双偏极化达在定水估计上的应用

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1、雙偏極化雷達在定量降水估計上的應用陳台綺國立中央大學大氣科學系教授張偉裕國立中央大學大氣物理研究所博士班學生氣象雷達降雨估計原理雷達像一部附有閃光功能的照相機，主動的發射電磁波，經由天線類似「聚光」的作用，將空中的目標物「打光」，經過散射將部分的電磁波能量反射回雷達所在的方向，這些能量經由天線接收，即是雷達所觀測的回波(Reflectivity)，並利用「回聲」的原理，利用傳回的時間，以及電磁波速度，即可算出這些目標物所在的位置。而這樣的原理不僅開拓了探索宇宙電波天文學，並提供現代生活不可或缺的通訊科技，而與我們的生活息息相關的應用即是「氣象雷達」，藉由氣象雷達的觀測，監控劇烈災變天氣系統的

2、發展，作為防災單位實施防災、減災計畫時的參考依據，將可挽救無數可能因天災而喪失的生命。氣象雷達的演進，已由傳統僅能觀測回波強度的傳統氣象雷達，發展至都卜勒氣象雷達，其不僅能提供回波強度，更能觀測天氣系統中相對於雷達的徑向風場(Radialwind)；如中央氣象局的全島都卜勒氣象雷達網聯。而都卜勒氣象雷達具有高時間、空間解析度的回波強度觀測資料，故可用來估計大範圍的定量降雨，即定量降雨估計。然而由於天氣系統中雨滴粒徑分佈(RaindropSizeDistribution)的高變異性，使得利用回波強度(ZHH)估計降雨率時的降雨估計公式：Z-R關係式，因不同的降水系統有著不同的雨滴粒徑分佈，Z-

3、R關係式在空間及時間上有很大的變化，這代表著：在無法觀測不同降水系統的雨滴粒徑分佈變化情況下，僅使用單一Z-R關係式估計降水，將無法準確的估計降雨率。然而，除了Z-R關係式的變異性，雷達系統功率校驗誤差、雷達回波受地形遮蔽及不同波段雷達回波經過天氣系統後所造成程度不同的能量衰減，也都是無法準確地使用回波強度估計降雨率的主要原之一。但是，這些都卜勒氣象雷達定量降水估計的問題，卻可以藉由下一代雙偏極化雷達(DualPolarimetricRadar)多觀測參數的特性，大大的提高定量降水估計的準確度。新一代雙偏極化雷達雙偏極化氣象雷達的基本原理是利用雷達發射水平及垂直兩種偏極化之電磁波，並分別接受

4、水平及垂直偏極化之回波。（都卜勒氣象雷達僅有水平極1化）因此，相較於都卜勒氣象雷達，除了ZHH(Reflectivity)：水平反射指數，其與水滴粒子大小的六次方成正比，水平發射水平接收，通常使用分貝作為單位，(dBZ=log10ZHH)。雙偏極化雷達可得到更多的參數，如ZDR(DifferentialReflectivity)：差異反射率，以水平(ZHH)和垂直（ZVV）方式所得回波強度的比值，單位為dB。ΦDP(DifferentialPhase)：差異相位差，利用在同一距離內的解析體積之內由於對粒子的垂直及水平相位增量（phaseincrements,kv以及kh）產生之相位差稱為ΦD

5、P(two-waypropagationdifferentialphase)。單位為度deg。KDP(SpecificDifferentialPhase)：比差異相位差，ΦDP對距離的微分，單位為deg/km。ρHV(H-Vcorrelation)：相關係數，同一解析體積裡的ZHH和ZVV是經由雷達連續發射數個脈衝而獲得，各脈衝所測到的ZHH和ZVV的相關係數。由於雙偏極化雷達能提供更多的觀測資訊，而更適合運用在定量降水估計上。利用大雨滴扁平形狀之特性估計雨量雙偏極化參數在定量降水估計實際運用上，參數ZDR（差異反射率）對降水粒子的扁平度很敏感，由於水相粒子尺寸形狀之多變，從小水滴到大水滴時

6、，隨著雨滴成長演化，會由球形變成較扁的形狀，使得相同回波強度有不同的降雨率，如圖一(D)，而藉由水平和垂直回波強度的差異，在相同回波強度時，區別大、小雨滴的數量，估計降水系統中的雨滴粒徑分佈，與傳統僅用回波強度估計降雨方法相比最大的優點為：估計雨滴粒徑分佈的高時間空間變異性後，將可由雨滴粒徑分佈直接計算降雨率，提高定量降水估計的準確度。然而，由於回波經過強降水系統後的回波衰減（不同波段之雷達有不同程度之衰減），如圖一(A)，卻會造成降雨率的低估，然而雙偏極化雷達可藉由參數：ΦDP（差異相位差），利用其不受系統功率校驗誤差及能量衰減影響的優點，修正被衰減的回波強度，如圖一(B)，提高用修正後回

7、波強度估計降雨率的準確度。另外，在易受地形之遮蔽影響的區域，則可利用雙偏極化參數：KDP（比差異相位差），其直接由相位計算，與雷達本身功率校正無關、不受能量衰減影響的，且不受地形遮蔽影響的特性，來估計降雨率，如圖一(C)。而雙偏極化參數：ρHV（相關係數），此值在降水系統中約0.95以上，但在受地形影響時，其值會降低至低於0.5以下，此參數可利用來去除非氣象因子所造成的假回波，以減低降雨估計的誤差，如圖一(B