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1、 衛星觀測在野火上的應用 那裡在冒煙！失火了嗎？是有人在燒垃圾呢？還是火山爆發了？當我們看到遠處有升煙時，如果不是一縷小小的青煙，不是發生在空曠的田地裡，不是出現在煙囪頂端，難免教人擔心是不是失火了。台灣不是沒有大規模野火事件，民國 82 年在玉山塔塔加鞍部及八通關分別發生兩起大火，塔塔加大火波及面積達 299.30 公頃(林務局報告)，時隔多年，直到現在仍可看出當年大火的痕跡。野火是全球環境變遷中很重要的現象，2007 年希臘和同年十月加州聖地牙哥的大火，更是引起全球各界加倍的關注。在 Discovery 製作的 Raging Planet-Fire 野火影片中，我們看到了野火一旦引燃後，可
2、能發生持續燃燒的種種問題，若是火勢強、延燒速率大、或有強風推波助瀾下，地面救火人員及直升機根本無法靠近火場，難以掌握燃燒的範圍及強度，因而燃燒的規模越大、越難應付時，救火及救難人員緊張及憂慮程度倍增。這時候衛星觀測即成為最實用的方法，近年來各國紛紛透過衛星觀測來監測野火，衛星監測野火的研究逐漸成為控制火場以及火災管理的重要依據。其實當我們透過每天飛翔天際監視的衛星來看全球時，會發現地球其實不僅僅是水的行星，同時也是個火的行星。應用衛星如何觀測野火的現象？以下先就監測正在燃燒的火場、火燒前後的環境變遷及火燒危險度評估等幾個階段來說明。一、火場監測：哪裡有火點？火場蔓延範圍多大？燃燒速率及強度如何
3、？這一類的問題很需要即時的情報，衛星可以偵測目前正在燃燒的地區、燃燒範圍大小、燃燒速率、火勢強度，以及產生的微量氣體(包含溫室氣體)、氣膠等汙染微粒，並以最接近發生的時間（near-real time）立即偵測並估算出數值來。各位或許以為衛星眼中的火場就是一片火紅的影像，雖然直覺上會認定可見光(0.40.7 m)可以看到冒火的地表發出紅光，但是火場也常因煙霧壟罩，可能遮蔽了地表發出的艷麗火燄，透過可見光波段感應可以看到的是煙以及燃燒之後的地表疤痕，但對於正在冒火的地表反而派不上用場。仔細想想地表燃燒的位置和原來的差別，燃燒必定使當地的地表溫度上升。根據韋恩定律，物體表面的溫度越高，輻射出的電磁
4、波波長也越短。因此實際上火場監測最明顯的就是透過紅外線波段來觀測，右圖是 2008 年一月 17 日當天衛星（MODIS）所偵測到的北美洲及中美洲所有火點位置。理論依據：韋恩位移定律 地表的溫度約 300K，火點的溫度從500K1400K。根據韋恩位移定律，請計算：300K 的地表最主要的輻射波長(max)為 火點的溫度若為 800K，max 應為 火點溫度越高，輻射出的波長 紅外線是偵測火場主要的波段：near-infrared 近紅外線(0.71.3 m)、mid-infrared 中紅外線(1.33.0 m)、far-infrared 遠紅外線(3.0-100 m)，也稱為 therma
5、l infrared 熱紅外線.。電磁波譜 Near-IR 和 mid-IR 兩項光源來自太陽，衛星所接收的這兩項訊號為地面物體反射太陽輻射的強度；然而熱紅外線則主要是由地面物體輻射出來，輻射的最強波長(max)由該物體的溫度決定，地表一般輻射主要波長為 812m。衛星如何感應火點？火點及地球上強烈熱源(熔岩流)可以被衛星感應元件偵測，例如火點的溫度如果高達 200C(500K)，該地發出的輻射就會有明顯的熱紅外線(35m)，衛星裝置上在這個頻道的元件會感應為很強的亮點。二、調查火燒前後的環境變遷 一處火場滅了，可能繼續在鄰近處引燃另一火燒範圍，延燒時日越長造成的火燒規模也越大，將火場前後日期
6、的衛星影像加以對照出疤痕(sacr)，是目前研究野火範圍的方法，以量測出來實際上火場到底有多大面積、火場的地表前後土地表面發生的改變，甚至也可以接續後面幾個月觀測地表(land cover)的變化以大範圍調查火場優勢物種。燃燒產物製造大量的二氧化碳；燃燒不完全時，火場的產生汙染的氣膠及溫室氣體更為嚴重。環境變遷需要針對火場的煙霧及釋出溫室氣體總量進行量測，有許多研究試圖在這方面進行評估，估計生質燃燒貢獻的微量氣體包括對流層的臭氧(佔 38%)、全球一氧化碳總量的32%、全球甲烷有 10%來自生質燃燒，同時有超過 20%的 H2 及其他 CH3Cl、CH3Br、NOx 等等。火場所釋出的氣膠(a
7、erosols)很有可能對於氣候變遷有更大的衝擊，氣膠直接的影響是將更多太陽光反射回太空；氣膠同時也是重要的凝結核，火場增加的氣膠使得雲生成增加變化，也間接影響了氣候變遷。整體來說，燃燒釋出溫室氣體對氣候的改變是增暖，但釋出的氣膠對氣候的影響卻是冷卻效應。然而整合溫室氣體的暖化及氣膠的冷卻來進行全球氣候變遷的評估，並不是一件簡單的事，由於兩者空間範圍的尺度很不同，目前有些相關的研究正在進行，但火場對氣候變遷的重要影響不容置疑，很有必要改進火場釋出物質的量化評估，並進行長期全球火場監測，來了解野火在 全球氣候變遷上所扮演的角色。關於地表覆蓋的植被指數（NDVI）Normalized Differ
8、ence Vegetation Index 計算方式是利用紅光與近紅外光的反射，能顯示出植物生長、生態系的活力與生產力等訊息。NIR 為近紅外光反射、RED 為紅光反射，NDVI 之值介於-1 到 1之間。當 RED=0 時，有最大值 1；反之，當 NIR=0 時，有最小值-1。數值愈大表示植物生長愈旺。NDVI=(NIR RED)/(NIR+RED)二十世紀偵測火場的衛星 火點要達多大的範圍才能被偵測到？要考慮的是衛星影像的一般空間解析度。例如MODIS的解析度一般為 1km，全球的火場大約有 25%達 1km 以上，雖然百分比不高，但超過這範圍的火場生質燃燒總量相當於全球 80-100%強
9、度，因此達此範圍的火點相當重要。空間解析度也可以透過不同運算方法而獲得更好的效果。NASA 應用在偵測火場的衛星 發射 偵測特色 sensor 空間解析度 時間解析度 刈寬swath AVHRR 1992-3.7m 可以代表反射性紅外線及熱紅外線的整合。在高於攝氏 200 度以上的植被燃燒反應靈敏 Vis-煙及疤痕 IR-異常熱點 1km 1 天 LANDSAT 1972-今 偵測地面範圍廣，TM(8 波段)15-30m 16 天 185 km TRMM 30S30N，可觀測閃電 0.63-12m(5 波段)2km GOES 同步衛星，隨時監測同一地點 Vis-1km IR-4km 每隔15-
10、30分鐘 Terra-MODIS 1999-今 4m&11m 容易分辨 450 K(177C)和可見光及IR(36 波段)1km 1 天 2200km 400 K(127C)之差異 Terra-Aster 2000-今 可見光及IR(14 波段)15-90m 實驗性 60km TOMS 為偵測臭氧設計，但也是最早偵測出氣膠的衛星 35 次/8 秒 50-200km 更深入探究野火的影響，是碳循環及氮循環對於生態的影響。野火甚至改變了全球水循環。不過在二十世紀發射的衛星當初並未設計用來探討這些議題，為了研究上的需求必須應用衛星觀測野火時，只能應用部分的數據來輔助研究。直到 1999年發射的 te
11、rra 及 2001 年相繼發射的 aqua 被設計作為全球系統觀測衛星(EOS：Earth Observing System)之後，才開始有連續時間系列的全球系統觀測。之後在二十一世紀陸續發射的衛星系統(ESA、日本、加拿大.)，構成了一系列衛星車隊，對全球環境提供時空密集的全面觀測。三、火燒危險度評估 火場的風是助長火勢的主要因素，衛星觀測的風場數值對於火場蔓延應有很大的幫助。例如 2007 年十月加州那一場厲火造成 2000平方公里面積燒毀、超過 88 萬人被迫撤離家園，財產損失估計接近10 億美元（右圖是我國太空中心 Formosat-2 拍攝的高解析度影像）。加州的大火常和當地的強風 Santa Ana winds 有關。觀測加州沿岸的風場對於掌握火勢有很多幫助(右下圖)。然而目前衛星只能觀測海面的風場(由旋轉多角度掃描海浪的高度來推知風場)，陸地的風場尚未有方法透過衛星觀測。未引發燃燒之前，為掌握什麼時候森林大火燃燒的危險度提高？澳洲、加拿大、俄國及法國等都相繼發展出各種複雜的計算公式，主要依據溫度、相對溼度、乾旱指數、土壤含水量等等因 素。以美國來說，除了上述氣象因素外，還需考慮在不同季節閃電或人為引燃的發生率。