付伟7 ——观测原理分析如何让天气预报上线后更加准确？

本文转载自科技大观园，原文为《接棒福三，福卫七号让天气预报更準确！》作者/郭亚欣|科技大观园特约编辑2019年6月25日，福尔摩沙卫星7号(简称付伟7号)在国人的期待中发射升空一年多来(编者按：按原文章发布时间计算)，虽然卫星没有全部转换到预定轨道，但传回了很多信息，对天气预报的改进有很大帮助。小组成员中央大学大气科学系杰出教授黄庆勇教授、杨树志教授和亚博士最近研究了如何利用“付伟7号”传回的数据改进天气预报的课题。

00-1010介绍付伟七号的贡献，必须从它的上一代——付伟三号说起，付伟三号包含六颗气象卫星，轨道高度700-800公里，绕地球倾角72度(轨道与赤道夹角72度)。这些卫星通过接收更高轨道(约20200公里)的GPS卫星发射的无线电波来提供气象信息。这些无线电波会从太空进入大气层，行进到气象卫星时发生偏转，然后被气象卫星接收。换句话说，气象卫星接收到的无线电波并不是直线传播的，而是被大气的折射而发生了偏转，从偏转角度可以推断出大气信息。

低轨道卫星(如付伟3号)持续接收GPS卫星信号，直到收不到为止，整个过程会转换成一次掩星事件，这样科学家就可以获得大气温度和湿度的垂直分布。图/黄庆勇教授提供的气象卫星在移动中会不断接收到无线电波，直到接收不到为止。在这个过程中，无线电波通过的大气层逐渐从顶部和较薄的大气层变为底部和最接近地面的大气层。科学家可以在这个过程中计算出每一层大气的偏转角，并推导出折射率，而折射率与大气的温度、湿度和气压有关，所以我们可以利用每一个高度的大气折射率。从掩星观测中获得的数据可以并入数值预报模型，用于进一步的预报分析。

00-1010将掩星观测数据带入数值预报模式时，首先要经过数据同化的过程。数值预测模型包含动力学方程，可以模拟气团在任意位置的运动。但由于大气环境非常复杂，不可能将所有的动态条件都纳入模拟，所以模拟结果不一定正确。另一方面，掩星观测数据提供了真实的观测信息，对此杨树志描述为：“观测就像用相机拍照，不管什么动力学方程，得到的就是得到的。然而，观测值的分布是不均匀的——只有被观测的位置才能有观测数据。

因此，我们一方面有不均匀但真实的观测数据，另一方面有全面但可能不正确的模型模拟。资料同化就是把两者结合起来，找到最有代表性的大气初始分析场，然后以这个分析场为出发点，进行后续的预报。资料同化是杨树志和陈的主要任务之一。

中央大学分别模拟了2010年台风“梅吉”和2013年台风“海燕”的路径，发现加入“福三掩星”的观测数据可以减小台风模拟路径的误差。图/黄庆勇教授由于掩星观测提供的数据与大气的温度、湿度、气压密切相关，因此对预报台风、梅雨或暴雨等与水气量密切相关的天气有很大帮助。黄庆勇团队针对付伟三号的掩星观测数据对天气预报的影响做了大量的模拟和研究，发现将付伟三号的掩星观测数据纳入台风或气旋生成的预报、台风路径的预报、暴雨的落区和雨量，可以有效提高预报的准确性。

黄庆勇进一步解释说，由于台风都是在海面上生成的，掩星观测技术依靠绕地球运行的卫星收集数据，比一般设在陆地上的观测站更能获得海洋大气数据，因此对预测台风的生成很有帮助。另一方面，这些数据也可以帮助科学家掌握大气环境。比如准确把握了太平洋高压的范围，对台风路径的预测自然会更准确。根据团队的研究，加入付伟三号的掩星观测数据，可以使72小时台风路径预报的误差平均降低12公里左右，相当于提高了5%。

暴雨预报不仅需要温湿度信息，还需要风场信息的帮助。杨淑芝以2008年6月16日台湾南部的暴雨为例。一般来说，暴雨发生在山区，但这次暴雨集中在沿海，持续时间长。为了找到合理的预测模型，杨树志讨论了如何利用掩星观测数据对风场进行修正。

从2008年6月16日的个例中发现，掩星数据有助于研究团队掌握西南气流的水气分布。上图中的CNTL是没有掩星数据的对照组，REF和BANGLE都有掩星数据(同化算子不同)，可以明显改善模拟，更接近观测。图/

黄清勇教授提供

福卫七号接棒观测

随着福卫三号的退休，福卫七号传承了气象观测的重责大任。福卫七号也包含了 6 颗气象卫星，不过它和福卫三号有些不同之处。

福卫三号是以高达 72 度的倾角绕着地球运转，取得的资料点分布比较均匀，高纬度地区会比低纬度地区密集一些。相较之下，福卫七号的倾角只有 24 度，它所观测的点集中在南北纬 50 度之间，对台湾所在的副热带及热带地区来说，密集度更高；加上福卫七号收集的电波来源除了美国的 GPS 卫星，还增加了俄国的 GLONASS 卫星，这些因素使得在低纬度地区，福卫七号所提供的掩星观测资料将比福卫三号多出约四倍，每天可达 4,000 笔。

另一方面，福卫七号的软硬体比起福卫三号更加先进，可以获得更低层的大气资料，而因为水气主要都集中在低层，所以福卫七号对水气掌握会比福卫三号更具优势。

从福卫三号到福卫七号，其实模式也在逐渐演进。早期的模式都是纳入「折射率」进行同化，而折射率又是从掩星观测资料测得的偏折角计算出来的。「偏折角」是卫星在做观测时，最直接观测到的数据，相较之下，折射率是计算出来的，就像加工过的产品，一定有误差。因此，近来各国学者在做数值模拟时，愈来愈多都是直接纳入偏折角，而不採用折射率。黄清勇解释：「直接纳入偏折角会增加模式计算的複杂度，也会增加运算所需的时间，而预报又是得追着时间跑的工作，因此早期才会以折射率为主。」不过现在由于电脑的运算能力与模式都已经有了进步，因此偏折角逐渐成为主流的选择。

福卫七号其实还没有全部转换到预定的轨道，不过这一年多来的掩星观测资料，已经让中央气象局对热带地区的天气预报，準确度提升了 4~10％；陈舒雅也以今年 8 月的哈格比颱风为案例，成功地利用福卫七号的掩星观测资料，模拟出哈格比颱风的生成。

除了福卫七号，还有一颗称为「猎风者」的实验型卫星，预计 2022 年将会升空。猎风者的任务是接收从地表反射的 GPS 卫星电波，然后推估风速。可以想见，一旦有了猎风者的加入，我们对大气环境的掌握度势必更好，对于颱风等天气现象的预报也能更加準确。就让我们一起期待吧！

• 台湾杰出女科学家系列专访，持续更新中！