2015年8月4日

從太空看地球

作者/劉千義(服務於國立中央大學太空及遙測研究中心及大氣科學系。研究領域包括氣象衛星遙測、衛星資料於氣候與高災害天氣方面的應用。)、羅敏輝(於2012 年2 月至臺大大氣科學系任職。研究領域包括陸氣交互作用、人為活動對氣候的影響、衛星遙測在水文上的應用。)


西元1862年美國陸軍成立了熱氣球部隊,1903年甚至還有鴿子部隊,攜帶可定時自拍的照相機飛越特定路線,1909年萊特兄弟發明了飛機後,可以空載人們以肉眼直接觀測地表。這些觀測方法將我們的視野,從地面帶上高空,將視角由平面幾何轉至三維立體空間中。然而前述的這些觀測,泰半侷限於肉眼可視的可見光波段(visible band,波長0.4~0.7 微米)內,會受限於晝夜、天候等的影響,而無法即時取得想要的資訊。

在環境變遷下,針對瞬息萬變的極端天氣,短、中、長期等多尺度氣候的監測,水文循環的應用等議題,均需要「廣泛」且「多元」的觀測,其中,使用人造衛星所酬載的各式感測器來協助達成我們的需求,就是最直接的方式之一。

何謂「廣泛」?
除了我們已知因為衛星所在的高度而有不同的空間覆蓋率之外,尚有其他的意涵。首先,以二種常見的氣象衛星軌道來說,低地球軌道的繞極衛星(離地表約500~900公里不等),於12 小時中約可以涵蓋整個地球表面,同一地點一天可以有約2次的觀測,所以時間解析度較差;而地球同步衛星(距離地心約36000公里),每次的掃描就可以涵蓋近半個地球的面積,且同一地點具有時間上連續觀測的優點,但對於高緯度地區則因觀測角度過大而欠佳,所以結合二種衛星軌道的觀測,正好於時間及空間上有互補效益。此外,以前面舉的肉眼觀測為例,於電磁波波譜的可見光波段中,對於溫度或水氣等特定的物理量,欠缺辨識力,因此衛星觀測也需要考量是否能夠達成在頻譜上廣泛的需求。大氣中的水氣、二氧化碳、臭氧、氧氣以及數種溫室氣體,更甚或是懸浮於其中的氣膠、煙塵等,均會與電磁波頻譜分類中的短波(包含可見光波段)、紅外線及微波,進行交互作用。電磁波幾乎是以直線方向進行,與大氣中這些成分相遇後,就會有「凡走過必留下痕跡」的效應。舉例來說,大氣於紅外線與微波等波長中,具有選擇性的吸收,就像為地球系統蓋了一層毯子般,將可能外逸至太空的能量留在大氣裡。



但是常見的雲呢?這真的是非常難以「一言蔽之」的複雜系統。雲對於地表外逸紅外線(長波)輻射,具有強烈的吸收,而垂直發展高度甚厚的深對流系統,由於雲頂非常冷(可達攝氏零下60 度或者更低),更使外逸紅外線能量變少;對於微波波段呢,如果沒有強烈降水等現象,對於一般常見的層雲或者積雲,微波可暢行無阻,不受影響的持續外逸。但有強降水或旺盛的深對流時,由地表外逸的微波就會被雨滴、雲滴或冰晶所散射,導致外逸微波量改變,換言之,我們可以使用這樣因散射而造成外逸微波的改變量,來推演降雨強度。而在可見光波段中呢?密實結構的雲,會反射太陽短波輻射回太空,間接阻擋短波輻射進入地球系統,但薄如柳絮的卷雲則會讓短波輻射穿透直達地面,而強烈吸收地球系統外逸的紅外線輻射,這可是地球系統加溫的重要因子之一呢!因此,氣象衛星這些電磁波頻譜中不同波段的觀測,都是屬於「廣泛」的範疇中。

「多元」指的是?
另外一方面的「多元」,就是屬於觀測感測器的型態。前蘇聯的第一顆籃球般大小的人造衛星史普尼克一號(Sputnik-1)以及美國的第一顆氣象衛星泰洛斯一號(TIROS-1) 號相繼於1957 年及1960 年升空後,幾乎所有氣象衛星的觀測,受限於軟硬體,均為被動式(passive)感應器,觀測地表或雲頂反射太陽能量後的反射率,及地球系統於紅外線或微波等波段所外逸的輻射能量。近年來,衛星工程與科技的大幅進展,已可主動(active)發射微波或者短波頻段的電磁波,衛星上的天線就可同步觀測由雲滴、雨滴的反射訊號,或者經由大氣中懸浮氣膠、雲中冰晶等散射回衛星天線的能量,即可精確地提供前面這些大氣參數於垂直方向上的分層結構,這是衛星發展超過50 年後,於近十年的一大進展。

還有一種掩星(radio occultation)技術,也可以得知大氣熱力結構,即是利用全球導航系統(Global Navigation Satellite System, GNSS)所持續發射的定位導航訊號,於低軌道衛星接收時,因為會受到大氣垂直分層結構折射的影響,而產生沿直線進行電磁波訊號間的相位、時間差異。透過這個差異,我們就可以反演出大氣的垂直溫溼度結構。

藉由以上的國內外氣象衛星的演進與發展,我們人類得以一窺過往在地面、在不同電磁波頻段的觀測資訊,得以探索大氣、海洋、水文循環等環境議題。常見的衛星反演參數及相關應用,不勝枚舉而且無法完整羅列,讓我們以後面幾項做為代表。



1. 大氣垂直溫溼度、溫室氣體、地表溫度等的遙測。
經由大氣的窗區頻道(window channel)及選擇性吸收頻道,我們可以求得陸地或者海水表面溫度、垂直方向上的溫度、溼度、溫室氣體濃度等。經由這些參數或者物理量,對於使用資料同化方式改進數值天氣預報模式所需的初始場,天氣系統的分析及診斷等,透過傳統氣象觀測有困難的地方(例如海洋或是人煙稀少的區域),衛星觀測提供不可或缺的協助。

2. 雲參數、微物理參數等的遙測。
雲系的消長常為天氣系統的表徵,因此利用衛星可見光及紅外線等觀測,可以得到雲頂高度、雲頂溫度、雲滴粒徑譜等雲微物理參數,更可以獲知雲的光學厚度等性質,以及等效雲量等資訊,不僅可直接應用於天氣分析與預報之外,更可評析數值預報模式、氣候模式中雲的參數化方式及成效。

3. 地球輻射能量收支平衡監測。
影響地球能量的三個因子,分別是太陽常數、大氣層頂的行星反照度及地球外逸長波輻射。這三部分,目前的氣象衛星,均有全球性的長時期觀測,因此可以掌握地球系統的大氣輻射能量收支與趨勢,且對長期天氣形態的研究、氣候的預測與推估有極大的助益。

4. 劇烈天氣守視、動態監控及預測。
同步衛星於時間上連續的觀測,配合低地球軌道衛星的資料,可對各類天氣系統的動向有效地掌握及預報。例如:颱風動態及其強度,在尚未抵達地基雷達可觀測範圍前,可以更早瞭解其中心定位、路徑追蹤、雲雨結構、颱風強度、降雨潛勢及最大風速估算等。

5. 海洋水色資料的應用。
多頻道的衛星觀測資料,特別是可見光及近紅外線頻道的觀測,更可用來求取海洋水色參數,做為海洋水體懸浮粒子、葉綠素含量,甚至海洋生物量的研判參考。研究葉綠素含量的多寡及變遷,對大氣碳循環乃至全球變遷等議題,均為重要影響因子,且透過海洋水色的監控,均可協助於近海表生物、非自然因素汙染等研究議題。

6. 地球重力的變化監測。
全球水循環跟氣候的變化息息相關,但卻難以被觀測,特別是陸地上的水文過程。新的衛星遙測技術提供了一個解決方法,藉由量測兩顆衛星的距離以提供高精確度與高空間分辨率下的地球重力場變化,由於水循環是影響地球重力變化的一個重要因素,因此藉由記錄這兩顆衛星的距離變化將可進一步了解地球上的水循環。此方法將可量化人類效應所引起的水循環變化,並可評估人類活動所導致地下水的變化以及其對於氣候的回饋效應,並可用以預測全球未來的地下水資源,以及由於地下水抽取所造成的海平面上升的高度,對陸地水文研究提供新的進展。

結語
藉由衛星遙測可讓我們跳脫地球表面,客觀且整體地了解地球系統中的天氣與氣候變化,並探討影響天氣與氣候的一個重要因子——全球水的循環過程。累積過去近60年的衛星發展歷程,經由檢視及分析多重衛星觀測資料的同時,我們已清楚地知道所處的環境已發生了不可忽略的變遷痕跡,例如:南、北兩極的冰川和冰蓋正在融化與崩解、格陵蘭冰棚正在急速的融化、半乾燥區的地下水位一直在下降,以及連帶的全球海平面正在緩步上昇。極端天氣如洪澇與乾旱,發生的頻率與強度與過往相比已達顯著的情形。透過這些廣泛客觀的衛星觀測,我們得以持續為地球做體檢,即時監測及預警,提供天氣、氣候及水文等數值模擬或預報模式的初始場,並提供校驗檢核的參考基準。

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