觀測計畫


如前所述,臺灣是各國大氣科學家眼中的寶島,將近四十年前的大型國際合作,不僅開啟了國際合作的開端,後續的一次次大型觀測計畫,更厚實了臺灣氣象科學的經驗和設備,吸引了一代代的氣象人才,持續守護臺灣。

1987年,TAMEX

1981年的5月28日,臺灣西部的桃竹苗發生暴雨、引起嚴重洪災,使社會對天氣預警有了更大的需求和重視。國科會(現科技部前身)遂於1983年主導了十年期的大型國際研究計畫-「臺灣地區中尺度實驗(Taiwan Area Mesoscale Experiment, TAMEX, 1983-1993)」,並在計畫的第四年(1987年)5、6月在臺灣進行了密集的實地觀測。

1987年,全臺灣第一部「都卜勒氣象雷達(C-Band)」,剛在桃園國際機場落成,隨即和美方另外2台都卜勒氣象雷達一起合作,針對影響臺灣北部地區的梅雨等天氣系統,進行高密度的觀測。而這也是臺灣首次有都卜勒雷達參與氣象觀測,我們開始對天氣系統裡「移動」的參數,有了較高程度的掌握。

TAMEX帶來的資料極為豐富,其經驗逐漸演化成天氣預報技術、產品,更讓臺灣開始對於梅雨、瞬間大雨等天氣型態,有了初步的掌握能力。而政府也觀察到先進雷達對於氣象的價值,遂2001年起、逐步在臺灣北、中、南、東四地各架設了S-Band的都卜勒氣象雷達,慢慢地架構出可涵蓋全臺的雷達網。

2008年,SoWMEX

每年夏季,西南氣流盛行之際,高屏地區就會面臨到瞬間暴雨的威脅。

2008年,臺美再次合作、針對南臺灣啟動「西南氣流觀測與豪雨預報實驗」(South-West Monsoon Experiment;SoWMEX)。美方攜來美國S-POL雷達、架設於高雄、屏東一帶(高雄林園、雙園大橋附近)(它在2022年也有再來臺灣喔(゚∀ ゚)~)。而中央大學的移動式雷達車(TEAM-R)也剛好完成、加入追風逐雨的行列。這些儀器都是更先進的「雙偏極化都卜勒雷達」,也因此,臺灣氣象雷達史開始有了「雙偏極化」的數據,也就是開始能對於「雲雨結構」有更高的掌握度

2022年,TAHOPE

SoWMEX過後十多年,全球暖化加劇,極端天氣如旱災、水患交替越來越頻繁,強降雨、大規模豪雨的威脅明顯提升,同時高度密集的人口都會,也使得在城市小區域裡、短時間內大雨的影響及破壞性不容忽視。全球對「瞬間大雨」的科研需求、比以往更加迫切。

因此,氣象界意識到,必須集結各個世代的大氣科學家,運用現代最先進的科技,以更密集的觀測,取得豪大雨在「時間軸上的變化」、用更廣的覆蓋區域,獲得「水平地區上的變化」、結合各種量測技術,測得「垂直高度上的變化」,才能一點點地揭開、那些對人們威脅日漸加劇、帶來劇烈降雨的天氣系統的神秘面紗。

於是,上世紀80年代開始、近40年的跨國緣分再度牽起。新一代的大氣科學家承接著上代前輩留下來的知識、經驗,並加入現今最先進的技術、儀器,在2022年5月展開以北臺灣劇烈降雨研究為目標的「臺灣區域豪雨觀測與預報實驗」(TAHOPE),透過各式最新的儀器和熱血的研究人員,寫下這代的觀測日誌,讓我們在四維的尺度上,抓住驟雨的軌跡。

就如同當年的在TEMAX, SoWMEX的氣象人一樣,用著他們的技術,堆疊建構出現在的臺灣氣象科技;我們也將透過2022年的TAHOPE,在臺灣氣象史寫下濃重的一筆邁步,將臺灣的氣象科技繼續往前推進。更冀盼再過40年,又有一批年少熱血的大氣科學家,如同今年的我們一樣,追風逐雨、記錄下一篇篇屬於他們的氣象故事。

美國S-pol雷達於新竹組裝過程



TAHOPE。

美國S-pol雷達基座組裝中



美國S-pol雷達於新竹組裝碟形天線之現場



工作中的S-pol雷達

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