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電磁波知多少：氣象雷達

103/09/05 14584

吳美枝｜《科學發展》特約文字編輯

自從赫茲（Heinrich Hertz）的電磁波實驗成功後，其應用範疇便逐年開展，而最先受到關注的是通訊產業。隨著天線設計的不斷研發，「雷達」也成為另一種大幅運用電磁波特性的領域。

電磁波與雷達

雷達源自二次世界大戰。當時，美國海軍開始將一種名為「RAdio Detection And Ranging：RADAR」的新科技運用在戰場上，這是一種能發射與接收電磁波的裝置，借由發送電磁波碰到物體會有反射回波的原理，進而掌握戰場上敵軍的位置，從此改寫了戰爭的形態。

雷達的用途，並不局限在軍事上。1950年代，英國劍橋大學的卡文迪西實驗室（Cavendish Laboratory）首次將雷達運用於氣象觀測，此後氣象雷達便逐漸廣泛運用在即時的氣象觀測上，讓我們能在某些距離外即可掌握當時的天氣現象。氣象雷達基本上的運作原理和軍事上的雷達相似，都是先主動發射電磁波，電磁波遇到物體後，產生反射回波的情形，只不過氣象雷達所針對的目標，是四周空間中的天氣雲雨系統。

測站的輔助，遙測的利器

人類自古以來便對天氣十分關注，正式的氣象紀錄也有數百年歷史之久。有很長一段時間，人們都是依靠設立氣象站，以定點、定時的方式進行觀測。這種直接觀測的形態，雖然留下了長期、可信度高的氣象資料，但這種定點、定時的觀測方式，卻使得氣象資料因空間和時間的局限，而衍生資料分布極不均勻的情況，氣象預報的發展相對地也遭受許多限制與困境。

另一方面，有些天氣現象的發展十分快速，例如龍捲風、颱風或劇烈對流雷雨胞這類具災害性質的系統，傳統測站的觀測資料已沒辦法應付尺度這麼小的天氣系統，我們就需要更即時與空間解析度更高的資料，才能了解並應對之。

氣象雷達則為我們提供了另一種即時、遠距觀測的可能。中央大學大氣科學系廖宇慶教授表示，這種主動遙測的雷達，在運作時，碟型天線先由接近水平的角度，如時鐘指針般依序朝各個方向發送特定頻率的電磁波，走完360度之後，稍微調高仰角，再發送第2圈，如此重複，直到仰角接近某個預設的角度。整個流程十分快速，大約7~10分鐘便掃描完畢，最後我們便可得到這段時間內，以雷達為中心，半徑最遠約450公里之內，整個立體空間中真實的水氣資料。

如何「看見」看不見的雨和風

最早運用的傳統氣象雷達，只能接收電磁回波的強度，研究者再透過數學計算，反推空間中的雨水分布情況，二者大約是「雨滴越多，得到的回波訊號就越強」這種定性的關係。這樣的觀測結果，若轉化成圖形，便是常見於日常氣象報告中所謂的雷達回波圖。

若想利用雷達來測量看不見的風，便要借用雨和都卜勒效應的輔助。都卜勒效應是奧地利物理學家都卜勒（Christian Andreas Doppler）在1842年發現的，其原理是「當觀測者與波源發生相對運動時，觀測者所接收到波的頻率會產生變化」。舉例來說，當一輛鳴笛的警車朝我們疾駛而來時，我們聽到警笛的聲音，會隨著警車越近而音調越高，警車行經我們之後，警笛的音調則隨著警車遠去而快速變得低沈。聲波頻率的變化是直接表現在音調的高低上，所以警笛音調的變高轉低，完全是都卜勒效應的關係。

氣象雷達是以固定頻率，不斷地依序朝四面八方發送電磁波，而空氣中會反射電磁波的雨滴也會被風帶著流動，所以當觀測的環境中有風時，雨滴是在移動的情況下反射電磁波，這時便會有都卜勒效應產生。我們就可以依照回波的頻率變化情況，反推出雨滴移動的速度，也就可以計算風的方向與速度了。這種具有辨別回波頻率變化功能的氣象雷達，稱為都卜勒氣象雷達。

都卜勒氣象雷達雖然號稱可以測量風，但由於應用原理的限制，其實只能觀測到徑向風，也就是沿著雷達天線指向方向，接近或遠離雷達的風。因此，當觀測值為0時，通常並非表示該處靜止無風，而是風向剛好是垂直於徑向而已。不過，即使我們無法掌握風向的全貌，但還是可以利用前述這個特點，輔助我們觀測如龍捲風這種劇烈的天氣現象。另外，若是真想要得到三維空間中真實的風場，我們還是可以利用兩個以上的都卜勒氣象雷達，從不同的方向朝目標區同時進行觀測，再利用數學運算，將觀測資料合成而得到完整的風場。

更精準地估算雨量

傳統的氣象雷達雖然可以依照雷達回波的大小判定降雨的強弱，但終究只是定性的描述，若想知道是哪一種類降水，甚至是定量估計，則會有很大的誤差。我們若要更精確地估算降雨量，有一種較先進的雙偏極化都卜勒雷達提供了相當的助益。

雙偏極化都卜勒雷達最大的特點，在於它能夠發射沿水平和垂直這兩個方向振盪的電磁波，也可接收水平與垂直方向的回波。若把這兩個方向的回波加以計算與推導，便可以獲得雨滴的扁平度（雨滴愈小愈趨近圓球狀，而大雨滴則像一個漢堡)。依據這些資訊，進而計算出不同大小的雨滴，各有多少數量，亦即所謂的「雨滴粒徑分布」，這是估計降雨時最重要的資訊。此外，若再對應大雨、小雨甚至是冰雹等降水物在雷達回波上的特徵，還可判定偵測到的是哪一種類型的降水。

以往，我們只能定性地知道環境中是有較多還是較少的雨。現在，我們可以靠雙偏極化都卜勒雷達的掃描結果，來推知環境中降雨強度或降雨量等定量的資料，甚至天氣系統中是由那些大小的雨滴與那一種降水物所組成的。

可移動的氣象雷達

氣象雷達在功能上不斷地演進，從原本單純測量回波強度去粗估雨量，到現今發展成可精確估計降雨量與辨別降雨的種類，而在外觀尺寸上，也依照需求，有了不一樣的變化。基本上來說，雷達所發射的電磁波波長如果比較長如10公分，則天線直徑也要比較大，不過其所能掃描的距離也會比較遠，適合定點、長距離觀測。目前氣象局的雷達站，都屬於這種類型的氣象雷達。

另一方面，有一種天線較小、使用電磁波的波長較短（約3公分）的小型雷達。這種體積相對較小的雷達，甚至可裝載於中型貨車上，變成可移動式的觀測設備。雖然掃描的距離無法與固定式相比，但其機動性高，確實可滿足特定觀測的需求，也可補足大型雷達觀測的死角。中央大學大氣科學系即擁有一套移動式雷達觀測裝備，每當有劇烈的天氣系統接近台灣本島，便是觀測實驗的最好機會。廖宇慶教授說：「颱風天或劇烈降雨發生前，大家都跑回家裡避難，我們卻常常開著雷達車出去到一個事先規劃好的地點，親臨現場，搶著取得第一手資料！」

現在，電磁波的應用，已和百年前的情況有巨大的差異，而氣象雷達發展至今，在功能與外觀體積上，都有長足進展，在應用方面，也開始呈現多樣性，如屏東科技大學已有學者利用墾丁氣象雷達來觀測候鳥遷徙的情況。未來，氣象雷達的發展勢必以更多樣化方式出現在生活中。

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