文/ 大氣科學系 周仲島教授

中央氣象局自2014年開始將原本作業用都卜勒天氣雷達提升為具雙極化(dual-polarization)功能的雙偏極化雷達，開啟我國在豪大雨天氣監測和預報的新里程。所謂雙極化也就是雷達發射電磁波由原本單一極化(水平)增加為雙極化(水平加垂直)，發射方式可以是同時發射式也可以是接替發射式，回波接收時也是分開接收。因此原本都卜勒雷達僅接收水平極化的雷達反射率(降雨回波)、都卜勒風場、以及都卜勒譜寬三個參數。而最新的雙偏極化雷達除了上述的三個參數外，再加上水平極化的反射率與垂直極化反射率兩者比值，稱為差分射率率 (ZDR)；水平極化反散射波與垂直極化反散射波兩者的相關係數 (RHV)；以及水平極化反散射波與垂直極化反散射波單位距離的相位差異稱之比差分相位 (KDP)。這三個參數的加入使得降雨雷達功能得以大大提升。

雙偏極化雷達功能提升內容包括：藉由計算相關係數RHV較為容易區分反散射目標物的均一性特徵。假如目標物都是純雨滴或是雪花及冰晶，水平極化波和垂直極化波的訊號一致性高，相關係數幾乎都高達1.0、0.99、或是0.98。當目標物為冰與水混合粒子，譬如雨夾雹或是融解中雪花，相關係數就會降低一些。若是目標物為非均勻物體時(非氣象粒子，如地形雜波，或是生物昆蟲)，相關係數會更低。因此相關係數對於雙偏極化雷達資料品管提供良好的參考依據，尤其是在定量降雨估計應用上過濾非氣象訊號具有重大功能。

水平極化波與垂直極化波兩者反射率的差值(ZDR)主要來自目標物水平以及垂直散射截面積差異。此差異大小和雨滴的形狀和雨滴大小密切關連。小雨滴接近圓形，雨滴愈大呈扁橢圓狀，愈大愈扁。也就是說雨滴愈大，雨滴之水平散射截面積和垂直散射截面積之差也愈大。一般我們以對數表達差分反射率ZDR，因此當兩極化散射截面積相同時，ZDR=0 (較小雨滴)。當雨滴愈大，散射截面積差異愈大，ZDR也就愈大，可以達3-5 dB (dB=10xlog10)。大氣中很微妙，有些水象粒子在掉落時呈尖錘型，此時垂直截面會較水平截面大，造成ZDR為負值，這種狀況在冰晶或雪花掉落時會發生。另外雹粒子雖然大，但是傾向呈圓形，因此ZDR也常趨近於零，除非表面有融解中的水。

水平極化波與垂直極化波兩者相位差的產生，其原理也和差分反射率接近，也是因為目標物散射截面積幾何差異所造成。差分相位主要是因為電磁波傳播速度受介質影響產生變化，若是目標物因為形狀或是成分差異造成影響程度不同，就會產生差分相位。差分相位的大小和目標物截面積大小有關，因此也是很好水象粒子大小形狀以及種類的參考參數。在此比差分相位(KDP)指的是單位距離所產生的差分相位。

差分反射率與雷達發射/接收電磁波能量大小很有關係，因此雷達硬體設備的日常保養以及校正對於觀測結果的精確度具有很大影響。然而比差分相位是電磁波經過傳播散射後的相位差，部分能量衰減並不影響結果，因此對於部分雷達波束被地形遮蔽這個問題具較高免疫力，在複雜地形易遮蔽地區定量降雨估計會有較佳結果。

另外使用不同頻率波段雙偏極化雷達對於監測降雨有敏感度以及衰減兩難問題。較低頻雷達在偵測相位差其敏感度較低，不確定性大，但是衰減問題較小，而較高頻長雷達則相反。因此如何選擇要看使用者的需求而定。中央氣象局在五分山雷達站同時建置有S波段和C波段兩部雙偏極化雷達，對於臺灣北部地區豪雨系統的監測扮演重要腳色。若是能再配合上本校近日添置的X波段雙偏極化雷達，對於北部地區，尤其是雙北地區豪大雨的監測以及定量降雨估計與預報，都將提供具有重大參考意義的資料。

圖說: 雙偏極化雷達觀測之屏東雷暴特徵。 (a) 雷達回波反射率 (單位為dBZ); (b) 差分反射率 ZDR (單位為dB); (c) 雨滴粒徑和ZDR數值對照圖; 以及(d)比差分相位KDP (單位 deg/km)。雷達回波反射率ZHH提供降雨的訊息，差分反射率ZDR提供大雨滴所在高度及位置， 比差分相位KDP提供強降雨位置及量值。