鍾高陞∕中央大學大氣科學系副教授，專長為氣象雷達與短期天氣預報。

 

✤ 氣象衛星與雷達的原理都與電磁波有關。氣象雷達會「主動」發射電磁波，氣象衛星則是「被動」接收目標物放出或反射的電磁波。

✤ 氣象雷達能在短期間內獲得大範圍、高解析度的觀測資訊，提供氣象科學家剖析如鋒面、颱風等劇烈天氣系統。

✤ 臺灣全島共有 11 座與氣象、防災相關的雷達，形成包含不同區域、波段的雷達網，協助科學家掌握臺灣因複雜地形而變化多端的天氣現象。

 

氣象上的兩大遙測工具：雷達與衛星，當年都是因為軍事與戰爭的需求而誕生。雷達是在二次世界大戰時，為了掌握戰場上敵軍的位置而產生的科技；衛星則是在 1950 年代末期，由蘇聯成功發射的第一顆人造衛星開啟了美國與蘇聯兩國太空競賽，因此開始蓬勃發展的技術。後續科學家進一步將它們的原理延伸到地球科學的相關領域上，進而讓氣象研究能有所突破，並提供氣象作業單位更有利的訊息，協助天氣預報。

這兩大遙測工具的原理其實都與電磁波有關，應用於氣象上的差別在於雷達會「主動」發射不同波長（頻率）的電磁波，衛星則「被動」接收目標物本身發射或反射的電磁波。雷達用來追蹤天氣系統當中「雨」（大顆的水滴）的發展；衛星則被廣泛用於獲得「雲」（小顆的水滴）的相關資訊。

 

從高空搜集資料的氣象衛星

氣象衛星可分為繞極軌道衛星與地球同步衛星。地球同步衛星繞行地球一周的時間與地球自轉的週期相同，因此可以 24 小時全天候蒐集同一區域的觀測資料；而繞極軌道衛星每次的運行軌道皆從兩極上空通過，因此一天會有兩個時段通過地球上的同一區域。

氣象衛星也可以從頻道上來分類，常見的有紅外線、可見光、水氣頻道 ^{註 1} 。氣象衛星近年來的應用除了對於雲的觀測與大氣輻射外，還進一步延伸至城市光害、火災、空氣汙染、沙塵暴等災害評估的層面。像是由臺灣與美國共同合作的福爾摩沙衛星計畫，分別在 2006 年與 2019 年將福衛三號與福衛七號衛星發射升空，利用電磁波通過地球大氣層時因介質性質不同而發生折射（司乃耳定律，Snell's Law）的特性，進一步反向演算出大氣中溫度與濕度的垂直分布。因此，氣象衛星資料能夠大量彌補海洋區域中大氣資訊不足的部分。

 

▲圖為 2001 年 9 月 20 日納莉颱風的衛星雲圖，雲圖中的顏色顯示大氣中與高層水氣的分布，愈白的地方顯示水氣含量愈多。圖片來源／交通部中央氣象署，政府網站資料開放宣告條款授權

 

剖析劇烈天氣系統的氣象雷達

在一些劇烈的天氣系統中，例如鋒面、西南氣流、颱風、午後熱對流等伴隨著的降水、強風、冰雹、閃電，可能會帶來嚴重災害並造成農業、工業及民生上的重大損失。這類型天氣系統的生命週期長可超過一天以上，短則約一小時左右；至於涵蓋範圍，大至數百公里，小則僅數公里。氣象雷達要面對不同類型的劇烈天氣系統，可以利用它們的共通點：垂直結構上的特徵。以固定於地面的地基式氣象雷達而言，平均約 6～7 分鐘能夠提供一筆空間範圍約 125～250 公里左右的三維觀測紀錄。氣象雷達能獲得在時間與空間上如此高解析度資訊，正好符合氣象科學家剖析劇烈天氣系統時的需求。

氣象雷達的功能從早期傳統雷達根據發射特定波長電磁波後，藉由反射較大的水滴以了解天氣系統的降水強度，到後來發展出利用都卜勒效應（Doppler effect）的都卜勒雷達（Doppler radar），以量測降水系統運動時的風向與風速。另外，雙偏極化雷達（dual-polarimetric radar）則能取得更多水象粒子在不同型態的特性（如差異反射率、差異相位差、相關係數）推估水象粒子的大小、液態水含量等資訊，進而計算出水象粒子的數量並分辨出不同型態的水象粒子在空間上的分布情形（如液態水、冰雹、軟雹或存在冰水混相）。進而獲得水象粒子大小與到應用於作業單位上，精確估計地面雨量資訊。

先進的氣象雷達技術也在近年來持續發展，例如在降水發生之前，即可使用能偵測到較小水滴的雲雷達，幫助我們了解成雲降雨的早期階段如何發展；而相位陣列雷達（phase array radar），則一次發射多個雷達波束，除了可以在更短時間內密集地掃描有興趣的天氣系統外，也能同時完成多項任務，如監測劇烈天氣現象的發展、追蹤致災性對流胞、監控近地表低層的風場並確保飛航安全等。

 

▲屏東鵝鑾鼻墾丁氣象雷達站的雷達罩，此氣象站也是臺灣本島上最南端的氣象測報機構。一般而言，中央氣象局氣象雷達的雷達罩外觀均為白色，軍方使用的軍事雷達罩外觀才會是綠色，但唯一的例外就是墾丁氣象站。中央氣象局為了配合鵝鑾鼻當地的景觀，將墾丁氣象站的氣象雷達罩改為綠色，也因此常被來訪鵝鑾鼻的遊客戲稱為「哈密瓜」。圖片來源／Matt8830, CC BY-SA 4.0, Wikimedia Commons

 

氣象雷達的研究與應用

透過前面幾段的介紹，我們可以了解到氣象雷達在劇烈天氣現象中能發揮許多功能。這也是為什麼雷達原理一開始應用在氣象上時，便有很明確的目標⸺監測可能造成災害的降水天氣系統。1980 年代的科學家更曾經提出，若我們進一步將此監測功能延伸，利用氣象雷達的回波做外延推估 ^註 2 便能將此資訊應用於 0～6 小時即時天氣降水預報（nowcasting）。

相較於一天提供兩次的複雜天氣預報系統，採用雷達回波外延推估預報降水的位置與強度，可以有效率地使用較少的電腦運算資源，在極短的時間內提供防災單位定量降水預報的相關資訊，同時做滾動式修正。複雜的天氣預報系統雖然對於大氣運動具有不錯的預測能力，但在掌握不同天氣類型的降雨表現上仍有一定程度的不確定性。有鑑於此，氣象科學家們近 20 年來致力於用各種方法，將氣象雷達觀測到的都卜勒風場與水象粒子資訊，用於改善預報降水位置與強度的能力。近年來，也有不少研究嘗試將大量的雷達觀測資料與深度學習結合，期望未來能夠更精準且有效率地提供降水預報。

 

▲在 2022 年國際觀測時間期間，移動式雷達與其他的觀測儀器於永安漁港附近觀測。圖片提供／中央大學雷達實驗室

 

▲美國大氣科學研究中心（National Center for Atmospheric Research）的 S 波段氣象雷達於新竹港南運河附近觀測。圖片提供／中央大學雷達實驗室

 

臺灣的氣象雷達

臺灣全島與氣象、防災相關作業單位使用的雷達共有 11 座，包含中央氣象局四座波長十公分涵蓋範圍廣的遠距離監測雷達；水利署三座波長五公分以防災、預警人口稠密與低窪易淹水區域為主的氣象雷達；空軍三座與民航局一座波長五公分、針對飛航安全與監測劇烈天氣用的雷達。或許你會想問，先前提到地基式氣象雷達的優勢，就是能夠大範圍的掃描週遭、監測並提供天氣系統的相關資訊，為什麼臺灣在不同區域還需要這麼多不同波段的氣象雷達形成雷達網呢？

這是因為臺灣的地理位置四面環海，且島內山勢地形陡峭，形成極其複雜的地形。當天氣系統靠近臺灣而受到地形影響時，近地表的氣流運動便容易有多樣的變化。因此，即使是受到同一個天氣系統的影響，不同區域的降水特性仍不一樣。雖然大範圍掃描的氣象雷達能幫助我們監測天氣系統從海上到靠近陸地的過程，但因為臺灣地形複雜，氣象雷達觀測受限於地形阻擋，無法靠單一雷達就能完整探測近地面的天氣現象。這便是為什麼臺灣雖然面積不大，卻需要綿密雷達網的原因。在國家科學及技術委員會和產官學多方的合作下，臺灣於 2008 年打造出首部由臺灣自行組裝的移動式氣象雷達。它的目的就是希望突破複雜地形的限制，更精準地捕捉天氣系統的資訊，進而協助科學家掌握不同區域的降水特性，並提升降水預報的能力。

 

▲移動式雷達於 2022 年 5 月 27 觀測到的降水天氣系統。（a）低仰角觀測的回波（ZH）；（b）低仰角觀測都卜勒風場（VR）；（c）、（d）雙偏極雷達觀測垂直剖面上，可分辨水象粒子大小差異反射率（ZDR）與水象粒子相關程度的相關係數（RHV）。圖片提供／中央大學雷達實驗室

 

▲利用全臺雷達網外延推估一小時降雨預報。（a）雷達回波分布；（b）一小時累積降雨分布。圖片提供／國家災害防救科技中心

 

因應氣候變遷與極端事件的未來發展

單一氣象儀器的觀測只能協助我們釐清與了解天氣現象當中的其中一面，而單一波長（頻率）的氣象雷達或是衛星也不例外。隨著當今氣候變遷的問題及極端事件發生的頻率增加，許多地區的氣候特性也都在逐漸改變。唯有集結整合不同波長（頻率）的氣象雷達與多頻道氣象衛星，布下天羅地網，讓科學家們可以進一步研究與應用，方能調適與面對全球暖化與致災性天氣系統的衝擊。

不僅如此，在觀測上長時間蒐集分析資料，能讓我們了解一個地區的氣候特性，並且在短時間內發揮氣象雷達與衛星大範圍掃描的功能，以及監測、預警與預報天氣系統可能帶來的災害。如此一來，人類才有足夠的韌性面對環境與自然變遷下的挑戰。

 

▲國際太空站（International Space Station, ISS）在 2015 年 8 月 5 日以衛星拍攝到的強烈颱風蘇迪勒颱風眼，當時蘇迪勒正朝向臺灣前進。圖片來源／NASA, public domain, Wikimedia Commons

 

 註 1 ：雖然水氣頻道也屬於紅外線頻道的一種，但一般會將水氣頻道分開說明。

 註 2 ：指根據過去及當下氣象雷達回波所獲得的資訊，進一步推測天氣系統在極短的未來可能移動與發生的位置。

 

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本文轉載、修改自《科學月刊》2023 年 4 月