【專欄】世界上最大的颱風模擬器

颱風發源於熱帶海面，由於溫度高，大量的海水被蒸發到了空中，形成一個低氣壓中心。隨著氣壓的變化和地球自身的運動，流入的空氣也旋轉起來，形成一個逆時針旋轉的空氣漩渦，這就是熱帶氣旋。只要氣溫不下降，這個熱帶氣旋就會越來越強大，最後形成了颱風。在臺灣、日本等地，將氣旋中心持續風速每秒17.2公尺或以上的稱熱帶氣旋。較強的熱帶氣旋中，發生於北太平洋西部及南中國海者稱為「颱風（Typhoon）」；於大西洋西部、加勒比海、墨西哥灣和北太平洋東部者稱為「颶風（Hurricane）」；在印度洋上則可簡稱為「氣旋（Cyclone）」。出現最多颱風的月份是8月，其次是7月和9月。

颱風會造成風災及水災，其造成災害，如：

暴風：由於風之壓力直接吹毀房屋建築物、吹毀電訊及電力線路、吹壞農作物如高莖作物，並使稻麥脫粒等；

焚風：使農作物枯萎；

鹽風：海風含有多量鹽分吹至陸上，可使農作物枯死，有時可導致電路漏電等災害；

海浪：狂風時必有巨浪，颱風所產生的巨浪可高達一、二十公尺，在海上造成船隻顛覆沉沒亦時有所聞，此外波浪逐漸侵蝕海岸，而生災變；

暴潮：暴風使海面傾斜，同時氣壓降低，致使海面升高，而導致沿海發生海水倒灌；

暴雨：摧毀農作物，使低窪地區淹水；

洪水：山區暴發，常引起河水高漲，河堤破裂而發生水災、沖毀房屋、建築物、並毀損農田；

山崩：暴雨時沖刷山石，使山石崩裂，擊毀房屋、死傷人畜、阻礙交通，沿山之公路常發生此種災害；

病蟲害：水災後常發生傳染病，如痢疾、霍亂。

這些災害造成人類身生的安危威脅、財產損失、公共設施摧毀。我們急卻解決它。

製造颶風

美國在佛州邁阿密建造，一座世界上最大的颶風模擬器，叫邁阿密大學的3D颶風模擬器研究（U. Of Miami's 3D Hurricane Simulator Studies），由布賴恩豪斯（Brian Haus）教授，是邁阿密大學羅森斯蒂爾（Rosenstiel School）海洋和大氣科學學院的SUSTAIN實驗室主任主持這項研究。探究大風暴的影響及災難傷害情形。

在遠離美國佛羅里達海岸的一座棕櫚島上，海洋學家建立了一個巨大的室內水槽（被命名為SUSTAIN），用於模擬最猛烈颶風（被劃歸為5級）形成的大風和巨浪。這是目前全世界旨在摸清這種毀滅性熱帶風暴物理屬性的最大型試驗。5級的大風，讓我們瞭解到底發生了什麼？

雖然，日本京都、德國海德爾堡和法國馬賽的一些模擬器，能夠模擬在一次小颶風發生期間產生的情況。然而斥資1500萬美元的SUSTAIN是唯一一個能夠模擬最大可能的風暴水準（5級，風速達到至少每小時252公里）的設備。

該水槽有20公尺長、6公尺寬，兩側是清晰的壓克力（丙烯酸）牆壁，看起來就像是一個巨大而平靜的水族箱。然而一旦豪斯教授打開一個開關，槳葉便開始攪拌水體，一個通風扇也開始加速吹向水槽。用不了1分鐘，豪斯教授便製造出一次5級颶風。

颶風模擬器利用5000加侖的水箱冷卻4個船用柴油發動機，這些發動機擁有2800個馬力。這些風扇其實產生的是時速為100英里（160.93公里）以上的風，它們產生的風穿過一個能壓縮氣流的輸送管後速度就會增加。這個模擬器曾被用來試驗驟雨和颶風引起的陣風，對建築物造成的影響。

颶風模擬器，即SUSTAIN大糟中，製造颶風有三個關鍵組成部分。第一種是它的風扇，其1,460馬力的發動機消耗很多的能源，它依賴一個緊急備用發電機。當豪斯教授打開機器時，它開始低嗡嗡聲，幾分鐘內就長成低沉的噴氣發動機的轟鳴聲。

第二個關鍵特徵是它的12個水下槳葉陣列，它可以產生無數的波浪類型，從平靜和均勻到混亂和複雜。豪斯說：「如果我們只是把風吹過水箱，我們就不能研究真實海洋上的各種情況。」槳葉允許研究人員「代表海洋表面的所有隨機性」。

最後，大水糟的壓克力外觀本身是至關重要。在四面性透明，SUSTAIN允許研究人員從各個角度觀察颶風的內部工作。可以觀察到暴風雪的橫截面。

這個8400馬力系統泵送的最大風速可達每小時160英里（約合256公里）。根據佛羅里達國家大學工程學院的計算，這相當於7650個吹風機同時運作所產生的風速。水槽操作者還可以通過改變水溫以及鹽度從而回答一些與氣候變化相關的問題，例如在高風速下，海洋與大氣之間有多少二氧化碳移動。土木工程師也可以將小型建築放到SUSTAIN裡面，看看它們能否抵擋得住颶風的洗禮。

可以測量熱量的傳送速率

豪斯教授的主要興趣之一是海空介面，或風和水交匯的地方。大風將空氣和海洋吹成泡沫混合物，其摩擦產生複雜的能量轉移，在實際風暴中幾乎不可能測量。但研究人員及其監控設備放在SUSTAIN最厚實之中可觀測。豪斯教授和他的團隊希望利用這些交互，來構建更好的模型，以預測颶風的強度如何增長。實際上，他們可以測量熱量的傳送速率。通過拋出一大堆詳細的電腦模型（針對問題），你可以找出颶風的去向。

土木工程師也將受益於在大糟進行的研究。一項持續進行的研究，正在研究混合珊瑚礁和防風網，如何消散能量，保護沿海財產，免受海平面上升和較強風暴的影響。豪斯教授解釋道：「我們的想法是，你可以將活的海岸線（如紅樹林）納入這些結構，而不只是將一道堅固的直牆作為海岸線。」初步結果顯示，當海浪經過珊瑚時，波能減少約30%。

對於強度預測，他們實驗室研究開發的這種阻力係數，關係到現在用於所有颶風預報。這一發現已被用來製作更好的颶風模型。

邁阿密是美國最易發生氣候變化的城市之一，因為海洋在海岸上悄悄地爬升。豪斯希望利用SUSTAIN來更好地，瞭解變暖的海水如何影響颶風，研究海洋表面的氣體和傳熱。暖水就像颶風的燃料，因此隨著氣候變化的加劇和海洋溫度的上升，颶風將變得強度會更大。「人們談論溫暖的海洋導致更強烈的颶風，因為你需要溫暖的水來為颶風提供動力」他說。「我們實際上可以測量熱量的傳送速率。」

風之牆（ Wall of Wind）

風暴也有個性。靠近地面，颶風的風以奇特的圖案跳舞和旋轉。隨著風的吹升，風速也會提高。因此，當氣象學家給颶風命名時，颶風遂有擬人化之稱呼。颱風以女性名字稱呼，颶風以男性名字命名。

颶風的襲擊常為美國各州帶來嚴重災害，為了測試建築物的強度及安全性，工程師發明一台驚人的颶風模擬器「風之牆」（Wall of Wind），它最高可吹出時速225公里（秒速62.5公尺）的狂風，相當於蒲福氏風級的11級陣風。「風之牆」颶風模擬器讓人感受可以掀翻屋頂的狂風。

第一個風牆原型由佛羅里達國際大學風工程研究小組的專家製造，2005年組裝完成。通過一個類比橫向雨的噴水系統，這套只有2個風扇的車載設備，可產生每小時120英里（約合192公里）的風速。1992年8月24日南邁阿密—戴德縣的一小部分地區出現最強陣風。據估計造成265億美元損失。在風暴摧毀中，劣質建築占損失很大分量，這讓工程師、買房者和建築商明白，要更多瞭解住宅和辦公大樓等建築，房屋要可承受主要颶風打擊。

在「我們要重建家園」活動的私人捐款運動之下。隨著州、國家和私人通過保險和屋頂業的大力支持，數年來該中心得到快速發展。除了建築和預防措施外，國際颶風研究中心還研究了颶風對社會和環境造成的不利影響研究。

這個由12個風扇組成的系統威力更大，更複雜，是唯一可產生五級風的設備。一種附加的具有新功能的大轉盤，可讓研究人員製造旋轉結構，更接近於一場颶風產生的變向風，平常用於測試新式防風設備及進行假人碰撞實驗。工程師表示，「風之牆」可模擬出薩菲爾-辛普森颶風等級（Saffir-Simpson Hurricane Scale, SSHS）的第三類颶風，這類強風可掀翻屋頂、扯斷電纜、推倒牆壁，因此常有太陽能板公司在此測試產品的耐度。美國的颶風災害中有85%至90%是第三類颶風帶來的。最近南卡羅萊納州的克萊姆森大學（Clemson University）也在此進行新產品測試，他們設計出一款耐強風、地震的釘子，於是特地來接受「風之牆」的考驗。 專欄屬作者個人意見，文責歸屬作者，本報提供意見交流平台，不代表本報立場。