Space Weather Lab,
SWL
國立成功大學地球科學系 太空天氣研究室
About SWL 研究內容
「明天會不會下雨?」「颱風會不會往臺灣來?」這些是在日常生活中我們隨時會關心並且想要去了解的事情，氣象局的天氣預報提供我們許多的相關資訊。
自從1960年代開始，資料同化(data assimilation)技術應用於電腦數值天氣預報模式(Numerical Weather Prediction, NWP)，再加上人造衛星技術的發達，提供大量的時間空間上的觀測資料，讓天氣預報的準確度與可預報時間大幅增加。另外，近年因為伴隨著地球暖化而產生大規模異常現象的發生，讓一般民眾感受到災害的嚴重性，因此對於資料同化應用於研究地球環境的需求也就日益增加。除了氣象學、海洋物理學與水文學之外，資料同化的技術最近這10年來也開始應用於高層大氣(如電離層與磁層)的研究。
電離層位於距地表高度大約90公里到1000公里處，因其導電的特性，在早期衛星通訊技術尚未發展成熟之前，電離層廣泛被用來當做高頻(high frequency, HF)短波通訊的天然導波介質以達到越洋通訊的目的。現今衛星通訊是利用人造衛星發射無線電訊號給地表或近地球軌道的衛星(Low Earth Orbit, LEO)來進行訊息的傳播與定位服務，因為無線電訊號在通過電離層時，會受到電離層帶電粒子的干擾，而造成信號衰減以至於通訊不良的情況發生。當電離層發生更劇烈的擾動時(例如磁暴geomagnetic storm，電漿泡plasma bubble的發生)，甚至會造成通訊中斷與無法定位的情形，而這也是目前在衛星通訊上所遇到最大的困難之一(如左圖一所示)。
圖一、電離層電漿泡擾動對於人造衛星、地面接收站、航空器等無線電通訊與導航之影響示意圖。
隨著人類對於科技越來越依賴，如同天氣一樣，電離層對於我們日常生活的影響比起早期來說，近年越來越受到重視。
電離層中的電漿會受到太陽活動與低層大氣作用的影響而產生許多不規則或是擾動的現象，因此將整個現象影響的範圍稱之為「太空天氣(Space Weather)」，而屬於電離層中的現象則為狹義的太空天氣。為了避免與修正電離層對於民生造成的影響，詳細的電離層觀測與太空天氣研究是不可以被忽視的。
本研究室近年的研究成果如下：
數值模擬中緯度夏季異常現象
利用電離層物理模式成功模擬南半球中緯度夏季異常現象，並提出理論解釋這個異常現象的形成機制[Chen et al., JGR2011]。隨後發現北半球中緯度地區地有類似的夏季異常現象，並利用南北半球長時間電離層觀測資料配合上中性風經驗模式，更進一步發現中緯度夏季異常現象跟太陽活動性有密切的關係[Chen et al., JGR2012]。
近年更利用福衛三號觀測到中緯度異常東向漂移現象，配合電離層物理模式，分析低層大氣的潮汐對該異常現象的效應，發現非太陽同步潮汐(D0模式)是形成東向漂移的主要物理機制[Chen et al., JGR2013]。
圖二、福爾摩沙衛星三號任務之電離層掩星觀測全球月平均分布情形。最上圖為夜間電漿濃度，中間圖為白天電漿濃度，最下圖為夜間與白天相減取正值的結果。
地震地表位移造成電離層結構擾動
結合大量日本、韓國與台灣地面GPS接收器資料，成功觀測到2011年日本311地震時地殼位移所產生之大氣波動傳播到高層大氣，對GPS的UHF頻段訊號造成擾動變化的現象。
並且發現地震所產生的Rayleigh wave可以傳播非常長的距離，其所造成電離層電子濃度的擾動也同樣可以在距離震央3000公里以上的台灣所觀測到[Chen et al., EPS2011]。
除了地震位移之外，地震所產生的海嘯波，也會對大氣波動與高層電離層電漿結構造成影響。利用大量GPS觀測資料，首次觀測到由海嘯所造成電離層之同心圓結構的擾動[Liu et al., JGR2011]。
圖三、利用地面GPS觀測網資料，觀測日本311地震發生時，電離層電漿擾動傳播變化情形。
赤道異常區電漿洞結構
利用三維電離層理論物理模式研究赤道異常區的電漿洞結構，模式模擬結果指出南北向的中性風變化為主要產生赤道異常區電漿洞結構的主要原因，提供了有關赤道電離層電動過程新的解釋。
研究並更一步發現說，造成赤道異常區電漿洞結構的中性風變化(磁赤道區為輻合風，磁赤道兩旁為輻散風)最有可能是來自於太陽同步8小時周期之潮汐[Chen et al., JGR2014]。
圖四、利用SAMI3數值模式模擬電離層層電漿洞三維結構變化情形。
火箭發射造成電離層衝擊波與延遲波
利用大量地面GPS接收器計算電離層全電子含量(Total Electron Content, TEC)監測2009年南韓與2013年北韓發射人造衛星時，所造成之電離層電漿衝擊波現象。研究發現，當火箭穿過電離層時，會形成電漿衝擊波的現象以每秒800到1,200公尺的速度向火箭軌道外面傳播出去，並且產生周期大約為100到600秒之間的電漿振盪擾動波。
本研究首次發現火箭最初衝擊波之後延遲20分鐘發生的周期擾動波(delay wave)，並討論其可能的物理機制。研究發現此delay wave可能來自於火箭發射初期的擾動波，從低層大氣傳到電離層高度來而被觀測到[Lin et al., Ann2014]。
近年成功利用數值模式模擬出火箭升空對於電離層電子濃度的影響，並且模擬結果與觀測資料相當相似，並提出地表反射波對於火箭造成電離層延遲波的可能性[Lin et al., JGR2017]。
圖五、數值模擬火箭發射時，對於大氣溫度(a)、大氣密度(b)與電離層電漿(c)所造成的影響。圖(b)中白色箭頭表示大氣風場的方向與強度。
電離層太空天氣預報模式發展
近年本研究室在電離層太空天氣預報模式上有突破性的發展，為國際上第一個具備預報能力的電離層預報模式，並且所使用的觀測資料為我國發展的福爾摩沙衛星太空任務，有助於我國提升在國際高層大氣學術研究以及國內自主太空科技發展應用之地位。
主要發現電離層預報模式於磁暴情形下，30分鐘之內的觀測資料同化週期對於電離層模式預報非常重要[Chen et al., JGR 2016a]。進行電離層預報模式於磁暴時期的預報能力評估，並發現中低緯度於磁暴時有8-12小時預報價值，並且高緯度也仍有2-4小時的預報價值，此為國際上首次磁暴電離層預報能力之評估研究[Chen et al., JGR 2016b]。
最新研究發現，電離層預報模式同化電子密度觀測具備修正高層大氣電場的能力，其同化系統修正之電場輸出與雷達觀測高度吻合。同時更進一步發現同化系統增強之低緯度熱氣層風場，為形成電離層電場日落反轉的重要因子，推翻過去傳統電離層理論認知的90公里高度電漿導電係數變化的物裡機制。另外一方面因為學界在過去30年期間一直無法有效的模擬此一電場，此研究成果帶來突破性的發展[Chen et al., GRL 2017]。
