福爾摩沙的「氣象衛星」

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氣象衛星可以在外太空,以高高在上的「上帝視角」俯瞰地球,取得更全面、更完整的氣象資料。臺灣目前共有三組氣象衛星(系),包含已經退役的福衛三號、正在服役的福衛七號,以及即將升空的獵風者衛星。前兩項任務取得了巨大的成功,而最後一項則背負著眾人的心血,即將以「臺灣第一枚自主研製氣象衛星」之名發射升空。

撰文|許世穎

氣象衛星:用「上帝視角」來看地球氣象

大量的氣象資料有助於讓我們的氣象預報更為精準。氣象資料有許多不同的種類,也有著不同的取得方式。除了地面觀測站、海上浮標、探空氣球等這些局部的觀測以外,還有一種方法,就是發射一顆衛星到太空中,用一種「上帝視角」來觀測地球上的氣象資料。這種衛星稱為「氣象衛星」。

 

福衛三號

福衛三號(圖1)是我國的第一組氣象衛星,是與美國大學大氣研究聯盟 (UCAR) 共同合作執行。福衛三號並不是「一顆」衛星,而是共由「六顆」衛星所構成的衛星群 (Satellite constellation)。與大多數的氣象衛星相同,這六顆衛星的繞轉軌道接近經度線(軌道面與赤道夾角72°),得以獲取各個緯度的氣象資料。

圖1:福衛三號想像圖|來源:NASA

福衛三號的英文代號除了「FORMOSAT-3」以外,國際上使用的另一個代號為「COSMIC」,英文全文意思是「氣象、電離層及氣候之衛星群觀測系統」(Constellation Observing System for Meteorology, Ionosphere and Climate)」。從名稱就可以看得出來,福衛三號除了日常使用的氣象資料以外,還會觀測電離層,並進而監控全球氣候。

在當時,大多的氣象衛星都是採取「拍照片」的方式來觀測,我們在氣象預報中常見到的「衛星雲圖」,就是氣象衛星所拍攝的結果。這個方法雖然非常直覺,然而卻有幾個明顯的缺點。比方說,2D照片無法告訴我們立體的分布,而且雲太厚的話,就看不到低空的狀況啦!

福衛三號所使用的「無線電掩星 (Radio occultation)」技術則可以完美解決這些問題。我們可以用水龍頭來理解:當我們打開水龍頭,發現流出來的水是黃色的時候,如果我們確定自來水公司供給的水本身是乾淨的話,馬上就會聯想到:「這些水在輸送的路上被汙染了。」

無線電掩星就是利用類似的概念,首先我們需要一個穩定的無線電訊號源,我們就可以藉由分析這些經過大氣層的訊號,來得知途中大氣層的性質,包含氣壓、溫度、濕度等。為了可以持續地分析大氣資料,這個訊號源必須穩定才行;而且,為了分析全球大氣,這個訊號源必須要在任何位置都接收得到。要去哪裡找這樣一個穩定、又到處都有的無線電波訊號源呢?

答案其實就是我們幾乎每天都在用的「全球定位系統 (GPS)」啦!全球定位系統包含了二十四顆衛星,且保持二十一顆持續運作,成為了無線電掩星技術最重要的資源(圖2)。

圖2:無線電掩星技術|來源:NOAA/NESDIS

由於福衛三號這個「運用無線電掩星」的技術太過新穎,甚至在計畫主持人郭英華博士的投稿下,登上了《自然》期刊的新聞版面!

福衛三號一開始的定位是「實驗型衛星」,目的在於檢驗這個觀測方法的可行性,當初設定的任務壽命僅為兩年。沒想到福衛三號非常耐操,在2006年升空以後,一直到2020年才正式退役。期間所獲得的資料為全世界都帶來了相當大的貢獻,也提升了臺灣在國際上的聲量與能見度。

 

福衛七號

由於福衛三號的成功,早在2008年,美國國家海洋暨大氣總署 (NOAA) 就主動聯繫臺灣的國家太空中心,希望開始規劃下一期臺美合作氣象衛星計畫,以便在福衛三號退役後接續任務,英文代號為「FORMOSAT-7/COSMIC-2」的「福衛七號」因而誕生(圖3)。福衛七號基本上承接了福衛三號的無線電掩星技術,一樣是由六顆衛星所構成,並更進一步提升了各種效能。

圖3:福衛七號想像圖|來源:SSTL

不過,福衛七號的六顆衛星與一般的氣象衛星不同,繞轉軌道比較接近緯度線(軌道面與赤道夾角24°),這樣子的設計能更針對中低緯度地區觀測。福衛七號在臺灣地區附近的資料量約是福衛三號的3至4倍,大幅增加全球低緯度地區(包含臺灣)的氣象預報準確度。

或許會有讀者感到疑問:「那福衛七號就沒有直向繞轉地球的衛星了嗎?」其實本來是有的!福衛七號原先規劃時共有十三顆衛星,分為兩組,第一組的六顆衛星是橫繞地球(軌道面與赤道夾角24°),而第二組的七顆衛星則是與福衛三號一樣直繞地球(軌道面與赤道夾角72°)。後來由於美國政策方向改變,最後僅有第一組的六顆衛星發射升空,成為了我們所知道的福衛七號。

福衛七號的衛星本體是委託英國的廠商製造,而衛星上的儀器(i.e., 酬載)、衛星發射由美國負責,臺灣的國家太空中心則專注在系統規劃、整合驗證及地面操控軟體方面的開發。在英、美之間的文化衝突下,當時的計畫主持人朱崇惠老師花了不少心思居中協調、扮演溝通的橋樑。

第二組七顆衛星當中,有一顆衛星並不打算請英國廠商合作,而是規劃交由臺灣自主研發,以增進臺美之間更多的技術交流。在第二組被取消以後,太空中心決定將這顆衛星獨立出來,另外為其設計衛星本體、控制軟體以及任務籌載。這顆衛星,就是即將升空的「獵風者衛星 (TRITON)」。

 

獵風者衛星

獵風者衛星的主要任務目標是要觀測「風」,尤其針對颱風。臺灣每到夏季最常見的天災就是颱風,其主要成形、增強威力的地方都是在海上,因此獵風者衛星雖然也是運用「無線電掩星」的技術,但其主要觀測的並不是「經過大氣層」受到的影響,而是「被海平面反射」所受到的影響。

在國家太空中心帶領之下,有多達二十組來自產、學、研的單位加入獵風者衛星的研發,最後獵風者衛星達到了82%的自製率。獵風者衛星目前已經運送到了被稱為「歐洲太空港」,位於法屬圭亞那的圭亞那太空中心,預計於今 (2023) 年9月發射升空。作為臺灣第一顆自主研發的氣象衛星,獵風者衛星的完成聚集了許多國人的心血,期待它也能如同前輩福衛三號、福衛七號一樣,在太空中順利運作,為臺灣、為全世界帶來更多寶貴的氣象資料。

 


參考文獻

  1. 國家太空中心/歷史計畫/福爾摩沙衛星三號
  2. 國家太空中心/執行中計畫/福爾摩沙衛星七號
  3. 國家太空中心/執行中計畫/獵風者衛星
  4. 蕭俊傑、顏隆政 (2010),最精準的太空溫度計─福爾摩沙衛星三號,清流月刊,十月號
  5. 許世穎 (2021),掌握風雲脈動,福衛七號:臺灣引以為傲的氣象衛星系統,科技魅癮,No. 4
  6. 劉詠鯤 (2021),獵捕海面風,新一代氣象觀測利器:獵風者號,科技魅癮,No. 4
  7. Cyranoski, D, 2001, “Array system promises global atmospheric monitoring.”, Nature 411, 228.
  8. 王季蘭 (2021),福爾摩沙飛向太空:臺灣太空科技發展的軌跡,天下文化
  9. 張璦 (2023),臺灣自製獵風者衛星背後功臣產學研20單位組國家隊升太空,中央社
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