觀風測雨探蒼穹─都卜勒雷達

 
2016/11/07 廖宇慶 | 國立中央大學大氣科學系
 
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自第二次世界大戰結束至1991年底蘇聯解體為止,美蘇兩大陣營冷戰對峙了數十年,雙方情報戰的詭譎動盪是許多小說和電影取材的來源。2015年,電影〈間諜橋〉(Bridge of Spies)即重現1960年代美國為了監控蘇聯境內軍事與核武設施,派出U-2偵察機進入敵營,並遭雷達偵測追蹤的歷史場景。

雷達(radio detection and ranging, radar)的出現,始於二戰期間,當時英國將雷達系統用來抵禦納粹德國的攻擊。戰爭結束後,雷達的應用也更趨廣泛,舉凡預警、空中交通管制、武器控制、船舶、飛機防撞等,都發揮了相當重要的輔助功能,及至今日,氣象雷達在天氣監測已扮演舉足輕重的角色,讓我們能在某些距離外即可掌握當時的天候,其運作原理和軍事雷達相似,都是先主動發射電磁波,電磁波遇到物體後,產生反射回波,再根據回波得到的資訊進行分析,只不過氣象雷達所偵測的目標,是空中的天氣雲雨系統。

四面環海、地形複雜的台灣,即使和美國那樣的大陸型國家同樣運用雷達觀測天氣,仍面臨較多限制,不僅無法在海上建置測站以獲得足夠的觀測資料,天氣系統和錯綜山勢交互作用後產生的各種變化,也增加氣象預報的挑戰,為了克服這些難題,目前台灣在北、中、南、東各地共設置了10部固定在地上的陸基式氣象雷達,由於這些雷達的運作皆為都卜勒效應的實際應用,所以又稱「都卜勒雷達」。

何謂都卜勒效應呢?舉例而言,當一部救護車向你駛進,因聲波波長受到擠壓,你會聽到它的鳴笛音調愈來愈高亢,比車子靜止不動時發出的聲音還高,可是當車子駛離時,因聲波波長拉長,鳴笛音也隨之降低,比車子靜止不動時發出的聲音還低,這就是都卜勒效應。將其應用於雷達上,聲波的表現轉換為電磁波頻率的變化,譬如雷達發射的電磁波碰到受風影響而移動的雨滴,雨滴反射的回波頻率,和當初發出的電磁波頻率並不相同,利用雷達偵測到兩個電磁波的頻率差異,就能反推出雨滴移動的速度,也就可以計算風的方向與速度了。

依照雷達回波的大小判定降雨的強弱只是定性描述,但想知道是哪一種類降水,甚至更精確地估算降雨量,就必須借助雙偏極化都卜勒雷達了。「偏極化」是指電磁波中電場震動的方向,一般雷達只發射一個水平震動方向的電磁波,而「雙偏極化」雷達可發射水平震動跟垂直震動兩個電磁波,從而運用沿垂直與水平方向反射回來資訊的差異,去偵測雨滴的形狀。國立中央大學大氣科學系教授廖宇慶示,利用雨滴形狀可以計算出「雨滴粒徑分布」,此參數描述雨滴的大小與個數的關係,是推估降雨時最重要的資訊。「雙偏極化都卜勒雷達」也可偵測降水型態,若為液態降水,則可辨認雨量大小,若為固態降水,則可判斷是雪或冰雹。

由於雷達的觀測範圍最遠可接近500公里,若颱風在此距離以外,雷達並無法偵測到。但廖教授表示,中央氣象局已可取得日本和菲律賓的雷達資料,使得台灣對於劇烈天氣的偵測範圍向外延伸許多。未來國內還要再興建5部既能觀風又能測雨的「C-波段雙偏極化都卜勒氣象雷達」,再加上近年來數值模式預報技術的成熟,在準確掌握颱風路徑與劇烈天氣變化方面,也和歐美日等先進國家不相上下!

本展除了揭開都卜勒雷達的真貌外,也邀您走進國立中央大學內的測候站,看看測量風向、風速、溫濕度、太陽輻射的自動氣象塔,以及離地1.5公尺、用來測量大氣溫度的百葉箱、和量測蒸發量的「A型蒸發皿」等等。希望加深您對都卜勒雷達的認識,並了解台灣在氣象觀測和相關研究領域的努力。


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