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雷達迴波圖是什麼?氣象學之「眼」:雷達!

阿樹_96
・2012/08/31 ・2112字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 520 ・七年級

雷達回波圖,怎麼看才對?和衛星雲圖有什麼差別?

打開電視或是上網看颱風動態、天氣狀況的時候,或許大家會發現,關於天氣的影像百百種,有天氣圖、衛星雲圖、雷達回波圖、累積雨量圖…就算看完那一堆「圖」,對於氣象預報怎來的,還是霧煞煞吧?或許大多時我們想知道的,不過只是「會不會下雨」這而已,那一堆圖就算看不懂,也就算了。但對於氣象預報,這一大票的圖,都有各自的功用和效果。既然大多時候我們想知道的是下不下雨,不如就來看看,對於降雨觀測預報的一個重要利器:雷達。

雷達回波圖,那是什麼?可以吃嗎?

「雷達回波圖」就是氣象雷達的最終產品。然而,收到的回波訊號其實是沒有顏色之分,只有強弱不同,將不同的數值上色只是為了讓人更容易看懂而已。從2012年天秤颱風的雷達回波圖(左圖)來看,紅色區域就是雲中水滴豐富的地區,往往水滴最豐富的地方,多半就是降雨最多的所在,所以拿雷達回波來做短時間的雨量評估會更接近實際值。像臺灣颱風洪水研究中心,就研究出了利用雷達回波資料作未來一小時的降水評估,利用過去的觀測資料,找到各地的降雨與回波圖的連結並建立資料庫,未來當有觀測數據時即可搜尋過去最近似的雷達回波圖,就能進行降雨量評估。

回波與降雨的關係

降雨量和雷達回波有正相關嗎?看上方天秤颱風的當日累積雨量與雷達回波圖可以略窺一二,南方的水滴含量豐厚,而北方的回波最強處正好是中央山脈的東邊,算是蠻一致的。至於為什麼已經有雲圖了,還要用雷達回波呢?有雲不代表一定有雨(陰天),這也是再合理不過的解釋了吧?但現今的衛星雲圖是利用紅外線的回波,看看下面8/30的午後的雲圖與回波圖、降雨圖,可以發現,在北部與中部附近,雲圖上不太清楚,但雷達上明確的有水滴的訊號,也的確出現降雨,故對於水滴的偵測雷達回波的資訊比雲圖更為直接,不同的工具各有所長,氣象衛星、氣象雷達,就是氣象學家或預報員的「雙眼」,缺一不可。

 氣象雷達的原理

哇,講了半天,還沒講到「原理」耶!別急,雷達原理十分簡單,在雷達的天線中,包括了發射器、接受器以及天線罩(所以看起來外觀都像顆球),雷達會發射電磁波訊號到四周的空中,會完整地繞一圈,並逐漸提升仰角,有部分訊號會被散射掉,但有部分訊號則會遇到水滴、冰或天空中的物體而反射,接受器就是在接收反射的電磁波,進行分析。雷達回波得到的資訊,並不只有水滴的大小與含量,新型的「雙偏極化雷達」,更可以了解水滴的形狀、,甚至連龍捲風也能夠即使偵測到(因為龍捲風通常在暴風雨中,但卻能捲起大量碎屑),可以提前預警;而利用都卜勒效應便可知道雲雨團的運動方向(即風向)。在近期美國國家海洋大氣總署(NOAA)也試著將軍方專門拿來偵測導彈的相位陣列雷達應用在氣象觀測上,將能提供更即時、更精細的資料。

目前臺灣的雷達分布,由五分山、花蓮、墾丁和七股等完全涵蓋,而美國也將雷達廣泛設置於全國各地,以達到完全涵蓋的效果。

雷達的電磁波會傷身?

國內某些環保團體,對於雷達具有相當程度的疑慮,尤其是七股雷達站,也曾吵的沸沸揚揚的,但畢竟我對於電磁波對人體並無研究,在此也不特別對其批判,僅列出一些原理與科學觀點。雷達針對特定方向發射出的脈衝每次約0.00000157秒,經過繞圈與逐次提升仰角,而美國所使用的WSR-88D型的氣象雷達,最大功率為45萬瓦,雖然看起來似乎很驚人,但實際上在一個小時中,零星加起來只有7秒是發射電磁波,其餘的59分53秒都是在「聽」傳回來的訊號。加上雷達通常設於透空良好處,考量附近建物時也有一定的規範,雷達發射也僅從水平開始向上提升仰角,看起來似乎對於週遭環境無直接影響。此外,船隻或飛機皆配有都卜勒氣象雷達,殊不見有駕駛因此致病的案例。說真的,如果真的要把健康歸咎於雷達,是不是應該統計在雷達站工作的人員,或是比較全臺灣四座雷達站,甚至全世界的雷達站呢?

似乎扯遠了,回到主題,新聞媒體上的氣象播報時,提到雷達回波圖的頻率日漸增加,而網頁上也很容易查到資訊,希望看完本篇之後,自己也能簡易判讀雷達回波囉,搭配預報來看看是否自己能看得出一些門道啊!

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。


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你聞過下雨的味道嗎?讓我們一同探究它是怎麼產生的吧!

椀濘_96
・2022/05/04 ・3083字 ・閱讀時間約 6 分鐘

夏日雨季來臨,下雨前及正在下雨時,總能聞到一股特殊的氣味,濕濕的又有點清新,但大多時候卻不太喜歡,聞起來反而像霉味,甚至臭臭的,而我們總說那是「雨味」。

你是否也曾好奇過,這個形容不出、抽象的「下雨的味道」,究竟是怎麼產生的呢?

夏日雨季來臨總能聞到一股特殊的氣味,我們總說那是「雨味」。圖/Pixabay

最美的的英文單字 —— Petrichor 的由來

在經過漫長的乾旱季後,雨水落在乾燥土壤上時,混雜新鮮泥土與青草的氣味,這股聞起來令人愉悅舒爽的初雨清香,就叫 —— Petrichor。

撇除這樣優美浪漫的文學意涵,Petrichor 本身是個術語,專指下雨的氣味。

Petrichor 一詞首次出現在 1964 年的《自然》(Nature)期刊中,由兩位澳洲的 CSIRO(聯邦科學與工業研究組織)研究人員 Isabel Joy Bear 和 Richard G. Thomas 所創造。

該單字是由兩個希臘字「petra」以及「ichor」所組成;其中 petra 為岩石、石頭,而 ichor 則為希臘神話中神的血液。(聽起來就超厲害的!)

「岩石的血液」實際上是被大地吸收的植物油脂

而在該篇論文中,Bear 與 Thomas 揭露了令世人好奇許久「雨味」的來歷。顧名思義,Petrichor 一詞表明了此氣味來自於岩石內的液體,源自於兩人在實驗中證實,這個味道就是植物在乾旱期間分泌出的油,隨後這些油則被泥土、岩石吸收了。在乾旱時,油脂與泥土、岩石表面的其他化學物質相互發生作用,等到雨季來臨時,多種組合物的氣味被釋放出來。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。中文則將 Petrichor 譯為「潮土油」。

然而礙於當時技術尚未發展成熟,兩人尚未分解出該植物油脂的組成成分。

只要是泥土、岩石、石頭等,這些地面上物質的縫隙都有機會吸收植物所分泌的油,在下雨時也就有可能散發出此味道。圖/Pixabay

隔年(1965 年)Bear 與 Thomas 在《自然》上發表了另一篇關於 Petrichor 與植物生長的論文。

在長期處於乾旱或沙漠條件的地區迎來降雨時,植物種子萌發的反應會較迅速。因此兩人以此觀點帶入假設:該氣候條件普遍有利於 Petrichor 的累積,並從黏土(有黏性的泥土,內含多種礦物與金屬元素)和其他矽酸鹽礦物中釋放,兩者作為土壤的成分,似乎有可能伴隨著 Petrichor 內的一些物質,其可能對種子萌芽產生有利的影響。

然而,根據兩人實驗觀察,發現並非如此。

根據實驗結果所示,從礦物中提煉出的 Petrichor 顯著延遲了水芹、芥菜等種子的發芽和生長。此外,發現播種在濕潤後、原先為暴露在溫暖乾燥大氣條件下之材料的種子,與播種在未暴露或使用前已先經蒸氣蒸餾和烘乾之材料上的種子相比,發芽需要更長的時間、生長的速度更慢。

雨的味道其實細菌也有出一份力

在 Petrichor 一詞還未出現時,當時人們把下雨的味道形容為「泥質的氣味」( argillaceous odour) ,以表達下雨時所散發出的味道是來自土壤。

泥土中除了植物分泌的油外,還有細菌,也為「雨味」做了貢獻。

在土壤中的放線菌(Actinomyces)和鏈黴菌(Streptomyces),他們的代謝副產物——二甲基-9-烷醇(Dimethyl-9-decalol),該化學物質存在於孢子表層,並帶有泥土氣味,稱為土霉味(geosmin)或土臭素。那麼我們又是怎麼聞到土霉味的呢?

放線菌在長時間的乾旱時,代謝活動的速度會較慢;而在乾燥的環境下,細菌則製造孢子以利生存。當下雨前空氣轉為潮濕,泥土也變得濕潤,這能讓放線菌的代謝活動加速,因此也產生更多土霉味;等到下雨的時候,孢子因雨滴彈到空氣中,潮濕的空氣攜帶孢子飄散,便使我們聞到了土霉味。

孢子落在潮濕的土中則會變成菌絲的形態,土壤乾燥後又形成孢子,下雨時又再一次發生上述的過程,如此循環。

2010 年,麻省理工學院(Massachusetts Institute of Technology , MIT)研究雨滴對土壤的影響時,也進一步分析出了 Petrichor 的產生機制 。實驗觀察後發現,當雨水落在土壤時會釋放被困在液體中的氣體——氣溶膠(aerosols)粒子,而這些粒子會與前面提及泥土中的放線菌等細菌、植物分泌的油相互作用,在雨滴衝擊下,進而迸發出我們所聞到的下雨的味道。

閃電分解氧氣形成臭氧也是其中一個味道來源

還有臭氧,也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。

閃電的高能量會將大氣中氧氣(O2)分解成獨立的氧原子(O),其中一些重組為一氧化氮,接著又與其他大氣中的化學物質發生反應,有時會產生由三個氧原子組成的分子——臭氧(O3)。因雷暴[1]的下沉氣流將臭氧從高處帶到接近地面的高度,使我們能聞到淡淡的、像是漂白水的臭氧氣味(也有人形容像青草味),預告著大雨來襲。

除此之外,弱酸性雨水和地面物質發生反應、雨後植物揮發的精油等,與雨滴、空氣相互作用後,都是產生氣味的來源。

閃電也是影響下雨時空氣氣味的因素之一。圖/Pexels

雨的味道可能暗示著某些訊息嗎?

這些被天氣攪動所產生的氣味,都可能傳遞著某些訊息。

有微生物學家認為,土霉味可能可以幫助駱駝找到通往沙漠綠洲的路,而駱駝則作為放線菌孢子的載體,幫助其散播。

至於人類,昆士蘭大學的人類學家對澳洲西部沙漠中原住民的文化做了調查研究。在當地,夏季之前來的第一場雨相當重要,濕潤的空氣混合了潮濕的樹葉油脂、尤加利樹、動物糞便和灰塵的氣味,而雨水能為袋鼠、鴯鶓[2]等動物解渴,沙漠也增添了幾分綠意。對他們而言,雨的氣味與綠意、生機有關,被認為是保護和清潔,也將世人與祖先聯繫著;學者將此稱之為「文化聯覺」(cultural synesthesia)。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。心理學家觀察到,儘管人類似乎對這些氣味沒有天生的反應,但我們確實會將之與自身的經歷聯繫起來。大雨可能帶來了潮濕、發霉的回憶,便不太喜愛雨味;對另一部份的人而言是淨化和提神的,從炎熱的天氣中解脫,大地也因雨水洗滌而有了生機、煥然一新。

在心理學上對於人類對下雨味道的喜好也做了解釋。圖/Pexels

下雨時的味道不單單只由一個事件構成,它很複雜、很多元,每個單獨氣味的背後都有著一套機制,說起來,不單單只有生物學,還搭配著物理學、化學、心理學等,在多方交織下而有了豐富的解釋和體驗。

待下次下雨時,你就可以和身旁的人問起:「你知道下雨的時候為什麼會有味道嗎?」

註解

註 1:雷暴指一種產生閃電及雷聲的天氣現象,通常伴隨著滂沱大雨。
註 2:鴯鶓(Dromaius novaehollandiae),別名為澳洲鴕鳥;是現存世上第二大的鳥類。僅分布於澳洲,為國徽上的動物之一。from wikipedia

參考資料

  1. 潮味、土味、青草味 有沒有聞到下雨的味道?——科學月刊
  2. Nature of Argillaceous Odour
  3. Petrichor and Plant Growth
  4. Aerosol generation by raindrop impact on soil
  5. Why you can smell rain
  6. Storm Scents: It’s True, You Can Smell Oncoming Summer Rain
  7. Why Does Rain Smell Good?
  8. 為什麼下過雨之後,地上會有個怪味?

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椀濘_96
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喜歡探索浪漫的事物; 比如宇宙、生命、文字, 還有你。(嘿嘿 _ 每天都過著甜甜的小日子♡(*’ー’*)