2016年4月1日

航向颱風之眼— 飛機觀測

作者/黃椿喜(中央氣象局氣象預報中心課長。)

2003年起9月1日,臺灣啟動了飛機觀測颱風的追風計畫,改裝過的ASTRA噴射客機航向杜鵑颱風42000英呎上的高空翱翔,數小時的任務內拋投了14顆投落送觀測,颱風內部資料透過衛星傳送到了氣象局的預報中心,預報員自螢幕上終於見到了真實的颱風結構,也終於我們每年都驕傲的見證西北太平洋上唯一經常性觀測之飛機,巡航在颱風上空不斷蒐集著關鍵的資料⋯⋯。

從二戰航向近代的飛機觀測
以飛機觀測熱帶氣旋的紀錄始於1943年。二次世界大戰期間,美國空軍中校達克沃斯(Joseph P. Duckworth)首先於1943年7月27日駕駛AT-3單引擎教練飛機穿越墨西哥灣附近的颶風中心,後安全返回基地,創下歷史上首次以飛機偵查並穿越颶風的紀錄。重大天然災害經常使政府投入資源進行研究,1954年美國遭受到非常嚴重的颶風侵襲,颶風卡羅爾(Carol)、愛得納(Edna)及黑茲爾(Hazel)先後橫掃美國東部各州,導致將近200人死亡以及難以計數的損失。很不幸的,接下來的1955年災害並沒有因此緩和,北卡羅萊納州再度遭受3個颶風侵襲。美國國會於是決心撥款補助美國氣象局進行國家級的颶風研究專案計畫,從1956開始進行常態性的颶風飛行作業,這是世界上最早的官方例行性飛機觀測熱帶氣旋的作業。剛開始由於儀器限制、資料紀錄、處理方法及傳輸技術尚不成熟,造成分析上的困難,但經過數十年的改良及進步,加上投落送與機載雷達系統的應用,整體研究有非常大的進步。

1960年代起,美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)與國防部開始企圖以人工改造熱帶氣旋結構,進而改變其路徑,降低其對美國的影響。於是他們在70年代中期NOAA添購2 架WP-3D(P3)偵察機支援熱帶氣旋改造計畫,在此同時也針對熱帶氣旋發展之動力過程及其結構進行科學研究,並持續監測熱帶氣旋之生成、移動及強度作為其防災應變之參考。由於人工改造熱帶氣旋計劃評估之效果有限,且具政治上的敏感性,這個計畫最終在1983年停止,之後的觀測任務就更專注在熱帶氣旋的結構與環境的交互作用,以提高颱風路徑及強度之預報能力為主要目標。

60年代人造衛星升空運作是氣象觀測史上的里程碑,其後衛星觀測很快就涵蓋了整個地球。飛機觀測熱帶氣旋生成、位置及強度之監測功能也逐漸被衛星所取代,尤其是德沃夏克(Dvorak)在1980年代利用衛星觀測資料與飛機觀測數據比較後,發展衛星估計熱帶氣旋強度及位置方法,直到現在仍是各國估計颱風強度的基本方法。美國海軍也因此自1987年起正式停止西北太平洋的颱風飛機觀測計畫,但影響美國本土的東太平洋及大西洋的飛機觀測計畫則仍持續至今。

美軍在西太平洋的觀測任務停止以後,我國對監測及預報只能依賴衛星、少數的島嶼、船舶或雷達等有限的資料,對於颱風內部的結構特徵、強度演變等則缺乏精密的實測數據,常造成過大的誤差及預報之不確定性。尤其因為我國位於西北太平洋的颱風移動的主要路徑,每年平均受3至4個颱風侵襲,因此衝擊相當大。1990年以後,颱風持續威脅臺灣,楊希(1990)、奈特(1991)、道格(1994)、賀伯(1996)、溫妮(1997)、瑞伯(1998)、碧利斯(2000)、桃芝(2001)、納莉(2001)等颱風陸續造成重大的傷亡,學界及氣象局於是更積極推動加強颱風之監測,並致力於改善其預報能力。終於在2002起國科會決定以經費支持,於是臺灣大學吳俊傑、林博雄教授以及時任氣象局預報中心葉天降主任(現為氣象局副局長)得以規劃重新啟動西北太平洋地區的飛機觀測計畫,並在2003年第一次執行了杜鵑颱風的任務,這是自1987年美軍停止作業以來,再度有飛機在西北太平洋例行性的觀測颱風。

歷史上的特殊事件
在超過70年飛機觀測熱帶氣旋的歷史上,美國海、空軍曾經發生過6次失事事件,機上總共有53人全數罹難,失事事件都發生於早期1945至1974年間,主要是當時對颱風的認識不足,且舊型飛機性能較差所導致。這些事件有3件發生在西北太平洋,2事件在南海,另有1事件是在大西洋。

有一個藉颱風觀測失事隱藏真實原因的特別的案例,這是發生在二戰後的美蘇冷戰期間。1956年9月10日,美國空軍宣稱其RB-50G型超級堡壘轟炸機飛到日本海觀測艾瑪颱風時失事,而實際上這架飛機並非是「狩獵颱風」的機型,且失事當時並沒有颱風影響該地區。

近代另一個重要的事件則是發生於1989年9月15日,當時NOAA派了2架WP-3D飛機針對胡古(Hugo)颶風同步進行高、低層之穿越飛行研究,一架飛約在5~6公里高度,另一架則飛在450公尺高度。當低空飛機以450公尺的高度穿越胡古颶風的眼牆時,遭遇劇烈亂流襲擊而導致一具引擎故障,加上事先沒預測到胡古颶風快速增強至938 hPa的過程,因此進入颶風眼時僅剩下270公尺高度,飛行員瞬間意識到飛機幾乎要被波濤洶湧且狂風怒號的危險海面所吞噬,周圍甚至還到處有旺盛的積雲風暴。好不容易在恢復控制後,飛行員才緩慢沿著颱風眼內風雨較小處逐漸盤旋而提升高度,上升達到2200公尺後才由颶風東北側較弱的眼牆對流區域突破,進而安全飛出颶風中心返回基地。

追風常用的機型及搭載的
觀測儀器
一般來說,飛機觀測通常可以分為2類,一種是飛在中低對流層約3~5公里的高度,直接進入颱風眼區的穿越飛行,例如P3、C130等。另外一種則是飛在對流層頂約13公里高度,針對颱風周圍環境的偵察飛行,如美國的Gulfstream IV-SP或追風計畫使用的Astra噴射機。另外,近年來也常使用無人飛機進行偵查,如臺灣地區以研究為目的使用的小型遙控飛機aerosonde,或美國最新的大型無人飛機全球之鷹(Global Hawk)系列。

1. 低空穿越飛行
用以穿越飛行的機型通常是螺旋槳機型的大型飛機改裝,目前美國進行穿越飛行的主力機型為WP-3及C130J。這類的飛機通常搭配先進的都卜勒機載雷達,可對颱風的風場及降雨進行掃描。一般來說,單一顆都卜勒雷達只能掃描相對於雷達接近或遠離的風,如果有2顆都卜勒雷達就可以得到颱風完整的水平風場。但要同時出動2架飛機的機率不高,而如果颱風在短時間的變化不大,就可以利用同一架飛機在2個時間、不同位置的雷達掃描模擬2顆雷達進而估算水平風場。為了這樣的效果,這些飛機通常以X字型、4字型或蝴蝶型的飛行路徑穿越颱風中心數次,一般會飛在700 hPa(約3公里),同時搭配投落送等儀器進行觀測。

2. 高空偵察飛行
現代常用來偵查颱風的通常是小型噴射機,例如美國的灣流(Gulf Stream)、臺灣漢翔航空的ASTRA、德國的Falcon等,這類飛機機體較小,穩定度也較低,因此不適合直接穿越颱風中心。所以一般飛在颱風上空約40000英尺(約12公里)高度,對颱風暴風圈或環境場進行偵察飛行,以拋投投落送取得垂直的溫、濕度及風場結構。

3. GPS投落送(GPS Dropsonde):
飛機投落送的結構如上圖,由筒狀紙捲包覆,裡面搭載拖曳降落傘、溫溼度感測器、氣壓感應器、電池、GPS接收器、天線及無線傳輸器。而專門進行觀測的飛機須經特殊改裝並通過飛航認證的投落送拋投裝置,機上人員以每10~20分鐘間距投擲投落送。投落送離開飛機後會張開自動降落傘,由飛行高度逐漸降落到海表面,期間每秒會收集一次大氣的溫度、濕度。機上有天線接收投落送訊號,依據GPS及氣壓知道投落送的位置、降落速度和風速,機上的觀測員則以國際標準資料格式進行資料解碼並重新編碼,再透過衛星電話傳輸到地面接收站。

西北太平洋的飛機觀測
西北太平洋地區自1987年美軍停止飛機觀測颱風以後,中間有17年的觀測空窗期。之後才由國科會(現改組為科技部)在2002年同意支應「追風計畫」的研究經費。歷經1年多的準備及測試,漢翔航空的ASTRA 噴射機終於在2003年9月1日12時30分準時起飛至杜鵑颱風上空成功投擲14顆投落送觀測資料,並將資料即時傳輸到氣象局預報中心使用,這是西北太平洋自美軍停止颱風飛機觀測以來,再度見到飛機經常性航向颱風上空蒐集資料。這些資料創造了非常豐碩的科學研究成果外,也支援氣象預報作業使用,是氣象局預報作業上的重點觀測計畫。 

由於飛行時機通常在颱風轉向或警報發布前後,因此這些資料常是預報的重要參考。例如2015)年8月的蘇迪勒颱風就是依據8月6日的連續2次觀測而將暴風半徑由250公里2度擴大至300公里,扮演預報的重要關鍵,並間接降低了難以預期的災難。目前追風計畫已經連續執行了13年,仍是西北太平洋上唯一常態性作業的飛機觀測計畫。期間總共針對60個颱風,執行76航次,並成功投擲超過1000個投落送觀測資料。另一方面,這些觀測資料也會進入超級電腦的分析系統,整合最新的地面、高空、衛星、雷達等多種觀測資料,再針對颱風優化後產生精準的大氣初始狀態,最後以數值天氣預報模式進行積分而計算未來天氣的變化。依據氣象局內部評估結果,採用飛機觀測資料後可以改善颱風路徑預報5~7% 的誤差。與此同時,觀測資料也會即時送到美國的氣象資料接收系統,並傳送給世界各國的氣象單位,進一步改善各國數值天氣預報的模式,氣象局也會共享這些產品以進行最新的颱風預報。

跨國聯合實驗計畫
追風計畫執行期間,曾有2場很重要的聯合觀測計畫。第一次是2008年8、9月期間的亞太區域大型聯合觀測實驗計畫。此次聯合臺灣、美國、日本、德國、南韓、中國大陸等科學家共同參與,也是首次同時使用4架飛機的聯合觀測實驗,包括我國的ASTRA、美國的C-130和P-3、以及日德合作的Falcon。T-PARC主要想解決西北太平洋颱風從生成過程、強度發展、結構演變、路徑轉折到溫帶變性及消散的科學與預報議題,而進行颱風生命期的完整觀測資料蒐集,改善颱風可預報度問題。期間總共對如麗、辛樂克、哈格比與薔蜜等4個颱風進行聯合觀測,尤其對辛樂克和薔蜜颱風更是蒐集到後續溫帶變性過程的完整生命期資料。 

另一個重要的國際聯合觀測任務則是2010年8至10月的颱風與海洋交互作用觀測實驗(ITOP),這個任務主要的議題包括海洋與大氣的交互作用、海洋冷暖渦漩對颱風強度的影響、颱風引起的海沫和波浪變化等,相較於T-PARC實驗更多了海洋影響颱風的探討。這次除ASTRA和C-130針對大氣部分的觀測外,另有大量錨定浮標佈署量測海洋的駐要參數,並搭配海洋研究船舶蒐集洋面資料。ITOP實驗期間總共對凡那比和梅姬兩個颱風執行聯合觀測任務。