氣象雷達的功能
蝙蝠在幽暗的洞穴飛行,會一邊發出超音波一邊接收傳回來的訊號來探測物體,所以不會撞到同伴和牆壁,並捕捉獵物。雷達(註1)偵測物體的原理就像蝙蝠一樣,但它發射的是電磁波,應用在大範圍探測遠處的物體。雷達發明於二次世界大戰前夕,最初是用在軍事上,隨後被廣泛應用到許多 的領域(註2),其中一項重要的用途就是天氣監測。氣象雷達(圖1)不僅有觀測雲雨滴的能力,利用都卜勒效應( 註3)更具有測量風速的能力。藉由氣象雷達的觀測,氣象人員可觀察到整個鋒面或颱風的降水情形,掌握遠方惡劣天氣發生的位置以及影響程度,彌補地面及高空氣象觀測在觀測點上的不足。
觀測原理 氣象雷達是經由發射一系列電磁波脈波,透過天線聚焦向空間發射出持續時間很短(微秒)的脈衝無線電波。以空氣中只存在雨滴的情況下,電磁波經大氣中的雨點反射回來的訊號被雷達天線接收(圖2),即可知道降雨的強度,稱之為雷達回波。一般來說,反射回來的訊號越強,降雨的強度就越大。雨區與雷達之間的距離則可利用電磁波往返所需的時間及電磁波傳送速度計算出來;而都卜勒氣象雷達是以都卜勒效應為基礎,則能更進一步得知 這些雨滴(雪)移近(或遠離)雷達的速度。當雨點移近雷達的速度越快,散射回來的電磁波頻率就越高,再經由檢測出降水回波的頻率變化量,就可得知雨滴(雪)到底是在接近還是在遠離雷 達。
台灣地區氣象雷達網
台灣地區氣象雷達作業用的雷達總計有8座(如圖3及表1),包括:中央氣象局所屬氣象雷達,分別位於台灣本島東南西北等位置的花蓮、墾丁、七股 及五分山所組成,4座雷達都屬於10公分波長的都卜勒氣象雷達;另包含4座波長5公分的雷達,分屬於民航局中正機場的都卜勒氣象雷達,以及空軍架設 在綠島的都卜勒氣象雷達與清泉崗及馬 公2座雙偏極化氣象雷達(註4)。這8座作業雷達所構成的觀測網密度堪稱世界第一,對於山脈綿更、地形 陡峭的台灣地區,綿密的觀測網有助於不同雷達相互彌補因地形阻擋所產生的觀測死角,以提供對於天氣系統更全面的監測。 |
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圖1 五分山氣象雷達站 |
圖2 氣象雷達天線外觀 |
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表 1 台灣地區氣象作業雷達一覽表 |
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颱風回波特徵
颱風獨特的外觀結構,相當容易於衛星或雷達觀測中辨識;它的完整外觀結構包含了:颱風眼、眼牆以及外圍的螺旋雨帶(圖4),其中颱風眼牆區的結構變化與颱風強度息息相關,也與其外圍環流的強度與分布特徵有密切的關聯。颱風的暴風範圍相當大,其半徑可由約100公里大到300-400公里。氣象衛 星可以從太空觀測,顯示出整個颱風的中高層結構,但不易觀測到颱風內部詳細的結構;相對的,氣象雷達則可清楚 觀測到較細微的降水結構,但因為觀測 距離的限制,經常無法看到它的全貌。在雷達觀測中,颱風回波之形態,依據其規模、發展階段、構造上之特徵、地形之影響以及季節而不同,可說是千變萬化。颱風眼區主要特徵為無回波或弱回波的區域,眼牆區經常成環狀封閉,主要為對流性的強降水區,同時是颱風風 速最強的區域。螺旋雨帶顧名思義其降水區呈螺旋狀,回波的強度一般較眼牆區弱,且無封閉的情形發生,由於其影響區域廣闊,也經常是造成劇烈降雨重要的原因之一。
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圖3 |
台灣地區氣象雷達雷達網
(圖片提供:
葉菁菁 |
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結論
由於氣象雷達具有全天候觀測的特性,並可觀測大範圍的降雨與氣流特徵的能力,對於氣象觀測而言為相當重要的工具,隨著科技的發展,氣象雷達的觀測技術日新月異,所提供的天氣監測資訊也越趨精準與多樣性。當劇烈與危 險天氣發生時,這些即時觀測訊息,可以透過電視、廣播、網路、手機等方式 傳達到防、救災單位與一般民眾手中,以便提前做好相關防範措施,降低氣象災害所造成的生命與財產損失。
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註1:雷達(radar)一詞是無線電偵測與測距(Radio Detection And Ranging)的縮寫,意思是以無線電波進行物體的探測及測距。 |
註2: 除氣象用途之外,雷達也常用於航空工業,包括飛航中的飛機定位顯示, 在飛機降落及起飛時 提供相當好的保障等。日常生活中,在球場上的球速測速、警車上的移動式與公路上的定點測速裝置,都是雷達應用的例子。 |
註3:凡是在運動中的波源,它的頻率會隨著與觀測者的相對運動狀態 而改變;朝向觀測者而來的波源 頻率會升高,背向觀測者而去的 波源頻率會降低。例如:當救護車駛近(遠離)時,聲調會升高 (降低),這就是著名的「都卜勒效應」,此效應是奧地利人都卜勒在1842年所發現。 |
註4:電磁波行進時具有方向性,雙偏 極化氣象雷達設計可分別發射並 接受水平與垂直方向的電磁波 (都卜勒氣象雷達只有水平方向),同時可測量更多的觀測資訊(如因雨滴產生的電磁波相位延遲量),對於大氣中降水的分 布、形狀以及相態(液相、冰相)能更精準的分辨。 |
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