113 高普考高考三級 氣象 大氣測計學（包括傳統觀測與遙測） 考古題詳解

核心觀念

氣象都卜勒雷達發射電磁波，接收降水粒子散射回來的訊號，以回波強度估計降水分布，並由回波相位變化估計粒子的徑向速度。雷達訊號也會受到海面、地形及傳播路徑等因素影響，形成非降水回波或觀測誤差。

題目列出的四種情形，分別涉及非降水物體散射、都卜勒速度取樣限制，以及雷達波的多路徑傳播。

解題方法

逐項說明訊號來源，並區分「回波本身來自非降水物體」與「降水回波受到觀測限制或傳播效應影響」兩類。

一、海面雜波

雷達波照射海面時，海浪、泡沫及海面粗糙結構會散射電磁波，產生回波。海面回波可能呈現片狀或帶狀分布，受風浪、雷達仰角及海面狀態影響；若其回波強度接近降水回波，便會干擾降水判讀。

海面雜波主要是海面散射造成的非降水回波。

二、地形雜波

雷達波照射山脈、丘陵、建物或其他固定地物時，地物反射或散射的訊號會返回雷達，形成地形雜波。低仰角掃描時，雷達波較容易直接照射地面地物；若地形遮蔽部分波束，也會造成降水觀測缺漏或回波形狀失真。

地形雜波通常位置固定，且常出現在雷達周遭特定方位與距離，是固定地物散射造成的非降水回波。

三、風速折錯

都卜勒雷達只能在有限的脈衝重複頻率下取樣回波相位變化，因此可無歧義測得的徑向速度範圍有限。當實際徑向速度超出奈奎斯特速度範圍，速度資料會以取樣週期折返，呈現錯誤的速度值，稱為風速折錯。

核心觀念

雨滴粒徑譜儀（disdrometer）是用來測量降雨中雨滴直徑及其數量分布的儀器。觀測結果通常以雨滴粒徑分布（raindrop size distribution, DSD）表示：在一定觀測時間及空氣體積內，各粒徑區間的雨滴數量濃度。若以 $N(D)$ 表示粒徑為 $D$ 的雨滴數量濃度，粒徑譜便呈現 $N(D)$ 隨 $D$ 的變化。

儀器依原理不同，可用雨滴撞擊感測面所產生的訊號估算粒徑與落速，也可用光學遮斷法，根據雨滴通過光束造成的遮光程度和時間推算雨滴大小及速度。儀器將雨滴依直徑分組計數，形成粒徑譜，並可進一步估算降雨率、液態水含量及雷達反射率等降雨特徵。

解題方法

核心觀念

傾斗式雨量儀以承雨口收集雨水，導入一對可繞軸翻轉的傾斗。當其中一側累積到預定水量，就會翻轉排水，並觸發一次訊號；累計翻斗次數即可換算降雨量。

規格中的 $0.1\ \mathrm{mm}$ 或 $0.5\ \mathrm{mm}$，表示每翻斗一次所代表的降雨深度。若承雨口面積相同，$0.1\ \mathrm{mm}$ 規格每次翻斗所需水量是 $0.5\ \mathrm{mm}$ 規格的五分之一。因此，兩種規格的主要差異在於解析度、翻斗頻率，以及機械動作對量測的影響。

解題方法

比較時，先看每次翻斗代表多少雨量，再由翻斗門檻推論小雨的可辨識程度，以及降雨過程的時間解析度；接著考量翻斗動作頻率、機械負荷與強降雨下的量測誤差。

例如，累積雨量為 $1\ \mathrm{mm}$ 時，理想情況下 $0.1\ \mathrm{mm}$ 規格會翻斗 $10$ 次，$0.5\ \mathrm{mm}$ 規格則翻斗 $2$ 次。前者的雨量刻度較細，後者的每次翻斗則代表較大的雨量。

優缺點比較

核心觀念

降水系統中的「空氣垂直速度」通常記為 $w$，向上為正。要注意，雷達在降水區直接量到的多半是降水粒子的都卜勒速度，不是空氣本身的垂直速度。若向下為正，粒子的垂直速度可寫成：

其中 $V_t$ 是水凝物相對空氣的終端落速；若採向上為正的座標，則落速項須改為負號。因而，從粒子速度推算空氣速度，必須估計或分離水凝物落速。

垂直速度難以準確取得，主要因為它通常小於水平風速，且觀測訊號會混入粒子落速、平台運動、雷達波束幾何與取樣誤差。因此現行方法可分為直接量測、垂直剖面遙測及由雷達風場反演等類。

解題方法：量測與反演方法

一、飛機原位量測

研究飛機穿越降水系統，以機載風速儀或慣性導航系統量測飛機相對空氣的速度，再扣除飛機地速與姿態、平台運動影響，可估算沿航跡的垂直空氣速度。這是直接量測空氣運動的方式，能提供局部高解析資料。

限制是飛機只取樣航跡附近，無法完整涵蓋整個風暴；強降水、冰雹或強上升氣流核心也可能因飛航安全而無法穿越，因此容易漏掉最強的上升區。

二、垂直指向風廓線雷達

垂直指向雷達可利用不同散射訊號估算垂直運動：

• VHF／UHF風廓線雷達：在適當條件下，利用空氣折射率微小起伏造成的布拉格散射，估算空氣運動的垂直分量。降水時，水凝物散射訊號會與空氣散射混合，須辨別或分離兩者。
• 毫米波雲雷達：利用垂直波束的多普勒速度觀測水凝物運動，再扣除水凝物終端落速以估算 $w$。在雨滴條件合適時，可利用都卜勒頻譜中的米氏散射特徵，協助推算空氣垂直速度。

這些方法能提供觀測點上方的高時間、垂直解析度資料，但主要代表雷達正上方的柱狀區域；降水粒子種類、粒徑分布與落速估計誤差都會影響結果。

三、雙都卜勒或多都卜勒雷達反演

兩部以上雷達同時觀測同一降水體積，將不同方位的徑向速度合成水平風場，再利用質量連續方程推算垂直速度。對可視為不可壓縮的流體，常用近似式為：

核心觀念

露點溫度與濕球溫度都是描述空氣中水氣狀態的溫度，但定義不同：

• 露點溫度 $T_d$：在氣壓與水氣含量不變的條件下，將未飽和空氣冷卻至水氣開始凝結、達到飽和時的溫度。露點越高，通常表示空氣中的水氣越多。
• 濕球溫度 $T_w$：以濕布包覆溫度計球部，讓空氣流過濕布；水分蒸發會帶走熱量，直到蒸發冷卻與周遭熱交換達到平衡時，溫度計所測得的溫度。空氣越乾燥，蒸發越旺盛，濕球溫度通常越低。

未飽和空氣的溫度關係為：

其中 $T$ 為乾球（氣溫）溫度；空氣達飽和時，蒸發冷卻消失，三者相等。

解題方法

先依定義區分兩種溫度，再比較大小。露點是空氣冷卻至飽和的溫度；濕球溫度則受濕布蒸發冷卻影響。未飽和時，濕球溫度低於乾球溫度，但高於露點溫度，因此本題所問兩者比較，通常是濕球溫度較高。