中央大學研究團隊開發微型浮標,觀察海面「白帽」覆蓋率可預測颱風強度

中央大學研究團隊開發微型浮標,觀察海面「白帽」覆蓋率可預測颱風強度
Photo Credit: 中央社

我們想讓你知道的是

白帽是指海浪破碎後,在波峰周邊形成白色浪花,是由大洋中波浪破碎時將把空氣捲入水體所造成。中央大學研究團隊開發微型浮標,可觀測波浪的頻譜與海表面的傾度,以推算白帽覆蓋率。理解白帽的覆蓋特性,將對颱風強度的預測有所幫助。

文:林芸安(就讀中央大學大氣科學系、水海所專題生)、錢樺(中央大學水文與海洋研究所教授、科技部海岸帶環境治理永續棧召集人)

Take Home Message

  • 白帽是指海浪破碎後,在波峰周邊形成白色浪花,是由大洋中波浪破碎時將把空氣捲入水體所造成。
  • 風速增大時,海面白帽覆蓋比例也會增加,造成海洋與大氣的熱量傳遞速度遽增,而突然陡增的熱量通量對於颱風的發展至關重要。
  • 中央大學研究團隊開發微型浮標,可觀測波浪的頻譜與海表面的傾度,以推算白帽覆蓋率。理解白帽的覆蓋特性,將對颱風強度的預測有所幫助。

1968年9月,地處德國與丹麥國境交界處西側的席爾特島(Sylt)秋意襲人,陰霾天空中積雲在低空快速翻騰,風速強勁的北海海面上波瀾壯闊、白浪片片,海上有一座巨大的鑽油平台,只見一位金髮的科學家穿著亮橘色工作服站在高架觀測平台頂端,表情嚴肅地確認他所安裝的儀器一切工作正常。他向西眺望,想像著從200公里外被暴風吹起的波浪是如何一路成長、傳遞與演變。這

是上世紀70年代規模最宏大的波浪觀測研究⸺北海波浪聯合量測計畫(Joint North Sea Wave Project, JONSWAP)的試驗現場。這位30多歲的年輕科學家剛從美國加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego)回到德國馬克斯普朗克氣象研究所(Max Planck Institute for Meteorology,MPI-M)擔任這個跨國科學計畫的主持人,他就是後來的2021年諾貝爾物理學獎得主⸺哈瑟曼(Klaus Hasselmann)。

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圖片來源:諾貝爾獎網頁截圖
諾貝爾獎網頁介紹2021年諾貝爾物理學獎得主哈瑟曼(Klaus Hasselmann)

波浪研究的開端

氣候學家、氣候建模師哈瑟曼利用氣候模型,證明人為活動造成的二氧化碳增加、加劇全球暖化,因此在去(2021)年榮獲諾貝爾物理學獎,進而開啟人類和複雜地球系統關係的討論。

當年,哈瑟曼在博士畢業後的第一份工作是一名造船工程師,雄心萬丈的他一頭栽進流體紊流現象的解析,但徒勞無功。後來哈瑟曼利用他物理與數學的長才,轉而研究海浪中波動與波動間的非線性交互作用與能量轉移,成功克服了自二戰以來、基於波浪預報需求的著名難題⸺大洋中海浪的演變過程,而後一舉成名。

哈瑟曼年輕時期的波浪研究,為他後來得獎的複雜非線性系統探討提供了養分與基礎,因為波浪就是自然界中最隨處可見的複雜非線性系統之一。

揭開波浪與白帽的祕密

波浪是海氣界面在時間與空間的擬週期性波動,波浪的形成到消失以及過程中的演變,在數學描述上是由三個主要的源函數項控制,分別描述大氣運動(風)造成的能量輸入、碎波白帽(whitecap)造成的能量耗散,以及介於輸入與耗散之間的能量非線性交互作用與轉移過程。

現今我們早已能透過精密的觀測實驗了解風的能量輸入特性,而非線性交互作用的能量轉移也可以藉由哈瑟曼的理論進行計算。但我們還是沒有辦法清楚地確認碎波白帽造成的效應究竟有多少,以及目前的估計是否精確,因爲這樣的觀測實在太困難了。

但究竟白帽是什麼?又為什麼重要?白帽是海浪破碎掉之後在波峰周邊形成的一片片白色浪花,它是海面上的小水珠與水下氣泡的綜合光學現象,由大洋中波浪破碎時將空氣捲入水體所造成。

白浪的發生分成三個階段:一開始在波浪正要破碎時,波峰捲曲將大量空氣捲入水體,顏色是最白亮的;第二階段白帽會開始以水下氣泡的方式上浮,氣泡在海水表面破裂,激發出更小的水滴射入大氣,海氣交界面一片混沌;最後小水滴被風帶往下風處形成一條條帶狀或煙狀的白色泡沫,為第三階段。由於白帽中包含無數小水滴,以至於單位質量的水具有極大的表面積,加速了水的蒸發,再透過水的相變,可將大量海洋的熱量輸送進入大氣。

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圖片來源:作者提供
波浪正要破碎時,波峰捲曲將大量空氣捲入水體。接著白帽會開始以水下氣泡方式上浮,直到氣泡在海水表面破裂,激發出更小的水滴進入大氣,最後這些小水滴被風帶往下風處形成帶或煙狀的白色泡沫。

颱風與白帽

白帽的發生與風速息息相關,風速增大時,海面白帽覆蓋比例會率呈指數快速增加,也造成海洋與大氣的熱量傳遞速度激增,而這樣突然陡增的熱量通量對於颱風的發展至關重要。

颱風若要生成,有四個很重要的條件:

  1. 在南北緯五度以外、柯氏力足夠大的海域範圍
  2. 垂直風切小
  3. 海洋有足夠的熱能供給
  4. 大氣不穩定,有強烈的熱對流

颱風就像一個熱機,由海洋提供熱機能量,所提供熱能通量的快慢影響颱風強度變化,進而影響到颱風下海面的白帽特性。

颱風眼牆周邊的風速快,這個區域就像一個巨大的造浪機器,一波又一波的浪從颱風中心向四面八方傳遞。由於北半球颱風的風向大致呈逆時針旋轉並向內旋入,因此在颱風的左側風向會和浪的方向相同,右側則為反向,而當風和浪的方向相反時,便會增加波浪破碎的機會,因此在颱風右側海面上白帽的覆蓋率會較高,可能對颱風強度產生影響。

究竟在颱風的極端風速下,海面白帽覆蓋率有多少?是不是像按摩浴缸內白花花一片?這些一直是科學家關注的議題。

科學家如何觀測白帽?

白帽的覆蓋率和風、浪特性有關,因此如果要更加了解這些白帽,我們可以利用飛機飛到颱風中心進行航空拍攝的光學影像來判讀,在過去與現行的颱風研究中,科學家也曾利用飛機飛到暴風圈中以獲得暴風圈內濕度、風向風速資料。但是由於颱風時期的雲遮因素,使用飛機低飛航進行航拍的安全風險很高,且衛星遙測光學影像也無法解析。

而在1996年好萊塢電影《龍捲風》(Twister)中,氣象學家為了獲得龍捲風內的第一手資料,製作數以千計的微型探測小球,在距離龍捲風比較近的地方釋放,於是這些小球被強風捲入散布於龍捲風內跟風場運動,此時便可以利用高解析精度的定位資料與感測器,解析龍捲風的結構。

受到影片內容的啟發,中央大學研究團隊開發了用來觀測白帽的微型浮標,可觀測波浪的頻譜與海表面的傾度,把資料與數據利用衛星回傳到研究中心,而波浪的頻譜就像身分證一樣,可以清楚知道波浪的年齡(生成階段)和能量分布狀態,用以推算白帽覆蓋率。預計在今(2022)年颱風季,利用研究船在西北太平洋颱風生成熱區布放大量的微型浮標,守株待兔等待颱風到來,希望有機會可以從颱風中得到暴風圈內的資料。

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