傳統雷達、都卜勒雷達、
雙偏極化雷達、氣象雷達、降雨雷達
...有點分不清楚！

經常注意天氣現象的朋友們，相信對氣象主播在電視台使用的「雷達回波」（如圖1所示）並不陌生，常聽到：「……由雷達回波圖可以看到，現在雨帶正在臺灣上空，為臺灣中部以北地區帶來豐沛的雨量……。」

這一張看似簡單的回波圖，不就是將資料讀一讀、畫一畫，固定時間更新放到氣象局官網上，如此而已嘛！其實，它可不簡單！這一張回波圖，若要賣弄玄虛，我可以說：「它整合了目前臺灣所有的S波段和C波段氣象雷達，有都卜勒雷達，也有雙偏極化雷達，亦有監測雷達和降雨雷達；將每一顆雷達所監測的最新資料，經過個別的解碼和資料品質控管後，再整合（拚）起來，就得到這樣一張的雷達回波圖。」這些繞口的雷達名稱，很討厭對不對？要了解這些名稱前，我們先弄清楚，什麼是「雷達」？

雷達是從英文RADAR[ˋredar]直接音譯過來的，是英文「RAdio Detection And Ranging」（無線電偵測和測距）的縮寫；只要是利用無線電波進行探測的機器，都可以稱做雷達。生活中最常見的就是倒車雷達、測速雷達、幫助塔臺航管員掌控飛機起降的航空機場雷達，以及提供氣象預報員分析降雨狀態的氣象雷達等。

 氣象雷達的觀測原理

本文要介紹給大家認識的是近幾年，不管是氣象局、水利署、還是水保局、甚至是國家災害防救科技中心（NCDR）等單位，一直在強調「區域防災降雨雷達（簡稱：降雨雷達）」具有多高的解析度和多快更新的掃瞄頻率等等，說明降雨雷達可以對降雨系統的時空變化有較佳的掌握能力、彌補傳統地面雨量觀測網的不足，和改善水文模式淹水預報的準確度，故可以幫助防救災單位於進行相關業務決策和執行時所需參考的資訊。這麼厲害的降雨雷達，它跟氣象雷達到底有無不同？或是氣象雷達的進階版？要了解一般的氣象雷達和降雨雷達的差異，那我們先來了解什麼是「氣象雷達」。

以臺灣現階段擁有的氣象雷達來說，它本身是一個大圓盤天線（我們平常看到的雷達都是一顆大球，但其實它只是雷達天線的保護罩），功能是將無線電波的電磁能量集中並發射至空中。當電磁脈波遇到目標物（如：雨、雪、雹等降水粒子），便會將電磁脈波反射回來而被雷達天線接收。藉由發出和接收的電磁波時間差，即可計算出該目標物的方位、距離、速度；更厲害的則可探測目標物的形狀。藉由天線在方位角和仰角上的變化（即選定仰角層，做360度方位角的掃瞄），可對位於雷達監測範圍內（如：距雷達200公里內）、不同仰角層做全方位（360度方位角）掃描（如圖2a所示），由最低仰角層持續掃描到最高仰角層，即得一完整的體積掃描（Volume Scan），也就可得到雷達監測範圍內的目標物之空間分布。因電磁波束由雷達天線，以一仰角連續發射電磁波，是故，掃描面為一圓椎面，離雷達愈遠，觀測的高度也就愈高，解析度亦隨之降低（圖3a）。經過如此的運作，氣象雷達即可得到天氣系統中降水粒子的分布和強度資訊；當降雨粒子愈大或單位體積中的濃度愈高，意味含水量愈多，而反射回來讓雷達天線接收的能量也就愈多，表示強度愈強，回波值也就愈大。
那氣象雷達的種類呢？這就要看是要依什麼條件來區分了。以臺灣地區所擁有的氣象雷達為例，若以功能來區分，則是傳統雷達、都卜勒雷達、雙偏極化雷達；若以電磁波極化來區分，為單偏極化雷達與雙偏極化雷達（如圖2b所示）；若以電磁脈波的波段來區分，主要是S波段（波長10公分）雷達、C波段（波長5公分）雷達、X波段（波長3公分）雷達、Ka波段（波長0.8公分）雷達；若以任務使命來區分，則是監測（長程觀測）雷達、區域防災（中程觀測）降雨雷達、實驗（短程觀測）雷達、雲霧（極短程觀測）雷達。

上述分類，有個簡單的規則：「雷達天線愈大，電磁波波長愈長，電磁波衰減效應愈小，看得愈遠。」所以，針對剛剛的問題：『降雨雷達跟氣象雷達有無不同？』，有答案了嗎？是的，『降雨雷達也是屬於氣象雷達！』。

 監測雷達與降雨雷達

雖說降雨雷達也是屬於氣象雷達，但同監測雷達一樣，在觀測成雲降水系統之外，都肩負著不一樣的觀測目的。「原雷達觀測網」的觀測效能，請見圖4a（「原雷達觀測網」於本文中表示為建置降雨雷達前之雷達觀測網，包含有氣象局所屬的4座S波段的五分山RCWF、花蓮RCHL、臺南七股RCCG、墾丁RCKT雷達，以及空軍所屬的3座C波段清泉崗RCCK、馬公RCMK、綠島RCGI雷達），其中的S波段雷達，主要是用來監測距離較遠、範圍較廣的天氣系統；是故，在距離臺灣較遠處，但可能危害臺灣區域的天氣系統可被監測到，進而提供給氣象局預報中心作為預報和發布劇烈天氣訊息的參考依據。

由於臺灣地區地形高低起伏變化大，雷達電磁波在傳播過程中，因受限於雷達所在位置、雷達掃描策略（Scan Strategy, 即訂定雷達的觀測仰角、每個仰角的方位角掃瞄範圍、雷達天線轉速、脈波發射頻率、濾雜訊相關設定…等等）以及周圍地形影響，可能導致地形阻擋（beam blockage）現象，造成部分區域的觀測能力較差。雷達的觀測能力，非完全決定於雷達硬體的好壞，除了可使用資料的解析度來衡量之外，另一影響因素則是：雷達最低仰角的可觀測範圍，又或者是雷達可以觀測到的最低高度。也就是說，在不受地形阻擋下，雷達以最低仰角進行掃描觀測時，若可觀測範圍愈大，表示受到地形阻擋的效應愈小，愈能觀測到最接近地面降雨系統的發展與變化。又或者是，雷達以最低觀測仰角進行掃描觀測時，若可觀測的高度愈低，表示可觀測到愈接近地面的降水系統，則愈可反應實際的降水狀況。

以圖4為例，所呈現的是，在整合所有雷達的觀測資料後，並考慮地形高度對各雷達的影響，以及各雷達不同的掃描策略，且假設雷達電磁波束在標準大氣狀態下（即垂直方向的氣溫、氣壓、濕度近似平均分布）進行傳播，可觀測到的最接近地面、但又不受地形影響的觀測高度，此稱：最低可觀測高度（Hybrid Scan, 示意圖請見圖3b）。

雷達觀測到的資料主要是提供定量降雨估計（Quantitative Precipitation Estimation, QPE），進而提供定量降雨預報（Quantitative Precipitation Nowcasting, QPN）。因此，若可觀測到愈接近地面的降水系統，便可提供較準確的定量降雨估計，當然也就提升了降雨預報的準確度。故，圖4中，若於臺灣本島區域可以得到範圍愈大的0-1公里高度的觀測範圍（即深藍色區域），表示整體雷達觀測網有相當程度之觀測能力。由圖4a明顯可見，「原雷達觀測網」於臺灣西部人口稠密區域，仍具有部分區域無法觀測到0-1公里高度的觀測資料（如圖4a的A、B兩區域）。

氣象局為因應短延時強降雨資訊之迫切需求，與經濟部水利署、農委會水保局共同執行「水災災害防救策進計畫-建置區域防災降雨雷達網」及「強化臺灣海象暨氣象災防環境監測計畫-雲嘉南及宜蘭低窪地區建置防災降雨雷達計畫」等重大經建計畫，於新北市樹林區猐子寮山、臺中市南屯區望高寮夜景公園、高雄市林園區、雲林縣湖山水庫及宜蘭縣蘇澳鎮，共建置5部區域防災降雨雷達。值得一提的是，於規劃建置降雨雷達期間，氣象局在原S波段（波長10公分，主要進行長程觀測之監測雷達）五分山雷達旁（水平距離僅相差約45公尺，海拔高度僅相差約12公尺），於2016年7月完成建置氣象局第一座C波段（波長5公分，主要進行中程觀測之降雨雷達）雙偏極化雷達五分山維修平台（Maintenance Depot, RCMD），並與當時S波段雙偏極化五分山（RCWF）雷達觀測掃描策略一致，除可做為S波段五分山（RCWF）雷達之備援雷達外，更與S波段五分山（RCWF）雷達進行共站（Co-site）作業化天氣監測。在不影響作業觀測條件下，C波段五分山（RCMD）雷達除可針對特別天氣系統擬定適當之掃描策略[相關細節可參考林品芳等（2017）]進行特別觀測外，更有S波段五分山雷達觀測資訊，以供制定降雨雷達的掃描策略和進行觀測能力的評估。

至於高雄林園（RCLY）、臺中南屯（RCNT）以及新北樹林（RCSL）等3部降雨雷達，已分別於2017年9月、2018年6月、2019年12月完成建置並啟用，而宜蘭蘇澳與雲林湖山水庫降雨雷達目前正建置中。原雷達觀測網中，因林園、南屯和樹林等3部降雨雷達的加入（降雨雷達位於圖4b中之桃色點），對A、B兩區域的最低可觀測高度已明顯降低，甚至是南投與高雄山區，可見降雨雷達有助於提升雷達觀測網的監測能力。

 降雨雷達如何進行觀測

圖4b所示，觀測高度的降低，是提高雷達觀測網監測效能的主要因素。但是，僅由降雨雷達的建置就能夠達成「提高雷達觀測網監測效能」了嗎？當然不完全是！降雨雷達的規劃建置，主要是於都會區及低窪易淹地區觀測不足之處，進行較佳的降水觀測，以彌補原雷達觀測網的不足。但若沒有經過氣象局特別為降雨雷達量身打造的觀測掃描策略，將無法獲得較高時空解析度的降水系統資訊，以提供水利署或水保局進行洪水或土石流相關模式的模擬，進而執行防救災相關作業。

降雨雷達的掃描策略和「原雷達觀測網」的掃描策略，有什麼差異？2019年4月18日以前，氣象局所屬4座S波段和空軍所屬3座C波段雷達，皆採用「標準掃描策略VCP（Volume Coverage Pattern） 221」（如圖5a所示）的降水模式，其掃描方式為 0.5°、1.4°、2.4°三層較低仰角，監測範圍較廣（460km），主要進行對低層降水系統的監測；以及0.5°、1.4°、2.4°、3.4°、4.3°、6.0°、9.9°、14.6°、19.5°等九層仰角，但監測範圍較短（230km）的都卜勒（Doppler）模式，主要是提高雷達徑向風場的可觀測範圍。但於2019年4月19日以後，全臺灣唯一美國製的S波段WSR-88D （Weather Surveillance Radar 88 Doppler）雙偏極化雷達–五分山（RCWF）雷達，其掃描策略精進成VCP215（如圖5b所示），對降雨系統能提供更好的監測模式。VCP215之仰角層為 0.5°、0.9°、1.3°、1.8°、2.4°、3.1°、4.0°、5.1°、6.4°、8.0°、10.0°、 12.0°、14.0°、16.7°、19.5°等共有15層，對中高層的掃描較VCP221更為完整。自2022年10月起至2023年3月底止，隨著其它3座德國製S波段都卜勒雷達（墾丁RCKT、臺南七股RCCG雷達及花蓮RCHL雷達），依序更新為雙偏極化雷達後，掃描策略也同時更新成VCP215。目前僅空軍C波段雙偏極化雷達，仍維持VCP221之掃描策略；更新後之雷達觀測網，皆為雙偏極化雷達，已無單偏極化之都卜勒雷達，可對整個觀測網域提供更多的降水資訊。

那麼，C波段雙偏極化的降雨雷達的掃描策略呢？要如何提高降雨系統的觀測頻率來滿足水文防災之應用，但又必須滿足氣象局對整層天氣系統監測資訊的需求，以確保能夠掌控天氣的變化狀況？氣象局希望雷達運轉不要過快，才能有充分時間收集降水樣本，已保有對降水系統足夠的解析能力；而水利署是希望雷達運轉可以快一點，盡量快速更新低層大氣的含水量資料，以便掌握最新的水情趨勢，方能有助於防救災業務的決策與執行。氣象局左思右想，想著要如何滿足這兩個領域所需要的矛盾資料？因雷達天線轉速愈快，可獲得大氣裡頭降水粒子的樣本數就會減少，進而影響空間解析度。是故，氣象局參考現行作業、日本國土交通省和美國國家氣象局所屬雷達之操作，並考量到大氣高層的降水粒子資訊對近地面的降水貢獻相當有限，於是氣象局便讓高仰角掃描的雷達轉速加快，將節省下來的時間，用來進行可快速更新的低仰角掃描，兼顧氣象與水文兩者所需，研擬出降雨雷達專屬的掃描策略，如圖6示意圖所示。

圖6中的每一個α，就是代表一個仰角掃描，α底下所標數值就是仰角。黑色α為氣象領域所需要的由低層至高層的全空域掃瞄（CWB）；紅色α為即為水文領域所需要的快速更新的低空域掃描（SUB*）；此低空域掃描策略，約每2分鐘提供最低3層之降雨觀測資料。完成氣象全空域掃描（CWB）與4個水文低空域掃描（SUB1、SUB2、SUB3、SUB4）（此後稱：接續式掃描），約共需耗時7.5分鐘，相關細節可參考林品芳等（2018）]。除此之外，空間解析度亦較一般監測雷達（大部分為500公尺或1公里）為高，可達250公尺。因此，此掃描策略除可提供高時空解析度之低層降雨資訊外，亦可提供對流性天氣系統在垂直方向的監測完整性。

 降雨雷達的發揮

降雨雷達因為具有250公尺的解析度，且約每2分鐘更新最低3層的降雨觀測資料，相當有利於水利相關單位進行最即時的相關防災應用。降雨雷達的特殊掃描，對氣象上的觀測及後續氣象相關的應用，到底有無幫助？

圖7為雷達觀測網於今（2023）年4月20日09:40時所觀測鋒面雨帶之降雨狀態，圖7a為臺灣地區所有雷達之整合回波（此後稱：雷達網整合回波），回波之選取同圖3b，也就是將原本選取的最低可觀測高度，改為選取每顆雷達在所有觀測仰角上，所觀測到的最大回波值（Column Volume, CV）（圖3b之Multi-Radar CV）進行整合。

該整合回波值的優點為無明顯的地形阻擋效應現象（單雷達所遇到的地形阻擋現象），可提供較廣範圍天氣資訊，且可提供所有雷達所觀測到最劇烈降水回波，故可直接反應天氣系統的劇烈強度；然而，缺點則為無法得知最劇烈降水回波所發生的高度是在低層、中層或高層。

圖7b則為南屯降雨雷達整合回波（此後稱：南屯整合回波），但僅由該顆雷達2分鐘快速更新的低空域掃描（最低3層仰角）上所觀測到的最大回波值進行整合，優點為可更即時反應近地面的降雨現況，缺點為觀測範圍較小且無中高層降雨資訊外，也較容易受局部地形阻擋效應而喪失觀測資訊。

由圖7可見一強烈雨帶位於臺灣中部區域上空，比較兩者所得整合回波（圖7中橢圓區域），南屯降雨雷達所觀測回波可提供較細緻的降雨分布狀況，對照兩者強烈回波（如圖7紅色區域）空間分布，由於南屯整合回波為近地面觀測整合所得，且兩者強烈回波區域分布差異不顯著，故可知該時間近地面位於強烈回波區域正有強降雨發生，且由南屯整合回波可更容易得知強降雨分布的精確位置。

因此，雷達網整合回波與降雨雷達整合回波兩圖資的互相輔助，可更正確判讀目前天氣系統之降雨型態與強度。

雷達建置，最大的目的是提供「面化」降雨資訊，以彌補「點分布」雨量站的有限觀測，獲得全面的定量降雨估計與定量降雨預報，可供防洪及防救災業務相關單位所需，因此，具有相當程度的雷達定量降雨估計準確度，可強化下游各水利防災單位之防救災預警與應變能力。那麼，有了具有高時空解析度的降雨雷達加入整個臺灣區域的雷達觀測網，定量降雨的準確度就一定會改善？這個問題，水利署與水保局重視的程度並不亞於氣象局。

因此，氣象局自降雨雷達建置以來，便一直利用降雨雷達的觀測資料，致力於C波段雙偏極化相關的降雨估計技術開發和精進。為評估降雨雷達建置後，於定量降雨估計發揮的效能，氣象局利用統計的觀點，針對臺灣北部區域，由北部的樹林降雨雷達於2021年所觀測的7個梅雨鋒面，以及2020~2021年所觀測的31個午後對流個案，進行定量降雨估計準確度的評估。

圖8a與8b左圖為無樹林降雨雷達之雷達觀測網1小時定量降雨估計結果，圖8a與8b右圖則為樹林降雨雷達的1小時定量降雨估計結果。雷達網的1小時定量降雨估計，使用的是每10分鐘更新的雷達網資料，將該時間往前取6筆（共1小時）資料進行每10分鐘降雨率的計算累加6筆而得；而降雨雷達的1小時定量降雨估計，使用的是每2分鐘更新的雷達資料，將該時間往前取30筆（共1小時）資料進行每2分鐘降雨率的計算累加30筆而得。由此運算方式可知，雖然同為計算1小時定量降雨估計，但降雨雷達使用的是更接近實際降雨狀態的資料進行運算。而降雨估計準確度由均方根誤差（Root Mean Square Error, RMSE）定義，均方根誤差量值愈低，準確度愈高；準確度的提升程度則由兩者均方根誤差之差來定義。由圖8a右可見，樹林雷達於梅雨個案中，其QPE準確度（RMSE=2.863）較雷達網QPE準確度（RMSE=3.557，圖8a左）高，QPE準確度提升約19.5%；而午後對流個案（圖8b），樹林雷達QPE準確度（RMSE=7.279，圖8b右）亦較雷達網QPE準確度（RMSE=8.513，圖8b左）高，QPE準確度提升約14.5%；另統計於2020~2021年所觀測的14個冷季鋒面個案，亦提升約13.2%的QPE準確度（圖未示）。

 結語：未來的臺灣雷達觀測網

藉由接下來雲林與宜蘭降雨雷達的陸續建置，又或者是近年即將完成的移動式車載雷達，又或者是氣象局目前正在規劃的金門、馬祖雷達與雲雷達，除可擴大目前的監測範圍外，對於更局部、受限更多等不易觀測的區域，可更邁出一步，讓整個雷達觀測網更為完善，相關的技術開發也更具挑戰，對於一直使用雷達觀測探討的「過去已發生」的雷達定量降雨估計，也正逐漸轉為探討「即將發生」的強降雨事件預報，以及相關預警資訊的提供。如此，將更有利於相關單位進行水文預報，應用於淹水潛勢預估及土壤可容的含水量預測，提供水利署、水保局、消防署、中央災害應變中心、國家災害防救科技中心，以及各縣市政府等防洪及救災業務相關單位，作為土石流、洪水預警及防救災決策等實際應變作業之參考依據，進而降低其所伴隨之極短時劇烈降水可能導致的災害。

 參考文獻