電磁波知多少:氣象雷達

 
2014/09/05 吳美枝 | 特約文字編輯     7,997
 
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。