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學研鏈結,共創『新氣象』
改善劇烈天氣預報,優化GPS定位導航準確性

新聞出處:國研院 2018/10/16

台美大型國際合作計畫福爾摩沙衛星七號預訂明年發射升空,接替福衛三號的掩星觀測任務(註一)。中央大學、成功大學分析福衛三號資料,發現可改善豪大雨期間降雨強度及位置的預報以及極短期降雨預報準確度,並有助於預測颱風之形成及改善路徑預報;另外也可計算出太陽風暴所造成電離層擾動對GPS定位導航產生的定位誤差,未來可用於提升新世代飛航導引系統之準確性,藉由GPS導航讓飛機於機場起降能更密集、有效率。


福衛三號星系氣象衛星於2006年發射,迄今收集全球超過1千萬筆(大氣6百多萬筆和電離層4百多萬筆)資料,已提供88個國家、超過3,800位專家學者進行氣象預報、氣候變遷、太空天氣與其他相關科學研究使用。台美合作的福衛七號,是目前世界上唯一能延續福衛三號的作業型星系氣象衛星。福衛七號將佈署6枚衛星於高度550公里、傾角24度的軌道,繞行地球一圈約97分鐘,每日可提供在南北緯50度間約4,000筆掩星資料,資料量約是福衛三號的3~4倍,大幅增加包含台灣在內的低緯度地區氣象及電離層觀測資料。

改善豪大雨及颱風預報

福衛三號與福衛七號都是利用掩星技術來進行大氣層及電離層的觀測。掩星資料可透過氣象資料同化系統進入數值氣象模式,改善氣象預報準確度。中央大學大氣科學系楊舒芝副教授團隊以自行開發的「區域資料同化系統」進行觀測同化與降雨預報,發現福衛三號資料可大幅提高數值氣象模式中水氣傳輸與分佈的預報準確度,進而有效改善豪大雨強度與位置的預測;若進一步搭配台灣雷達資料,可改善極短期(6小時內)降雨變化預報。在2008年6月16日的梅雨強降雨個案分析中,發現福衛三號資料確實可以大幅提高預報準確度(請見下圖)。中央氣象局於2009年開始使用福衛三號資料,加拿大、美國、英國、日本、澳洲、南韓、歐盟等氣象預報單位也均已將福衛三號資料納入其氣象預報作業系統中。

此外,福衛三號資料亦可提高颱風生成及颱風路徑預報準確度。傳統衛星觀測雖能反演水氣資料,但若受到大氣雲雨覆蓋影響,無法獲得低層水氣資訊。而福衛三號觀測水氣資料不會受到天氣狀況限制。中央大學全球定位科學與應用研究中心陳舒雅助理研究員、大氣科學系黃清勇教授團隊、中央氣象局科技中心與美國大學大氣研究聯盟的COSMIC計畫團隊合作,分析2008年納莉颱風生成時的資料,發現若依衛星雲圖加上福衛三號的水氣資料,可以提前48小時預測颱風生成,對於防災預警可以提供幫助。另外分析2016年尼伯特颱風侵台路徑的各種預報,也可發現若在原本的觀測資料中加入福衛三號的資料,會使路徑預報準確度比原本提高許多。

據以開發不受電離層擾動影響的定位導航系統

由成功大學林建宏教授團隊與美國國家大氣中心合作發展「太空天氣預報模式」,則是使用福衛三號資料預測太陽風暴對地球電離層的影響,不但完整呈現2015年3月太陽風暴所造成電離層擾動的全球影響,目前也已可預報三小時後全球電離層電漿密度變化情形。

GPS衛星從2萬公里高空對地表發射的電磁波訊號,會經過電離層和大氣層,一旦太陽風暴對電離層造成影響,就會造成地表接收到的GPS訊號產生誤差。國際上正在開發新世代飛航導引系統,藉由GPS導航讓飛機於機場起降能更密集、有效率,因此GPS導航系統不能有太大的誤差。運用「太空天氣預報模式」,可以計算出太陽風暴造成的電離層擾動對GPS導航產生的定位誤差;未來可據此進行回推修正,開發出不受太空天氣干擾的定位導航系統,避免新世代飛航導引系統因太陽風暴失去導航功能。

福衛七號觀測能力更勝福衛三號

在氣象預報方面,福衛七號掩星觀測在空間分佈上更為密集並集中於熱帶及副熱帶位置,且新一代儀器準確度更高。掩星觀測對大氣溫濕度敏感度的提高,有助於掌握劇烈天氣系統生成初期的環境條件,進而改進天氣系統發展初期的預報。

在太空天氣預報方面,福衛三號是全球迄今最重要的電離層觀測資料提供者,目前世界上掩星觀測電離層的資料約有500萬筆,其中450萬筆來自福衛三號。未來福衛七號每30分鐘即可提供新的中、低緯度電離層觀測資料,更可大幅提高太空天氣預報的可行性。
由於福衛七號在太空天氣的重要影響力,國際上其他太空任務也希望與福衛七號合作,美國NASA在2018年發射的兩個地球太空天氣任務(加州柏克萊大學負責的ICON與科羅拉多大學負責的GOLD),都將與福衛七號聯手進行太空天氣研究探索。

 註一:掩星觀測是利用GPS衛星訊號電磁波在穿透大氣時會受到大氣層及電離層的密度變化影響而偏折,得知大氣溫濕度、電離層電子密度等相關資訊。

 

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國立中央大學 楊舒芝 副教授  tel: 0918-200866 email: shuchih.yang@gmail.com
國立成功大學 林建宏 教授    tel: 0932-168264 email: charles@mail.ncku.edu.tw


 


2008年6月16日的梅雨強降雨個案,加入福衛三號資料後,才能預測台灣西南沿岸會降下豪大雨。


左:雷達資料沒有加入福衛三號資料同化時,極短期降雨變化預報與實際降雨情形差異較大。
右:雷達資料加入福衛三號資料同化後,極短期降雨變化預報與實際降雨情形接近許多。


有使用福衛三號資料的尼伯特颱風預報路徑(REF和BND),和實際路徑(BEST)的誤差明顯較小。


使用福衛三號資料在2016年7月4日做的尼伯特颱風路徑預報(REG和BND)誤差值(縱軸),明顯比未使用福衛三號資料所做的的路徑預報(GTS)低。橫軸為日期(7月4日到月9日)。


「太空天氣預報模式」完整呈現2015年3月太陽風暴所造成電離層擾動的全球影響,左圖為風暴前,右圖為風暴中,不同顏色代表離子濃度的變化。