七月專題:電離層


中壢特高頻雷達

世界上第一座大氣觀測專用的VHF雷達,係在1960年設立在祕魯的Jicamarca。當初建造此雷達的目的,在於觀測赤道地區電離層的特性及其異常現象。直到1974年,才由Woodman及Guillen將 VHF雷達技術首先應用到平流層及中氣層的探測上。自此,VHF雷達便被廣泛的應用於低層及中氣層大氣的觀測上,而成為現今研究大氣中細微結構物理特性所不可或缺的觀測利器。

太陽大地物力學委員會執行秘書劉兆漢博士於民國七十年在台大電機系擔任客座教授時,由中央研究院阮維周院士召集SCOSTEP中華民國委員會委員開會討論如何積極參與SCOSTEP之國際學術活動。劉教授以當時正在大力推動之 “國際中層大氣計劃 ”為基礎,建議建造一種新發展之 “特高頻雷達”用以測量傳統上極難連續觀測之中層大氣風速與擾動,以及研究中層大氣之動態及與對流層、電離層之交互作用。適時,國科會正強調基礎科學之重要性及各大學發展之特色,同年三月三十一日下午,工程組李卓顯組長及企劃組劉兆玄組長蒞臨中央大學商討有關推動大型研究計劃事宜,中大有關系所初步提出構想及配合措施。

七十年十月開始執行 “選擇建造VHF雷達適當環境”計劃,選定中央大學西側校園一甲多空地為雷達站及天線矩陣場地,頻率經交通部郵電司核定為52MHz,七十一年九月正式提出 “極高頻雷達之雷達建造及對中層大氣之觀測研究”之大型研究計劃,委託美國TYCHO公司負責建造。

在劉兆漢教授及Rottger博士之指導及推動,以及中大趙寄昆教授協助下整套系統於七十四年五月下旬運抵中大,並於五月三十一日首度接收雷達回波信號。經過半年的測試及運作,國科會乃於七十五年一月在國立中央大學成立 “中壢貴重儀器使用中心”,正式對外界提供服務。

中壢VHF雷達是「以三座排成品字型的大形八木天線陣配以三座平均功率1.2千瓦的發射機,發射52 MHz頻率的脈波來測量從 3公里至20公里的大氣三維風場及回波功率。利用中壢特高頻雷達品字型的天線陣排列,我們可以用都卜勒波束掃瞄法 (Doppler Beam Swing) 和分散天線法(Spaced Antenna) 兩種方法來觀測風速。最近更研究、發展成功所謂的「傾斜分散天線法」(Oblique Space Antenna) ,可以測量大氣的渦流。對於大氣層很薄的層狀結構,以頻域干涉法(Frequency Domain Interforometry)來觀測,對於對流層層頂的位置及上下移動或消散都可以正確地測出。配合最近發展的隕石尾探測系統(MEDAC),可以測出80至120公里的風場來研究大氣環流及潮汐現象。而電─聲波探測系統(RASS)則以電波追蹤聲波方式來測量大氣溫度。」
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如之前我們在遙測單元中所提過的,簡單的說VHF雷達是由雷達發射出電磁波,利用目標物對電磁波的反射、散射及都卜勒效應,接收回波來推得目標物的位置、移動速度、空間分布等等特性。而陣列雷達更可利用干涉原理,來加強發射波的強度與接收微弱訊號的能力。

「都卜勒頻移:如果被探測物正在移動,而且是朝著遠離探測者的方向移動,那麼不論是被探測物自己發的光譜,或是反射雷達所發出來的雷達波,都會發生波長變長,頻率變低的現象,這種現象在天文上又稱為紅位移。如果被探測物的運動方向,正在朝著探測者接近,則不論是被探測物自己發的光譜,或是反射雷達所發出來的雷達波,都會發生波長變短,頻率變高的現象,這種現象在天文上又稱為藍位移。以上所述的現象就是都卜勒頻移現象。」
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簡單說就是利用都卜勒效應造成的發射與接收頻率的差值,來推算目標物的移動速度和方向,如氣體運動速度等等。

「干涉:分為建設性干涉與破壞性干涉兩種。善加利用波的干涉特性,可提高雷達探測的空間解析度。可改變雷達波前進的方向。」
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VHF雷達在科學研究領域的應用

1.綜觀尺度動力(大氣垂直速度,大氣斜壓性)之研究
2.對流層頂結構(反射率及風場)之研究
3.平流層--對流層大氣交換之研究
4.鋒面結構之研究
5.噴射氣流動力之研究
6.雷雨之研究
7.中尺度系統之研究
8.颱風效應之研究
9.重力波之研究
10.晴空亂流
11.雨滴大小之分布
12.閃電回波
13.低層與高層大氣之交互作用
14.新現象之發現


資料來源與參考:
1.國立中央大學太空及遙測研究中心
2.呂凌霄老師網頁
3.太空教室

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