【特別報導】捕捉雷公電母、風伯雨師的身影:談雷達與劇烈天氣的觀測

從二零零五年開始,全美國的天氣災難就急遽增加,其中劇烈天氣(如颱風和淹水)增加最多,可見劇烈天氣正嚴重影響人類的日常生活。氣象雷達已經成為觀測劇烈天氣的一個重要工具。本次邀請到美國國家大氣科學研究中心遙測組主任李文兆博士,和我們談談氣象雷達的前世今生,分享他個人用雷達觀測劇烈天氣的經驗和研究成果。

講者|美國國家大氣研究中心資深研究員 李文兆 博士

整理撰稿|周書瑋

 

雷達|電磁波巧妙的圓舞曲

雷達是Radio Detection and Ranging (RADAR)的縮寫,此字最早是在一九四一年由美國海軍發明。雷達是一種主動的遙測系統,主要由四個部分組成,分別是發射器、天線、接受器,和信號處理器,發射器會主動發射和吸收電磁波,發出電磁波後,碰到雷達目標(如降雨)就會反射回發射器,如此就能判斷出發射器和目標物的相對距離。

雷達波屬於鉛筆形波束(Pencil beam),該波動像鉛筆頭一樣,從細慢慢變粗。雷達的波束會隨著距離增加而變大,不像手電筒的光束發出後始終是平行波。此外,雷達的解析度和距離有關,若要獲得較高的解析度,可縮窄電磁束的束徑,或縮短雷達和目標現象的距離。

國高中物理我們都學過,波動的頻率和波長呈倒數關係。氣象學家比較習慣用波長,雷達工程師則習慣用頻率,來指示雷達的發射波段。二次世界大戰時,雷達波長被視為軍事機密,軍方在使用無線電傳輸時,往往忌諱透露己方雷達的頻率,因此演變出不同的英文字母代號,代表不同的雷達波段,如這次架設在新竹南寮的S-Pol雷達,其實就代表了S-band,波長介於7.5 – 15 公分或2-4 GHz,波段。

 

氣象雷達的演進|從軍事用途演變成氣象預報工具

如果要尋找最早的雷達使用者,可以追溯到五千多萬年前蝙蝠,蝙蝠藉由放出和接收聲波來判斷自己和某個目標物的相對距離。根據文獻記載,人類最早使用雷達的紀錄,是一名負責管理船隻進出港口的德籍工程師,他負責監測進出港口的船隻動線,警告他們不要撞在一起,但因該港口容易起大霧,他就發明了類似於雷達的裝置,探測船隻是否在航道內,船隻進入航道時,警報就會響起。

雷達開始漸漸被廣泛使用,是第二次世界大戰時,英軍被德軍慘烈轟炸,就在港口沿岸密集部署雷達,希望偵測到德軍的飛機,預防德軍飛機進入英國領空。英軍在觀察軍事雷達回波圖時,發現讓他們恨得牙癢癢的事——天氣,因為外面下雨時,雷達回波圖會會充滿雜波,形成一片滿江紅,完全無法判斷敵軍飛機位置,因此英軍千方百計想去除天氣造成的雜波干擾。在此同時,美國也成立了雷達學校,培養出數位雷達氣象學家,包括雷達氣象的始祖 David Atlas,由於二戰後很多軍用雷達除役不再使用,氣象學家開始思考這些雷達可以做什麼用呢?從軍事角度看,天氣對軍用雷達是雜波,但當軍方不再需要偵測飛機位置,雷達就成了監測天氣的絕佳助手,氣象學家發現這件事,從此打開氣象雷達研究的大門。

 

雙偏極化都卜勒氣象雷達|提高降雨預測精確度

雷達如何探測遙遠雲層內部雨滴的移動情形呢?那就必須利用都卜勒效應。都卜勒效應由奧地利科學家都卜勒提出,指的是當波動發射源和接收器有相對移動時,相對波長會改變,就像救護車靠近我們開來時,音頻會快速升高,駛離後又會變低。氣象學家就利用此一原理,計算雲裡面的雨滴和雷達間的相對運動。而雨滴三度空間的速度則可以由兩個以上的都卜勒雷達的觀測計算出來,可以幫助氣象學家了解雲中雨滴的軌跡。

氣象局和空軍所使用的一般作業用雷達,大多只能水平掃描,掃描夏季午後雷陣雨垂直發展的花椰菜狀雲層,約需時六分鐘,但對流雲系發展通常非常快速,六分鐘內已經有大幅度的變化,因此很難用一般作業用雷達,獲取雲層內部精確的發展時程和變化。相較之下,此次來台駐點的S波段雙偏極化都卜勒雷達,屬於研究型雷達,能直接掃描雲層的垂直剖面,用少於十秒鐘的時間完成一般作業用雷達需要六分鐘才能拼出雲層垂直剖面。

S-POL雷達氣象站|陳紫瑩攝影

S-Pol雷達之所以如此特別,還在於它的「雙偏極化」(或稱為雙偏振)特性。偏極化指的是電磁波中電場的方向,可分為水平和垂直的偏極化。一般傳統雷達是水平或垂直偏極化,雷達回波強度可以顯示下雨區域但不能提供雨滴大小和數量和準確的降雨量。由於雨滴大小和形狀相關,越小的雨滴越圓,越大的雨滴越扁,雙偏極化雷達偵測到圓形雨滴時,回傳的水平和垂直偏極化回波強度接近,但偵測到扁形雨滴時,水平偏極化回傳的訊號比垂直偏極化來得強,因此由回傳的雷達波強度,就能知道雲層內部的雨滴大小,再透過其他參數來了解雨滴數的多寡,進而提高降水估計的準確度。

 

 

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氣象學家的天職|劇烈天氣的觀測

劇烈天氣在整體天氣和氣候環節中扮演的角色尺度較小,主要負責從地表向高層傳遞能量。太陽把能量傳到地球後,海洋吸熱造成水的相變,形成水氣,水氣被空氣抬升後升溫凝結,釋放潛熱,潛熱再次變成大氣裡的能量,如此不斷循環。劇烈天氣所扮演的角色尺度雖小,但卻是民眾直接感受到且對日常生活的影響越來越大,氣象學家也因此越來越重視劇烈天氣的觀測,對氣象雷達的要求越來越高。

博士提到,雷達氣象是一個非常跨領域的學科,理想的雷達氣象學家是集電機工程師、數學家、軟體工程師、氣象學家、雲物理學家和水文學家於一身。氣象學家基於對科學的好奇,會關心一場劇烈天氣中雲層的結構、風的動態和方向、以及雨的強度和大小,進而提高民眾日常生活上的便利以及天氣災害的防治,達成氣象學上防災和「減災」的重要任務。

雷達氣象學的發展,說長不長,說短不短,美國在一九七零年開始都卜勒氣象雷達的研究,但是一直到一九八八年才開始真正架設全美國的都卜勒氣象雷達網;雙偏極化氣象雷達從基礎研究到實際應用,也歷時將近二十年的時間,可見從理論研究到實際應用是一條非常漫長的路。相信在不遠的將來,氣象雷達的功能性和準確性都會大大提高,幫助氣象學家更準確的觀測劇烈天氣。

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