文章專區

Take Home Message
• 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。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。

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。……【更多內容請閱讀科學月刊第640期】