- 研究目的
氣象雷達可提供如颱風路徑強度、梅雨豪大雨中尺度系統及正確降雨量等重要氣象防災資訊。而近幾十年來臺灣雷達觀測系統的發展，已由傳統的氣象雷達升級成目前的雙偏極化都卜勒氣象雷達。雙偏極化都卜勒雷達可提供三維空間之高時空解析度的觀測資料，除了回波(Reflectivity)及徑向風場(Radial wind)外，還可以測量水滴大小、扁平度、粒子個數分布等雨滴譜儀參數，同時提供如相關係數(Correlation coefficient)、差異相位差(Differential phase)的標準差等訊息，可以幫助濾除地形雜訊。並且從不受地形部分阻擋影響之電磁波相位資料：比差異相位差(Specific differential phase shift)，可以計算較佳的降雨估計。此外，由偏極化參數演算出的水相粒子分類(PID)、降雨及雨滴粒徑分布(DSD)資訊，可做為模式之降水物理過程、QPF的校驗工具，進而對其降水參數化方案(積雲參數化及雲物理參數化)提出改良的建議、改善模式對於降水事件之模擬能力。
- 研究方法
許多前人研究指出，利用回波（Z）、差異反射率（ZDR）及差異相位差（KDP）可有效觀測雨的微物理變化，在確保資料品質及水相粒子分類下，偏極化觀測可改善QPE結果。因此許多學者便利用雙偏極化雷達觀測的Z、ZDR及KDP，經由雨滴譜儀透過散射模擬向前計算後得到R (Z,ZDR)、R(KDP)等關係式來估計降雨，其精確度相較於傳統之R(Z)關係式有相當程度的改善。特別是利用R(KDP)關係式估計降雨時，和Z及ZDR相比KDP較不受雨滴粒徑分布(DSD)的影響，並且可以免除資料受到衰減、部分波束遮蔽(partial beam blockage)及冰雹的影響。因此，本實驗室進行偏極化雷達降雨估計研究時，主要是以R(KDP)關係式為主。
利用雨滴譜儀觀測資料經過電磁波散射模擬可反演出偏極化參數(如ZH、ZDR及KDP等)，並且結合雨滴譜儀實際觀測資料，可得到雷達降雨估計所需的關係式。圖1即為2008年西南氣流實驗期間雨滴譜儀資料所模擬X波段雷達結果，由擬合之R(KDP)關係式可進行降雨估計。
圖1：利用雨滴譜儀資料得到的R(KDP)降雨估計公式。
- 研究成果
在此展示一利用本實驗室之移動式雙偏極化都卜勒雷達TEAM-R資料，所進行降雨估計之2008年SoWMEX西南氣流實驗中降雨個案。前人研究指出，當使用R(KDP)估計降雨時，估計的降雨量越小，產生的誤差就越大。因此本範例中針對小雨事件(ZH<30dBZ)是利用傳統的R(ZH)關係式，大雨則是利用R(KDP)關係式。圖2是利用TEAM-R觀測的KDP及修正後的ZH，分別帶入R(KDP)及R(ZH)關係式所得到其中1小時的降雨估計結果，圖2左的色塊為雷達降雨估計結果，數字則是雨量站觀測結果；圖2右則是降雨估計誤差分布(星號為誤差低於20%，圓點則相反)，從圖中可看到雷達降雨估計產生的誤差大多都低於20%。而從TEAM-R降雨估計結果(縱座標)和地面雨量站觀測(橫座標)的打點圖(圖3)來看，可明顯發現這些比較點的結果大多都落在對角線附近，RMSE在3.5mm左右，顯示TEAM-R降雨估計結果有不錯的表現。
圖2：2008年6月16日0100至0200 UTC 50km範圍內TEAM-R估計的小時累積降雨和地面雨量站比較(左)與小時累積降雨的百分誤差分布，圖中星號為誤差低於20%、黑點則相反(右)。
圖3：SoWMEX實驗期間TEAM-R降雨估計結果的表現，縱座標-TEAM-R降雨估計結果；橫座標-地面雨量站觀測。