全台唯一特高頻雷達 量測大氣垂直風場 可提高天氣預測準確率

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2009.12.14 秘書室新聞組
 中央大學雷達站擁有全國唯一一座可以從事大氣與太空環境監測與研究的高頻特高頻大型陣列雷達。中央大學研發長朱延祥表示,一般大氣風場以施放探空氣球為主,資料密度差,對於氣象預測模式產生相當程度的限制,該雷達可量測大氣垂直風場,將直接提供1~10分鐘間隔的垂直風場的資料密度,將有效提高氣象預報的精準度。

 朱延祥說,中大太空科學團隊不但參與國內外眾多大型科研計畫,並擁有實務經驗,可解決相關單位的問題。目前正進行多項大型科研計畫,包括福爾摩沙衛星三號電離層探測計畫,探空火箭太空探測計畫,微衛星太空科學實驗,全國剖風儀網建置計畫等,對於提升我國太空科技學術水準以及大氣觀測應用方面有具體的貢獻。

 中壢特高頻雷達位於國立中央大學校園內,佔地約9,000平方公尺,為我國最大的一座特高頻相位陣列雷達,其探測高度範圍由離地約2公里到600公里的人造衛星運行高度,為我國唯一座可同時探測低層大氣結構、風場、降水、流星與太空環境的大氣遙測專用雷達。

 除了大氣與太空環境的觀測與研究之外,中壢特高頻雷達亦可以執行特定目標物的定位與辨識任務。利用本雷達所特有的相位加碼以及雷達干涉法觀測技術,除了可以測出雷達目標物的大小之外,亦可以針對雷達目標物的位置與移行,進行精確定位與追蹤。此項功能,對於空中降雨的不均勻分布的觀測、候鳥遷徙的監測、飛航安全的維護、人造衛星通訊品質的提升、以及飛行航空器的空管等,均有甚高的應用潛力。

 民國70年初為配合國際中層大氣探測計畫,中研院副院長劉兆漢建議在我國設立特高頻雷達。中壢特頻雷達於民國74年6月正式啟用,雷達波長約5.77米,屬於米波雷達,雷達波係以脈波方式可朝垂直與傾斜方向發射與接收。

 中大太空所研究員蘇清論說,雷達波受到大氣目標物(主要是大氣密度的擾動與降水粒子)的散射或反射作用,產生十分微弱的回波。相位陣列天線接收此微弱回波後,經放大與後續的訊號分析與處理,便可以得到大氣目標物的所在高度與都卜勒速度。再經過適當的計算,便可以算出大氣風速與風向隨高度的變化。由於此功能,中壢特高頻雷達又稱為剖風儀(Wind Profiler)。

 由於在晴空無雲的環境下,晴空亂流(Clear Air Turbulence)會因風速在甚短距離內的急遽變化而被激發出,進而導致大氣密度的擾動。因此之故,中壢特高頻雷達也稱為晴空雷達(Clear Air Radar),以便與利用雲中雨滴粒子產生回波的氣象雷達(Meteorological Radar)有所區隔。

 至於對於來自大氣降雨粒子的微弱回波而言,經相位陣列天線接收與訊號分析與處理後,即可以觀測得雨滴在空中的下墜速度、雨滴的水平移動速度、雨滴粒子大小、雨滴粒子密度以及降雨量等。另外本雷達亦可以測出溫度在零度C以下的冰晶粒子以及所謂「過冷雨滴(Supercooled Raindrop)」在空中的分布。其中過冷雨滴一碰到物體,便會迅速變成固態冰,並黏附於物體表面,不易脫落。此特性對於飛行在高空溫度在零度C以下的飛行器的飛航安全,有極大的威脅。

 中壢特高頻雷達啟用至今,已有多達將近百位的研究生利用此雷達所觀測的大氣資料先後獲得碩博士學位。本雷達在我國的太空中心所推推動各項太空科學研究與應用計畫中,包括中華衛星一號的Ka波段傳播通道實驗,福爾摩沙衛星三號電離層研究計畫,探空火箭次軌道科學實驗計畫等等,均扮演著重要的大氣與太空環境遙測的角色,貢獻良多。在國際的人才培育與技術訓練方面,本雷達亦著有名聲。在國際學術組織URSI的授權下,中央大學每年都會承辦國際大氣雷達學校,針對世界各地需要接受大氣雷達專業知識的研究生與年輕學者,利用中壢特高頻雷達的儀器設備,進行專業培訓,其成果廣獲國際好評。

文/古明芳


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