第二章 雷達資料處理
2.2 雷達資料品質控制
如同前文所述，氣象雷達發射之電磁波，在大氣傳遞過程中，
如果碰到地面障礙物(例如：地形、建物)或是鳥、昆蟲及海浪等非 氣象物體時，會產生雜訊進而影響資料的品質。此外，雷達硬體本 身系統偏差、雷達訊號與環境交互作用所致的電磁波能量衰減以及 風場折疊，也會影響觀測資料的正確性。因此，在使用雷達資料 前，必須針對不同的雷達，建立專屬的資料品質管理(quality
control，QC)流程，用以修正資料，加強後續資料分析與應用之正確 性。
本研究建置的雷達資料品質控制流程，採用中央大學大氣科學
10
系雷達氣象實驗室開發的 Rakit (Radar Kit)氣象雷達資料編修軟體，
進行流程編排與設定。由於都卜勒雷達與雙偏極化雷達是兩種不同
11
12
圖 2.4 本研究建置之雙偏極化雷達資料品質管理流程，應用於五分山、清泉崗、
馬公、綠島、林園及林園雷達資料
圖 2.5 非氣象資訊處理前後差異
2.1.2 雙偏極化雷達資料品質控制
雙偏極化雷達在作雷達資料品質管理時，可以利用觀測到的偏
13
14
外，氣象資訊也成功的被保留下來。
表 2.3 本研究使用之雙偏極化雷達非氣象資訊濾除門檻值
波段 ρHV值 ΦDP標準差 代表雷達
S 波段 0.9 10 五分山雷達
C 波段 0.8 10 馬公、清泉崗、林園、南屯、綠島
圖 2.6 林園雷達(a)原始資料，利用不同門檻值(b)ρHV=0.9、ΦDP 標準差=10、
(c)ρHV=0.8、ΦDP標準差=7、(d)ρHV=0.8、ΦDP標準差=10 處理後的結果
2. 差異相位差(ΦDP)去折疊與平滑及比差異相位差( KDP)反演：
雷達發射之電磁波在經過空間中的水象粒子時，會被粒子吸收產 生向前散射之電磁波。經過水象粒子散射後的淨電場，會和雷達原始 所發射的電場存在相位的偏移，此偏差量稱之為相位差。由於大氣中 的水象粒子並非全是圓球體，因此不同極化方向入射的電磁波，所造 成的相位偏移也會有所不同。所以，偏極化雷達中兩個極化方向之電
15
磁波相位偏移的差異量，便稱之為差異相位差(Differential phase shift，
ΦDP)。ΦDP的特性是會隨著電磁波在降水區傳播距離增加而增加或維持 不變。所以ΦDP在弱降水區偏差量小，在強降水區偏差量大。不過由於
ΦDP值為累積量，在分析使用上較不直觀。因此在實際分析應用上，多 使用ΦDP隨距離之變化率，即是比差異相位差(Specific differential phase shift，KDP)。KDP，其所應的就是大氣中的液態水含量，且因其為相位
3. 回波(reflectivity factor，ZH)及差異反射率(Differential reflectivity, ZDR)衰減修正：
差異反射率(Differential reflectivity, ZDR)為水平偏極化方向回波 (ZHH)與垂直偏極化方向回波(ZVV)的推導量，其值受降水粒子的形狀
16 觀測量必須經過能量衰減修正(attenuation correction)與系統偏移修正 後才能使用。根據前人研究(Bringi et al. 1990)，ZH及 ZDR的衰減量𝐴𝐻
17
近理論值。
圖 2.7 利用 5 年的雨滴譜儀資料模擬，擬合得到的 C 波段雷達衰減修正公式，
藍線-AH、紅線-AHV
圖 2.8 雷達 ZH 資料(a)衰減修正前與(b)衰減修正後的差異
4. 回波及差異反射率系統偏差修正：
18
ZH的系統偏差(system bias)，主要是受到雷達硬體的影響，如導 波管損耗、放大器增益和天線增益等，而導致觀測資料不正確。ZH
的系統偏差修正是利用自洽性法(Self-consistency，Goddadr et al.
1994)求取。使用 5 年的雨滴譜儀資料模擬偏極化參數，經過擬合得 到 Z 與 KDP的關係式(圖 2.9)：
𝐾𝐷𝑃 = 𝑎𝑍𝑏 式 2.6 式 2.6 係數在 C 波段雷達為a = 3.8728 × 10−4及b = 1.1932，𝑍 的單位為線性的𝑚𝑚6𝑚−3。將式 2.1 的𝐾𝐷𝑃帶入式 2.6 中，求出理論的 Z 值(𝑍𝐻 = 10 log10𝑍)。有了𝑍𝐻𝑜𝑏𝑠、𝐴𝐻及理論的𝑍𝐻，即可得到𝑍𝐻的系 統偏差量(𝑍𝐻𝑏𝑖𝑎𝑠，式 2.2)。
圖 2.9 利用 5 年的雨滴譜儀資料模擬偏極化參數，經過擬合得到 KDP-ZH關係式 係數，紅線為擬合出的公式結果
19
而收發訊號時所產生的 ZDR系統偏差量，可透過 ZH與 ZDR的關 係(ZH-ZDR mean relationship)求得(圖 2.10)。將修正好的𝑍𝐻帶入式 2.7，得到理論的𝑍𝐷𝑅值。有了𝑍𝐷𝑅𝑜𝑏𝑠、𝐴𝐻𝑉及理論的𝑍𝐷𝑅，透過式 2.3 的計算，即可得到𝑍𝐷𝑅的系統偏差量(表 2.4)。圖 2.9a、b 顯示未修正 前的 Z_H 及 Z_DR 資料，含有許多的雜訊，而且觀測值明顯偏低。
但在經過圖 2.2 的品質管理處理，雜訊被祛除掉、觀測值也修正回 來，得到正確的 Z_H 及 Z_DR 資料(圖 2.9c、d)，這些修正好的資料 才能被使用。
𝑍𝐷𝑅 = 0.0013𝑍𝐻2 − 0.0178𝑍𝐻 式 2.7
表 2.4 林園及南屯防災降雨雷達𝑍𝐻及𝑍𝐷𝑅的系統偏差量
雷達 ZH 系統偏差量(dBZ) ZDR 系統偏差量(dB)
林園雷達 2.7 0.6
南屯雷達 1.7 1.1
20
圖 2.10 利用 5 年的雨滴譜儀資料模擬偏極化參數，經過擬合得到 ZH-ZDR關係式 係數，紅線為擬合出的公式結果
圖 2.11 雷達資料𝑍𝐻及𝑍𝐷𝑅(a、b)處理前與(c、d)處理後的差異
21
22
線為基準，往外延伸找尋連續且差值小於 6m/s 的範圍，並定義此範 圍內之風場資料為正確無發生折疊的，此範圍以外則為有發生折 疊。接著將每仰角之資料劃分成許多的小區域，並以無折疊的區域 作為參考點，從參考點開始，每一格小區域去作有無折疊的判斷，
當判斷有風場折疊的情形出現時，則依鄰近參考點的數值判斷，反 折疊(加減兩倍折錯速度)後之實際風速值，以此方式逐步完成整個 區域。圖 2.13 為林園雷達風場資料折疊處理之前後比對，可明顯看 出，經由本研究方法，可有效地去除原始觀測資料風場折疊之問 題，獲得合理的觀測風速值。
圖 2.12 中間的藍紅點線為零值線位置。當發生風場折疊時，會有正負相接的不 連續帶出現
23
圖 2.13 風場(a)去折疊前與(b)去折疊後的結果比對
24
25
26
本研究已即時且穩定的產出單一雷達網格資料及全臺 3 維合成雷達 資料，相關資料後續可應用在雷達 3D 展示、WISSDOM 三維風場 反演、雷達資料同化、回波與閃電強降雨監測、雷達定量降雨估計 等技術應用，強化短延時強降雨系統之防災科研能量。
圖 2.14 (a)採用本研究全臺 3 維雷達資料合成方法製作出之 2019 年 5 月 20 日 15 時 10 分之最大回波圖；(b)氣象局官網提供之 2019 年 5 月 20 日 15 時 10 分 之最大回波圖
27
第三章 雷達 3D 展示介面
3.1 3D 資料展示軟體簡介
為加強防災意識，如何將防災資訊轉化為更直覺、更能理解的 方式是一項重要課題，本中心引進美國大氣科學中心（NCAR）開 發的 3D 繪圖軟體 VAPOR，將 3D 繪圖應用在雷達資料展示與分 析。VAPOR 開發時即以大氣和地球科學相關資料呈現為主要目標，
考量了科學資料的讀取、多變數、慣用呈現方式。
軟體採用視窗介面，而非程式指令，讓使用者可以更直覺地放 大縮小、旋轉視角、調整色階、透明度等參數。資料呈現方式有：
三維等值面、立體渲染、二維等值線、三維流線、向量箭頭等，亦 可同時開啟多個視窗繪製。圖 3.1 為 VAPOR 繪製 WRF 模式模擬颱 風回波（立體渲染）和三維風場（向量箭頭）。
28
圖 3.1 WRF 模式模擬颱風回波和三維風場
VAPOR 雖然可直接讀取 WRF-ARW、MOM4、MPAS 等模式 輸出格式，但卻無法直接讀取雷達資料，因此本中心必須先將雷達 資料網格化，並將二進位資料（binary data）轉為 VAPOR 可讀取的 輸入格式。在轉檔同時，我們可以設定同時輸入多個時間資料，以 利後續製作動畫。為了將資料重點清楚呈現，可依雷達回波強度和 季節天氣系統，進行色階、透明度等參數微調，並可將調整的參數 存檔供之後使用。圖 3.2 為 VAPOR 繪製本中心處理的高解析雷達資 料和反演降雨強度。
29
圖 3.2 VAPOR 繪製 108 年 8 月 13 日中南部強降雨個案
3.2 雷達資料 3D 展示自動化模組
目前一般 3D 繪圖，包含美國 NCAR 的軟體 VAPOR，僅能使用 手動操作方式，多應用在個案分析上。今（108）年災防中心利用 WINDOWS 批次語法等方式，建構跨系統的自動繪圖模組圖，將雷 達資料 3D 展示自動化。此雷達資料 3D 展示自動化模組（圖 3.3）
包含資料模組、視覺化模組、服務模組三大項。
30
圖 3.3 災防中心雷達資料 3D 展示自動化模組
資料模組部分，以 UNIX 系統為主，除了歷史個案資料，亦可 輸入目前雷達觀測資料；可選取災防中心合成處理的高解析 3D 雷 達資料（水平解析度為 0.005 度，約 555 公尺）或是中央氣象局的 QPESUMS 雷達資料（水平解析度為 0.0125 度，約 1.3 公里），這 兩組資料都是每隔 10 分鐘更新。
視覺化部分，以 Windows 系統為主，配合雷達資料更新時間，
製作每 10 分鐘的任務排程。先自動讀取遠端資料，轉化為 3D 繪圖 所需的檔案格式，輸入預設的視角、色階等設定，套疊地圖製作 3D 雷達圖，再將數張 3D 雷達圖組成 mp4 動畫。
服務模組部分，為了讓資訊能夠快速傳遞且容易遠端取得，採 用災防中心的天氣與氣候監測網（WATCH）網頁，經過數個月的
31
32
求。
圖 3.4 以歷史資料規劃不同視角、色階、透明度的範本
圖 3.5 製作不同視角、色階、透明度的 3D 視覺化預畫選單
33
圖 3.6 白鹿颱風（BAILU）3D 展示
圖 3.7 米塔颱風（MITAG）3D 展示
34
第四章 WISSDOM 三維風場反演技術
4.1 WISSDOM 雷達三維風場反演技術建置
2017 年本中心與國立中央大學廖宇慶教授合作，使用五分山、
桃園機場、中央大學等 3 顆雷達觀測資料，使用多都卜勒雷達三維 風場合成方法((WInd Synthesis System using DOppler Measurement, WISSDOM))反演北部地區三維風場，建構北部暴雨監測系統，提供
35
里。當有降雨系統發生於此區域內，可即時反演出該區域的三維風 場資訊，提供劇烈降雨系統所需的防災預警參考資訊。
圖 4.1 WISSDOM 風場三維反演合成範圍示意圖
本年度也持續和中央大學廖宇慶教授研究室合作，取得最新版 的程式，今年新增的功能為將地面測站風速及風向資訊同時放進 WISSDOM 系統中進行三維風場的合成，透過本中心即時接收氣象 局提供的自動和人工地面測站的觀測資料，可即時產生地面風速資 料供 WISSDOM 系統使用。
接著將目前建置好的南部地區 WISSDOM 系統以每半小時一次 的更新頻率在本中心的 WATCH 系統上即時上線展示，在 WATCH 網頁中除了可點選顯示不同高度層的水平回波及風場，如圖 4.2 左
36
上圖所示，為 3 公里高層水平面的回波場和風場，圖 4.2 右上為 4 公里高層水平面的風場疊合幅合幅散場。另外，也可以針對想要研 究的區域，進行縱剖面的分析，如圖 4.2 下圖所示，在水平圖上任 意位置進行點選可畫出該點的垂直剖面風場和回波場的分佈，進行 垂直剖面的繪製可透過圖中最左上角的地方，選擇要以東西向、南
上圖所示，為 3 公里高層水平面的回波場和風場，圖 4.2 右上為 4 公里高層水平面的風場疊合幅合幅散場。另外，也可以針對想要研 究的區域，進行縱剖面的分析，如圖 4.2 下圖所示，在水平圖上任 意位置進行點選可畫出該點的垂直剖面風場和回波場的分佈，進行 垂直剖面的繪製可透過圖中最左上角的地方，選擇要以東西向、南