除了作為導航的工具,GPS如何幫助科學家觀測地球的水文循環?

除了作為導航的工具,GPS如何幫助科學家觀測地球的水文循環?
圖片來源:物理雙月刊

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GPS已經普及,卻很少人知道,它的訊號還有一項不在計畫之中的用途──除了提供位置的訊息,GPS訊號也可以用來收集關於地球水文循環的資訊:它們能區分地表是乾的或濕的、有多少水包含在土壤與植被裡,以及地面上有多少雪。

文:Clara Chew
譯:張鳳吟

問路的日子已經過去了!現在,任何人有智慧型手機都可以快速找到最鄰近的咖啡廳、最靠近的加油站或出城最快速的路線。跑者保持或不保持步伐,他們都能知道自己已經走了多遠(或多少),這要感謝他們的GPS手錶。全球定位系統(global positioning system, GPS) 的使用變得如此無所不在,以致有些研究人員擔心人類因此失去他們對方向的感知。

儘管GPS已經普及,卻很少人知道,它的訊號還有一項不在計畫之中的用途——除了提供位置的訊息,GPS訊號也可以用來收集關於地球水文循環的資訊:它們能區分地表是乾的或濕的、有多少水包含在土壤與植被裡,以及地面上有多少雪。

雖然GPS衛星首次於1970年代晚期發射,但直到1990年代中期,人們才開始探索它們作為遙感探測(remote sensing)工具的使用。此後,多個地面與飛機實驗已證明傳輸的GPS訊號,對許多地球物理的變數敏感,例如近地表土壤濕度、雪的深度、洪水淹沒範圍、海冰密集度(sea-ice concentration),以及海表風(ocean-surface winds)。現在研究人員將他們的努力,擴展到研究衛星所紀錄的GPS訊號如何革新遙感探測。

垃圾或寶藏?

地球表面瀰漫著GPS訊號,有一些會直接被位於手機與手錶內的接收器攔截,而其它則在被接收器接收前,會先在地面、建築或鄰近的任何物體反彈。這些經過地面反射(或多路徑multipath)的訊號通常是個麻煩,它們在定位估計時會造成誤差與雜訊,是GPS在擁有許多大建築的城市中,較不可靠的部分原因。許多GPS接收器有特別的演算法來抑制那些多路徑訊號,而且GPS天線本身可被設計來阻隔它們。

然而,多路徑訊號仍會悄悄潛入。在2008年,科羅拉多大學研究人員正研究如何抑制GPS天線與接收器中的多路徑訊號。他們的研究針對如圖1所顯示的裝置,這是設計來監測構造板塊(tectonic plates)的移動,而天線被金屬環圍繞,能在物理上阻隔多路徑訊號。但一些多路徑訊號依舊會在數據中出現。此外,這些訊號似乎強度以某些規律變化,特別是對於那些遠離造成明顯反射的建物結構,位在田野與牧場中的接收器。

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圖片來源:物理雙月刊
圖1、GPS天線在半球形的穹頂下,它被設計來監控結構板塊的移動。地面反射的GPS訊號可用來推斷天線附近的土壤含水量。

當研究人員聯繫大學裡的水文學家時,他辨認出多路徑訊號的變化看起來很怪異,像是土壤濕度的時間序列:在暴風雨期間及過後不久,訊號會規律而可預測的增加,隨後慢慢下降,對應土壤正在變乾。

科羅拉多研究團隊開始調查,是否地面反射訊號能夠用來推斷土壤的含水量,他們的目標是將GPS天線有效的用作土壤感測器,這也許能幫助監測乾旱,並驗證土壤濕度監測衛星取得之數據。然而這項任務,並不是直接將多路徑訊號對應土壤濕度的觀測這麼簡單。訊號在時間上具有季節性,這同時顯示地面反射的GPS訊號,也有可能是被地表覆蓋植被裡的水分所反射。

透過結合數值模型與上百個田野樣本的分析,科羅拉多團隊成功得到一個能估計大地GPS天線附近土壤濕度的演算法。有超過1000個天線,分布在美國西部與阿拉斯加,作為板塊邊界觀測站(Plate Boundary Observatory) 網路的一部分(由美國科學基金會NSF資助)。團隊利用此網路中的數百個天線,得到土壤濕度的數據,解析度達到約一個足球場面積的大小。其成果成為一個GPS土壤濕度感測器的新陣列――全世界最大的這類型網路之一(ref. 1)。

不同類型的雷達

回頭來看,GPS訊號對土壤中的水分敏感,應該不令人如此驚訝,畢竟,微波雷達多年來一直用在偵測土壤濕度與地表水的變化。而GPS正是一種微波雷達系統,儘管有著不同的散射幾何。在傳統的雷達中,發射器與接收器都位在同一個平台,意味著發射器送出一個訊號,接收器在訊號被彈回平台後紀錄它。然而,GPS衛星只有一個發射器,沒有接收器,接受器通常位於手機、塔上或飛機裡。

雖然散射幾何是不同的,GPS訊號行為,非常像是頻率位於1-2 GHz範圍內,L波段的微波訊號。它們對於土壤裡與地表上的水敏感,這是因為乾燥和飽和土壤的介電常數有很大的差距,類似大的介電常數差異亦存在於飽和土壤與水之間。較濕的土壤擁有較高的介電常數,導致地表對入射的GPS訊號反射更強。

在地面的系統中,地表反射訊號與GPS衛星直射到天線的直接訊號干涉,干涉程度取決於兩個訊號行經的光程差以及反射表面的性質。透過測量相對於裸露乾燥參考狀態的干涉圖形之頻率、相位或振幅的變化,人們可推論出地表中的改變,無論是來自土壤濕度、植被或是雪。

GPS訊號在許多方面對遙測地球的水文循環是理想的,因為圓偏振L波段的訊號不受雲量或陽光的影響,無論一天裡什麼時間或大氣狀況如何,它們都能看到地表。此外,L波段訊號的波長――在GPS的例子是19或24公分――和其它微波頻率(如C或X波段)相比,是相對長的。這很重要,因為波長直接和訊號能穿過多少植被成正比。較長的波長更能感測到覆蓋物(canopy)底下的表面狀況。


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台灣人偏好的威士忌風味?甜美風味是大宗,帶果香、蜜香風味威士忌男女皆愛

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我們想讓你知道的是

台灣每人一年平均品飲2.3瓶威士忌。不過,隨著女性愛好者逐年增加、族群年輕化的全球趨勢,威士忌的喜好風向正默默地變化著,更同時影響著國際酒廠推出熱門酒品的未來計劃。TNL Research 關鍵議題研究中心針對普羅大眾進行了威士忌的品飲喜好調查。

每年近800億元規模的台灣酒類市場中,威士忌最是一大重點。然而,近年來品醇族群結構的變化,加上酒友們對風味的求新求變,不少品牌開始尋覓下一個令人沈醉的風味。未來台灣威士忌市場主流,將吹向哪種風味的酒品呢?TNL Research 關鍵議題研究中心針對普羅大眾進行了威士忌的品飲喜好調查。

根據蘇格蘭威士忌協會公佈的2021年國際出口市場表現報告,台灣這個僅2300萬總人口的市場,一年竟進口了將近新台幣85億元的蘇格蘭威士忌,在全球排名第三。若再加上日本、美國等其他產地的酒品,統計資料也顯示全年威士忌市場消費總金額約550億新台幣,台灣每人一年平均品飲2.3瓶威士忌。不過,隨著女性愛好者逐年增加、族群年輕化的全球趨勢,威士忌的喜好風向正默默地變化著,更同時影響著國際酒廠推出熱門酒品的未來計劃。

三分之一女性愛好者 有力影響威士忌市場風潮

根據TNL Research關鍵議題研究中心於7月11~12日,針對年齡分布於30歲以上ShareParty會員所進行的「威士忌品飲習慣調查」,分析376份有效回收問卷之後發現,40.9%受訪者有品飲威士忌的習慣,且男女比例已達逼近2:1之譜,顯見女性在威士忌同好族群中已成長至三分之一的比例,其風味喜好必將更具市場聲量。

風味偏好調查
Photo Credit:TNL Brand Studio

然而,再進一步詢問關於威士忌風味的偏好,倒是能從中一窺在男女族群上的異同處。台灣民眾近年來普遍偏好風味較為甜美、順口易入喉的威士忌,而兼具有果香者獲得最多受訪者的喜愛(57.4%),其次則是帶有蜂蜜風味之酒品(36.3%)。至於較具獨特個性的煙燻風味,訪問後倒是出現了35.9%男性喜愛,但僅有14.5%女性能夠接受的明顯差異。

提到風味甜美的威士忌,深諳威士忌的酒友們,腦海中必然會浮現百富單一麥芽威士忌的名稱。百富的傳奇首席調酒師大衛史都華(David C. Stewart),運用將近60年的經驗和深厚的製酒工藝,讓標誌性的「香甜蜂蜜」風味在每一款百富威士忌中都有一致但又獨特的展現。而大衛史都華更令人讚賞不已的,是他於1980年代所發明的「過桶」(Cask Finish)工藝:先將威士忌置於傳統橡木桶中熟成若干年後,再移至另一種橡木桶進行第二次的熟成,而二次熟成的時間並非定數,全靠大衛史都華帶領團隊的耐心定期監控,直到風味達到標準之後方才進行裝瓶。40年來運用「過桶」工藝,百富將酒廠經典的蜂蜜、香草基調,變幻出多樣的迷人風貌,因而廣受全球消費者歡迎。

私聊聚會 最是品飲威士忌的好時機

配圖警語_3
Photo Credit: 百富

關於最適合享飲威士忌的生活情境,則有近七成(68.8%)受訪者鍾意於私人會所或家庭聚餐時,與三五好友共享黃金酒液,其次還有「商務應酬場合」(35.9%)及「餐廳等公開場合聚會」(35.6%)成為品飲威士忌的常見場景;也有超過三成(32.8%)受訪者鍾愛與另一伴在家中親密啜飲。

若要在私聚餐會上品飲明顯具有果香風味的威士忌,百富12年雙桶DoubleWood是威士忌愛好者的首選之一。百富首席調酒師大衛史都華精選首次裝桶之Oloroso雪莉桶,陳放9個月過桶的百富12年雙桶單一麥芽威士忌,從1993年販售迄今已近30年,為百富的最經典酒款。此外,百富酒廠歷史上推出的第二種過桶酒款:百富21年波特酒桶PortWood威士忌,經長時間窖藏熟成,醞釀極具深度的風味,是百富獲得首獎最多,也是首席調酒師大衛史都華個人最愛的酒款之一。

首創過桶工藝 讓百富威士忌在甜美蜂蜜風味上 更增添多變的層次

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Photo Credit: 百富

最後,綜合分析威士忌市場的主流風味,果香、蜂蜜、煙燻和花香是台灣民眾鍾愛的四大風味。然而,想要品飲這四種風味,藉由百富首創的過桶工藝,體驗品牌經典的香甜蜂蜜風味之餘,如果想要體驗熱帶水果的果香,就可選擇百富14年加勒比海蘭姆桶單一麥芽威士忌。過桶加勒比海蘭姆酒桶(Rum)的金黃酒液,先帶來熱帶水果、熱帶香料及太妃糖的香氣,再引出香草、橡木桶甜味,口感濃厚圓潤,餘韻柔和且綿長。若是喜歡煙燻泥煤風味,百富故事系列14年泥煤週威士忌是個很好的選擇,溫和的煙燻泥煤融合著細緻奶油蜂蜜氣息與淡雅花香調,品飲時還能感受到些微的柑橘和橡木氣息,猶如天鵝絲絨般的滑順飽滿口感,加上引出水果香氣的尾韻層次變化,怎會不讓人念念難忘。

配圖警語_4_V2
Photo Credit:百富

近來領先全球、在台首發上市的百富16年法國皮諾甜酒桶單一麥芽威士忌,是百富首席調酒師大衛史都華的最新傑作,先在美國橡木桶陳年16年,再經由法國皮諾甜酒桶二次熟成,讓百富的蜂蜜甜香層疊出更多層次感,不僅讓品飲者能嗅聞到美妙平衡的蓮花與天竺葵花香,更有蜂蜜基調和細緻蜜餞、嫩薑辛香,加上清爽順口的尾韻,豐富感受、很是令人著迷。

一心一藝,百富持續以「過桶工藝」在標誌性的香甜蜂蜜風味之上,尋找新的可能。相信只要曾感受過桶工藝的魔幻般奧妙,肯定會為台灣日益增長的威士忌愛好者族群,開拓出更為寬廣多元的嗅味覺體驗疆域。


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