衛星雲圖vs暴風圈vs降水預測

pari

飛蝴蝶大大另帖提到：

我很好奇，觀察衛星雲圖等，這暴風圈應該就在臺灣上空，但氣象圖颱風暴風圈是在臺灣北部？台中這裡早上瞬間雨量很大！

原帖摘自陳青大大http://2home.com.tw/bbs/forum.php?mod=viewthread&tid=25166

由於原帖是康芮颱風警告訊息，小弟不才就我的觀察和了解提供您參考，如果能挽救以後一些瓜果保存下來那就福氣啦！下面文章若有謬誤還希望大家不吝指正：

一般我們看的氣象局雲圖，僅是告訴我們衛星拍到的雲的位置，好像0829上午8點


如果你配合天氣分析圖來看，會是這樣：


您的問題是"氣象圖颱風暴風圈是在臺灣北部？"...
如果"氣象圖"指的是上圖，或是下面這種


那些圖並沒有告訴我們"暴風圈"在哪裡。地面天氣分析圖的圈圈是氣壓"等壓線"，如果中心那圈是990mb, 再往外一圈可能是995mb、然後1000mb...這樣。他沒有告訴我們7級暴風半徑是包含在1000mb等壓線內還是995mb圈圈裡面。

回頭講"雲圖"，雲有高雲、有中層的雲、有低雲等等，有的會下雨，有的會下大雨(也有不下雨的啦)；

雲的種類

如果你去看可見光雲圖時，會發現該有的雲都看到了，可是氣象局的"彩色衛星雲圖"，卻沒有那麼多雲。我們首先要了解，可見光跟紅外線的波長相對微波(1cm~1m)的波長要小很多，可見光雲圖跟彩色衛星雲圖我們看到的就只是雲的照片，哪些雲可能會下雨就要靠不同波長的微波雷達來幫忙，意思有點像你要"看"她，還是"看穿"她，長一點的波長又能夠提供更多的穿透力，也就是小雨不要她反射回波，看到大雨再跟我講。

如果要我說：你看過毛毛雨的天氣風勢超強的嗎?
回答A: 沒有吧?冬天的綿綿細雨話當年好像風也不會很大
回答B: 有耶!我上次去合歡山風超強的，還飄小雨呢。

那，颱風周圍沒有甚麼雲的地方風大不大?
回答A: 大，就好像您問的氣象局的暴風圈
回答B: 嘿嘿，又賺了一天颱風假！根本沒風嘛!
(這裡告訴我們說有個縣前一天早早就宣佈放假結果反而沒宣佈放假的縣發現自己要成為排行榜前十名時...早上才宣佈緊急停班停課...)

那那...颱風走了以後，後面的風就一定會小吧?
回答A: 難道不是嗎?
回答B: 請看下圖

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pari

上圖的彩色部份不是降水，是風力強度分佈，這個颱風的南方已經沒有甚麼雲了，但是紅色區域的風還是達到30knots(節，一節等於1.852公里(SI - 國際標準International System of Units)，也就是紅色區域有放假的潛力啦!

再來兩張：



前一張的康芮不去管它，請注意看菲律賓西方，風力可是有達到30節以上！再看第2張的可見光雲圖，那裏根本感覺不出來有風暴的癥候嘛！

所以要知道雖然天上的人造衛星往下面的地面拍照，雖然感覺都是平面，其實衛星也有好幾把槍，利用不同波長的微波，加上紅外線輔助，我們可以獲得不同意義的資料，甚至不同高度的雲層含水量、風切、颱風眼牆等等資訊，下面的圖就是地表風速的分析圖的一種，風速是用knots計算，那些旗子帶的尾巴一根是10knots, 如果帶著3根半的尾巴就是35knotsx1.852= xx公里：


還有這個也是0829 0800的，不過這張的風速單位不一樣，是"每秒米"，你要x3600/1000才是公里數


仔細研究上述兩張圖您就會發現，康芮的大風主要在右半邊，左半邊的風較小。而前張圖的註釋有寫到R34, R50, R64; 對我而言，這些風速的意義在颱風接近時分別代表了：放假、躲好、完蛋了。

R34 34節x1.852 = 63公里/小時，好比開車在郊外的速度
R50              93公里/小時，好比開車在快速道的車速
R64              119公里/小時，好比開車在國三的車速

希哩乎嚕這堆照片顯示的資訊，告訴我們不同的獲取來源需要仔細分析才有辦法整合成有用的資料。

那那那...,雷達也可以打風喔? 我是知道高速公路警察杯杯拿了一把雷達槍善意防範駕駛超速行駛，如果還能打風，那是打到我還是打到...
實務應用上雷達(RADAR)這個字的由來, 叫做RAdio Detection And Ranging，原意是無線電的電波經發射出去、收集反射回來的回波來計算反射物的方向位置。您可以參考Wiki關於"氣象雷達"這一篇，會發現雷達從發明到今日氣象上的應用已經進步了好幾千里，好幾萬里。可是我們站在山下，望著山頂的氣象雷達站，那麼大一個，要怎麼弄到天上去？縮小版?

五分山氣象雷達站

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pari

雖然新的氣象衛星體積也不小

METOP-B 氣象衛星組裝


METOP-B 氣象衛星

但是氣象衛星今日可以做的，最主要的進步來自：
1. 電子計算機的突飛猛進
2. 海洋與大氣物理學的理論實踐，包括應用更多的電磁波頻譜
3. 與以往不同微波電眼的偵測方式

前面兩個就是累死很多工程師跟科學家的東東，第3個跟我們的主題有關鍵性的影響。
我們知道，打出去一個電波看有沒有敵人的飛彈飛過來，這個是主動式偵測。那如果友軍的飛機發送一個訊號被我接收，這個叫被動式。

氣象衛星的sensor也有被動式的。如果叫主動式sensor, 那就是衛星發射使用不同波長電波看看會不會受到雨滴的反射回來(降水偵測)，被動式的原理是說，一個物體，她可能有幾種方式會讓氣象衛星接收到反射波，這反射波可能是來自：
1. 背景雜訊
2. 太陽打到水氣、冰雹、海面反射給氣象衛星接收的回波
3. 這個物體會自行散發某些波長電波(簡單講如果是紅外線偵測，熱的跟冷的物體反射不同)
4. 某些電波通透過這個物體的電波波長被接收到

利用這些主動、被動式的偵測機制，我們就可以把收集來的資料，看看要用哪些科學家的偉大理論，來交給計算機幫我們算出結果，或用哪些公式，來預測颱風的動向。

至於風力與風向的問題比較複雜。
第一個利用主動式微波電眼來偵測風速的衛星於1978年升空 (active microwave sensors 1978起，ERS-2, SeaWinds on QuikSCAT有仍在服役的active sensors)，2003年的Coriolis 衛星裝載了 WindSat (sensor) 是第一個具完全極性(水平與垂直向都能偵測)對風的向量能做出偵測的衛星。Coriolis這個名字是紀念那位發現氣壓梯度風會受到地球自轉影響而偏向的科學家，這顆衛星不是固定的，她距地表 830KM高度, 以每秒6.57公里繞兩極運行。

要偵測(可能)看不見的風，不見得需要直接就用電波打空氣來求得風力風向。一般的做法，可以在衛星上裝3~4個偵測器(測甚麼下面會講)，例如相差90度，由衛星的高度速度航向和收集到的回波經都卜勒(Doppler filter)處理後傳給計算機、選擇一種計算模式(因為各家學說不同，要不然利用同樣的資料，每次颱風大家的預測路徑就通通一樣啦)，這樣我們就會得知風向風速。

所謂比較複雜是說，在計算的模式當中，科學家發現也可以加入其他條件如獲取海面波浪高度，依不同模式換算出與風力速度關係；也有用獲取的(海面)反射亮度與溫度關係，就可以觀察到海水蒸發的現象，同時來探討(要偵測這些啦)鹽分、海面粗糙度(波浪起伏高低數值)、海溫、氣泡(大風時吹破海浪的波峰)求出相對應，應該符合的海面風力。這就是用間接的方法，讓我們可以用的上今天的科技，只要有被動式的接收，一樣能夠測出海面上風力風向的原因。

但是呢，使用這些計算出來的結果還是有所限制。意思是說，前面一直講的是海面、海面、海面，因為許多的雷達/微波雷達偵測器，當作為氣象上的應用，還是跟大地衛星或是看星星的衛星有差別。尤其是對風力風向的偵測，要注意靠近海岸線和陸地上的"風"偵測是不可靠滴。對風速超過太高(有的衛星對50kt的風速偵測也不可靠)，因為先決條件是海面早已被吹得亂七八糟了，干擾太多，不準。這也是在看那些風力圖的時候，近岸和陸地是沒有顯示資料的，這就需要近海船舶通報、空飄氣球、氣象飛機、陸地氣象站的補強了。

註：WindSat和QuikSCAT可以有效偵測海面高度10米以上的風
參考：http://www.jars1974.net/pdf/05_Chapter04.pdf

所以呢，氣象衛星可以做的黑的白的事情多了，她可以偵測到：晴天、雨天、冰雹、沙塵暴；她可以利用不同的雷達電波頻譜vs回波靈敏度物理參數可以算出鹽分、海水溫、風速、蒸發水氣、含水雲、海冰(微波高度計Microwave Altimeter)...

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pari

pari 發表於 2013-8-30 17:55
雖然新的氣象衛星體積也不小

METOP-B 氣象衛星組裝

回到暴風圈的問題。如果你再回頭想想氣象局的等壓線，真實的情況和直接畫一個同心圓是有差距的。至少；對康芮颱風的特徵是不能直接將"暴風圈"這種東西直接套用在等壓線圈圈滴，所以問題是看今天你需要用到多精準的暴風圈，我想大家應該聽到暴風圈要接近了都會進港了吧！不會太計較差了沒多少公里，只是不要像阿拉斯加的漁人搏鬥那樣，為了抓帝王蟹賠了性命。

那：台中早上雨很大這個觀察...

我認為每個颱風都有它的個性，不能輕忽。

古人說：山雨欲來風滿樓。
當康芮的暴風圈跑在前面，您會感覺：這古人就知道待會兒要下大雨了。

但是我們不能將小尺度微尺度的天氣跟中尺度的熱帶氣旋特性搞混了。

豪雨，可以發生在颱風暴風圈之後，也有可能發生在颱風還沒有進來的時候。最慘痛的教訓就是2010年的梅姬颱風，當颱風還在遙遠的南海上搖啊搖的時候，2010年10月21日光8個小時宜蘭的累積雨量如下圖：


您還記得當時的梅姬颱風中心在哪嗎?請看下圖中午的色彩強化版衛星圖：

還在巴士海峽的西方！

如果再來看可見光圖，會發現當天下午1430台灣似乎都還沒有甚麼雲，其實蘇花公路已經發生意外


而隔天早上6點，梅姬都還沒進來!


以上是我的觀察報告，降水跟暴風還是要看完整的各種分析圖表，不能只看雲圖來猜測，這樣曬在外面的衣服才知道什麼時候好收進來。



[參考資料]

如果對進一步資料有興趣的話，可以參考：
關於"如何看雷達回波圖" [pari]; 留意中央氣象局的數值分析預測
http://2home.com.tw/bbs/forum.ph ... 6&fromuid=18169

Wiki, 熱帶氣旋
http://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%86%B1%E5%B8%B6%E6%B0%A3%E6%97%8B

NOAA對KongRey降水預測
http://www.ssd.noaa.gov/PS/TROP/etrap.html

NOAA的風力分析MTCSWA, Multiplatform Tropical Cyclone Surface Winds Analysis
http://www.ssd.noaa.gov/PS/TROP/ ... 013&id=KONG-REY

NRL TC頁面 (TC - Tropical Cyclone,熱帶氣旋，颱風)
http://www.nrlmry.navy.mil/TC.html

NOAA衛星資訊產品，有很多連結可以點選，包括風力場
http://www.ssd.noaa.gov/PS/TROP/

KongRey影像，也有動畫，這個連結可能有時效性
http://www.ssd.noaa.gov/PS/TROP/floaters/14W/14W_floater.html

KongRey的各種風力分析
http://www.ssd.noaa.gov/PS/TROP/ ... REY&timeDiff=12

MetEd學習網，需要註冊
dl the module re 海洋風速及風向
http://www.meted.ucar.edu/npoess/ocean_winds/dnld.htm
登錄頁面
https://www.meted.ucar.edu/sign_in.php

衛星圖上"BD"的意思：Basic Dvorak 模式
"ADT" - Advanced Dvorak Technique
MIS - Microwave Imager / Sounder
CMIS - Conical Scanning Microwave Imager/Sounder
SSM/I --> SSMIS --> TRMM, AMSR-E ON EOS Aqua Sattelite (wind spd)
-->WindSat (sensor)  ...不同衛星或使用不同的偵測機制
ESA - European Space Agency
EUMETSAT 歐洲氣象衛星
錐形雷達發射/接收 Conical Scan (and tracking)
http://www.radartutorial.eu/06.antennas/an23.en.html


=============謝謝觀看，全文完=============