氣象雷達

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氣象雷達，或稱氣象監視雷達（WSR），是用來探測大氣中的降水類型（雨、雪、冰雹等）、分布、移動和演變，並可對其未來分布和強度作出預測的一種雷達設備。

現代氣象雷達大部分屬於脈衝都卜勒雷達，可以監測降水的分布及強度。這些數據可以用來分析風暴的結構以及其能否在未來造成惡劣天氣。

## 歷史

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第二次世界大戰期間，軍事雷達操作員就注意到了因雨、雪、凍雨等天氣因素接收到的回波噪聲。戰後，原本的軍事科學家得以繼續研究如何利用那些回波。前美國空軍、後任職於麻省理工學院的大衛阿特拉斯，開發了第一個實用氣象雷達。在加拿大，馬修和道格拉斯於蒙特婁成立了「風暴天氣小組」。馬修和他的博士生沃特帕瑪（Walter Palmer）專精於研究中緯地區降水滴譜，並由此發現了降水速率和雷達反射率之間的關係。英國則繼續進行雷達回波模式和氣象要素如層雲降水和對流雲之間關係的研究，並試驗了1~10cm範圍內的不同波段效果。

1953年，從事伊利諾州水資源調查工作的電氣工程師唐納史戴格，第一次利用雷達記錄到與龍捲風相關的鉤狀回波。

1950到1980年間，用於定位天氣系統及探測降水強度的反射雷達氣象服務在世界範圍內建立起來。早期的氣象學者透過陰極射線管來獲取訊息，到了20世紀70年代，雷達觀測開始標準化並組成觀測網。第一個雷達回波成像設備誕生後，雷達發展到可以掃描降水系統的三維層面，使等高平面的景象和垂直的狀況均能夠得以展現。加拿大的阿爾伯塔省冰雹計劃和美國的國家強風暴實驗室因此得以研究雷暴結構。

美國國家強風暴實驗室始建於1964年，起初研究雙偏振信號和都卜勒效應在氣象雷達上的應用。1973年5月，一個龍捲風襲擊了奧克拉荷馬市西部的尤寧城。該實驗室的10cm波段都卜勒氣象雷達第一次記錄下了龍捲風整個生命周期。這一成果發現了龍捲風發生前高空雲的中尺度渦旋：龍捲風渦旋，這使得國家氣象局認識到都卜勒天氣雷達是極好的龍捲風預報設備。而1974年4月3、4日龍捲風的超級爆發造成的毀滅性破壞使都卜勒雷達的研究得到了更多的資金支持。

1980至2000年，氣象雷達網在北美洲、歐洲、日本等發達國家普遍建立，可探測大氣中微粒移動速度的都卜勒雷達也替代了只能探測天氣系統位置和強度的傳統雷達。美國於1988年正式進行10cm波段氣象雷達的布網建設，稱為下一代氣象雷達或WSR-88D。1985年，加拿大建立了配備了5cm波段的都卜勒氣象雷達的金城雷達站， 1993年，麥吉爾大學的馬修雷達觀測站也採用了都卜勒雷達。完整的加拿大都卜勒氣象雷達網在1998到2004年間建成。法國和其它歐洲國家則直到90年代末二十一世紀初才逐步採用都卜勒網路系統。期間，受惠於電腦技術的迅猛發展，科學家們已經可以利用電腦演算法分析惡劣天氣並由此開發了一系列的供給媒體公示或科學研究的氣象產品。

2000年後，雙偏振技術投入了實用，增加了關於有效降水類型（如雨和雪的對比）的訊息獲取。「雙偏振」是指既能發射和接收水平偏振波又能發射和接收垂直偏振波的微波輻射。預計美國、法國和加拿大等國家將在近十年大規模發展該技術。

2003年起，美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）就開始著手用電子掃描陣列雷達代替傳統的拋物形天線，以便在大氣探測中獲得更高的時間解析度。這對獲取預測強雷暴發展過程的即時數據尤為重要。

同年，美國國家科學基金會（NSF）成立了合作自適應遙感大氣工程技術研究中心，這是一個跨學科、涉及多所大學的工程師、電腦科學家、氣象學者和社會學家參與合作的機構，他們利用成本低廉、掃描迅速的雙偏振電子掃描陣列雷達，獲取較少為人探索的對流層低層資料，進行相關基礎研究、新技術開發並部署樣機，以加強現有的雷達系統。

## 工作原理

### 發射雷達脈衝

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氣象雷達透過空腔磁控管或調速管連接導波管，再連接一個拋物面天線而定向地向空間發射微波脈衝。氣象雷達所發射微波波長在1-10cm範圍，大致是雨滴或冰晶直徑的10倍左右，在該頻率下，瑞利散射效應最為強烈。這樣可以確保雷達波的一部分能量能夠從微粒表面反射回雷達站所在方向。

若雷達發射更短波長的脈衝，則可以用來檢測更加微小的雲滴，不過信號的衰減也更為強烈。因此10cm波段的氣象雷達被廣泛使用，但其成本也遠高於5cm波段的雷達系統；3cm波段雷達僅使用於超短距離範圍內的監控；而1cm波段的雷達僅用於毛毛雨或霧等微粒天氣現象的研究。

雷達波會以球面波的形式從雷達站向外傳播。這會導致在相同時間內，雷達波所穿過的空間體積會隨著距雷達站距離的增大而增大，因此雷達的角坐標解析度也隨之下降。當雷達波射程達到150-200km探測範圍時，單脈衝所掃描到的大氣體積可能會接近1km3，稱為脈衝體積。

在任意時刻任意空間位置一列給定的雷達波所占據的體積可由下式大致計算：

$$\, {v = h r^2 \theta^2}$$

該公式假定雷達波是球面均勻發射的，「r」遠大於「h」以確保其在該列波起止點能夠大致相等，而所截得的幾何體為一個高為h的台體。其中，v代表該列波所占據的體積，h是指脈衝長度，r指從雷達站到該列波所傳播到的空間位置的距離，$\,\theta$ 是弧度制下的波束寬度。

### 確定高度

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如果假定地球是一個球體，透過大氣折射率和雷達站與天氣系統間的水平距離，我們就可以計算天氣系統的距地高度。左圖顯示了計算結果決定於天線仰角以及其他一些因素。

雷達系統會根據需要掃描一系列的特定角度。每一次掃描過後，天線都會為下一次探測進行高度調整。雷達站會重複這種方式來掃描不同角度，以探測到其周圍儘可能大體積的空氣。通常情況下，探測方圓250km、縱深15公里範圍內的大氣需要5到10分鐘的時間。比如加拿大的5cm波段氣象雷達的掃描角範圍設定為0.3至25度。右圖示意了雷達站在一次多高度角掃描後所能探測到的大氣體積。

由於大氣折射率隨高度的變化以及地表曲率的存在，雷達不能夠探測到最低測量角以下（圖中綠色範圍）的以及雷達附近超出最大測量角（圖中紅色範圍）的大氣。

### 標定強度

由於探測範圍內的目標並不唯一，基本雷達方程式必須做以下變形：

$$P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 \sigma_0}\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \propto \frac {\sigma_0} {R^4}$$

其中 $\,P_r$ 代表接收功率； $\,P_t$ 代表發射功率；$\,G_t$ 代表天線增益；$\,\lambda$ 代表雷達波波長；$\,\sigma$ 是目標的雷達有效截面積；$\,R$ 指雷達站與目標間的距離。

在這種情況下，我們必須把所有目標單體（降水微粒）的雷達有效截面積相加：

$$\sigma_0 = \bar \sigma_0 = V \sum \sigma_{0j} = V \eta$$

$$\begin{cases} V\quad= scanned\ volume \\ \qquad= pulse\ length\ \ X\ beam\ width \\ \qquad= \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \end{cases}$$

這裡$\,c$ 代表光速； $\,\tau$ 代表脈衝周期； $\,\theta$ 是弧度制下的脈衝寬度。

聯立前兩式，得：

$$P_r = \left [P_t{{ G^2 \lambda^2 }\over{{(4\pi)}^3 R^4}} \right] \left[\frac {c\tau}{2} \right] \left[\frac {\pi R^2 \theta^2}{4} \right] \eta = \left [P_t \tau G^2 \lambda^2 \theta^2 \right] \left[\frac {c}{512(\pi^2)} \right] \frac {\eta} {R^2}$$

由上式可得：

$$P_r \propto \frac {\eta} {R^2}$$

我們可以注意到回波強度和$\, R^2$成反比而非與$\, R^4$成反比，為了能夠比較不同距離上的回波數據，我們必須利用這個比率進行換算。

## 非氣象回波

### 槽化現象

指的是當低層大氣存在逆溫(Inversion) 現象，或者剛下過雨使得近地面的空氣相當潮濕的狀態下，空氣的折射率將隨高度上升而迅速減小，進一步使雷達電磁波在大氣中傳遞的過程向折射率大的一方偏移，這種電磁波偏移的過程又稱為超折射(Super refraction)現象。當偏移的狀況過於極端，造成雷達波下彎照射到海面或陸地，來自地表的反射能量被雷達接收到，使雷達螢幕上因此出現大範圍弱回波區，這種回波屬於非氣象回波，該處實際並無降雨發生。

## 參見

### 外部連結

普通

- List of scientific articles of precipitation measurement by radar
- History of Operational Use of Weather Radar by U. S. Weather Service :
- Part I: The Pre-NEXRAD Era.
- Part II : Development of Operational Doppler Weather Radars
- Weather Radar development (for the USA), highlight of National Severe Storms Laboratory's first 40 yearsNational Severe Storms Laboratory
- Weather radars by Environment Canada
- Commons errors in interpreting radar by Environment Canada
- Short weather radar course for teachers by Environment Canada
- Weather Underground on radar

網路及雷達研究

- OU's Atmospheric Radar Research CenterAtmospheric Radar Research Center
- OU-PRIME
- Canadian weather radar FAQ
- McGill radar homepage
- Hong Kong radar image gallery
- University of Alabama Huntsville C-band Dual-polarimetric research Radar
- An early Weather radar - The EKCO E38 systemEKCO
- NEXRAD Doppler radar network information:
- POLARIMETRIC RADAR RESEARCH
- NOAA information on radars
- More NOAA info
- NOAA research on radars

真實數據

- European OPERA project -links to all weather radar maps in the World
- RainRadar - Find out what's coming your way, wherever you are
- U.S. doppler radar sites
- Realtime weather radar for South Africa from South African Weather Service
- Australian radar sites

## 引用文獻

### 人物生平

- David Atlas, Radar in Meteorology: Battan Memorial and 40th Anniversary Radar Meteorology Conference, published by American Meteorological Society, Boston, 1990, 806 pages, ISBN 0-933876-86-6, AMS Code RADMET.
- Yves Blanchard, Le radar, 1904–2004: histoire d'un siècle d'innovations techniques et opérationnelles , published by Ellipses, Paris, France, 2004 ISBN 2-7298-1802-2
- R. J. Doviak and D. S. Zrnic, Doppler Radar and Weather Observations, Academic Press. Seconde Edition, San Diego Cal., 1993 p. 562.
- Gunn K. L. S., and T. W. R. East, 1954: The microwave properties of precipitation particles. Quart. J. Royal Meteorological Society, 80, pp. 522–545.
- M K Yau and R.R. Rogers, Short Course in Cloud Physics, Third Edition, published by Butterworth-Heinemann, January 1, 1989, 304 pages. EAN 9780750632157 ISBN 0-7506-3215-1
- Roger M. Wakimoto and Ramesh Srivastava, Radar and Atmospheric Science: A Collection of Essays in Honor of David Atlas, publié par l'American Meteorological Society, Boston, August 2003. Series: Meteorological Monograph, Volume 30, number 52, 270 pages, ISBN 1-878220-57-8; AMS Code MM52.
- V. N. Bringi and V. Chandrasekar, Polarimetric Doppler Weather Radar, published by Cambridge University Press, New York, United States, 2001 ISBN 0-521-01955-9