利用多频率雷达成像技术分析潭美台风乱流及降水现象-气象科技研究.PDFVIP

利用多頻率雷達成像技術分析潭美颱風亂流及降水現象 蔡世樵 1 陳振雄 2 朱延祥 3 國防大學理工學院 1 建國科技大學 2 國立中央大學 3 摘 要 使用特高頻（Very High Frequency, VHF ）波段的剖風儀(Wind Profiler)是一種大氣觀 測專用脈波雷達，探測高度可由數百公尺之邊界層到數百公里之電離層，具備測定垂直風速 之優越能力，同時亦可用來觀測降水、大氣重力波等現象；其與一般傳統氣象雷達的差異， 在於可同時對大氣風場及降水進行觀測，有助於瞭解層狀降水及對流降水形成發展之動力及 微物理機制。惟脈波雷達有徑向解析度之限制，無法觀測尺度較小之大氣亂流現象，若欲提 高徑向解析度，必須縮短雷達脈波寬，但此舉將減少雷達發射功率，降低觀測高度。因此， 雷達大氣研究學者進一步使用多組頻率，應用訊號分析方法來處理回波訊號，以提高脈波式 雷達之徑向解析度，此方法稱為多頻率雷達成像技術（Range Imaging, RIM ）。本文利用中 壢特高頻雷達於 2013 年 8 月 21 日對潭美颱風之觀測資料，以多頻率雷達成像技術分析回波 訊號，並在頻率域中分離大氣及降水回波，探討層狀降水及對流降水之回波特性及物理機制， 並分析亂流對降水之影響。 一、前言 氣層狀結構之位置和厚度，而不受雷達空間解析度 西元 1962 年，祕魯Jicamarca VHF 雷達正式成 之限制 [5]。其後多位學者在對其理論模式加以推廣 立，加入了大氣觀測的行列，而由於同相積分技術 修整，發展出可解析多層結構之多頻率雷達成像技 (Coherent Integration)技術的引進，使得Woodman 術（Range Imaging, RIM），並獲得不錯的成果[9] 。 與Guillen 於西元 1974 年首次成功的觀測到對流 相較於傳統氣象雷達，VHF波段的剖風儀雖可同 層、平流層及中氣層的大氣風場和亂流 [11] ，自此 時進行大氣及降水之觀測，但若想單純分析降水或 便開啟了以VHF雷達為主的大氣觀測研究的領域。基 大氣參數，則需將降水回波與大氣回波自訊號中分 本上，剖風儀之回波機制是利用大氣折射指數在空 離出來。一般來說均使用頻譜分析法，即將訊號做 間上不規則之分佈，經由入射電磁波之散射或反射 快速傅立葉轉換獲得不同高度的頻譜圖，再透過人 作用以產生回波。降水顆粒如雨滴、冰晶、雪片等， 為手動判圖分別找出大氣與降水部分的回波。 亦可藉由雷萊散射(Rayleigh Scattering)作用而成 Palmer et al.(2005) [10]則是利用高頻濾波及低 為剖風儀之目標物。在降水觀測方面，Fukao et 頻濾波的方式，將大氣及降水的訊號區分出來。本 al.(1985) [4] ； Larsen and Rö ttger(1987) [6] ； 研究利用多頻率雷達成像技術（RIM ）分析中壢特高 Chilson et al.(1993) [3]等觀測報告發現，使用 頻雷達觀測資料，並在頻率域中分離大氣及降水回 VHF波段的剖風儀不但可以測得雨滴的回波，並可根 波訊號，以探討層狀降水及對流降水之回波特性及 據降水回波的都卜勒頻譜估計出雨滴的終端速度。 物理機制，並增進對亂流影響降水現象之瞭解。 此外，許多降水環境資訊如融解層(Melting Layer)