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聽見雨的聲音—雷達

2016獅子山颱風衛星雲圖

2016獅子山颱風衛星雲圖

聽著新聞的天氣預報,小佑問媽媽說:「媽媽,新聞畫面的衛星雲圖的確可以看到每個颱風長的樣子,但是氣象專家都會解釋颱風很紮實,如果登陸,威脅不容小覷!除了去看衛星雲圖之外,還可以怎麼看出一個紮實颱風的感覺呀!」

媽媽回答:「小佑的問題很有意思,很棒的觀察。的確,科學家一直在發展能觀察天氣系統變化的方法,尤其是不穩定的天氣系統,我們會非常注意其遠近及強度變化!很久以前生物學家就發現蝙蝠有良好的聲波雷達系統,讓它可以不靠眼睛就能隨時偵測周圍物體,甚至能一邊飛行一邊掌握同伴的飛行或周圍環境的狀況,以免相撞。科學家就是利用類似的概念,設計了「氣象雷達」來觀測天氣,掌握天氣系統雲雨的變化和結構。」

蝙蝠擁有良好的聲波系統,可透過飛行回波掌握周圍環境狀況,以免相撞

蝙蝠的聲波系統

有鑑於侵臺颱風每年對臺灣造成嚴重生命財產的威脅,早在民國52年政府就開始籌建花蓮氣象雷達站,並於民國55年開始啟用,之後歷經多次沿革改建及規劃,目前氣象局已於全臺建置4座官方的氣象雷達站,分別位於北部的五分山、東部的花蓮、南部的墾丁及西南部的七股。考量臺灣中央山脈的地形對於雷達觀測遮蔽的影響,這樣的設計可以讓各個氣象雷達站分別觀察從不同方向進來的雲系,正好形成一個完整的觀測網,涵蓋臺灣周圍大約460公里的範圍大小。

氣象局雷達觀測網包含北部的五分山、東部的花蓮、南部的墾丁及西南部的七股

氣象局雷達觀測網

氣象雷達的原理:

氣象雷達是屬於一種主動式觀測,其內部的天線會先聚焦並以較低角度發射高能電磁脈波,再慢慢向周圍天空以方位角360°旋轉掃描上去。當電磁脈波遇到天空雲系中的雨滴,會產生散射訊號,有部分會由雷達的天線所接收,這些訊號經過處理後,就是我們稱之的雷達回波,同時可繪製不同顏色的雷達回波圖,來呈現回波的強弱,藉由觀察雷達回波強度的變化,便可瞭解各地區降雨強度的變化。

不同顏色的雷達回波圖可呈現回波的強弱,藉由雷達回波強度的變化可瞭解各地區降雨強度的變化

莫蘭蒂颱風侵臺時的雷達回波圖

另外,研發人員也可以經由經驗公式推算,將回波資料轉換為降雨強度,進而估計降雨量。例如從2016梅姬颱風侵台時在9月28日的雷達回波圖,將兩個小時內收到雨量資料繪製成累積雨量圖,從兩張圖可讓大家知道在天氣系統影響之前,可以看出臺灣西南部縣市回波強度較強,因強回波區持續滯留在該地區,而使得累積雨量資料在該地區也呈現出明顯的降雨中心,所以如果學會掌握看即時的回波資料,對預測下雨的準確性會大大的提高哦!

透過雷達回波圖可以看出臺灣西南部縣市回波強度較強,因強回波區持續滯留在該地區,使得累積雨量資料在該地區也呈現出明顯的降雨中心

2016年梅姬颱風雷達回波與累積雨量圖
(左為雷達回波圖 2016/09/28 00:00:00、右為累積雨量圖2016/09/28 00:00:00~02:00:00)

雷達回波的偵測波段與應用

氣象雷達使用的電磁波皆為微波的波段,這些電磁波在空氣中傳遞的過程,強度會逐漸衰減,衰減的程度與電磁波的波長及降水粒子有關。一般而言,當使用的電磁波波長越短,或觀測到的降水粒子越大或越密集,衰減程度越高。因此,針對目前氣象雷達常用的波段做說明:

  1. S波段:波長約為10公分,訊號較不容易衰減,觀測範圍也較遠,通常能觀測數百公里外的降雨訊號,不過解析度就會較差一點,可搭配大天線題高解析度。圖3中四座氣象局所屬的氣象雷達皆使用此波段。
  2. C波段:波長約為5公分,訊號相較容易衰減,設計上會搭配小天線,使用於較小範圍的天氣觀測,故多應用於監測機場附近的天氣狀況。
  3. X波段:波長約為3公分,訊號非常容易衰減,僅能觀測數十公里內的降雨訊號。因觀測波長短,靈敏度高,可檢測小顆粒或降雪等弱降水等,通常搭配在車載雷達系統,著重於小區域的高解析度觀測。

由此可知,不同的雷達波段與天線大小的搭配,可以滿足觀測的需求,包含解析度、觀測範圍、降水狀況及移動的便利性。

雨的偵測、雨的強度大小及雨的移動方向

氣象雷達最早是由雨滴散射回來的回波強度,來進行雨的偵測或雨量估計。自民國91年之後,中央氣象局建置的都卜勒氣象雷達網,更可以利用都卜勒效應來量測訊號的頻率變化量。原則上,當雲系中的雨滴相對雷達靠近時,回波頻率會變大,透過訊號處理與計算,可進一步得知雨滴相對於雷達的徑向速度。最新型的設施是雙偏極化都卜勒雷達,藉由發射沿水平及垂值兩個方向震盪的電磁波,並接收水平及垂直方向的回波經資料處理獲得雨滴的扁平度,也就是雨滴的形狀,得到更精確的降水資訊。所以我們對於觀測工具是不斷再更新,利用更多新的技術或儀器來獲取更有用的觀測資訊。

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