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

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）

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）。

圖片來源：諾貝爾獎網頁截圖

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。

圖片來源：作者提供

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。

圖片來源：作者提供

一顆顆亮橘色的微型資料浮標在海上非常醒目，造型的設計有點像陀螺，形狀是以二維的高斯曲線擬合為基礎，露出水面的部分較平滑是為了減少海面風速對浮標的拖曳力，並使浮標更貼合著海浪上下運動。而白帽的觀測數據其實對於颱風系統強弱的理解十分重要，如果我們可以更準確地知道海洋上白帽的覆蓋特性，對颱風強度的預測將會有所幫助。

去年的諾貝爾物理學獎的獲獎原因，顯示了環境與氣候變遷議題比過去更加被重視，希望未來能有更多有興趣的學子加入，利用智慧及經驗為世界上看似混亂的現象揭示其規律並賦予意義，為世界解開波浪滔滔的祕密。

Photo Credit: 科學月刊

本文經科學月刊授權刊登，原文刊載於此

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責任編輯：朱家儀
核稿編輯：翁世航