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福爾摩沙衛星三號星系台灣科學團隊成果發表

新聞出處:NSPO 2005/10/07

「福爾摩沙衛星三號星系計畫(FORMOSAT-3/COSMIC)」是由國科會及美國科學基金會共同贊助的一個台美合作計畫。福衛三號星系計畫在美國稱為COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate)。此衛星計畫及科學研究由國家實驗研究院太空中心及美國大學大氣聯盟(University Corporation for Atmospheric Research, UCAR)共同執行。其目的為建立一組共六顆微衛星的星系,以量測全球大氣層及電離層之即時資料,建立世界領先之大氣及電離層科學研究。福衛三號的六顆衛星預定於明年三月發射,將為第一次提供近即時的全球大氣資料的科學計畫。全世界氣象作業中心引頸企盼三號星系的全球氣象資料,而聯合國世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)亦將傳送福衛三號星系資料予其會員國的氣象中心運用。

福衛三號的科學主要是利用GPS(Global Positioning System全球衛星定位系統衛星)無線電波訊號掩星現象的科技。如同光線由空氣經過水會受到折射,筷子在水中看起來好像彎了,無線電波通過不均勻分佈的電離層及大氣層也會產生折射現象。因此,由低軌道衛星所量測的GPS無線電波訊號經過電離層及大氣層的偏折角度,可以得到大氣的折射率,並由此演算出相對應之大氣溫度、氣壓和水氣以及電離層電子密度的垂直分佈資料。

目前氣象資料的蒐集,主要依賴來自世界各地探空站所測量每天約九百筆的資料。但這些觀測都侷限在陸地,很少海洋及極區的資料,無法提供真實的全球氣象資料。傳統氣象衛星雖然可以提供較為寛廣範圍的平面分佈資料,但是因為由上垂直向下觀測,很不容易得到垂直分佈的資訊。而由台灣所主導的福衛三號星系可以建立全球天氣、氣候和電離層衛星陣列建構的觀測系統(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate, COSMIC),平均每天可提供全球約二千五百個觀測點的大氣重要參數資料,每個觀測點能提供從地面到六百公里高度的大氣及電離層相關資料的垂直分佈。且福衛三號衛星所搭載的GPS接收器使用了嶄新的技術,可以改善觀測範圍和資料的準確性。

福衛三號星系科學任務由氣象局的台灣資料分析中心(Taiwan Analysis Center for COSMIC, TACC)與國內大學所組成的科學團隊執行。科學團隊共有三個,分別為氣象研究團隊、電離層研究團隊、及大地測量團隊。

福衛三號觀測資料由北極地面站接收後,傳至美國UCAR的資料分析及分送中心(COSMIC Data Analysis and Archive Center, CDAAC)。設立於中央氣象局的福衛三號台灣資料分析中心接收由美方傳送的福衛三號原始觀測資料,進行即時和後續科學資料分析處理,供台灣氣象作業的應用,並提供全球線上資料服務。目前台灣資料分析中心在氣象局資訊中心程家平副主任規劃下,硬體設置已完全就緒,即將進行軟體更新與最後的系統整合測試工作。於衛星發射時,即可正式作業。

中央大學黃清勇教授所領導的氣象研究團隊利用現有單一衛星的GPS掩星資料分析了台灣近年來的特殊天氣個案(如颱風、梅雨、及寒潮等),證實GPS掩星資料對天氣預報的改進。黃清勇教授預估福衛3號所提供的大量氣象觀測資料,將得以大幅提升侵台颱風降雨與路徑預報能力。文化大學張忍成教授團隊與氣象局合作進行將福衛三號星系的觀測資料植入中央氣象局的三維及四維全球模式分析與研究工作,未來福衛三號星系全球的觀測資料都將被同化入中央氣象局區域及全球氣象預報系統。而中央氣象局運用這些即時大氣參數資料,將能有效改善如颱風路徑、豪大雨地區、累積降雨量等特殊天氣的預報準確度。

這個計畫另一特色是探討太空天氣。在約八十公里高度以上的電離層裡,也可利用GPS訊號掩星現象推導電子密度,這將可以提供預測磁暴發生所需要的重要資訊,這些磁暴可能影響衛星操作和地面電力輸送。中央大學朱延祥教授所主持的電離層研究團隊已掌握電離層參數反演與驗證的技術,並引進及改善電離層全球模式(Thermosphere-Ionosphere Electrodynamics Global Circulation Model, TIEGCM),且於中央大學太空所建置FORMOSAT-3電離層資料中心。

有別於氣象及電離層研究團隊,成功大學曾清凉教授所帶領的大地測量團隊著重於衛星軌道計算,除能近即時地提供福衛三號衛星軌道資訊以滿足氣象預報任務之需求外,並進行衛星精密軌道的計算,以分析地球質量分佈及重力場。針對持續監測地球質量分佈及變化的科學任務,大地測量團隊完成研發計算地球重力場隨時間變化的軟體程式(Chiao Tung University Orbit Determination System, CTODS),將可進行海洋環流變化、地下水位變化、聖嬰現象等研究。

國研院太空中心首席科學家陳秋榮教授現正積極規劃衛星發射後的密集觀測期研究活動(Intense Observation Period (IOP) Campaign)。在衛星升空後約八個月期間,因觀測資料點密集,有利於進行福衛三號觀測資料與其他觀測資料(如探空、高空氣球、傳統氣象衛星等)的比對驗證工作;並可利用東亞地區的密集大氣參數資料,進行如颱風路徑、豪大雨地區、累積降雨量等特殊天氣的研究與預報。屆時,東亞地區的資料驗證工作將由台灣團隊負責,並邀請東亞及歐美地區的科學家們加入。

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