【研究成果】EM-APEX浮標:改良極端天氣系統預測的新篇章

by Yang-Kuang Chao
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撰稿  /  陳睿純 (科學推展中心特約編輯)


圖1. 颱風自東往西行進時,海表面波所傳往的方向(小圖背景顏色主要朝向)及性質可被觀測。藉以得知表面波在大氣和海洋交互作用中所扮演的角色。紅色箭頭為風向,大圖背景顏色為風速。X和Y軸為相對颱風中心的距離。

風吹拂於海表面所產生的波浪(海洋科學家稱之為海水與大氣界面的表面重力波),可以改變海面粗糙度進而影響到風應力(surface wind stress),為大氣風動量傳往海洋的重要媒介。因為風應力會使海水產生紊流(類似攪拌混合咖啡和奶精),近一步使上下層的海水混合,從而降低海表面的海溫(sea surface temperature SST)。由於海表面溫度SST會直接影響天氣系統發展所需要的熱量和水氣,如何精準預報上層海洋的結構變化就變得極為重要。基於此發現,海洋與大氣科學家們紛紛將海洋表面波的相關參數加入海氣耦合模式中,希望可以改善熱帶氣旋等極端天氣系統的預測。

熱帶氣旋如颱風的強風可以造成劇烈和複雜的表面波分布。然而在熱帶氣旋下的極端環境中測量表面波是極具挑戰性的,因此過去的研究中在模擬風暴所產生的表面波多仰賴早年在平靜海域所得到的觀測結果,即無人能確認此種方式是否能精確模擬在劇烈天氣下複雜的物理過程。不同於海浪的波高和波長直接影響海水表面風應力造成的粗糙度,表面波的傳播方向則會直接改變風對表面波場造成的影響,因此表面波的傳播方向是研究海水紊流混合作用的關鍵因子之一。大多數的研究使用安裝在定點浮標錨定(mooring)上的加速度計來測量表面波方向。雖然表面波可以被準確地測量,但浮標底下的鋼纜容易被劇烈天氣下的碎浪與海洋紊流所扯斷,從而導致儀器的損失,這使得過往在劇烈天氣下海表面波的觀測研究極為稀少。

臺大海研所的許哲源教授提出了一種使用電磁自主剖面探測器 (EM-APEX) 來測量表面波方向的新方法。此儀器即便在劇烈天氣系統下依然可維持穩定運作,量測海洋的溫度、鹽度和流速的垂直構造。換言之,改良的儀器將可以有效的幫助科學家們探索劇烈天氣系統下表面波在大氣和海洋邊界層中的作用,進一步改善極端天氣型態的預測模式。EM-APEX 浮標的最初設計是藉由地球磁場中洋流感應的電流測量海流的流速。雖然浮標也可以捕捉到由表面波運動引起的訊號,但在數據處理過程中,這些信號往往被視為雜訊。許哲源教授提出一種新的數據處理方法從浮標的量測結果推導出表面波的水平速度。進一步利用在浮標上安裝的加速度計測量表面波的垂直加速度,便可以從所知的表面波水平速度和垂直加速度推導出表面波的傳播方向和頻率性質。

此研究在 2010 年『颱風對太平洋海洋的影響 (Impact of Typhoons on the Ocean in the Pacific,ITOP) 』實驗期間,在梅姬颱風下部署了 7 個 EM-APEX 浮標。將浮標測量推算所得的表面波運動與模擬的數值模型進行比較,兩者結果有相當良好的穩合。未來的研究工作將致力於將浮標測量的表面波與其他方式進行的波測量進行比對,以做進一步的驗證,可望窺知表面波在大氣和海洋交互作用中所扮演的角色與機制。相關的技術已發表於Journal of Atmospheric and Oceanic Technology。期待在未來隨著越來越多劇烈天氣下觀測數據的蒐集,科學家們可以改進預報系統中對於劇烈天氣系統強度的預測。

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