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1 國 立 中 央 大 學 大 氣 科 學 學 系 碩 士 論 文 臺 灣 北 部 鋒 面 強 降 水 個 案 之 雨 滴 粒 徑 觀 測 比 較 研 究 研 究 生 : 陳 盈 臻 指 導 教 授 : 林 沛 練 博 士 中 華 民 國 一 O 二 年 七 月

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5 摘 要 2012 年 6 月 11 日 晚 間 一 道 結 構 完 整 的 梅 雨 鋒 面 通 過 北 台 灣, 劇 烈 降 水 造 成 多 處 地 區 發 生 災 情 為 了 瞭 解 此 個 案 的 降 雨 特 徵, 本 研 究 利 用 中 央 大 學 觀 測 坪 的 JWD Parsivel 和 2DVD, 以 及 北 部 雨 滴 譜 儀 觀 測 網 : 翡 翠 南 港 霞 雲 站 的 JWD 觀 測 資 料 進 行 此 個 案 的 雨 滴 粒 徑 分 布 (DSD) 分 析 比 較, 並 配 合 雨 滴 譜 儀 資 料 成 功 蒐 集 的 時 間 將 本 研 究 分 成 弱 降 水 時 期 強 降 水 時 期 和 完 整 個 案 時 期 進 行 討 論 弱 降 水 時 期 主 要 比 較 JWD 2DVD 和 Parsivel 等 三 種 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 特 性 根 據 比 較 結 果 顯 示, 三 種 儀 器 無 論 是 在 DSD 或 降 雨 率 的 表 現 都 具 有 非 常 好 的 一 致 性, 也 確 認 在 強 降 水 發 生 之 前, 這 三 種 儀 器 觀 測 結 果 都 非 常 相 似 強 降 水 時 期 比 較 JWD 和 Parsivel 在 強 降 水 時 期 的 觀 測 分 析 Parsivel 在 強 降 水 時 中 大 雨 滴 容 易 會 有 高 估 的 情 況 發 生, 是 因 為 Parsivel 的 儀 器 限 制 導 致 雨 滴 誤 判 比 較 DSD 時 序 變 化 和 降 雨 率 趨 勢,Parisivel 的 表 現 較 為 一 致,JWD 卻 完 全 沒 有 抓 到 最 大 雨 發 生 的 特 徵 降 雨 率 方 面,JWD 和 Parsivel 觀 測 的 降 雨 量 和 10 米 塔 附 設 傾 斗 式 雨 量 計 的 雨 量 變 化 趨 勢 一 致, 但 是 雨 量 上 卻 存 在 很 大 的 落 差, 有 可 能 是 雨 滴 譜 儀 在 強 降 水 情 況 下 的 觀 測 限 制 所 造 成 完 整 個 案 時 期 比 較 同 一 時 間 北 部 其 他 JWD 測 站 的 觀 測 資 料 根 據 分 析 結 果 顯 示, 三 台 外 站 JWD 計 算 的 降 雨 量 和 鄰 近 自 動 雨 量 站 的 觀 測 結 果 差 異 不 大 霞 雲 站 在 弱 降 水 的 情 況 下 小 雨 滴 濃 度 最 高 ; 但 是 在 強 降 水 的 情 況 下 最 低 翡 翠 和 南 港 站 的 DSD 變 化 則 非 常 類 似 中 央 站 的 JWD 觀 測 到 最 大 的 雨 滴 粒 徑 比 其 他 站 都 小, 且 中 大 雨 滴 濃 度 都 比 其 他 站 來 的 高 最 後 是 分 別 利 用 五 分 山 S 波 段 雷 達 的 Z-R 關 係 式, 以 及 中 央 大 學 C-Pol 雷 達 的 關 係 式 進 行 降 水 估 計 根 據 比 較 結 果, 中 央 站 由 於 雨 滴 譜 儀 的 雨 量 和 實 際 的 降 水 有 落 差 存 在, 所 以 利 用 Z-R 關 係 式 估 計 的 降 水 表 現 最 差 因 此 在 使 用 雨 滴 譜 儀 校 驗 雷 達 降 水 時, 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 表 現 應 該 先 經 過 測 試 才 能 確 保 雷 達 降 水 校 驗 的 準 確 性 ii

6 ABSTRACT In the nighttime of 11th June 2012, a mature Mai-Yu front passed through the northern Taiwan. The extreme rainfall event caused multiple areas flooding. In order to investigate the characteristic of drop size distribution (DSD) accompanied with this heavy rainfall event, we used JWD, Parsivel and 2DVD collocated at NCU, and three JWDs in FeiCui, NanGang and XiaYung to investigate the frontal precipitation. In order to get the complete data, my discussion is organized as follows: Part 1 is focused on the weak precipitation period. Part 2 is focused on the strong precipitation period. Part 3 is the whole period as the front passing through the northen Taiwan. In the weak precipitation period, we made sure that before the strong precipitation happens, the three type disdrometers (JWD, 2DVD and Parsivel) operate consistently.during strong precipitation period, a significant DSD variation characteristic had been found. Due to the limitation of instrument, Parsivel tended to overestimate the concentration of medium to large drops in the strong rainfall intensity. Comparing the rain drops concentration with the rain rate varies with time, Parsivel showed a good agreement but JWD even did not get the most significant characteristic as the strongest rainfall occurred. The rain rates of JWD and Parsivel varied in the same trend, but compared the rain rates with the rain gauge observation in the 10 m tower at NCU, both of them showed obvious underestimation. We suspected the limitation of instrument made the rain rate underestimated. We analyzed whole two days data of JWD at FeiCui, NanGang and XiaYung on 11th-12th June The accumulated rainrates of these three stations were similar to the tipping buckets nearby. For the DSD variation, we iii

7 found the concentration of small raindrops at XiaYung was the most in weak precipitation period but the least in strong precipitation. The DSD variations of FeiCui were similar to NanGang. The largest size of the raindrop detected at NCU was the smallest but the concentration is the highest amont the four JWD stations. For quantitative precipitation estimation (QPE) of radar, we used the WuFenShan radar data and disdrimeter data to estimate the rain rates based on the Z-R relationship. We also used the C-Pol radar data of NCU to estimate the rain rates based on the relationship. According to the analysis results, the relationship showed a good proformance on the rain rate estimation. The reflactivity of the WuFenShan radar needed to add 3 dbz for the better rain rate estimation. Besides, the rain rate estimation showed the worst result at the station of NCU. The reason was the rain rate of disdromters underestimated seriously so the performance of the Z-R relationship was bad. To avoid these bad results happening again, we should confirm the disdrometer shows consistency well with tipping buckets before we use the disdromter data. iv

8 致 謝 最 先 要 感 謝 的 是 邊 界 層 實 驗 室 的 照 顧, 特 別 是 阿 練 老 師 能 夠 收 留 我, 譨 我 有 幸 夠 在 大 四 下 就 先 進 來 實 驗 室, 也 因 此 受 到 許 多 學 長 姊 的 幫 忙 欣 弘 致 穎 登 璟 書 偉 欽 國 chose 佳 玲 烏 青 薇 鈞 阿 宗 怡 儒 yes 以 及 幫 助 我 研 究 最 多 和 同 樣 做 雨 滴 譜 儀 的 蔣 育 真, 還 有 實 驗 室 超 貼 心 的 學 弟 妹 們 Boy 姚 姚 ALin 林 棽, 還 有 親 切 細 心 的 師 母, 實 驗 室 有 你 們 在 感 覺 真 的 很 溫 馨, 當 然 更 要 感 謝 同 研 究 室 的 夥 伴 前 烜 和 小 狗, 謝 謝 你 們 在 課 業 和 模 式 上 經 常 解 救 我 的 無 助 此 外 還 要 感 謝 颱 洪 中 心 的 鳳 雷 學 長 曾 吉 暉 學 長 和 陳 孟 遠 學 長, 特 別 是 曾 吉 暉 學 長 在 雨 滴 譜 儀 相 關 的 知 識 和 程 式 上 的 指 導, 也 給 我 不 少 相 關 建 議 和 討 論, 讓 我 能 夠 順 利 完 成 碩 士 班 的 論 文 研 究 工 作 還 有 要 感 謝 大 物 所 的 各 位 師 長, 老 師 們 在 研 究 上 都 很 用 心 認 真 地 指 導, 平 時 也 很 關 心 我 們 的 生 活 及 課 業, 並 且 給 我 們 很 好 的 學 習 研 究 環 境 當 然 也 要 特 別 感 謝 大 物 所 101 級 的 同 學 們 三 瓶 大 孟 怡 鈴 嬿 儒 熊 熊 月 月 RU 盈 文 邱 俠 慶 偉 陳 寰 小 愷 阿 呆 雞 毛 丁 丁 澳 客 湯 包 侯 書 宇, 特 別 是 碩 一 在 603 的 日 子, 大 家 一 起 趕 作 業 和 提 升 讀 書 風 氣 (?), 每 天 都 過 得 很 熱 鬧 雖 然 碩 二 大 家 都 分 別 在 自 己 的 實 驗 室, 但 是 大 家 還 是 會 經 常 一 起 揪 吃 飯 來 聯 絡 感 情, 有 這 樣 互 相 鼓 勵 的 同 學 相 伴, 讓 我 覺 得 很 慶 幸 能 夠 進 來 中 央 大 物 所 這 個 大 家 庭 最 後 是 要 感 謝 我 的 家 人, 特 別 是 我 的 父 母, 因 為 課 業 上 的 壓 力 讓 他 們 很 擔 心, 但 是 他 們 都 還 是 持 續 鼓 勵 我, 還 有 會 陪 我 聊 天 讓 我 放 鬆 課 業 壓 力 的 妹 妹, 以 及 總 是 督 促 我 努 力 畢 業 的 弟 弟 現 在 終 於 要 結 束 這 兩 年 的 研 究 所 生 涯 了, 雖 然 中 間 經 過 許 多 低 潮, 而 且 一 度 因 為 壓 力 過 大 導 致 身 體 差 點 撐 不 下 去, 不 過 好 在 有 家 人 的 支 持 與 同 學 的 打 氣, 很 開 心 自 己 總 算 能 夠 順 利 畢 業 v

9 目 錄 摘 要... ii ABSTRACT... iii 致 謝... v 目 錄... vi 表 目 錄... viii 圖 目 錄... ix 一 緒 論 前 言 文 獻 回 顧 個 案 介 紹 及 研 究 動 機... 6 二 資 料 來 源 與 分 析 方 法 資 料 來 源 儀 器 介 紹 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 雨 滴 粒 徑 分 布 計 算 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) Gamma DSD 之 計 算 Z-R 關 係 式 層 狀 與 對 流 降 水 型 態 的 分 類 方 法 三 雨 滴 譜 儀 資 料 品 質 管 制 vi

10 3-1 降 雨 率 QC 雨 滴 落 速 QC Dead Time 效 應 討 論 四 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性 分 析 與 比 較 弱 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 強 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 完 整 個 案 時 期 ( 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 ) 五 結 論 與 未 來 展 望 結 論 弱 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 強 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 完 整 個 案 時 期 ( 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 ) 未 來 展 望 參 考 文 獻 表 圖 vii

11 表 目 錄 表 1-1 近 10 年 來 國 內 雨 滴 譜 儀 分 析 資 料 以 及 所 使 用 的 雨 滴 譜 儀 類 型 整 理 表 1-2 雨 滴 譜 儀 分 析 不 同 類 型 個 案 的 特 徵 整 理 表 1-3 不 同 降 水 積 分 參 數 分 析 結 果 特 徵 整 理 表 1-4 不 同 雨 滴 譜 儀 之 間 及 雨 量 計 比 較 結 果 整 理 表 1-5 雨 滴 譜 儀 站 的 經 緯 度 位 置 表 2-1 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 20 種 雨 滴 粒 徑 分 類 及 對 應 之 平 均 落 速 與 區 間 大 小 表 2-2 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 之 32 種 雨 滴 粒 徑 分 類 及 32 種 落 速 分 類 與 各 自 對 應 的 區 間 大 小 表 2-3 Gamma 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布 降 水 積 分 參 數 P 的 係 數 ap 和 指 數 p 表 4-1 JWD 四 站 Z-R 關 係 式 的 平 均 A B 參 數 值 viii

12 圖 目 錄 圖 年 6 月 11 日 1200(UTC) 至 6 月 12 日 0600(UTC) 的 日 本 氣 象 廳 地 面 天 氣 圖 圖 年 6 月 11 日 1200UTC(2000LST) 的 ECMWF 分 析 場 圖 年 6 月 11 日 20 時 至 23 時 (LST) 中 央 氣 象 局 雷 達 回 波 圖 圖 年 6 月 11 日 20 時 至 24 時 (LST) 中 央 氣 象 局 時 雨 量 圖 圖 年 6 月 12 日 (LST) 中 央 氣 象 局 每 小 時 雷 達 回 波 圖 圖 年 6 月 12 日 (LST) 中 央 氣 象 局 時 雨 量 累 積 雨 量 圖 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 中 央 大 學 觀 測 坪 10 米 塔 自 動 觀 測 資 料 時 序 圖 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 共 48 小 時 的 局 屬 氣 象 站 與 自 動 測 站 時 雨 量 變 化 圖 1-9 雨 滴 譜 儀 分 布 位 置 圖 圖 2-1 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 外 觀 圖 2-2 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 外 觀 圖 2-3 Parsivel 的 儀 器 限 制 造 成 粒 徑 誤 差 示 意 圖 圖 2-4 Parsivel 的 實 際 觀 測 情 況 圖 2-5 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 外 觀 ( 上 ) 及 觀 測 原 理 ( 下 ) 圖 2-6 Marshall and Palmer (1948) 提 出 的 指 數 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布 圖 2-7 Ulbrich (1983) 提 出 的 Gamma 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布 圖 3-1 JWD 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算 圖 3-2 Parsivel 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算 圖 3-3 2DVD 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 圖 3-4 第 一 代 2DVD 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 圖 3-5 利 用 Gunn and Kinzer (1949) 的 理 想 落 速 進 行 資 料 品 質 控 管 後 的 雨 滴 ix

13 粒 徑 與 落 速 散 布 圖 圖 3-6 利 用 Atlas and Ulbrich (1977) 的 理 想 落 速 進 行 資 料 品 質 控 管 後 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 散 布 圖 圖 3-7 利 用 Brandes (2002) 的 理 想 落 速 進 行 資 料 品 質 控 管 後 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 散 布 圖 圖 3-8 Parsivel 的 雨 滴 粒 徑 與 加 權 平 均 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 圖 3-9 Parsivel 利 用 Brandes (2002) 的 理 想 落 速 進 行 資 料 品 質 控 管 後 的 雨 滴 粒 徑 與 加 權 平 均 落 速 散 布 圖 圖 3-10 JWD 資 料 有 經 過 Dead Time 修 正 ( 紅 色 虛 線 ) 和 沒 有 經 過 Dead Time 修 正 ( 藍 色 實 線 ) 的 雨 滴 濃 度 差 異 比 較 圖 年 6 月 11 日 21:00~22:17(LST) 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 圖 年 6 月 11 日 21:00~22:17(LST) 雨 滴 濃 度 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 21:00~22:17(LST) 不 同 時 間 尺 度 的 累 積 雨 量 時 序 變 化 圖 4-4 傾 斗 式 雨 量 計 的 外 觀 ( 左 ) 與 內 部 構 造 ( 右 ) 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 的 五 分 鐘 平 均 雨 滴 濃 度 變 化.. 79 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 有 經 過 Dead Time 修 正 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 期 間, 由 上 而 下 分 別 是 五 分 山 雷 達 回 波 時 序 圖 Parsivel 的 雨 滴 濃 度 時 序 變 化 圖 和 JWD 的 雨 滴 濃 度 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 期 間,Parsivel( 上 兩 張 ) 和 JWD( 下 兩 張 ) 利 用 雨 滴 濃 度 換 算 的 降 雨 率 變 化 時 序 圖 x

14 圖 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 期 間,Parsivel( 深 藍 色 實 線 ) JWD( 綠 色 實 線 ) 和 10 米 塔 的 傾 斗 式 雨 量 計 ( 紅 色 實 線 ) 在 不 同 時 間 尺 度 的 累 積 雨 量 時 序 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) 期 間,Parsivel 的 雨 量 觀 測 ( 上 ) 和 雨 滴 濃 度 變 化 ( 下 ) 時 序 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) 中 央 大 學 上 方 的 五 分 山 雷 達 回 波 時 序 圖 圖 4-13 Bringi et al. (2003) 的 降 水 類 型 分 類 結 果, 上 圖 為 層 狀 降 水, 下 圖 為 對 流 降 水 圖 4-14 使 用 Bringi et al. (2003) 的 分 類 方 法, 分 析 2012 年 6 月 11 日 22:07~23:06(LST) 的 降 水 資 料 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST)Parsivel 和 JWD 計 算 的 回 波 ( 上 ) 與 降 雨 率 ( 下 ) 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST)Parsivel 和 JWD 的 Z-R 分 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) Parsivel 和 JWD 計 算 的 回 波 和 五 分 山 雷 達 最 低 層 的 回 波 比 較 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) Parsivel 和 JWD 在 Z-R 關 係 式 中 的 a b 參 數 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) 期 間,JWD 和 Parsivel 的 降 雨 估 計 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) 期 間 雨 滴 譜 儀 和 五 分 山 雷 達 的 降 雨 估 計 比 較 時 序 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00~23:59(LST) 期 間 雨 滴 譜 儀 和 五 分 山 雷 達 的 降 雨 估 計 比 較 散 布 圖 xi

15 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 觀 測 的 雨 量 和 鄰 近 的 中 央 氣 象 局 自 動 測 站 雨 量 比 較 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 各 站 JWD 在 不 同 時 間 尺 度 下 的 累 積 雨 量 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 翡 翠 站 時 序 變 化 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 南 港 站 時 序 變 化 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 霞 雲 站 時 序 變 化 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 的 平 均 雨 滴 濃 度 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 不 同 降 雨 率 下 的 平 均 雨 滴 濃 度 由 左 而 右, 由 上 而 下 依 序 為 翡 翠 南 港 霞 雲 和 中 央 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 不 同 降 雨 率 區 間 下 JWD 各 站 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 的 層 狀 降 水 平 均 雨 滴 濃 度 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 的 對 流 降 水 平 均 雨 滴 濃 度 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 中 值 體 積 粒 徑 D 0 的 出 現 概 率 分 布 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 均 質 粒 徑 Dm 的 出 現 概 率 分 布 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 形 狀 參 數 μ 的 出 現 概 率 分 布 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 斜 率 參 數 Λ 的 出 現 概 率 分 布 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 截 距 參 數 N 0 的 出 現 概 率 分 布 xii

16 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 標 準 化 截 距 參 數 N w 的 出 現 概 率 分 布 圖 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST)JWD 各 站 降 水 積 分 參 數 的 出 現 概 率 分 布 與 累 積 概 率 分 佈 圖 4-39 使 用 Bringi et al. (2003) 的 分 類 方 法, 分 析 2012 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 期 間,JWD 各 站 的 降 水 特 性 圖 4-40 使 用 Bringi et al. (2003) 的 分 類 方 法, 分 析 2012 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 期 間,JWD 各 站 的 平 均 層 狀 降 水 特 性 圖 4-41 使 用 Bringi et al. (2003) 的 分 類 方 法, 分 析 2012 年 6 月 11 日 至 12 日 (LST) 期 間,JWD 各 站 的 平 均 對 流 降 水 特 性 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST)JWD 四 站 的 降 雨 率 與 回 波 強 度 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST)JWD 四 站 的 降 雨 率 與 回 波 強 度 打 點 分 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST)JWD 四 站 計 算 的 回 波 強 度 與 上 空 五 分 山 雷 達 回 波 強 度 的 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST)JWD 四 站 在 Z-R 關 係 式 中 A B 參 數 的 時 序 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 翡 翠 JWD 站 的 雨 量 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 翡 翠 站 三 種 雷 達 回 波 估 計 的 降 雨 率 ( 縱 軸 ) 與 JWD 觀 測 的 降 雨 率 ( 橫 軸 ) 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 南 港 JWD 站 的 雨 量 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 南 港 站 三 種 雷 達 回 xiii

17 波 估 計 的 降 雨 率 ( 縱 軸 ) 與 JWD 觀 測 的 降 雨 率 ( 橫 軸 ) 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 霞 雲 JWD 站 的 雨 量 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 霞 雲 站 三 種 雷 達 回 波 估 計 的 降 雨 率 ( 縱 軸 ) 與 JWD 觀 測 的 降 雨 率 ( 橫 軸 ) 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 中 央 JWD 站 的 雨 量 變 化 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 12 日 22:00(LST) 中 央 站 三 種 雷 達 回 波 估 計 的 降 雨 率 ( 縱 軸 ) 與 JWD 觀 測 的 降 雨 率 ( 橫 軸 ) 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 降 雨 率 log10( ) 和 比 差 異 相 位 差 DP 的 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 比 差 異 相 位 差 DP 和 降 雨 率 R 的 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 翡 翠 的 JWD( 藍 色 實 線 ) 和 中 央 C-Pol 雷 達 ( 綠 色 虛 線 ) 利 用 DP-R 關 係 式 估 計 降 水 的 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 翡 翠 的 JWD 和 中 央 C-Pol 雷 達 分 別 利 用 DP-R 關 係 式 估 計 雨 量 的 比 較 散 布 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 南 港 的 JWD( 藍 色 實 線 ) 和 中 央 C-Pol 雷 達 ( 綠 色 虛 線 ) 利 用 DP-R 關 係 式 估 計 降 水 的 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 南 港 的 JWD 和 中 央 C-Pol 雷 達 分 別 利 用 - 關 係 式 估 計 雨 量 的 比 較 散 布 圖 xiv

18 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 霞 雲 的 JWD( 藍 色 實 線 ) 和 中 央 C-Pol 雷 達 ( 綠 色 虛 線 ) 利 用 - 關 係 式 估 計 降 水 的 時 序 變 化 圖 圖 年 6 月 11 日 22:00(LST) 至 6 月 12 日 22:00(LST) 期 間, 霞 雲 的 JWD 和 中 央 C-Pol 雷 達 分 別 利 用 - 關 係 式 關 係 式 估 計 雨 量 的 比 較 散 布 圖 xv

19 一 緒 論 1-1 前 言 台 灣 的 地 理 位 置 特 殊, 東 臨 太 平 洋, 西 臨 亞 洲 大 陸, 且 由 於 北 迴 歸 線 通 過, 台 灣 兼 具 熱 帶 和 副 熱 帶 氣 候 特 徵, 四 季 更 是 受 到 東 亞 季 風 影 響 而 有 明 顯 的 週 期 變 化 在 春 夏 季 節 轉 換 之 際, 經 常 有 梅 雨 系 統 通 過 台 灣 帶 來 驚 人 的 降 雨 量, 加 上 台 灣 的 地 形 陡 峭 山 高 河 短, 當 劇 烈 降 水 發 生 時, 容 易 有 嚴 重 的 水 災 土 石 流 等 災 情 發 生, 因 此 凸 顯 出 定 量 降 水 預 報 的 重 要 性 雷 達 的 時 間 和 空 間 解 析 度 高, 在 短 時 間 內 可 以 提 供 大 範 圍 的 降 水 資 訊, 且 雷 達 回 波 和 降 雨 率 之 間 存 在 著 指 數 關 係, 因 此 雷 達 經 常 用 在 降 水 估 計 上 缺 點 是 空 間 上 的 雨 滴 粒 徑 分 布 差 異 太 大, 相 同 的 回 波 值 可 以 對 應 到 不 同 的 降 雨 率, 造 成 定 量 降 水 估 計 的 準 確 度 不 如 預 期, 為 了 改 善 降 水 估 計, 深 入 了 解 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性 可 以 幫 助 我 們 瞭 解 降 雨 機 制 然 而 不 同 地 區 不 同 時 間 不 同 型 態 的 降 水, 其 雨 滴 粒 徑 分 布 特 徵 會 有 差 異, 因 此 藉 由 雨 滴 譜 儀 觀 測 雨 滴 粒 徑 分 布, 以 及 分 析 比 較 降 水 積 分 參 數 的 變 化, 有 助 於 了 解 不 同 的 降 水 特 性, 期 望 能 改 善 雷 達 的 定 量 降 水 估 計 表 現 1-2 文 獻 回 顧 雨 滴 粒 徑 分 布 (Drop Size Distribution, 簡 稱 DSD), 最 初 是 由 Marshall and Palmer (M-P) (1948) 所 提 出, 他 們 假 設 雨 滴 粒 徑 分 布 為 指 數 分 布 型 態, 如 公 式 (1) N(D) = N 0 exp( ΛD) (0 D D max ) (1) 其 中 N(D)(m 3 mm 1 ) 為 單 位 體 積 單 位 粒 徑 中 的 雨 滴 數 量, 也 常 稱 為 雨 滴 濃 度 1

20 N 0 (m 3 mm 1 ) 為 截 距 參 數, 在 此 式 中 定 義 為 一 常 數, 也 就 是 N 0 = ; Λ 為 斜 率 參 數, 且 與 降 雨 率 R 有 Λ = 4.1R 0.21 (mm 1 ) 的 關 係 ;D max (mm) 為 最 大 雨 滴 粒 徑 Marshall and Palmer 的 公 式 是 利 用 大 量 的 實 際 觀 測 資 料 平 均 後 來 制 定, 然 而, 經 過 很 多 的 觀 測 實 驗 比 對, 發 現 實 測 中 的 雨 滴 粒 徑 分 布 變 動 很 大, 經 常 和 假 設 有 所 差 異, 除 此 之 外,N 0 的 值 是 經 由 斜 率 外 推 得 到, 對 於 小 雨 滴 的 分 布 掌 握 表 現 較 差, 因 此 衍 生 出 其 他 種 分 布 型 態 假 設 例 如 Gamma 型 態 分 布 (Ulbrich 1983) 和 對 數 型 態 分 布 (Feingold and Levin 1986) 其 中 Ulbrich (1983) 提 出 的 Gamma 型 態 分 布 計 算, 多 了 形 狀 參 數 μ( 無 因 次 ), 除 了 有 助 於 改 善 描 述 小 雨 滴 的 分 布 情 形, 雨 滴 粒 徑 分 布 也 變 得 比 較 彈 性, 可 以 更 符 合 實 測 中 的 雨 滴 粒 徑 分 布 變 化 Kozu and Nakamura (1991) 提 出 將 雨 滴 譜 儀 觀 測 的 雨 滴 粒 徑 分 布 擬 合 到 Gamma 分 布 和 對 數 分 布 的 計 算 方 法, 並 將 兩 種 算 法 結 果 和 模 擬 做 比 較, 認 為 同 時 使 用 三 種 雨 滴 粒 徑 參 數 : 截 距 參 數 N 0 (m 3 cm 1 μ ) 形 狀 參 數 μ( 無 因 次 ) 和 斜 率 參 數 Λ(cm 1 ) 最 能 表 現 雨 滴 粒 徑 分 布 的 特 徵 Tokay and Short (1996) 延 續 上 述 方 法 分 析 熱 帶 海 洋 降 水 特 徵, 發 現 截 距 參 數 N 0 以 及 斜 率 參 數 Λ 會 隨 降 雨 率 R 的 增 減 而 有 明 顯 改 變 的 特 徵 (N 0 Jump 現 象,Waldvogel 1974) 在 此 研 究 中 使 用 降 雨 率 5mm/hr 為 區 分 層 狀 和 對 流 降 水 的 門 檻 值, 但 也 指 出 當 雷 達 回 波 值 高 於 40dBZ 時 幾 乎 為 對 流 降 水 型 態 除 此 之 外, 也 發 現 對 流 降 水 中 雨 滴 的 平 均 碰 撞 和 蒸 發 率 都 比 層 狀 降 水 高, 導 致 相 同 降 雨 率 下 的 對 流 降 水 含 有 較 多 數 量 的 中 小 雨 滴, 大 雨 滴 數 量 相 對 較 少, 層 狀 降 水 則 剛 好 相 反 除 了 上 述 的 區 分 降 水 方 法 之 外,Gamache and Houze (1982) 將 回 波 38 dbz 設 為 區 分 降 水 類 型 的 門 檻 值 Churchill and Houze (1984) 則 根 據 GATE 雷 達 資 料, 將 門 檻 值 設 為 回 波 40 dbz Tokay et al. (1999) 於 TOGGA COARE 的 IOP 觀 測 實 驗 中, 利 用 地 面 雨 滴 譜 儀 及 剖 風 儀 資 料, 發 現 當 降 雨 率 大 於 10mm/hr 時 幾 乎 為 對 流 性 降 水 Testud et al. (2001) 利 用 機 載 雨 滴 譜 儀 的 一 分 2

21 鐘 解 析 度 觀 測 資 料, 認 為 資 料 前 後 五 筆 降 雨 率 皆 小 於 10mm/hr 則 分 類 為 層 狀 降 水 Bringi et al. (2003) 的 降 水 區 分 方 式 則 是 以 連 續 五 筆 降 雨 率 資 料 的 標 準 差 來 進 行 分 類, 標 準 差 小 於 1.5mm/hr 視 為 層 狀 降 水, 其 餘 則 視 為 對 流 降 水 Chang et al. (2009) 分 析 西 北 太 平 洋 颱 風, 認 為 使 用 降 雨 率 10mm/hr 即 可 區 分 降 水 類 型 雖 然 透 過 截 距 參 數 N 0 斜 率 參 數 Λ 和 形 狀 參 數 μ 可 以 描 述 Gamma 雨 滴 粒 徑 分 布 的 分 布 情 況, 但 是 N 0 值 的 大 小 會 受 到 μ 值 影 響, 因 此 在 分 析 上 較 為 困 難 為 了 能 夠 客 觀 地 比 較 N 0 的 表 現,Testud et al. (2001) 提 出 標 準 化 N 0 的 方 法, 也 就 是 定 義 新 的 截 距 參 數 N w, 並 保 持 m 3 mm 1 的 單 位, 讓 雨 滴 粒 徑 分 布 描 述 更 為 客 觀 Bringi et al. (2003) 採 用 Testud et al. (2001) 的 標 準 化 方 法, 分 析 不 同 氣 候 地 區 的 2DVD 和 JWD 觀 測 資 料 以 及 雷 達 反 演 雨 滴 粒 徑 分 布 的 結 果, 比 較 標 準 化 截 距 參 數 N w 和 均 值 粒 徑 D m 的 分 佈 特 性 根 據 結 果 發 現 層 狀 降 水 的 分 布 呈 現 很 高 的 負 相 關 對 應 降 水 的 微 物 理 過 程, 層 狀 降 水 可 分 成 兩 種 特 徵, 一 種 是 雷 達 回 波 有 明 顯 的 亮 帶 出 現, 代 表 此 時 有 體 積 較 大 且 低 密 度 的 乾 雪 花 融 化 形 成 雨 滴, 因 此 會 有 較 小 的 N w 值 和 較 大 的 D m 值 ; 另 一 種 是 雷 達 回 波 的 亮 帶 特 徵 並 不 明 顯, 代 表 此 時 有 體 積 較 小 且 結 實 的 霰 (graupel) 和 凇 雪 粒 子 (rimed snow particles) 融 化, 因 此 會 有 較 大 的 N w 值 和 較 小 的 D m 值 事 實 上, 這 樣 的 轉 變 也 稱 為 N 0 Jump 現 象 (Waldvogel 1974) 對 流 降 水 部 分 也 根 據 觀 測 地 點 而 明 顯 區 分 成 兩 大 類 型, 一 為 較 小 N w 值 和 較 大 D m 值 的 大 陸 性 降 水 ; 另 一 為 較 大 N w 值 和 較 小 D m 值 的 海 洋 性 降 水 Tokay et al. (2013) 利 用 位 於 Alabama 州 的 Huntsville 的 三 台 雨 滴 譜 儀 : 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 的 資 料, 進 行 連 續 六 個 月 的 觀 測 分 析 根 據 分 析 結 果, 三 台 儀 器 的 累 積 雨 量 都 和 雨 量 計 的 表 現 一 致 進 一 步 比 較 雨 滴 濃 度 表 現,JWD 對 於 小 於 1mm 的 雨 滴 比 較 敏 感, 然 而 Parsivel 對 於 小 於 0.76mm 的 小 雨 滴 濃 度 會 3

22 嚴 重 低 估 JWD 和 2DVD 量 測 的 中 大 雨 滴 濃 度 較 為 接 近, 但 是 Parsivel 在 雨 滴 大 於 2.4mm 時 容 易 量 到 相 對 較 高 的 雨 滴 濃 度, 特 別 是 當 雨 量 超 過 2.5mm/hr 且 一 分 鐘 累 積 雨 滴 數 量 達 400 顆 以 上 的 情 況 下, 主 要 原 因 是 使 用 inhomogeneous 的 雷 射 光 束 所 造 成 Parsivel 觀 測 的 雨 滴 落 速 和 理 想 落 速 一 致, 然 而 當 雨 滴 大 於 2.4mm 且 伴 隨 風 速 大 於 4m/s 時,2DVD 偶 爾 會 量 測 到 較 慢 的 落 速 Parsivel 在 小 雨 滴 濃 度 的 嚴 重 低 估 表 現, 對 於 Gamma 擬 合 的 截 距 參 數 和 形 狀 參 數 有 顯 著 的 影 響, 然 而 對 中 大 雨 滴 的 高 估 則 是 造 成 降 水 積 分 參 數 有 較 高 的 平 均 值 國 內 的 雨 滴 粒 徑 分 布 研 究 有 張 (2002) 利 用 第 一 代 2DVD 探 討 納 莉 颱 風 個 案, 發 現 當 降 雨 率 增 大, 雨 滴 粒 徑 分 布 會 向 大 雨 滴 延 伸, 小 雨 滴 的 部 分 也 會 增 加, 而 降 雨 率 減 小 則 有 相 反 的 情 形 也 發 現 WSR-88D 雷 達 常 用 的 Z-R 關 係 式 Z = 會 低 估 納 莉 颱 風 的 降 雨 率, 此 外 五 分 山 雷 達 的 回 波 強 度 大 約 低 估 3dBZ 林 (2004) 分 析 了 兩 年 的 梅 雨 季 及 颱 風 季 的 雨 滴 粒 徑 分 布 資 料, 發 現 不 同 季 節 的 雨 滴 粒 徑 分 布 型 態 沒 有 明 顯 的 差 異 在 相 同 回 波 強 度 下, 最 大 降 雨 的 斜 率 參 數 較 大, 最 小 降 雨 的 斜 率 較 小, 兩 者 的 雨 滴 粒 徑 分 布 在 形 態 上 有 很 大 的 差 異 許 (2005) 指 出 JWD 和 2DVD 的 觀 測 差 異 主 要 在 大 於 20mm/hr 的 情 況 下, JWD 的 小 雨 滴 和 大 雨 滴 會 比 2DVD 的 觀 測 結 果 低 估, 儘 管 兩 種 儀 器 的 觀 測 特 性 上 有 所 差 異, 但 是 在 降 雨 率 估 計 上 並 沒 有 太 大 影 響 此 外 也 發 現 降 雨 率 越 大 雷 達 回 波 低 估 降 雨 有 越 大 的 趨 勢, 且 考 慮 不 同 降 雨 率 下 的 雷 達 平 均 回 波 修 正 值, 則 對 不 同 降 雨 率 下 的 降 雨 量 估 計 有 不 錯 的 相 關 性 簡 (2006) 利 用 台 灣 北 部 地 區 的 JWD 區 分 不 同 季 節 及 不 同 降 水 型 態 的 雨 滴 粒 徑 分 布 差 異 以 季 節 來 區 分, 發 現 冬 季 小 雨 滴 較 多 且 降 雨 率 較 低 ; 春 季 雨 滴 粒 徑 平 均 較 冬 季 大 且 與 梅 雨 季 類 似, 中 值 體 積 直 徑 的 分 布 也 較 廣 ; 颱 風 季 的 雨 滴 粒 徑 平 均 來 說 最 大 ; 而 秋 季 處 於 季 節 轉 換 期, 因 此 雨 滴 粒 徑 特 性 介 於 夏 季 與 冬 季 之 間 以 降 水 型 態 區 分, 冷 鋒 型 態 偏 小 雨 滴 且 降 雨 較 小 ; 梅 雨 鋒 面 之 雨 滴 粒 徑 分 布 較 廣 且 雨 滴 粒 徑 較 大 ; 颱 風 降 雨 偏 中 大 雨 滴 且 雨 滴 粒 徑 分 布 較 窄 ; 午 後 雷 陣 雨 的 降 雨 率 較 大 且 雨 滴 粒 徑 最 大 毛 (2007) 探 討 台 灣 北 部 地 區 層 狀 與 對 流 降 水 的 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性, 發 現 層 狀 4

23 降 水 的 雨 滴 粒 徑 分 布 較 接 近 指 數 型 態, 小 雨 滴 的 數 量 比 較 多 ; 對 流 降 水 在 小 雨 滴 數 量 的 部 分 則 比 層 狀 降 水 減 少 許 多 當 降 雨 率 相 同 的 情 況 下, 層 狀 降 水 的 雨 滴 粒 徑 大 於 對 流 降 水 對 流 降 水 的 雨 滴 粒 徑 分 布 相 關 參 數 都 比 層 狀 降 水 來 得 大 此 外, 台 灣 北 部 的 對 流 降 水 分 布 偏 向 海 洋 性 對 流 降 水, 但 降 雨 率 大 於 20mm/hr 則 介 於 海 洋 性 和 大 陸 性 之 間 而 層 狀 降 水 分 布 則 與 國 外 的 層 狀 分 類 一 致 陳 (2009) 與 陳 (2009) 皆 分 析 2008 年 西 南 氣 流 實 驗 (SoWMEX) 期 間 的 雨 滴 粒 徑 分 布, 但 兩 者 研 究 的 雨 滴 譜 儀 不 太 相 同, 前 者 使 用 JWD 與 降 雨 感 應 系 統 (POSS) 並 搭 配 S 波 段 双 偏 振 都 卜 勒 氣 象 雷 達 (SPOL); 後 者 使 用 JWD 與 2DVD 與 Bringi et al. (2003) 的 降 水 區 分 類 型 結 果 比 較, 兩 者 皆 發 現 南 北 的 對 流 降 水 雨 滴 粒 徑 分 布 特 徵 並 不 相 同, 但 是 在 層 狀 降 水 分 類 上 則 表 現 一 致 前 者 分 析 指 出 JWD 的 雨 滴 粒 徑 分 布 呈 現 Gamma 分 布, 隨 著 回 波 的 增 加 小 雨 滴 數 量 會 有 明 顯 之 低 估 ; 降 雨 感 應 系 統 則 是 M-P 分 布, 隨 著 回 波 的 增 加 雨 滴 粒 徑 分 布 從 M-P 轉 變 成 Gamma 分 布, 且 JWD 計 算 出 來 的 降 雨 強 度 以 及 回 波 強 度 都 比 POSS 高 後 者 分 析 指 出 無 論 使 用 何 種 方 法 區 分 降 水 型 態, 對 流 降 水 雨 滴 濃 度 平 均 較 層 狀 降 水 大 了 一 個 數 量 級 若 以 降 雨 率 20 mm/hr 來 區 別 層 狀 與 對 流 降 水 型 態 時, 粒 徑 2.0 mm 是 一 個 重 要 的 分 界, 當 粒 徑 大 於 2.0 mm 時 對 流 降 水 的 雨 滴 濃 度 高 於 層 狀 降 水, 而 粒 徑 小 於 2.0 mm 時 對 流 降 水 的 雨 滴 濃 度 則 低 於 層 狀 降 水 蔣 (2010) 利 用 JWD 資 料 分 析 2009 年 的 西 南 氣 流 實 驗 (SoWMEX2009) 之 降 雨 物 理 特 性 發 現 當 降 雨 率 較 大 時 JWD 在 小 雨 滴 部 份 容 易 低 估, 此 為 Dead Time 效 應 ( 詳 細 內 容 請 參 閱 3-3 節 ), 因 此 對 所 有 站 的 觀 測 資 料 在 降 雨 率 大 於 20mm/hr 時 進 行 Dead Time 修 正, 修 正 後 改 善 了 小 雨 滴 濃 度 低 估 的 現 象 此 外, 也 發 現 台 灣 南 北 部 的 雨 滴 粒 徑 分 佈 並 沒 有 一 致 的 差 別, 而 是 每 個 地 點 有 不 一 樣 的 特 性 盧 (2012) 分 析 凡 那 比 颱 風 的 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性, 發 現 均 值 粒 徑 隨 著 降 雨 率 增 加 而 有 增 大 趨 勢, 但 是 最 後 卻 趨 於 一 致 的 情 形, 顯 示 雨 滴 的 增 長 受 到 碰 撞 結 合 效 率 與 分 裂 破 碎 效 率 達 到 平 衡 而 產 生 限 制 此 外 根 據 颱 風 登 陸 過 程 的 雨 帶 類 型 作 區 分 比 較, 發 現 颱 風 的 外 圍 雨 帶 以 及 颱 風 眼 牆 的 強 對 流 雨 帶 在 登 陸 前 後 都 顯 示 不 同 的 雨 5

24 滴 粒 徑 分 布 特 徵 綜 合 前 面 提 到 的 近 10 年 國 內 使 用 雨 滴 譜 儀 分 析 內 容 和 結 果, 經 過 整 理 以 下 面 的 簡 表 呈 現 : 表 1-1 為 不 同 時 間 的 分 析 個 案 以 及 資 料 中 出 現 的 最 大 降 水 強 度 和 雨 滴 粒 徑 表 1-2 是 不 同 降 水 類 型 個 案 的 分 析 結 果 特 徵 整 理 表 1-3 為 不 同 降 水 積 分 參 數 的 分 析 結 果 比 較 除 了 比 較 不 同 雨 滴 譜 儀 之 間 的 觀 測 特 性, 更 與 傾 斗 式 雨 量 計 的 雨 量 資 料 進 行 比 對, 如 表 1-4 從 表 格 的 整 理 可 以 發 現 大 部 分 的 研 究 都 是 針 對 第 一 代 2DVD 和 JWD 的 雨 滴 粒 徑 分 布 做 比 較, 且 分 析 較 著 重 在 降 水 積 分 參 數 和 降 雨 率 之 間 的 變 化 然 而 雨 滴 譜 儀 和 雨 量 計 之 間 的 雨 量 值 比 對 卻 很 少 人 注 意, 國 外 學 者 Tokay et al. ( ) 研 究 雨 滴 譜 儀 和 雨 量 計 之 間 的 雨 量 觀 測 比 較, 並 提 出 利 用 雨 滴 譜 儀 來 修 正 雨 量 計 的 概 念, 期 望 能 夠 使 雨 量 的 觀 測 值 更 為 接 近 實 際 情 況, 但 是 台 灣 的 氣 象 地 理 條 件 和 國 外 不 同 且 降 水 強 度 差 異 很 大, 所 以 國 外 得 到 的 雨 滴 譜 儀 的 特 性 並 不 一 定 適 用 於 台 灣, 且 國 外 極 少 有 強 降 水 個 案 的 分 析, 所 以 希 望 能 夠 利 用 目 前 放 置 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 式 光 學 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 等 最 新 型 的 雨 滴 譜 儀, 進 行 強 降 水 個 案 的 雨 滴 粒 徑 分 布 研 究 以 及 雨 量 觀 測 比 較 分 析 1-3 個 案 介 紹 及 研 究 動 機 2012 年 6 月 11 日 晚 間 一 道 結 構 完 整 的 梅 雨 鋒 面 東 移 出 海 ( 如 圖 1-1 所 示 ), 前 緣 與 北 移 至 桃 園 上 空 旺 盛 的 西 南 氣 流 交 會, 圖 1-2 為 ECMWF 資 料, 時 間 是 6 月 11 日 晚 上 八 時 (LST), 藍 色 連 線 即 為 當 時 的 梅 雨 鋒 面 位 置, 台 灣 壟 罩 在 西 南 氣 流 之 中, 隨 著 梅 雨 鋒 面 東 移, 兩 大 夾 帶 豐 沛 水 氣 的 系 統 交 會 ( 如 圖 1-3 圖 1-5), 短 時 間 內 在 台 灣 西 北 部 累 積 很 高 的 降 雨 量 ( 如 圖 1-4 圖 1-6), 造 成 台 灣 多 處 地 區 發 生 淹 水 情 況 圖 1-7 為 中 央 大 學 觀 測 坪 的 10 塔 自 動 觀 測 資 料 時 序 圖 圖 中 可 以 看 到 當 梅 雨 鋒 面 經 過 中 央 大 學 上 方 時 造 成 各 氣 象 參 數 的 變 化, 包 括 : 溫 度 下 降 6

25 濕 度 上 升 風 速 由 平 均 7m/s 減 弱 至 平 均 1~2m/s 風 向 從 原 本 穩 定 的 西 南 風 變 成 東 北 風 且 中 間 過 程 風 向 極 不 穩 定 氣 壓 有 稍 微 上 升 的 趨 勢, 傾 斗 式 雨 量 計 的 降 雨 變 化 最 為 明 顯, 鋒 面 通 過 期 間 累 積 不 少 的 雨 量 之 外, 瞬 時 的 雨 強 更 超 過 120mm/hr 除 此 之 外, 在 局 屬 氣 象 站 和 自 動 測 站 的 時 雨 量 中, 中 壢 站 和 楊 梅 站 在 整 個 系 統 通 過 期 間, 甚 至 出 現 時 雨 量 分 別 為 90mm/hr 122.5mm/hr 的 驚 人 雨 勢 ( 圖 1-8) 為 了 瞭 解 此 強 降 水 個 案 的 降 雨 特 徵, 本 研 究 利 用 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 式 光 學 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD), 以 及 北 部 雨 滴 譜 儀 觀 測 網 : 翡 翠 ( 翡 翠 水 庫 ) 南 港 ( 中 研 院 ) 霞 雲 ( 水 利 署 霞 雲 雨 量 站 ) 等 站 的 JWD 觀 測 資 料 ( 儀 器 分 布 位 置 如 圖 1-9 表 1-1) 進 行 此 個 案 的 雨 滴 粒 徑 分 布 (DSD) 分 析 比 較 然 而 由 於 事 發 當 晚 中 央 觀 測 坪 受 到 雷 擊 影 響, 造 成 雨 滴 譜 儀 陸 續 出 現 異 常 而 停 止 觀 測 雖 然 受 限 於 儀 器 故 障 導 致 資 料 缺 失 很 多, 但 是 我 們 仍 然 可 以 從 成 功 蒐 集 的 資 料 中 了 解 一 些 資 訊 : 第 一 部 分 的 資 料 比 對 除 了 可 以 分 析 三 種 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 特 性, 也 能 確 保 在 最 強 降 水 之 前 三 台 儀 器 觀 測 結 果 是 否 一 致 ; 第 二 部 分 剛 好 包 含 最 強 降 水 發 生 的 時 間, 因 此 可 以 分 析 最 強 降 水 發 生 時 的 物 理 機 制, 也 可 以 比 較 JWD 和 Parsivel 在 強 降 水 觀 測 上 的 表 現 與 限 制 ; 第 三 部 分 的 JWD 資 料 最 為 齊 全, 完 整 記 錄 此 降 水 事 件 的 雨 滴 粒 徑 分 布 變 化, 雖 然 三 個 JWD 觀 測 站 皆 不 是 位 於 最 強 降 水 發 生 的 地 區, 仍 然 可 以 藉 此 分 析 本 個 案 的 降 雨 特 徵 7

26 二 資 料 來 源 與 分 析 方 法 2-1 資 料 來 源 雨 滴 譜 資 料 來 源 有 二 : 一 是 取 自 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 二 是 分 別 架 設 在 翡 翠 水 庫 ( 翡 翠 ) 中 央 研 究 院 ( 南 港 ) 桃 園 復 興 鄉 水 利 署 霞 雲 雨 量 站 ( 霞 雲 ) 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 所 有 的 雨 滴 譜 儀 取 樣 頻 率 皆 設 定 為 一 分 鐘 一 筆 為 了 比 對 降 雨 率 及 分 析 其 他 氣 象 參 數 變 化, 另 外 使 用 中 央 大 學 觀 測 坪 的 10 米 塔 資 料 以 及 氣 象 局 屈 尺 ( 翡 翠 站 ) 南 港 ( 南 港 站 ) 復 興 ( 霞 雲 站 ) 中 壢 ( 中 央 站 ) 自 動 測 站 的 降 雨 觀 測 資 料 10 米 塔 的 資 料 取 樣 頻 率 為 一 分 鐘 一 筆, 自 動 測 站 則 是 一 小 時 一 筆 由 於 2012 年 6 月 11 日 當 晚 強 降 水 事 件 伴 隨 雷 電 發 生, 中 央 大 學 觀 測 坪 受 到 雷 擊 影 響, 雨 滴 譜 儀 陸 續 出 現 異 常 而 停 止 觀 測, 然 而 外 站 的 JWD 在 本 個 案 期 間 都 有 正 常 運 作, 因 此 本 研 究 根 據 雨 滴 譜 儀 分 布 地 點 及 資 料 成 功 蒐 集 時 間, 將 分 析 時 間 分 成 三 部 分 : 第 一 部 分 為 21:00~22:17(LST), 共 78 分 鐘 的 資 料, 分 析 對 象 為 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 第 二 部 分 為 22:07~23:06(LST), 共 60 分 鐘 的 資 料, 分 析 對 象 同 樣 是 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 和 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 第 三 部 分 為 6/11 00:00~6/12 23:59(LST), 共 2880 分 鐘 (48 小 時 ) 的 資 料, 分 析 對 象 為 設 立 於 翡 翠 南 港 霞 雲 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 中 央 大 學 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 雖 然 也 有 進 行 分 析, 但 是 中 間 資 料 缺 失 較 多, 所 以 分 析 其 結 果 僅 能 提 供 部 分 的 參 考, 並 不 能 完 全 代 表 中 央 的 降 水 特 性 8

27 2-2 儀 器 介 紹 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (Joss-Waldvogel Disdrometer, 簡 稱 JWD), 因 為 構 造 簡 易 觀 測 方 便 且 售 價 便 宜, 即 使 研 發 至 今 已 經 四 十 多 年,JWD 仍 然 是 目 前 最 為 廣 泛 使 用 的 雨 滴 譜 儀 JWD 外 觀 如 圖 2-1 所 示, 感 應 器 上 方 為 一 黃 色 保 麗 龍 圓 椎 體, 其 周 圍 有 鋁 製 薄 片 環 繞 JWD 的 觀 測 方 式 是 利 用 雨 滴 撞 擊 感 應 器 的 垂 直 衝 量 大 小 換 算 成 雨 滴 粒 徑, 感 應 區 為 50 cm 2, 可 觀 測 的 雨 滴 粒 徑 範 圍 介 於 0.3 mm 至 5.6 mm 之 間, 共 區 分 成 20 種 不 等 區 間 的 粒 徑 類 別, 如 表 2-1 所 示, 其 中 JWD 的 雨 滴 落 速 是 參 考 Gunn and Kinzer(1949) 所 設 因 為 儀 器 的 觀 測 原 理 限 制, 小 於 0.3 mm 的 雨 滴 無 法 觀 測, 而 大 於 5.1mm 的 雨 滴 都 會 歸 類 至 最 後 一 個 ( 第 20 類 ) 粒 徑 區 間 中 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Particle Size and Velocity Disdrometer, 簡 稱 Parsivel), 外 觀 如 圖 2-2 Parsivel 主 要 是 觀 測 水 象 粒 子 的 大 小 和 落 速, 其 觀 測 方 式 為 利 用 雨 滴 通 過 雷 射 光 束 構 成 的 感 應 區, 遮 蔽 部 分 的 光 束 造 成 電 壓 改 變, 加 上 電 壓 改 變 的 持 續 時 間 長 度, 經 過 精 密 的 計 算 即 可 得 知 雨 滴 的 粒 徑 和 落 速 由 雷 射 光 束 組 成 的 感 應 區 長 180 mm 寬 30 mm 厚 度 為 1 mm, 總 面 積 為 54 cm 2, 可 以 觀 測 的 雨 滴 粒 徑 範 圍 介 於 至 24.5 mm, 落 速 則 是 0.05 至 20.8 m/s, 分 別 區 分 成 32 種 不 等 區 間 的 粒 徑 和 落 速 類 別, 如 表 2-2 所 示, 並 以 32*32 的 矩 陣 方 式 存 取 資 料 換 句 話 說, 在 相 同 的 粒 徑 區 間 中, 可 以 記 錄 到 不 同 落 速 的 雨 滴 資 料 ( 觀 測 情 況 如 圖 2-4) 相 較 JWD 一 個 雨 滴 粒 徑 只 能 對 應 一 個 雨 滴 落 速,Parsivel 的 資 料 較 能 夠 表 9

28 現 真 實 雨 滴 的 觀 測 情 況 值 得 注 意 的 是,Parsivel 在 粒 徑 的 前 兩 個 區 間 中, 也 就 是 粒 徑 小 於 0.2 mm 的 情 況, 因 為 電 子 訊 號 容 易 受 到 干 擾 而 較 低, 所 以 觀 測 紀 錄 上 為 零, 此 為 儀 器 觀 測 原 理 造 成 的 限 制 除 此 之 外, 由 於 Parsivel 只 有 一 維 的 雷 射 光 束, 所 以 並 不 能 分 辨 雨 滴 數 量, 也 就 是 說 如 果 同 時 有 兩 顆 雨 滴 通 過 感 應 區, Parsivel 會 將 兩 顆 雨 滴 誤 認 為 一 顆 大 雨 滴 ( 示 意 圖 參 見 圖 2-3) 隨 著 雨 滴 粒 徑 和 落 速 增 加, 粒 徑 區 間 涵 蓋 的 範 圍 也 就 越 廣, 因 為 每 個 區 間 都 是 以 平 均 值 來 表 現, 即 產 生 了 量 化 誤 差, 所 以 Parsivel 在 大 雨 滴 的 誤 差 程 度 會 比 小 雨 滴 來 的 高 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2 Dimensional Video Disdrometer, 簡 稱 2DVD), 可 以 量 測 雨 滴 大 小 落 速 及 形 狀, 其 外 觀 及 觀 測 原 理 如 圖 2-5 所 示 2DVD 由 互 相 垂 直 的 兩 道 平 行 光 束 構 成 感 應 區, 其 面 積 為 100 cm 2 光 束 經 由 兩 次 的 鏡 面 反 射, 再 由 兩 端 的 攝 影 機 接 收 當 雨 滴 通 過 感 應 區 時, 會 遮 蔽 到 部 分 光 束, 產 生 的 陰 影 會 經 由 攝 影 機 記 錄 下 來, 即 可 得 知 雨 滴 的 粒 徑 與 形 狀 此 外 兩 道 光 束 有 6 mm 的 高 度 差 異, 所 以 當 雨 滴 掉 落 時 藉 由 通 過 光 束 的 時 間 差, 即 可 得 知 雨 滴 的 落 速 由 於 系 統 內 建 雨 滴 的 扁 平 形 狀 校 驗, 所 以 還 可 以 進 一 步 計 算 雨 滴 的 相 當 體 積 直 徑 體 積 扁 圓 率 及 軸 比 等 雨 滴 形 狀 參 數 本 實 驗 使 用 第 三 代 2DVD, 與 前 兩 代 相 比, 第 三 代 2DVD 除 了 具 有 與 第 二 代 相 同 的 low-profile( 只 有 單 個 光 橋, 且 設 備 更 加 堅 固 ) 的 優 點, 也 比 第 一 代 體 積 更 小 內 建 的 零 件 數 目 更 為 精 簡 第 三 代 儀 器 的 體 積 縮 減 及 low-profile 特 性 可 以 減 少 風 造 成 的 量 測 誤 差 也 因 為 具 有 這 樣 的 特 性, 所 以 第 三 代 2DVD 又 稱 為 濃 縮 版 2DVD(Tokay et al. 2013) 10

29 2-3 雨 滴 粒 徑 分 布 計 算 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 經 由 儀 器 取 得 二 十 種 雨 滴 粒 徑 的 數 量 資 料, 代 入 下 方 公 式 (2), 其 中 雨 滴 的 平 均 落 速 及 各 區 間 的 平 均 粒 徑 大 小 參 考 表 2-1 N(D i ) = n i A t V(D i ) D i (2) N(D i ): 單 位 體 積 單 位 粒 徑 的 雨 滴 個 數 (m 3 mm 1 ) n i : 選 取 時 間 內 觀 測 到 的 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 雨 滴 個 數 A:JWD 感 應 區 面 積 (0.005 m 2 ) t: 資 料 取 樣 的 時 間 長 度, 本 個 案 為 60 秒 V(D i ): 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 落 速 (ms 1 ) D i ; 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 區 間 長 度 (mm) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 計 算 方 法 與 JWD 類 似, 如 公 式 (3) 所 示 由 於 Parsivel 在 相 同 的 雨 滴 粒 徑 區 間 下 再 細 分 32 種 雨 滴 落 速, 所 以 落 速 部 分 要 先 利 用 公 式 (4) 取 得 加 權 平 均 落 速, 再 帶 入 公 式 (3) 去 做 計 算 32 j=1 n i,j N(D i ) = (3) A t V p (D i ) D i 32 V p (D i ) = j=1 [ n i,j v j (D i ) ] 32 j=1 n i,j (4) N(D i ): 單 位 體 積 單 位 粒 徑 的 雨 滴 個 數 (m 3 mm 1 ) n i,j : 選 取 時 間 內 觀 測 到 的 第 i 種 雨 滴 粒 徑 下 第 j 種 雨 滴 落 速 的 雨 滴 個 數 11

30 A:Parsivel 感 應 區 面 積 ( m 2 ) t: 資 料 取 樣 的 時 間 長 度, 本 個 案 為 60 秒 V p (D i ): 第 i 種 雨 滴 粒 徑 下 32 種 落 速 的 加 權 平 均 落 速 (ms 1 ) D i ; 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 區 間 長 度 (mm) 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 經 由 儀 器 提 供 每 顆 雨 滴 的 相 當 體 積 粒 徑 D i (mm) 和 落 速 V j (ms 1 ) 等 資 訊, 搭 配 自 訂 的 粒 徑 區 間 大 小 D i (mm), 帶 入 公 式 (5) 去 計 算, 計 算 方 法 如 下 所 示 N(D i ) = n 1 1 t D i A V j j=1 (5) N(D i ): 單 位 體 積 單 位 粒 徑 的 雨 滴 個 數 (m 3 mm 1 ) t: 資 料 取 樣 的 時 間 長 度, 本 個 案 為 60 秒 D i ; 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 區 間 長 度 (mm) n: 第 i 種 雨 滴 粒 徑 的 雨 滴 個 數 A:2DVD 的 感 應 區 面 積 (0.01 m 2 ) V p (D i ): 第 i 種 雨 滴 粒 徑 下 32 種 落 速 的 加 權 平 均 落 速 (ms 1 ) 2-4 Gamma DSD 之 計 算 雨 滴 粒 徑 分 布 概 念 與 計 算 方 法 最 初 是 由 Marshall and Palmer (1948) 所 提 出, 他 們 利 用 大 量 的 實 際 觀 測 資 料 平 均 後 來 制 定, 認 為 雨 滴 粒 徑 分 布 可 假 設 為 指 數 分 布 型 態 ( 圖 2-6 即 為 M-P 分 布 ) Marshall and Palmer 的 公 式 被 廣 泛 的 使 用, 但 是 經 過 許 多 觀 測 實 驗 比 對, 發 現 實 測 中 的 雨 滴 粒 徑 分 布 變 動 很 大, 經 常 和 假 設 有 所 差 異, 除 此 之 外,N 0 的 值 是 經 由 斜 率 外 推 得 到, 對 於 小 雨 滴 的 分 布 掌 握 表 現 較 差, 因 此 衍 生 出 其 他 種 分 布 型 態 假 設 例 如 Gamma 型 態 分 布 12

31 (Ulbrich 1983) 和 對 數 型 態 分 布 (Feingold and Levin 1986) 本 研 究 採 用 Ulbrich (1983) 提 出 的 Gamma 型 態 分 布 來 做 計 算, 假 設 雨 滴 粒 徑 分 布 如 公 式 (6) 所 示 N(D) = N 0 D μ exp( ΛD) (0 D D max ) (6) 其 中 N 0 (m 3 cm 1 μ ) μ( 無 因 次 ) 和 Λ(cm 1 ) 分 別 為 截 距 形 狀 和 斜 率 參 數 D max (mm) 為 最 大 雨 滴 粒 徑 (6) 式 除 了 可 以 改 善 小 雨 滴 分 布 的 描 述, 當 μ 等 於 零 時,Gamma 分 布 即 可 轉 變 成 指 數 分 布 型 態 ( 圖 2-7 中 虛 線 所 示 ) 接 著 利 用 Kozu and Nakamura (1991) 提 出 的 方 式, 假 設 前 面 雨 滴 譜 儀 觀 測 到 的 N(D) 為 Gamma 分 布, 為 了 擬 合 到 公 式 (7) 去 做 計 算, 先 計 算 M x (m 3 mm x ) M x = N(D)D x dd 0 Γ(ν) = x ν 1 e x dx Γ 為 Gamma Function, 透 過 (8) 式 可 以 將 公 式 (7) 改 寫 成 0 (7) (8) M x = N 0 Γ(x + μ + 1) Λ x+μ+1 (9) 將 雨 滴 譜 儀 觀 測 到 的 N(D)(m 3 mm 1 ) 代 入 公 式 (7), 接 著 將 公 式 (7) 中 的 x 分 別 代 入 3 4 6, 即 可 得 到 M 3 M 4 和 M 6 透 過 公 式 (10) 可 以 獲 得 一 個 無 因 次 參 數 G G = M 4 3 M 3 2 M 6 (10) 最 後 將 G 值 分 別 代 入 公 式 (11) 公 式 (12) 公 式 (13), 即 可 得 到 形 狀 參 數 μ( 無 因 次 ) 斜 率 參 數 Λ(mm 1 ) 和 截 距 參 數 N 0 (m 3 mm 1 μ ) μ = 11G 8 + G(G + 8) 2(1 F) (11) Λ = (μ + 4)M 3 M 4 = μ + 4 D m (12) N 0 = Λμ+4 M 3 Γ(μ + 4) (13) 其 中 D m (mm) 為 均 質 粒 徑 (Mass-Weighted Average Diameter) 經 由 上 面 的 計 算, 可 以 得 到 每 一 組 資 料 的 雨 滴 粒 徑 分 布 13

32 除 此 之 外, 為 了 方 便 討 論 雨 滴 的 組 成 方 式, 另 外 計 算 中 值 體 積 粒 徑 (Medium Volume Diameter) D 0 (mm), 其 表 示 最 小 到 中 值 體 積 直 徑 的 雨 滴 中, 所 有 雨 滴 所 含 有 的 液 態 水 含 量, 相 當 於 最 小 到 最 大 雨 滴 粒 徑 內 所 含 的 總 液 態 水 含 量 的 一 半 其 數 學 式 可 寫 成 D 0 D max D 3 N(D)dD = 1 2 D3 N(D)dD (14) D min D min 也 就 是 說, 當 降 雨 量 相 同 時,D 0 較 大 表 示 雨 滴 粒 徑 分 布 相 對 於 小 D 0 有 較 多 的 大 雨 滴 ;D 0 較 小 表 示 雨 滴 粒 徑 分 布 相 對 於 大 D 0 有 較 多 的 小 雨 滴 其 計 算 方 式 除 了 由 觀 測 到 的 雨 滴 粒 徑 分 布 來 計 算 之 外, 根 據 Ulbrich (1983) 的 推 導, 當 D max 趨 近 無 限 大 時,D 0 可 寫 成 D 0 = μ Λ (15) 對 應 前 面 D m 的 公 式 (12),D 0 也 可 改 寫 成 D 0 = D m μ 4 + μ (16) 由 於 現 實 中 D max 並 不 會 趨 近 於 無 限 大, 因 此 定 量 上 的 描 述 會 有 誤 差 存 在, 但 是 透 過 D 0 還 是 可 以 分 析 定 性 上 的 變 化 趨 勢 2-5 標 準 化 Gamma DSD 之 計 算 雖 然 透 過 N 0 Λ 和 μ 三 個 參 數 可 以 描 述 Gamma 雨 滴 粒 徑 分 布 的 分 布 情 況, 但 是 從 N 0 的 單 位 m 3 mm 1 μ 來 看,N 0 值 的 大 小 會 受 到 μ 值 影 響 為 了 能 夠 客 觀 地 比 較 N 0 的 表 現,Testud et al. (2001) 提 出 N 0 標 準 化 的 方 法, 也 就 是 將 Gamma 型 態 的 雨 滴 粒 徑 分 布 公 式 (6) 改 寫 成 N(D) = N w [ Γ(4) (4 + μ) 4+μ 4 4 Γ(4 + μ) ] ( D μ ) exp [ (4 + μ) D ] (17) D m D m 14

33 N w = 44 πρ w ( LWC D m 4 ) (18) LWC = πρ w 6 N(D)D3 dd 0 (19) N w (m 3 mm 1 ) 為 新 的 截 距 參 數, 從 單 位 可 以 看 到 N w 不 會 受 到 μ 的 影 響 LWC 為 液 態 水 含 量, 單 位 是 10 3 gm 3, 其 中 ρ w 為 液 態 水 密 度, 單 位 是 1gcm Z-R 關 係 式 根 據 前 人 研 究 發 現, 雷 達 回 波 Z 和 地 面 降 雨 率 R 之 間 存 在 著 指 數 關 係, 即 Z-R 關 係 式 藉 由 雨 滴 譜 儀 量 測 的 雨 滴 粒 徑 分 布 推 算 降 雨 率 和 回 波 值, 當 作 實 際 值 來 反 演 空 中 雷 達 回 波 和 降 雨 率 的 關 係, 此 為 定 量 降 水 估 計 但 由 於 不 同 地 點 和 不 同 類 型 降 水 的 Z-R 關 係 式 都 有 所 差 異, 所 以 利 用 單 一 經 驗 式 來 估 計 降 水, 其 誤 差 程 度 可 能 因 此 變 大, 造 成 雨 量 估 計 表 現 不 佳 Z-R 關 係 式 可 利 用 Ulbrich (1983) 的 方 法 來 計 算, 即 藉 由 Gamma 分 布 型 態 的 三 個 參 數 : 截 距 參 數 N 0 形 狀 參 數 μ 和 斜 率 參 數 Λ 來 計 算 首 先, 將 Gamma 分 布 的 公 式 帶 入 降 雨 積 分 參 數 公 式 (20), 可 以 得 到 公 式 (21) P = a p D p N(D)dD 0 P = a p N 0 D p+μ exp( ΛD)dD 其 中 積 分 的 部 分 可 以 利 用 Gamma Function 公 式 (8) 改 寫 成 0 (20) (21) 1 P = a p N 0 [ Λp+μ+1] Γ(p + μ + 1) (22) 將 公 式 (15) 代 入, 可 得 P = a p Γ(p + μ + 1) ( μ) p+μ+1 N 0D 0 p+μ+1 (23) 上 式 中 的 係 數 p 和 a p 參 考 表 2-3 可 知, 當 p 分 別 帶 入 6 和 3.76 時, 則 P 分 別 表 示 回 波 Z(mm 6 m 3 ) 和 降 雨 率 (mmh 1 ), 也 就 是 可 以 寫 成 15

34 Z = 10 6 Γ(6 + μ + 1) ( μ) 6+μ+1 N 0D 0 6+μ+1 Γ( μ + 1) = ( μ) 3.67+μ+1 N 3.67+μ+1 0D 0 (24) (25) 再 將 上 兩 式 合 併 並 消 去 D 0, 即 可 獲 得 a = Z = a b (26) 106 Γ(6 + μ + 1)N 0 1 b [33.31Γ( μ + 1)] b (27) b = 6 + μ μ + 1 (28) 最 後 利 用 Gamma 分 布 型 態 的 截 距 參 數 N 0 形 狀 參 數 μ 和 斜 率 參 數 Λ 代 入 計 算, 就 可 以 得 到 每 一 組 雨 滴 粒 徑 分 布 的 Z-R 關 係 式 以 及 其 對 應 的 係 數 a 和 b 2-7 層 狀 與 對 流 降 水 型 態 的 分 類 方 法 根 據 Houze(1997) 的 研 究 指 出, 層 狀 降 水 和 對 流 降 水 無 論 是 在 氣 流 運 動 降 水 軌 跡 或 雷 達 回 波 上 都 有 明 顯 的 差 異 不 同 降 水 型 態 的 雨 滴 粒 徑 分 布 也 會 因 為 降 水 物 理 過 程 不 同 而 有 所 區 別, 所 以 區 分 降 水 型 態 有 助 於 了 解 不 同 降 水 物 理 的 雨 滴 粒 徑 分 布 特 徵 Waldvogel (1974) 注 意 到 當 有 明 顯 亮 帶 特 徵 的 雷 達 回 波 經 過 雨 滴 譜 儀 上 方 時, 截 距 參 數 N 0 會 明 顯 降 低, 此 現 象 稱 為 N 0 Jump Gamache and Houze (1982) 將 回 波 38 dbz 設 為 區 分 降 水 類 型 的 門 檻 值 Churchill and Houze (1984) 則 根 據 GATE 雷 達 資 料, 將 門 檻 值 設 為 回 波 40 dbz Tokay and Short (1996) 根 據 熱 帶 降 水 的 分 析 結 果, 發 現 N 0 分 布 會 隨 降 水 類 型 轉 變 時 而 改 變, 且 N 0 = R 4.3 擬 合 的 線 條 可 以 區 分 層 狀 降 水 和 對 流 降 水 Tokay et al. (1999) 於 TOGGA COARE 的 IOP 觀 測 實 驗 中, 利 用 地 面 雨 滴 譜 儀 及 剖 風 儀 資 料, 發 現 當 降 雨 率 大 於 10mm/hr 時 幾 乎 為 對 流 性 降 水 Testud et al. (2001) 利 用 機 載 雨 滴 譜 儀 的 一 分 鐘 解 析 度 觀 測 資 料, 認 為 資 料 前 後 五 筆 降 雨 率 皆 小 於 10mm/hr 則 16

35 分 類 為 層 狀 降 水 Bringi et al. (2003) 使 用 兩 分 鐘 一 筆 的 雨 滴 譜 儀 資 料, 進 行 五 筆 資 料 平 均, 將 標 準 差 小 於 1.5mm/hr 定 義 為 層 狀 降 水, 反 之 則 為 對 流 降 水 Chang et al. (2009) 分 析 西 北 太 平 洋 颱 風, 認 為 使 用 降 雨 率 10mm/hr 即 可 區 分 降 水 類 型 本 篇 利 用 Tokay et al. (1999) Chang et al. (2009) 的 降 水 區 分 方 式, 將 降 雨 率 10mm/hr 作 為 區 分 降 水 的 門 檻 值, 大 於 10mm/hr 為 對 流 降 水, 小 於 則 為 層 狀 降 水 17

36 三 雨 滴 譜 儀 資 料 品 質 管 制 為 了 能 夠 更 客 觀 地 比 較 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 結 果, 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 資 料 勢 必 要 做 品 質 控 管 (Quality Control, QC) 的 處 理 處 理 的 標 準 和 方 式 因 人 而 異, 本 研 究 為 了 凸 顯 系 統 的 降 水 特 徵, 一 分 鐘 降 雨 率 小 於 0.1mm/hr 的 資 料 不 列 入 考 慮 樣 本 數 量 不 足 也 會 造 成 分 析 上 的 不 確 定 性 增 加, 所 以 一 分 鐘 觀 測 資 料 中 的 雨 滴 總 數 低 於 10 顆 的 資 料 也 不 列 入 處 理 除 此 之 外, 當 一 個 降 水 系 統 通 過 時, 在 初 期 或 末 期 時 常 有 零 星 的 降 雨 發 生, 此 時 的 降 雨 率 約 在 0.2 至 0.4mm/hr 之 間, 雨 滴 粒 徑 分 布 由 大 量 的 極 小 雨 滴 ( 粒 徑 小 於 0.6mm) 組 成, 雖 然 因 為 降 雨 率 很 小 所 以 在 累 積 雨 量 上 的 影 響 並 不 顯 著, 但 是 對 於 層 狀 降 水 以 及 不 區 分 降 水 類 型 的 小 雨 滴 濃 度 有 明 顯 改 變, 甚 至 影 響 雨 滴 粒 徑 分 布 的 相 關 參 數, 特 別 是 截 距 參 數 N 0, 因 此 另 外 設 定 N 0 < (m 3 mm 1 ) 做 為 資 料 篩 選 的 門 檻 值 3-1 降 雨 率 QC 經 過 上 面 的 資 料 篩 選, 下 一 步 要 確 認 雨 滴 譜 儀 觀 測 的 雨 滴 粒 徑 是 否 可 以 真 實 反 映 觀 測 情 況 這 裡 採 用 Tokay et al. (2013) 的 偏 差 量 (bias) 計 算 : percent bias = percent absolute bias = n bias < x, y > bias = 1 n (x i y i ) i=1 absolute bias < x, y > absolute bias = 1 n x i y i n i=1 (29) (30) (31) (32) 18

37 < x, y >= 1 n (x i + y i ) 2 n i=1 (33) 其 中 x 和 y 分 別 是 雨 滴 譜 儀 觀 測 的 雨 量 和 利 用 雨 滴 粒 徑 分 布 所 換 算 的 雨 量 ;n 為 資 料 總 數, 在 本 研 究 中 資 料 都 是 一 分 鐘 一 筆 利 用 公 式 (29) 至 公 式 (33) 可 以 檢 驗 雨 滴 粒 徑 分 布 的 資 料 情 況 下 面 以 6 月 11 日 晚 上 21:00 至 22:16(LST) 的 資 料 進 行 討 論 圖 3-1 為 JWD 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算 絕 對 偏 差 量 為 %, 顯 示 DSD 換 算 的 降 雨 率 和 儀 器 內 部 計 算 的 降 雨 率 非 常 吻 合, 表 示 JWD 觀 測 到 的 DSD 可 以 真 實 反 映 出 降 雨 率 的 變 化 圖 3-2 為 Parsivel 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算, 絕 對 偏 差 量 為 6.957%, 但 是 偏 差 量 為 %, 整 體 來 說, 雖 然 偏 差 量 看 起 來 不 大, 但 是 觀 測 DSD 換 算 的 降 雨 率 時 高 時 低 從 圖 3-2 的 散 布 圖 來 看, 當 降 雨 率 小 於 15mm/hr 時,DSD 換 算 的 降 雨 率 偏 高 ; 但 是 當 降 雨 綠 大 於 15mm/hr, 降 雨 率 的 表 現 卻 偏 低 這 樣 的 結 果 顯 示 Parsivel 觀 測 的 DSD 換 算 的 降 雨 率 和 儀 器 內 部 紀 錄 的 降 雨 率 不 符, 可 能 儀 器 在 觀 測 時, 降 雨 率 的 計 算 有 另 外 經 過 其 他 的 資 料 校 驗, 以 至 於 儀 器 紀 錄 的 降 雨 率 和 觀 測 DSD 換 算 的 降 雨 率 表 現 有 所 差 異 由 於 本 研 究 主 要 探 討 DSD 的 變 化, 為 了 表 現 不 同 降 雨 率 下 的 DSD 特 徵, 因 此 降 雨 率 是 採 用 觀 測 DSD 換 算 的 降 雨 率 3-2 雨 滴 落 速 QC 雨 滴 的 落 速 大 小 會 直 接 影 響 DSD 的 分 布 情 況, 當 雨 滴 落 速 較 大, 代 表 空 中 的 雨 滴 數 量 相 對 較 少 ; 相 反 地, 如 果 雨 滴 落 速 較 小, 代 表 空 中 的 雨 滴 數 量 相 對 較 多 理 論 上 雨 滴 在 標 準 環 境 下 的 落 速 應 該 會 接 近 理 想 落 速, 但 是 環 境 風 場 會 影 響 雨 滴 落 速 的 觀 測 ( 游 與 謝,2012) 除 此 之 外, 雨 滴 先 撞 擊 到 雨 滴 譜 儀 附 近 的 其 他 物 品 碎 裂 再 彈 回 感 應 區, 也 會 造 成 雨 滴 落 速 的 誤 判, 因 此 根 據 雨 滴 落 速 的 分 布, 19

38 資 料 必 須 再 進 一 步 篩 選 JWD 的 資 料 是 依 照 雨 滴 粒 徑 共 分 成 20 個 類 別, 每 一 個 粒 徑 區 間 都 會 對 應 到 固 定 的 雨 滴 落 速 值, 這 個 落 速 是 根 據 Gunn and Kinzer (1949) 的 落 速 所 計 算, 因 此 JWD 的 雨 滴 落 速 無 法 做 QC 的 處 理 Parsivel 和 2DVD 都 是 光 學 式 儀 器, Parsivel 相 同 粒 徑 的 雨 滴 可 以 再 細 分 成 32 種 平 均 落 速 ; 而 2DVD 甚 至 可 以 精 確 量 出 每 一 顆 雨 滴 的 落 速 因 此 針 對 這 兩 台 儀 器 的 雨 滴 落 速 做 資 料 QC 關 於 雨 滴 的 理 想 落 速 計 算 有 很 多 種 方 式, 例 如 Gunn and Kinzer (1949) 提 出 的 理 想 落 速 v(d) = exp ( 0.6D) (34) D (mm) 為 雨 滴 粒 徑,v(D) (m/s) 為 雨 滴 落 速 另 外 還 有 Atlas and Ulbrich (1977) 的 理 想 落 速 v(d) = ( D 10 ) 0.67 (35) 以 及 Brandes (2002) 的 理 想 落 速 v(d) = D D D D 4 (36) 落 速 的 QC 方 式 是 參 考 Chang et al. (2009) V meassured V ideal < C V ideal (37) V meassured 為 觀 測 的 雨 滴 落 速 ;V ideal 為 理 想 落 速, 也 就 是 公 式 (34) 至 公 式 (36) 的 計 算 結 果 ; 參 數 C 值 為 0.4 利 用 公 式 (37) 做 雨 滴 落 速 QC, 不 符 合 的 資 料 就 刪 去, 但 又 不 希 望 刪 去 太 多 資 料 導 致 樣 本 太 少 增 加 不 確 定 性, 所 以 先 利 用 2DVD 的 資 料 來 比 較 不 同 理 想 落 速 QC 後 的 資 料 量 圖 3-3 為 第 三 代 2DVD 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 圖 3-4 為 第 一 代 2DVD 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 從 這 兩 張 散 布 圖 可 以 看 到 第 三 代 2DVD 儀 器 誤 差 和 雨 滴 濺 落 所 造 成 的 錯 誤 資 料 較 少 之 外, 第 三 代 2DVD 的 觀 測 資 料 明 顯 有 個 集 中 分 布 趨 勢, 但 是 第 一 代 2DVD 卻 有 因 為 配 對 錯 誤 而 造 成 另 一 個 資 料 趨 勢 出 現, 由 此 證 明 第 三 代 2DVD 的 觀 測 資 料 品 質 比 第 一 代 20

39 佳 圖 3-3 中 的 藍 色 紅 色 以 及 綠 色 實 線 分 別 代 表 不 同 的 理 想 落 速, 曲 線 則 是 利 用 公 式 (37) 劃 分 的 資 料 篩 選 範 圍, 落 在 此 範 圍 以 外 的 資 料 刪 去 從 圖 3-3 可 以 看 到 紅 線 也 就 是 Atlas and Ulbrich (1977) 的 理 想 落 速 和 資 料 分 布 差 異 較 大, 進 一 步 去 計 算 刪 去 後 的 資 料 量 以 及 散 布 情 況 如 圖 3-5 圖 3-6 和 圖 3-7 所 示 2DVD 原 始 資 料 為 筆 ( 一 顆 雨 滴 一 筆 ), 分 別 經 過 理 想 落 速 公 式 (34) 公 式 (35) 及 公 式 (36) 做 QC 後, 各 自 剩 下 的 資 料 為 筆 筆 和 筆 根 據 剩 下 最 多 資 料 筆 數 的 結 果, 決 定 本 研 究 的 落 速 QC 採 用 Brandes (2002) 的 理 想 落 速 做 2DVD 和 Parsivel 的 資 料 篩 選 由 於 Parsivel 相 同 粒 徑 下 可 對 應 到 32 種 雨 滴 落 速, 根 據 不 同 落 速 中 的 雨 滴 數 量 求 得 加 權 平 均 落 速, 圖 3-8 即 為 Parsivel 的 雨 滴 粒 徑 與 加 權 平 均 落 速 的 原 始 資 料 散 布 圖 從 散 布 圖 上 可 以 明 顯 看 到 同 一 平 均 粒 徑 下 對 應 到 數 種 加 權 平 均 落 速 的 分 布 情 況 值 得 注 意 的 是, 每 一 個 加 權 平 均 落 速 代 表 的 雨 滴 數 量 都 不 相 同, 每 一 個 打 點 都 是 當 分 鐘 下 利 用 各 個 粒 徑 資 料 紀 錄 的 雨 滴 數 量 所 計 算 的 加 權 平 均 落 速, 所 以 一 分 鐘 資 料 中 一 個 粒 徑 上 只 會 出 現 一 個 打 點, 和 2DVD 的 一 顆 雨 滴 一 個 打 點 意 義 不 同 仔 細 比 較 加 權 平 均 落 速 與 理 想 落 速 的 差 異, 可 以 看 到 粒 徑 小 於 1mm 的 雨 滴 落 速 明 顯 比 理 想 落 速 快 很 多, 而 當 粒 徑 介 於 1.5mm 至 3mm 之 間, 雨 滴 落 速 是 稍 微 偏 慢 的 情 形 圖 3-9 為 利 用 Brandes (2002) 的 理 想 落 速 做 QC 後 的 雨 滴 粒 徑 與 加 權 平 均 落 速 散 布 圖 雖 然 小 雨 滴 的 落 速 修 正 不 少, 代 表 有 不 少 雨 滴 落 速 偏 快 的 資 料 被 刪 去, 但 是 跟 理 想 落 速 相 比, 還 是 可 以 看 到 速 度 依 然 有 稍 微 偏 快 的 情 況, 而 粒 徑 介 於 1.5mm 至 3mm 之 間 的 落 速 因 為 篩 檢 公 式 的 條 件 相 較 小 雨 滴 來 得 寬 鬆, 所 以 沒 有 太 大 的 改 變 3-3 Dead Time 效 應 討 論 Dead Time (DT), 又 稱 死 區 時 間, 主 要 是 發 生 在 JWD 的 觀 測 上, 但 是 21

40 很 多 粒 子 濃 度 偵 測 儀 器 都 會 發 生 類 似 的 問 題 前 面 提 過 JWD 是 根 據 雨 滴 撞 擊 感 應 器 的 力 道, 經 過 轉 換 變 成 電 流 脈 衝 以 記 錄 雨 滴 粒 徑 的 大 小 每 一 次 的 電 流 脈 衝 都 需 要 時 間 來 調 整 感 應 器 的 狀 態, 以 應 付 下 一 個 事 件 的 偵 測, 這 段 無 法 偵 測 其 他 事 件 的 時 間, 稱 作 Dead Time 雖 然 發 生 時 間 很 短, 但 是 對 於 雨 滴 連 續 撞 擊 感 應 區 的 情 況 來 說, 這 樣 的 狀 況 很 容 易 造 成 資 料 紀 錄 的 漏 失, 特 別 是 當 降 雨 率 越 大, 大 雨 滴 越 多 的 情 況 下, 很 有 可 能 中 小 雨 滴 的 資 料 因 為 Dead Time 效 應 而 沒 有 記 錄, 因 此 造 成 中 小 雨 滴 濃 度 嚴 重 低 估 的 情 況 發 生 這 樣 的 情 況 可 以 利 用 Sauvageot and Lacaux (1995) 附 錄 的 公 式 去 做 修 正 修 正 結 果 如 圖 3-10 所 示 紅 色 虛 線 為 JWD 資 料 有 經 過 Dead Time 修 正 ; 藍 色 實 線 是 沒 有 經 過 Dead Time 修 正 的 雨 滴 濃 度 可 以 看 到 兩 者 最 大 的 差 異 在 小 雨 滴 的 濃 度, 有 經 過 Dead Time 修 正 的 小 雨 滴 濃 度 較 高, 沒 有 修 正 的 濃 度 較 低 但 是 Tokay and Short (1996) Tokay et al. (2013) 皆 有 提 到 Dead Time 修 正 計 算 的 計 算 方 式, 是 根 據 後 面 所 有 較 大 粒 徑 的 雨 滴 資 料 去 修 正 前 一 個 粒 徑 的 雨 滴 數 量 這 個 修 正 是 利 用 複 雜 的 矩 陣 相 乘 運 算 去 處 理, 根 據 矩 陣 運 算 的 原 理, 當 矩 陣 中 某 一 個 元 素 為 零 時, 這 個 元 素 對 於 結 果 的 貢 獻 也 是 零 換 句 話 說, 如 果 原 始 粒 徑 資 料 中 某 個 粒 徑 數 量 為 零, 則 這 個 粒 徑 在 資 料 的 修 正 貢 獻 上 就 沒 有 意 義, 這 樣 會 導 致 雨 滴 濃 度 只 有 做 到 部 分 修 正, 且 由 於 不 是 所 有 粒 徑 都 有 貢 獻, 造 成 修 正 後 而 增 加 的 雨 滴 數 量 可 能 會 與 現 實 不 符, 影 響 分 析 的 結 果, 因 此 本 研 究 的 JWD 資 料 皆 不 使 用 Dead Time 修 正, 以 確 保 資 料 能 夠 真 實 反 映 觀 測 到 的 降 水 情 況 22

41 四 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性 分 析 與 比 較 6 月 11 日 當 晚 強 降 水 事 件 伴 隨 雷 電 發 生, 中 央 大 學 觀 測 坪 受 到 雷 擊 影 響, 雨 滴 譜 儀 陸 續 出 現 異 常 而 停 止 觀 測, 然 而 外 站 的 JWD 在 本 個 案 期 間 都 有 正 常 運 作, 因 此 本 研 究 根 據 雨 滴 譜 儀 分 布 地 點 及 資 料 成 功 蒐 集 時 間, 將 分 析 分 成 三 部 分 來 討 論 : 第 一 部 分 為 21:00~22:17(LST), 共 78 分 鐘 的 資 料, 分 析 對 象 為 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 JWD Parsivel 以 及 2DVD 第 二 部 分 為 22:07~23:06(LST), 共 60 分 鐘 的 資 料, 分 析 對 象 同 樣 是 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 JWD 和 Parsivel 第 三 部 分 為 6 月 11 日 00:00(LST) 至 22 日 23:59 (LST), 共 2880 分 鐘 (48 小 時 ) 的 資 料, 分 析 對 象 為 分 布 於 翡 翠 南 港 霞 雲 的 JWD 4-1 弱 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 本 階 段 分 析 時 間 為 21:00~22:17(LST), 共 78 分 鐘 的 資 料, 分 析 對 象 為 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 以 及 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 這 段 時 間 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 如 圖 4-1, 可 以 明 顯 看 到 小 雨 滴 ( 粒 徑 小 於 1mm) 和 中 大 雨 滴 ( 粒 徑 大 於 2mm) 的 濃 度 差 異 這 裡 要 特 別 說 明,2DVD 的 原 始 資 料 並 沒 有 做 粒 徑 分 類, 但 是 為 了 方 便 比 較, 所 以 依 據 Parsivel 和 JWD 的 粒 徑 區 間 分 別 將 2DVD 的 資 料 進 行 分 類, 因 此 2DVD 旁 有 特 別 標 示 Parsivel 和 JWD, 分 別 代 表 使 用 不 同 粒 徑 區 間 分 類 下 的 結 果 圖 4-1 的 中 大 雨 滴 濃 度 部 分,JWD 的 表 現 相 對 較 低,2DVD 和 Parsivel 則 表 現 相 當 一 致 再 來 是 小 雨 滴 濃 度, 可 以 看 到 三 台 儀 器 在 小 雨 滴 的 表 現 差 異 最 大, 2DVD 的 濃 度 最 高,JWD 次 之,Parsivel 明 顯 最 低 2DVD 小 雨 滴 濃 度 最 高, 顯 示 出 2DVD 對 於 小 雨 滴 較 為 敏 感 JWD 在 小 雨 滴 有 稍 微 向 下 凹 的 特 徵, 根 據 23

42 Tokay et al.(2013) 的 分 析, 由 於 這 段 觀 測 時 間 的 降 雨 率 都 很 小, 推 測 應 該 不 是 Dead Time 效 應, 而 是 環 境 的 背 景 雜 訊 造 成 觀 測 誤 差 最 後 是 Parsivel 嚴 重 低 估 的 小 雨 滴 濃 度, 根 據 前 面 討 論 過 的 圖 3-8 來 看, 最 大 的 原 因 是 Parsivel 的 小 雨 滴 落 速 嚴 重 偏 快, 雖 然 經 過 落 速 QC 使 得 小 雨 滴 落 速 更 接 近 理 想 落 速 ( 如 圖 3-9), 但 是 幾 乎 所 有 小 雨 滴 的 加 權 平 均 落 速 都 還 是 比 平 均 落 速 快, 造 成 小 雨 滴 濃 度 依 然 有 低 估 的 情 況 發 生 另 外 和 Tokay et al. (2013) 的 結 果 做 比 較,Tokay et al. 指 出 當 粒 徑 小 於 0.76mm( 圖 4-1 的 黑 色 直 線 ) 時 小 雨 滴 濃 度 表 現 會 有 差 異, 但 是 在 本 個 案 中, 粒 徑 小 於 1mm 就 有 這 樣 的 差 異 特 徵 出 現 了 解 三 台 雨 滴 譜 儀 的 平 均 觀 測 特 性 之 後, 為 了 要 確 認 這 樣 的 特 徵 是 特 定 時 間 下 的 DSD 變 化 造 成, 還 是 整 個 觀 測 期 間 都 有 這 樣 的 特 徵 持 續 出 現, 因 此 另 外 繪 製 雨 滴 濃 度 時 序 變 化 圖, 如 圖 4-2 所 示 從 時 序 圖 中 可 以 看 到 三 台 儀 器 的 型 態 表 現 非 常 一 致, 代 表 這 段 時 間 雨 滴 譜 儀 都 有 正 常 運 作, 並 且 當 降 雨 發 生 時 三 台 儀 器 都 有 掌 握 到 降 雨 情 況 但 是 細 看 三 台 雨 滴 譜 儀 觀 測 的 雨 滴 濃 度, 發 現 小 雨 滴 濃 度 變 化 差 異 最 為 明 顯, 其 中 2DVD 的 小 雨 滴 濃 度 在 整 個 分 析 時 間 中 持 續 表 現 最 高, 另 外 兩 台 則 相 對 較 低, 顯 示 不 同 儀 器 的 觀 測 特 性 在 整 個 觀 測 期 間 都 有 持 續 出 現 經 由 雨 滴 譜 儀 觀 測 得 到 DSD 資 料, 接 下 來 將 DSD 的 雨 滴 數 量 累 加 換 算 即 可 得 到 每 分 鐘 的 降 雨 量 圖 4-3 為 不 同 時 間 尺 度 下 的 累 積 雨 量 時 序 變 化 圖 中 呈 現 的 時 間 尺 度 由 上 而 下 分 別 是 一 分 鐘 五 分 鐘 十 分 鐘 以 及 一 小 時 其 中 最 下 面 一 小 時 的 累 積 雨 量, 由 於 22 時 (LST) 的 資 料 只 有 17 分 鐘, 所 以 不 是 真 正 累 計 一 小 時 的 雨 量 圖 4-3 中 紫 色 實 線 是 中 央 觀 測 坪 10 米 塔 的 傾 斗 式 雨 量 資 料, 可 以 看 到 在 一 分 鐘 五 分 鐘 及 十 分 鐘 時 間 間 距 下 資 料 有 延 遲 反 應 情 況, 這 是 因 為 傾 斗 式 雨 量 計 的 觀 測 原 理 所 造 成 傾 斗 式 雨 量 計 的 外 觀 與 內 部 構 造 如 圖 4-4 所 示 降 水 發 生 時, 雨 量 會 經 由 頂 端 的 漏 斗 累 積 到 內 部 的 漏 斗 中, 當 內 部 的 漏 斗 裝 滿 雨 水 會 因 為 重 力 往 下 傾 倒 而 敲 擊 感 應 器, 感 應 器 將 撞 擊 轉 換 成 電 流 訊 號 傳 到 室 內 電 腦 中 做 紀 錄 本 校 10 米 塔 的 漏 斗 容 量 為 0.5mm, 因 此 每 一 次 撞 擊 的 雨 量 為 0.5mm 當 降 雨 率 很 小 時, 傾 斗 式 漏 斗 需 要 較 長 的 雨 量 蒐 集 時 間 才 會 將 漏 斗 裝 滿, 24

43 因 此 在 小 時 間 尺 度 的 時 序 變 化 中, 傾 斗 式 的 反 應 會 有 延 遲 的 現 象, 但 是 這 個 現 象 會 因 為 時 間 尺 度 變 大 而 消 失 如 果 不 考 慮 延 遲 的 反 應, 三 台 雨 滴 譜 儀 在 弱 降 水 期 間 的 雨 量 估 算 表 現 非 常 一 致, 而 且 在 一 小 時 的 累 積 雨 量 中, 雨 滴 譜 儀 的 雨 量 和 傾 斗 式 的 觀 測 幾 乎 相 同 雖 然 在 22 時 的 累 積 雨 量 中,2DVD 的 雨 量 相 對 最 高,JWD 的 雨 量 則 是 最 低, 但 雨 量 只 有 相 差 約 1mm, 所 以 差 異 並 不 是 非 常 明 顯 4-2 強 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 由 於 2DVD 和 JWD 分 別 在 22:17(LST) 和 23:07(LST) 出 現 異 常 停 止 觀 測, 且 最 強 降 水 約 在 22:20(LST) 發 生, 為 了 瞭 解 6 月 11 日 強 降 水 個 案 的 降 水 特 徵, 雖 然 成 功 蒐 集 資 料 的 時 間 很 短, 但 還 是 可 以 利 用 成 功 蒐 集 的 資 料 來 做 分 析 本 階 段 的 分 析 時 間 設 為 22:07~23:06(LST), 共 60 分 鐘, 可 以 分 析 的 資 料 為 JWD 和 Parsivel 這 段 時 間 的 分 析 除 了 可 以 分 析 強 降 水 個 案 的 DSD 特 徵, 也 可 以 瞭 解 這 兩 台 雨 滴 譜 儀 在 強 降 水 下 的 觀 測 情 況 與 限 制 圖 4-5 為 這 段 時 間 的 Parsivel 和 JWD 的 平 均 雨 滴 濃 度 橫 軸 是 粒 徑 (mm), 縱 軸 是 雨 滴 濃 度 (m -3 mm -1 ) 可 以 看 到 小 雨 滴 和 大 雨 滴 濃 度 的 表 現 差 異 非 常 大, Parsivel 甚 至 觀 測 到 超 過 大 雨 滴 8mm 的 雨 滴 為 了 確 認 這 樣 的 雨 滴 濃 度 特 徵 在 這 一 小 時 都 有 持 續 出 現 還 是 某 一 段 時 間 的 DSD 造 成, 另 外 分 析 以 五 分 鐘 為 長 度 的 平 均 雨 滴 濃 度 時 序 變 化, 如 圖 4-6 圖 中 可 以 看 到 Parsivel 超 過 8mm 的 雨 滴 主 要 是 在 22:17~22:21(LST) 這 段 時 間 內 出 現 根 據 Tokay et al. (2013) 文 章 指 出, 目 前 文 獻 中 記 載 最 大 顆 雨 滴 粒 徑 約 8mm, 而 且 是 經 由 機 載 探 針 在 近 雲 底 處 觀 測 的 結 果 (Beard et al. 1986) 由 於 這 段 強 降 水 時 期 沒 有 2DVD 資 料, 因 此 無 法 確 定 是 否 真 實 強 況 下 有 這 麼 大 的 雨 滴 出 現, 但 是 檢 查 JWD 的 資 料 後 發 現,JWD 在 這 段 時 間 中 第 20 類 粒 徑 的 數 量 為 零, 也 就 是 沒 有 超 過 5.14mm 的 雨 滴 被 觀 測 到, 因 此 極 有 可 能 是 前 面 提 到 Parsivel 的 觀 測 原 理 限 制, 將 兩 顆 小 雨 滴 誤 認 為 一 顆 大 雨 滴 的 情 況 發 生 25

44 除 此 之 外, 圖 4-5 中 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 濃 度 明 顯 較 低, 原 因 是 JWD 的 Dead Time 效 應 造 成 因 為 從 圖 4-6 可 以 看 到, 在 22:07~22:16(LST) 這 段 時 間 內,JWD 的 小 雨 滴 濃 度 都 還 是 比 Parsivel 高 的 情 況, 但 是 在 22:17~22:26(LST) 也 就 是 最 強 降 水 發 生 的 這 段 時 間,JWD 的 小 雨 滴 濃 度 明 顯 降 低 許 多 接 著 降 水 強 度 在 22:27~22:31(LST) 稍 微 趨 緩,JWD 的 小 雨 滴 濃 度 再 度 變 高 根 據 圖 4-6 的 變 化, 確 認 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 低 估 主 要 是 Dead Time 效 應 所 造 成 圖 4-7 是 有 經 過 Dead Time 修 正 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 可 以 看 到 JWD 的 雨 滴 濃 度 在 粒 徑 1~3mm 之 間 有 些 微 增 加 的 變 化, 這 樣 的 變 化 只 讓 累 積 雨 量 增 加 2~3mm, 中 小 雨 滴 的 濃 度 還 是 有 低 估 的 情 形 圖 4-5 和 圖 4-6 的 分 析 提 到 了 雨 滴 濃 度 隨 降 雨 率 的 增 減 而 有 所 改 變, 為 了 確 認 雨 滴 濃 度 變 化 是 否 與 真 實 天 氣 系 統 通 過 的 反 應 一 致, 這 裡 採 用 五 分 山 雷 達 站 的 資 料, 比 較 中 央 大 學 上 方 的 回 波 隨 時 間 變 化 趨 勢 圖 4-8 由 上 而 下 分 別 是 五 分 山 雷 達 回 波 時 序 圖 Parsivel 的 雨 滴 濃 度 時 序 圖 和 JWD 的 雨 滴 濃 度 時 序 圖 由 於 五 分 山 雷 達 站 的 掃 描 策 略 約 需 5 分 鐘 才 能 完 成 一 個 體 積 掃 描, 所 以 五 分 山 的 橫 軸 顯 示 的 數 字 為 雷 達 資 料 完 成 一 個 體 積 掃 描 的 時 間, 且 為 了 降 低 水 平 平 移 所 造 成 的 誤 差, 五 分 山 的 回 波 資 料 有 經 過 九 點 平 均 處 理 根 據 圖 4-8 的 比 對 結 果, 可 以 看 到 雨 滴 濃 度 變 化 大 致 上 是 有 跟 著 較 低 層 的 雷 達 回 波 改 變, 且 會 隨 著 雷 達 回 波 變 化 而 有 所 增 減 更 進 一 步 分 析 雨 滴 濃 度 和 降 雨 率 的 變 化, 如 圖 4-9 所 示 圖 4-9 為 Parsivel( 上 兩 張 ) 和 JWD( 下 兩 張 ) 利 用 雨 滴 濃 度 換 算 的 降 雨 率 變 化 時 序 圖 經 由 比 較 發 現 Parsivel 和 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 變 化 呈 現 相 反 的 趨 勢,Parsivel 的 小 雨 滴 濃 度 一 直 都 表 現 較 高,JWD 的 小 雨 滴 濃 度 則 明 顯 低 了 許 多, 且 降 雨 率 越 高 濃 度 就 表 現 越 低, 這 是 前 面 提 到 Dead Time 效 應 的 影 響 除 此 之 外, 兩 台 儀 器 另 一 個 明 顯 的 差 異, 出 現 在 最 強 降 水 發 生 的 時 間, 即 22:17~22:22(LST) 之 間 可 以 看 到 Parsivel 各 粒 徑 區 間 的 濃 度 明 顯 上 升, 然 而 JWD 只 有 小 雨 滴 濃 度 變 更 低, 其 他 粒 徑 區 間 都 沒 有 明 顯 的 變 化 在 降 雨 率 的 比 較 方 面, 由 於 中 大 雨 滴 濃 度 差 異, 造 26

45 成 Parsivel 在 22:17~22:22(LST) 之 間, 有 明 顯 瞬 時 高 值 的 降 雨 率 變 化, 而 JWD 的 中 大 雨 滴 濃 度 明 顯 偏 低, 所 以 降 雨 率 並 沒 有 反 應 出 瞬 時 最 強 降 水 發 生 的 情 況 經 由 前 面 圖 4-5 至 圖 4-9 的 分 析, 發 現 降 雨 率 部 分 Parsivel 和 JWD 的 表 現 差 異 很 大, 為 了 確 認 降 雨 率 資 料 是 否 真 實 反 映 實 際 的 降 水 情 況, 因 此 和 中 央 大 學 觀 測 坪 的 10 米 塔 自 動 觀 測 資 料 比 較 圖 4-10 為 Parsivel JWD 和 10 米 塔 的 傾 斗 式 雨 量 計 在 不 同 時 間 尺 度 的 累 積 雨 量 時 序 變 化, 在 一 分 鐘 的 瞬 時 雨 量 上, Parsivel 和 傾 斗 式 雨 量 計 都 有 在 22:20(LST) 左 右 抓 到 最 強 降 水 發 生 的 特 徵, 然 而 JWD 卻 明 顯 嚴 重 低 估 但 是 在 後 續 時 間 中 的 雨 量 變 化, 無 論 是 Parsivel 或 是 JWD 的 雨 量 明 顯 都 比 傾 斗 式 雨 量 計 來 的 少 根 據 圖 4-10 的 一 小 時 時 間 尺 度 所 示, 在 這 60 分 鐘 的 累 積 降 雨 量,Parsivel 為 55.18mm,JWD 為 53.79mm, 然 而 10 米 塔 卻 累 績 76.5mm 在 前 面 進 行 Parsivel 的 資 料 QC 時 有 提 過,Parsivel 的 儀 器 內 部 另 外 有 計 算 降 雨 率, 但 是 這 個 降 雨 率 與 DSD 換 算 的 降 雨 率 不 太 符 合, 為 了 確 認 是 否 是 計 算 上 的 問 題, 因 此 將 原 始 資 料 中 的 降 雨 率 一 起 放 進 來 做 比 較 ( 淺 藍 色 實 線 ), 發 現 即 使 是 經 過 特 殊 校 驗 的 降 雨 率, 一 小 時 的 累 積 雨 量 仍 只 有 61.53mm, 明 顯 雨 量 還 是 有 低 估 的 情 形 發 生 圖 4-11 顯 示 22:00~2359(LST) Parsivel 的 雨 量 觀 測 ( 上 ) 和 雨 滴 濃 度 變 化 ( 下 ) 時 序 圖 顯 示 在 最 強 降 水 發 生 之 後,Parsivel 還 是 有 持 續 觀 測, 且 這 段 時 間 的 降 雨 強 度 不 弱, 大 約 80mm/hr 左 右, 比 對 這 段 時 間 的 五 分 山 雷 達 回 波 ( 圖 4-12), 可 以 看 到 這 段 時 間 的 回 波 強 度 都 至 少 40dBZ 以 上 也 因 為 一 直 維 持 這 麼 高 的 降 雨 率, 導 致 中 央 大 學 在 這 場 降 水 期 間 發 生 嚴 重 積 水 的 情 況 Bringi et al. (2003) 利 用 不 同 氣 候 區 的 雨 滴 譜 儀 及 雷 達 觀 測 資 料 做 降 水 類 型 分 類, 如 圖 4-13, 上 圖 為 層 狀 降 水, 下 圖 為 對 流 降 水 可 以 看 到 層 狀 降 水 幾 乎 擬 合 在 一 條 斜 線 上, 而 對 流 降 水 部 分 也 根 據 觀 測 地 點 而 明 顯 區 分 成 兩 大 類 型, 一 為 較 小 標 準 化 截 距 參 數 N w 值 和 較 大 均 質 粒 徑 D m 值 的 大 陸 性 降 水 ; 另 一 為 較 大 標 準 化 截 距 參 數 N w 值 和 較 小 均 質 粒 徑 D m 值 的 海 洋 性 降 水 為 了 瞭 解 這 場 降 水 的 類 型, 本 研 究 同 樣 也 利 用 D m 和 N w 的 分 布 去 分 析 由 於 這 段 時 間 的 資 料 27

46 都 是 對 流 降 水, 從 分 布 圖 ( 圖 4-14) 可 以 看 到 資 料 大 部 分 都 散 佈 在 兩 大 對 流 降 水 類 型 之 間, 只 有 少 部 分 的 資 料 有 落 入 分 類 區 塊 中, 表 示 這 場 降 水 的 特 徵, 是 介 於 大 陸 性 和 海 洋 性 降 水 之 間 最 後 是 比 較 Z-R 關 係 式 的 降 雨 估 計 表 現 情 況 圖 4-15 為 雨 滴 譜 儀 利 用 (26) 式 至 (28) 式 計 算 的 回 波 大 小 ( 上 ) 與 降 雨 率 ( 下 ) 可 以 看 到 回 波 和 降 雨 率 的 表 現 非 常 一 致 且 兩 台 雨 滴 譜 儀 的 回 波 和 降 雨 率 如 圖 4-16 所 示,Parsivel 的 降 雨 率 相 對 JWD 來 的 高, 且 回 波 也 比 較 強, 是 由 於 Parsivel 看 到 的 大 雨 滴 數 量 比 較 多, 因 為 回 波 和 粒 徑 的 六 次 方 成 正 比, 前 面 提 到 Parsivel 的 大 雨 滴 粒 徑 和 數 量 都 比 JWD 多, 因 此 在 回 波 的 計 算 上 兩 者 差 異 較 為 明 顯 圖 4-17 為 Parsivel 和 JWD 計 算 的 回 波 和 五 分 山 雷 達 最 低 層 的 回 波 比 較 可 以 看 到 在 22 時 的 回 波 變 化 較 不 一 致, 但 是 23 時 之 後 的 回 波 都 顯 示 五 分 山 雷 達 有 稍 微 低 估 的 情 況 張 (2002) 分 析 指 出 五 分 山 雷 達 回 波 有 3dBZ 的 系 統 性 低 估 特 徵 許 (2005) 指 出 在 使 用 Z-R 關 係 式 做 降 水 估 算 前, 將 五 分 山 雷 達 的 回 波 強 度 做 修 正 後 再 帶 入 計 算, 結 果 會 比 較 準 確 因 此 根 據 前 人 研 究 建 議, 五 分 山 雷 達 回 波 在 代 入 Z-R 關 係 式 前, 有 先 經 過 修 正 處 理 ( 增 加 3dBZ) 圖 4-18 是 利 用 (27) 和 (28) 式 計 算 Z-R 關 係 式 中 的 a b 參 數 大 小, 同 樣 的 在 最 強 降 水 發 生 之 前, 兩 台 儀 器 在 a b 參 數 的 表 現 較 為 接 近, 但 是 之 後 的 降 水 除 了 22:30~22:35 期 間 降 水 趨 緩, 其 他 降 雨 時 期 的 a b 參 數 表 現 差 異 非 常 明 顯 圖 4-19 的 比 較 是 為 了 測 試 Z-R 關 係 式 估 算 的 降 雨 率 和 DSD 計 算 的 降 雨 率 表 現, 橫 軸 是 利 用 雨 滴 譜 儀 的 回 波 代 回 Z-R 關 係 式 中 計 算 的 降 雨 率, 縱 軸 是 利 用 觀 測 的 DSD 估 算 的 降 雨 率 可 以 看 到 這 兩 種 降 雨 率 非 常 吻 合, 因 此 確 認 Z-R 關 係 式 能 夠 有 效 的 估 算 降 雨 率 接 下 來 是 將 五 分 山 雷 達 回 波 分 別 代 回 兩 台 雨 滴 譜 儀 的 Z-R 關 係 式 計 算 降 雨 率, 如 圖 4-20 所 示 這 裡 代 入 不 同 雨 滴 譜 儀 計 算 的 平 均 a b 參 數 分 別 為 和 1.35 (Parsivel); 以 及 和 1.25 (JWD) 圖 4-20 中 放 入 10 米 塔 的 降 雨 率 主 要 做 為 參 考 之 用, 前 面 已 經 提 過 傾 斗 式 雨 量 計 的 雨 量 在 小 尺 度 時 間 上 的 誤 差 較 大, 但 是 這 裡 為 了 能 夠 比 較 了 解 整 體 實 際 雨 量 變 化, 28

47 因 此 放 入 當 作 比 較 參 考 和 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 相 比, 發 現 利 用 雷 達 回 波 估 算 的 降 雨 率 和 雨 滴 譜 儀 的 表 現 差 異 很 大 在 22:00~22:06 時 期, 此 時 雷 達 回 波 已 經 顯 示 空 中 有 強 回 波 出 現, 所 以 在 降 雨 率 估 算 上 有 較 高 的 降 雨 率 出 現, 但 是 實 際 上 此 時 降 雨 還 沒 發 生 隨 著 鋒 面 系 統 移 入,22:07 開 始 降 雨, 且 降 雨 有 變 大 的 趨 勢, 由 於 有 強 回 波 通 過 中 央 大 學 上 方, 所 以 利 用 Z-R 關 係 式 估 算 的 降 雨 率 明 顯 高 估 許 多 最 強 降 水 發 生 在 22:20 左 右, 但 此 沒 有 雷 達 資 料, 到 22:23 時 雷 達 回 波 已 經 減 弱, 因 此 估 計 的 降 雨 率 也 變 少, 甚 至 低 於 Parsivel 的 降 雨 率 之 後 一 小 段 時 間, 雷 達 估 計 的 降 雨 率 都 相 對 較 高, 直 到 22:50 左 右 降 雨 又 變 強, 但 雷 達 估 計 的 降 雨 量 卻 有 低 估 的 情 況 23:02 之 後 的 雨 量 變 化,JWD 因 為 停 止 觀 測 所 以 沒 有 資 料,Parsivel 的 降 雨 率 和 雷 達 回 波 估 計 的 降 雨 率 則 時 高 時 低 整 體 而 言, 比 較 雷 達 和 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 估 算 表 現, 如 圖 4-21 所 式, 雷 達 回 波 估 算 的 降 雨 率 大 多 數 都 比 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 高 根 據 Z-R 關 係 式 的 計 算 結 果, 且 不 考 慮 最 強 降 水 發 生 的 情 形 下, 發 現 雖 然 Parsivel 和 JWD 的 雨 滴 粒 徑 分 布 表 現 不 太 一 致,Z-R 關 係 式 的 a b 參 數 也 受 到 雨 滴 粒 徑 分 布 影 響 而 有 明 顯 差 異, 但 由 於 兩 台 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 表 現 相 似, 因 此 最 後 無 論 使 用 哪 一 台 雨 滴 譜 儀 的 Z-R 關 係 式, 雷 達 估 計 雨 量 上 的 表 現 都 非 常 接 近 除 此 之 外, 也 發 現 降 水 和 雷 達 回 波 之 間 有 稍 微 延 遲 的 表 現 可 能 是 受 限 於 雷 達 掃 描 時 間 及 系 統 移 動 速 度 影 響, 所 以 在 瞬 時 的 變 化 上, 雨 滴 譜 儀 和 雷 達 回 波 表 現 會 有 一 點 落 差 經 過 前 面 許 多 部 份 的 比 較, 發 現 雨 滴 譜 儀 在 強 降 水 的 情 況 下, 觀 測 結 果 差 異 很 大 雨 滴 濃 度 變 化 部 分,Parsivel 和 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 變 化 差 異 最 為 明 顯, 雖 然 小 雨 滴 對 於 總 降 雨 量 的 影 響 很 小, 但 是 對 於 DSD 相 關 參 數 ( 例 如 截 距 參 數 形 狀 參 數 ) 來 說 影 響 顯 著 降 雨 率 計 算 部 分, 在 本 個 案 中 雨 滴 譜 儀 經 過 約 五 分 鐘 左 右 的 最 強 降 水 ( 瞬 時 降 雨 率 超 過 150mm/hr) 時 期, 之 後 的 降 雨 量 計 算 都 不 能 真 實 呈 現 降 水 的 情 況, 國 外 文 獻 中 很 少 記 錄 到 這 麼 強 的 瞬 間 降 雨, 推 測 在 這 樣 超 強 29

48 降 水 的 情 況 之 下, 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 能 力 會 受 到 一 定 的 限 制, 導 致 後 面 的 雨 量 觀 測 出 現 嚴 重 低 估 的 情 形 這 樣 的 情 形 連 帶 影 響 Z-R 關 係 式 的 表 現, 一 般 是 利 用 雨 滴 譜 儀 求 得 Z-R 關 係 式 來 改 善 雷 達 的 降 水 估 計 情 況, 但 經 由 前 面 的 測 試, 發 現 本 個 案 中 央 上 方 雷 達 回 波 換 算 的 降 雨 率 較 高, 換 句 話 說, 五 分 山 雷 達 的 降 雨 估 計 表 現, 在 本 個 案 中 比 Parsivel 和 JWD 的 觀 測 更 接 近 真 實 降 雨 情 況 因 此 在 使 用 雨 滴 譜 儀 校 驗 雷 達 時, 可 能 需 要 先 對 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 做 些 測 試, 以 免 在 雷 達 校 驗 上 帶 來 反 效 果 4-3 完 整 個 案 時 期 ( 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 ) 第 三 部 分 分 析 的 資 料 時 間 為 6 月 11 日 00:00(LST) 至 6 月 12 日 23:59(LST), 共 2880 分 鐘 (48 小 時 ) 的 資 料, 分 析 對 象 為 分 布 於 翡 翠 南 港 霞 雲 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 雖 然 這 三 台 JWD 的 累 積 雨 量 都 沒 有 中 央 站 來 的 高, 但 是 在 整 個 鋒 面 系 統 經 過 期 間 都 有 正 常 觀 測, 且 沒 有 類 似 中 央 站 的 超 強 降 水 發 生, 所 以 這 部 分 的 分 析 結 果 較 能 夠 真 實 呈 現 實 際 的 降 水 情 況 除 此 之 外, 由 於 中 央 站 同 樣 有 JWD 觀 測, 雖 然 資 料 上 因 為 雷 擊 出 現 中 斷, 但 在 這 部 分 還 是 放 在 一 起 分 析 比 較 提 供 參 考 在 第 二 部 分 已 經 發 現 雨 滴 譜 儀 經 過 超 強 降 水 後 降 雨 率 會 有 低 估 的 表 現, 為 了 確 認 JWD 三 站 的 降 雨 率 表 現 是 否 正 確, 因 此 使 用 屈 尺 ( 翡 翠 站 ) 南 港 ( 南 港 站 ) 復 興 ( 霞 雲 站 ) 與 中 壢 ( 中 央 站 ) 氣 象 局 自 動 測 站 的 雨 量 資 料 做 比 對, 結 果 如 圖 4-22 所 示 中 央 站 的 部 份 另 外 將 10 米 塔 的 傾 斗 式 雨 量 計 結 果 一 起 放 入 做 比 較 從 圖 中 可 以 看 到 翡 翠 南 港 霞 雲 的 JWD 降 雨 量 表 現 都 和 鄰 近 的 局 屬 自 動 測 站 雨 量 資 料 非 常 接 近 進 一 步 看 不 同 時 間 尺 度 的 降 雨 量 變 化 ( 圖 4-23), 與 圖 4-10 相 比, 一 分 鐘 的 瞬 時 雨 量 都 沒 有 中 央 站 來 的 高, 表 示 沒 有 瞬 時 降 雨 率 超 過 150mm/hr 的 強 降 水 出 現, 因 此 降 雨 量 低 估 的 情 況 並 沒 有 發 生, 顯 示 外 站 JWD 計 算 的 降 雨 率 和 實 際 降 雨 量 符 合 30

49 下 一 步 為 了 檢 查 雨 滴 譜 儀 觀 測 是 否 正 確 反 應 系 統 通 過 的 變 化, 因 此 將 JWD 各 站 的 雨 量 和 雨 滴 濃 度 變 化, 跟 中 央 C-Pol 雷 達 和 五 分 山 雷 達 資 料 做 比 對 圖 4-24 圖 4-25 圖 4-26 分 別 為 翡 翠 南 港 霞 雲 站 的 時 序 變 化 比 對 時 間 為 6 月 11 日 22 時 (LST) 至 6 月 13 日 00 時 (LST) 雷 達 資 料 的 部 分, 由 於 中 央 雷 達 是 5 公 分 波 長 的 C 波 段 雙 偏 極 化 雷 達, 可 以 發 射 垂 直 和 水 平 方 向 的 回 波, 因 此 在 降 水 粒 子 的 觀 測 上 面 可 以 提 供 相 當 多 的 資 訊 但 因 為 C-Pol 雷 達 的 波 長 較 短, 與 五 分 山 雷 達 10 公 分 波 長 的 S 波 段 雷 達 相 比, C-Pol 雷 達 在 強 降 水 的 回 波 衰 減 情 況 較 為 嚴 重, 因 此 兩 台 雷 達 看 到 的 回 波 大 小 會 有 差 異 雖 然 中 央 C-Pol 雷 達 的 回 波 強 度 會 有 衰 減 的 現 象, 但 是 偏 極 化 參 數 可 以 讓 我 們 更 了 解 降 水 情 況 這 裡 使 用 偏 極 化 參 數 中 的 差 異 反 射 率 Z DR 和 相 關 係 數 ρ HV, 差 異 反 射 率 Z DR 可 以 提 供 回 波 在 水 平 及 垂 直 方 向 上 的 差 異,Z DR 越 大 代 表 回 波 差 異 越 明 顯 空 中 的 水 滴 受 到 重 力 和 周 圍 風 場 的 摩 擦 力 影 響, 質 量 越 大 的 水 滴 形 狀 會 越 扁 圓,Z DR 的 值 會 因 此 增 加 但 是 霰 ( 又 稱 軟 雹 )(graupel) 和 雹 (hail) 有 時 候 也 呈 現 橢 圓 球 體 的 形 狀, 因 此 在 Z DR 的 觀 測 也 會 較 高 的 值 出 現, 這 時 候 需 要 藉 由 ρ HV 提 供 相 關 性 的 資 料 來 做 判 斷 水 象 粒 子 的 相 關 性 很 高, 通 常 ρ HV 大 於 0.9 即 為 水 象 粒 子, 小 於 0.9 有 可 能 是 冰 象 粒 子 所 造 成, 藉 由 Z DR 和 ρ HV 的 搭 配, 可 以 輔 助 雷 達 回 波 的 分 析, 也 可 以 了 解 此 時 的 降 水 物 理 情 況 圖 4-24 是 翡 翠 站 的 變 化, 從 降 雨 率 和 雷 達 回 波 的 變 化 可 以 看 到 對 流 胞 陸 續 通 過 的 情 況, 造 成 雨 滴 濃 度 上 有 許 多 起 伏 變 化, 但 是 跟 中 央 JWD 的 雨 滴 濃 度 相 比, 翡 翠 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 Dead Time 效 應 不 太 明 顯 除 此 之 外, 降 雨 最 強 的 一 波 發 生 時 間 是 在 6 月 12 日 的 早 上 8 至 12 時, 從 雷 達 回 波 也 可 以 看 到 這 段 時 間 回 波 都 呈 現 較 高 的 值, 且 根 據 Z DR 和 ρ HV 的 顯 示, 這 段 時 間 的 降 水 都 是 水 象 粒 子, 特 別 是 在 8 時 至 12 時 之 間 而 在 12 日 凌 晨 的 降 水, 可 以 看 到 上 空 低 層 的 ρ HV 值 都 偏 小, 但 Z DR 的 值 很 大, 顯 示 這 時 候 的 雨 滴 可 能 是 由 剛 融 化 的 小 冰 晶 所 形 成 圖 4-25 是 南 港 站 的 變 化, 由 於 南 港 站 比 較 靠 近 五 分 山 雷 達 站, 所 以 五 分 山 31

50 的 回 波 資 料 只 能 看 到 約 7 公 里 的 高 度 雨 滴 濃 度 部 分 和 翡 翠 站 相 同 的 情 況, 小 雨 滴 濃 度 Dead Time 效 應 不 太 明 顯 降 雨 最 強 的 一 波 發 生 時 間 是 在 6 月 12 日 的 早 上 6 至 8 時, 之 後 是 一 段 弱 降 水, 雖 然 中 間 有 幾 分 鐘 較 大 的 降 雨 出 現, 但 是 回 波 明 顯 沒 有 前 一 波 強 與 翡 翠 較 不 同 的 地 方 在 於,ρ HV 的 值 在 大 部 分 的 時 間 裡 都 不 算 小, 顯 示 南 港 的 降 水 以 水 象 粒 子 間 的 碰 撞 結 合 作 用 為 主 圖 4-26 是 霞 雲 站 的 變 化, 雨 滴 濃 度 部 分 和 另 外 兩 站 不 同, 在 小 雨 滴 濃 度 有 明 顯 低 估 的 情 況, 這 樣 的 特 徵 在 簡 (2006) 毛 (2007) 蔣 (2010) 的 分 析 中 都 有 出 現 由 於 霞 雲 站 位 在 山 區, 可 能 是 地 形 作 用 特 別 顯 著 造 成 降 水 特 徵 和 其 他 站 不 同 根 據 降 雨 量 和 雷 達 回 波 的 變 化, 降 水 主 要 分 成 兩 大 區 間, 這 兩 區 間 的 降 水 明 顯 是 水 象 粒 子 的 碰 撞 結 合 作 用, 但 是 Z DR 的 值 相 較 翡 翠 和 南 港 站 來 的 小, 顯 示 雨 滴 形 狀 較 不 扁 圓 經 由 前 面 和 雷 達 資 料 的 比 對, 使 我 們 了 解 雨 滴 譜 儀 上 方 的 逐 時 降 水 特 徵 變 化 接 下 來 是 分 析 平 均 雨 滴 濃 度, 如 圖 4-27 所 示 包 含 中 央 站 的 四 台 JWD 表 現 大 致 上 相 當 類 似, 但 是 細 看 小 雨 滴 的 部 分, 霞 雲 的 濃 度 明 顯 較 低 ; 再 看 大 雨 滴 的 部 分, 除 了 中 央 站 以 外, 其 他 JWD 在 最 後 一 個 粒 徑 區 間 都 有 觀 測 到 雨 滴 進 一 步 分 析 不 同 降 雨 率 區 間 下 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 圖 4-28 是 比 較 JWD 各 站 不 同 降 雨 率 下 的 平 均 雨 滴 濃 度 從 圖 中 可 以 更 明 顯 看 到 隨 著 降 雨 率 的 增 加, 小 雨 滴 濃 度 越 來 越 低, 中 大 雨 低 濃 度 則 越 來 越 高 比 較 特 別 的 地 方 在 於 10 至 20mm/hr 轉 變 成 20 至 30mm/hr 的 雨 滴 濃 度 變 化, 末 段 大 雨 滴 部 分 的 濃 度 幾 乎 不 變, 但 是 當 降 雨 率 上 升 時,2 至 4mm 的 雨 滴 濃 度 有 明 顯 增 加 的 特 徵 出 現, 顯 示 在 這 段 降 雨 率 轉 換 過 程, 雨 滴 的 碰 撞 合 併 現 象 逐 漸 明 顯 圖 4-29 比 較 不 同 降 雨 率 區 間 下,JWD 各 站 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 當 降 雨 率 小 於 1mm/hr, 中 央 的 平 均 雨 滴 濃 度 相 對 最 低, 然 而 霞 雲 站 最 小 粒 徑 中 卻 有 最 多 雨 滴 數 量 ; 降 雨 率 介 於 1 至 5mm/hr 之 間, 平 均 雨 滴 濃 度 表 現 最 為 一 致 ; 但 是 當 降 雨 率 大 於 5mm/hr, 霞 雲 站 的 小 雨 滴 濃 度 開 始 偏 低, 且 隨 著 降 雨 率 越 大 偏 低 的 情 況 越 趨 明 顯 中 央 站 的 大 雨 滴 濃 度 都 有 稍 微 偏 高 的 情 況, 但 是 觀 測 到 的 雨 滴 最 32

51 大 粒 徑 卻 都 比 其 他 站 小 根 據 前 人 研 究 結 果, 本 實 驗 採 用 10mm/hr 當 作 降 水 區 分 門 檻, 分 析 不 同 降 水 類 型 的 DSD 特 徵 以 及 統 計 上 的 特 性 區 分 結 果 如 圖 4-30 和 圖 4-31, 分 別 為 層 狀 降 水 和 對 流 降 水 的 DSD 中 央 站 相 對 其 他 站 的 小 雨 滴 濃 度 稍 微 較 低, 且 最 大 雨 滴 的 濃 度 差 異 也 較 為 明 顯, 但 是 其 對 應 的 濃 度 其 實 非 常 低 ( 小 於 -2 m -3 mm -1 ), 所 以 對 於 雨 量 影 響 不 大 整 體 而 言, 層 狀 降 水 的 DSD 分 布 非 常 相 似 對 流 降 水 的 DSD 就 有 明 顯 的 地 區 差 異 : 翡 翠 和 南 港 兩 站 的 DSD 非 常 類 似, 然 而 霞 雲 站 的 小 雨 滴 濃 度 明 顯 偏 低 ; 中 央 站 的 中 大 雨 滴 濃 度 都 相 對 其 他 站 來 的 高, 但 是 中 央 站 的 資 料 蒐 集 筆 數 比 其 他 站 少, 且 資 料 中 斷 時 強 降 雨 還 在 持 續 發 生, 所 以 只 能 參 考 並 不 能 當 作 整 個 對 流 降 水 特 徵 下 一 步 比 較 不 同 地 點 降 水 積 分 參 數 出 現 的 概 率 分 布 情 況 圖 4-32 為 JWD 各 站 中 值 體 積 粒 徑 D 0 的 出 現 概 率 分 布 圖 4-33 為 JWD 各 站 均 質 粒 徑 Dm 的 出 現 概 率 分 布 這 兩 個 降 水 積 分 參 數 關 係 可 以 用 公 式 (16) 表 示, 從 公 式 (16) 也 可 以 看 到 這 兩 個 參 數 主 要 受 到 形 狀 參 數 μ 的 影 響, 因 此 分 布 會 有 些 微 差 異 整 體 來 說, 四 站 的 對 流 降 水 D 0 和 Dm 的 值 都 比 層 狀 降 水 高, 符 合 一 般 認 知 中 對 流 降 水 由 較 多 的 中 大 雨 滴 組 成 不 區 分 降 水 的 概 率 分 布 中, 翡 翠 和 南 港 站 的 概 率 分 布 都 明 顯 較 層 狀 和 對 流 降 水 低, 但 是 霞 雲 站 卻 表 現 較 類 似 而 中 央 站 因 為 資 料 在 大 雨 時 中 斷, 且 資 料 內 大 部 分 都 是 對 流 降 水, 所 以 不 區 分 降 水 的 概 率 分 布 出 現 兩 個 高 值, 一 個 和 層 狀 降 水 分 布 類 似, 另 一 個 則 是 和 對 流 降 水 類 似 形 狀 參 數 μ 的 意 義 為 : 當 μ 值 越 大 表 示 小 雨 滴 濃 度 越 低, 也 就 是 DSD 在 小 雨 滴 會 有 往 下 凹 的 特 徵 出 現 ; 而 μ 值 越 小 表 示 小 雨 滴 濃 度 越 高, 代 表 DSD 越 接 近 指 數 分 布 型 態 且 趨 於 斜 直 線 分 布 斜 率 參 數 Λ 的 意 義 為 : 當 Λ 值 越 大 表 示 斜 率 越 大, 也 就 是 DSD 主 要 是 由 中 小 雨 滴 所 組 成 ; 當 Λ 值 越 小 表 示 斜 率 越 小,DSD 會 往 大 雨 滴 方 向 延 伸, 可 能 大 雨 滴 數 量 變 多, 但 也 有 可 能 是 中 小 雨 滴 數 量 變 少 所 造 成 圖 4-34 和 圖 4-35 分 別 為 JWD 各 站 形 狀 參 數 μ 和 斜 率 參 數 Λ 的 出 現 概 率 分 布 除 了 中 央 站 以 外, 另 外 三 站 對 流 降 水 的 形 狀 參 數 μ 比 層 狀 降 水 和 不 區 分 降 水 還 靠 33

52 右 分 布, 顯 示 在 對 流 降 水 中 小 雨 滴 容 易 有 往 下 凹 的 特 徵 出 現, 推 測 應 該 是 Dead Time 效 應 造 成 其 中 霞 雲 站 無 論 是 哪 一 種 降 水 類 型 其 μ 值 都 明 顯 較 高, 對 應 前 面 的 DSD 分 析, 霞 雲 站 的 確 在 小 雨 滴 濃 度 經 常 出 現 偏 低 的 區 域 特 性 斜 率 參 數 Λ 的 表 現 中, 整 體 而 言, 對 流 降 水 的 分 布 最 為 靠 左, 層 狀 降 水 的 分 布 較 為 靠 右, 表 示 對 流 降 水 因 為 有 較 多 的 大 雨 滴 所 以 斜 率 偏 小, 層 狀 降 水 的 中 小 雨 滴 較 多 所 以 斜 率 較 大 其 中 翡 翠 和 南 港 的 表 現 最 為 類 似, 而 霞 雲 站 的 高 值 皆 較 為 右 偏, 搭 配 同 樣 較 高 的 μ 值, 顯 示 霞 雲 站 DSD 經 常 出 現 比 較 平 緩 的 下 凹 的 特 徵, 如 圖 4-29 從 圖 4-29 也 可 以 比 較 中 央 站 的 情 況, 中 央 站 對 流 降 水 的 μ 值 和 斜 率 皆 表 現 較 小, 對 照 圖 4-29 的 變 化, 中 央 站 10 R(mm/hr)<50 的 DSD, 其 小 雨 滴 濃 度 有 相 對 較 高 的 特 徵, 且 中 大 雨 滴 濃 度 高 所 以 斜 率 較 小, 但 由 於 資 料 中 斷 前 的 降 水 大 多 是 R>50(mm/hr), 因 此 在 平 均 DSD( 圖 4-31) 上 這 樣 的 變 化 就 被 更 強 降 水 的 特 徵 遮 蔽, 這 也 顯 示 DSD 在 時 間 上 的 變 異 程 度 相 當 高 截 距 參 數 N 0 (m 3 mm 1 μ ) 顯 示 DSD 整 體 濃 度 的 分 布 特 性, 從 N 0 的 單 位 可 以 看 出 其 值 受 到 形 狀 參 數 μ 的 影 響 很 大, 因 此 概 率 分 佈 較 為 複 雜 且 範 圍 較 廣, 如 圖 4-36 所 示 為 了 能 夠 客 觀 的 比 較, 因 此 利 用 Testud et al. (2001) 提 出 的 標 準 化 截 距 參 數 概 念, 分 析 同 樣 具 有 DSD 整 體 濃 度 的 分 佈 特 性 但 是 不 受 形 狀 參 數 μ 影 響 的 標 準 化 截 距 參 數 N w 圖 4-37 為 JWD 各 站 標 準 化 截 距 參 數 N w 的 出 現 概 率 分 布 整 體 來 看, 對 流 降 水 的 N w 都 較 層 狀 降 水 和 不 區 分 降 水 類 型 稍 微 偏 右 且 分 佈 範 圍 較 窄, 顯 示 對 流 降 水 的 平 均 雨 滴 數 量 稍 微 偏 多 且 變 動 較 不 明 顯 層 狀 降 水 的 分 佈 範 圍 較 廣, 代 表 數 量 變 動 很 大, 特 別 是 霞 雲 站 的 分 佈 範 圍 最 廣 且 值 也 較 高, 顯 示 霞 雲 站 層 狀 降 水 的 雨 滴 數 量 變 動 最 為 明 顯 且 雨 滴 平 均 數 量 最 多 經 由 概 率 分 佈 的 分 析, 可 以 了 解 不 同 降 水 積 分 參 數 在 整 場 降 水 的 出 現 頻 率 比 例 累 積 概 率 為 概 率 分 佈 的 累 加, 因 此 最 終 值 都 會 累 加 到 一, 但 是 中 間 的 過 程 會 受 到 不 同 概 率 分 佈 影 響 而 有 差 異, 越 早 累 加 到 一 的 累 積 概 率 分 佈, 表 示 較 低 的 值 出 現 次 數 較 多 ; 越 晚 累 加 到 一 的 累 積 概 率 分 佈, 表 示 較 高 的 值 出 現 次 數 較 多, 所 以 反 應 比 較 緩 慢 圖 -38 為 JWD 各 站 降 水 積 分 參 數 的 出 現 概 率 分 布 與 累 積 概 率 34

53 分 佈 這 裡 的 降 水 區 分 參 數 代 表 整 場 降 雨 的 DSD 變 化 形 狀 參 數 μ 顯 示, 翡 翠 站 低 μ 值 出 現 次 數 最 為 頻 繁, 而 高 μ 值 則 較 常 出 現 在 霞 雲 站, 表 示 翡 翠 站 較 常 出 現 接 近 指 數 分 佈 的 DSD, 而 霞 雲 站 變 動 較 大, 除 了 偶 爾 會 出 現 接 近 指 數 分 佈 的 DSD, 更 常 出 現 具 有 明 顯 下 凹 特 徵 的 DSD 液 態 水 含 量 LWC 的 分 佈 除 了 中 央 站 以 外 都 表 現 相 似, 中 央 站 的 液 態 水 含 量 有 兩 個 極 值 出 現, 且 最 大 的 極 值 出 現 頻 率 比 其 他 站 高, 顯 示 中 央 站 強 降 水 發 生 的 頻 率 不 低 標 準 化 截 距 參 數 N w 的 分 佈 特 性 上, 四 站 的 表 現 皆 非 常 類 似 翡 翠 和 南 港 站 的 斜 率 參 數 Λ 分 佈 較 為 一 致, 霞 雲 站 的 Λ 值 平 均 來 說 較 高, 但 是 累 積 概 率 分 佈 表 現 趨 勢 和 翡 翠 南 港 類 似 中 央 站 的 累 積 概 率 分 佈 出 現 緩 區 點, 對 應 概 率 分 佈 有 兩 個 極 值 出 現, 顯 示 中 央 站 在 斜 率 變 化 上 有 明 顯 的 轉 變 存 在 類 似 的 情 況 也 發 生 在 中 值 體 積 粒 徑 D 0 以 及 均 值 體 積 粒 徑 Dm 的 分 佈 上, 翡 翠 南 港 霞 雲 站 的 表 現 非 常 相 似, 但 是 中 央 站 除 了 在 0.8mm 左 右 出 現 高 值, 另 外 在 2.3mm 左 右 也 出 現 另 一 個 高 值, 顯 示 中 央 站 資 料 記 錄 了 差 異 非 常 明 顯 的 弱 降 水 特 徵 和 強 降 水 特 徵 為 了 分 析 層 狀 降 水 和 對 流 降 水 的 特 性, 根 據 Bringi et al. (2003) 的 分 類 方 法, 分 析 均 質 粒 徑 D m (mm) 和 標 準 化 截 距 參 數 N w (m -3 mm -1 ) 的 分 佈, 如 圖 4-39 圖 中 明 顯 看 到 層 狀 降 水 的 分 佈 與 Bringi (2003) 的 斜 線 趨 勢 一 致, 且 小 雨 滴 的 N w 分 佈 較 為 集 中, 隨 著 粒 徑 增 加 N w 散 布 的 範 圍 越 廣 ; 對 流 降 水 的 資 料 點 分 佈 則 散 布 於 兩 個 對 流 降 水 區 域 之 間,N w 的 範 圍 較 窄,D m 的 範 圍 降 廣, 顯 示 對 流 降 水 的 雨 滴 數 量 變 動 較 少, 但 是 均 質 粒 徑 變 動 較 大 將 資 料 取 平 均 後 打 點, 層 狀 降 水 和 對 流 降 水 分 佈 如 圖 4-40 和 圖 4-41 圖 4-40 中 顯 示 JWD 四 站 的 平 均 層 狀 降 水 幾 乎 分 佈 在 斜 直 線 上, 依 照 前 面 介 紹 的 層 狀 降 水 特 性, 此 時 的 雷 達 回 波 的 亮 帶 特 徵 並 不 明 顯, 代 表 有 體 積 較 小 且 結 實 的 霰 ( 又 稱 軟 雹 )(graupel) 和 凇 雪 粒 子 (rimed snow particles) 融 化, 因 此 會 有 較 大 的 N w 值 和 較 小 的 D m 值 對 應 圖 4-24 圖 4-25 圖 4-26 的 雷 達 回 波, 亮 帶 特 徵 確 實 在 本 個 案 中 並 不 明 顯 圖 4-41 為 平 均 對 流 降 水 分 佈, 可 以 看 到 JWD 四 站 的 打 點 都 落 在 海 洋 性 和 大 陸 姓 降 水 之 間, 換 句 話 說, 本 個 案 比 大 陸 性 降 水 擁 有 較 大 的 N w 值 和 較 小 D m 值, 也 比 海 洋 性 降 水 擁 有 較 小 N w 35

54 值 和 較 大 的 D m 值, 表 示 本 個 案 的 對 流 降 水 並 沒 有 明 顯 的 海 洋 性 或 大 陸 性 特 徵 在 前 面 第 二 部 分 的 分 析 中, 已 經 得 知 中 央 站 Z-R 關 係 式 的 降 雨 估 計 表 現 不 佳, 主 要 原 因 是 來 自 Parsivel 和 JWD 的 降 雨 率 比 真 實 降 雨 情 況 低 但 是 經 由 前 面 第 三 部 分 的 分 析 比 較, 顯 示 三 個 JWD 外 站 的 降 雨 率 並 沒 有 明 顯 低 估 的 問 題, 推 測 Z-R 關 係 式 可 能 會 有 比 較 好 的 降 雨 估 計 表 現, 為 了 證 實 這 樣 的 推 論, 下 面 的 分 析 也 將 中 央 站 的 JWD 一 起 納 入 討 論, 但 是 中 央 站 的 資 料 時 間 與 其 他 JWD 三 站 的 時 間 並 不 相 同, 且 為 了 配 合 五 分 山 雷 達 的 掃 描 策 略, 所 以 分 析 的 資 料 時 刻 皆 是 以 雷 達 資 料 的 時 間 為 主 ( 約 五 分 多 鐘 一 筆 ) 同 時 為 了 減 少 空 間 上 的 水 平 誤 差, 雷 達 回 波 都 有 經 過 0.25 公 里 附 近 的 九 點 平 均 處 理 除 此 之 外, 由 於 最 低 的 雷 達 波 束 在 中 央 站 上 方 約 1.75 公 里 高, 所 以 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 的 雷 達 回 波 分 析 都 以 1.75 公 里 高 度 為 準 首 先 是 JWD 利 用 公 式 (26) 將 降 雨 率 換 算 成 回 波 強 度, 結 果 如 圖 4-42 所 示 為 了 清 楚 表 現 降 雨 率 和 回 波 強 度 之 間 的 變 化 關 係, 因 此 以 打 點 方 式 呈 現 ( 圖 4-43), 從 圖 中 可 以 看 到 回 波 和 降 雨 率 並 不 是 單 純 一 對 一 的 關 係, 當 回 波 小 於 20dBZ, 對 應 到 的 降 雨 率 幾 乎 在 2mm/hr 以 下 ; 但 是 隨 著 回 波 增 強, 對 應 的 降 雨 率 範 圍 越 來 越 大, 以 回 波 強 度 50dBZ 為 例, 對 應 的 降 雨 率 範 圍 甚 至 從 50 至 90mm/hr, 表 示 回 波 越 強 其 估 計 的 降 水 變 動 程 度 越 大, 因 此 更 加 突 顯 降 水 估 計 的 困 難 性 圖 4-44 為 JWD 四 站 換 算 的 回 波 強 度 與 上 空 五 分 山 雷 達 回 波 強 度 的 時 序 變 化, 從 圖 中 可 以 看 到 五 分 山 雷 達 回 波 有 稍 微 低 估 的 情 況, 但 是 大 致 上 四 站 的 回 波 值 都 非 常 相 似 除 此 之 外, 也 可 以 看 到 JWD 在 某 些 時 刻 並 沒 有 資 料, 表 示 這 段 時 間 並 沒 有 降 雨 發 生, 但 是 對 應 的 雷 達 回 波 卻 不 一 定 為 零, 表 示 空 中 仍 然 有 水 象 粒 子 存 在, 只 是 重 量 不 足 以 形 成 雨 滴 掉 落 至 地 面 圖 4-45 顯 示 Z-R 關 係 式 中 A B 參 數 的 時 序 變 化, 可 以 看 到 除 了 極 少 數 的 時 刻 有 較 大 的 變 動, 大 部 分 的 時 間 A B 參 數 都 在 一 定 的 範 圍 內 震 盪 經 過 測 試, JWD 換 算 的 回 波 帶 入 各 自 的 A B 參 數 所 得 到 的 降 雨 率 與 原 始 觀 測 降 雨 率 相 符, 36

55 因 此 確 認 Z-R 關 係 式 可 以 真 實 反 映 回 波 和 降 雨 率 的 換 算 關 係 根 據 A B 參 數 變 化 以 及 張 (2002) 許 (2005) 的 雷 達 回 波 修 正 研 究, 本 研 究 針 對 Z-R 關 係 式 提 出 三 組 測 試 實 驗 : 第 一 組 使 用 A B 參 數 的 平 均 值 ( 各 站 的 A B 參 數 平 均 值 參 見 表 4-1), 並 帶 入 原 始 的 雷 達 回 波 值 ; 第 二 組 同 樣 使 用 A B 參 數 的 平 均 值, 但 是 回 波 有 加 3dBZ 的 修 正 ; 第 三 組 則 是 在 不 同 時 刻 分 別 帶 入 各 自 的 A B 參 數, 但 是 雷 達 回 波 值 並 不 修 正 經 由 這 三 組 實 驗 希 望 能 夠 更 了 解 Z-R 關 係 式 的 降 水 估 計 表 現 由 於 A B 參 數 是 利 用 DSD 相 關 參 數 帶 入 公 式 (27) 和 公 式 (28) 計 算 得 到, 所 以 當 降 雨 率 為 零 時 並 沒 有 A B 參 數, 為 了 配 合 第 三 組 實 驗 的 測 試, 下 面 的 分 析 都 是 以 有 降 水 發 生 的 資 料 去 比 較 圖 4-46 為 翡 翠 站 的 雨 量 估 計 時 序 變 化, 從 圖 中 可 以 看 到 不 同 時 刻 下 的 瞬 時 降 雨 率 變 動 很 大 圖 4-47 為 整 場 降 水 中 的 降 雨 估 計 打 點 分 布 斜 直 線 為 1 比 1 的 分 布 值, 打 點 越 接 近 直 線 代 表 兩 個 降 雨 率 表 現 越 相 似 圖 上 的 數 字 是 利 用 公 式 (31) 和 公 式 (32) 計 算 的 偏 差 量 和 絕 對 偏 差 量, 假 設 JWD 的 降 雨 率 是 實 際 值, 則 經 由 偏 差 量 和 絕 對 偏 差 量 的 計 算 可 以 顯 示 出 雷 達 經 由 Z-R 關 係 式 估 計 的 降 雨 量 偏 差 情 況 根 據 圖 4-47 的 比 較 結 果, 顯 示 原 始 雷 達 估 計 的 降 雨 率 平 均 約 低 估 8mm, 但 是 如 果 有 經 過 3dBZ 的 修 正, 雖 然 絕 對 偏 差 量 高 達 15mm, 表 示 瞬 時 降 雨 率 估 計 的 變 動 程 度 很 大, 但 是 整 體 的 平 均 降 雨 率 卻 幾 乎 和 JWD 觀 測 一 致 即 使 使 用 各 自 的 A B 參 數 來 估 算 降 雨 率, 但 表 現 仍 然 沒 有 經 過 回 波 修 正 的 降 雨 率 估 計 來 的 佳 圖 4-48 和 圖 4-49 為 南 港 站 的 降 雨 率 估 計 時 序 變 化 和 比 較 使 用 原 始 回 波 估 計 的 降 雨 率 同 樣 平 均 低 估 約 6.5mm, 但 是 使 用 修 正 後 的 回 波 估 計 的 降 雨 率 卻 只 高 估 約 3mm 使 用 各 自 的 A B 參 數 來 估 算 降 雨 率 同 樣 也 有 低 估 的 情 況 發 生 圖 4-50 和 圖 4-51 為 霞 雲 站 的 比 較 同 樣 使 用 原 始 回 波 的 降 雨 率 估 計, 無 論 A B 參 數 是 使 用 平 均 值 還 是 原 始 值, 其 降 雨 率 皆 有 低 估 的 情 況 出 現 經 過 回 波 修 正 的 降 雨 率 雖 然 同 樣 有 變 動 很 大 ( 絕 對 偏 差 量 為 13mm) 的 情 形, 但 是 平 均 偏 差 量 卻 非 常 低, 顯 示 平 均 估 計 的 降 雨 率 和 JWD 的 觀 測 極 為 接 近 37

56 根 據 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 的 分 析 比 較 指 出, 雷 達 回 波 經 過 加 3dBZ 的 修 正, 其 Z-R 關 係 式 在 降 水 估 計 上 的 表 現 最 佳, 但 是 估 計 的 降 水 變 動 程 度 很 大, 顯 示 在 某 一 時 刻 下 的 降 水 估 計 準 確 度 並 不 高, 但 是 對 於 累 積 雨 量 的 估 計, 應 該 會 有 不 錯 的 估 計 結 果 圖 4-52 和 圖 4-53 的 中 央 站 降 雨 率 估 計 表 現 就 和 另 外 三 站 不 同, 無 論 使 用 哪 一 種 回 波 估 計 的 降 雨 率 都 是 高 估, 特 別 是 回 波 修 正 後 的 降 雨 率 甚 至 會 平 均 高 估 24mm 圖 4-53 的 打 點 分 佈 明 顯 看 到 分 成 兩 大 區 塊, 一 區 集 中 在 零 值 附 近, 另 一 區 明 顯 看 到 雷 達 估 計 的 降 雨 率 都 是 落 在 偏 高 的 區 域 中, 顯 示 當 強 降 水 發 生 的 時 候, 雷 達 回 波 估 計 的 降 雨 率 幾 乎 比 JWD 觀 測 的 降 雨 率 高, 但 是 弱 降 水 情 況 下 的 降 水 估 計 差 異 並 沒 有 很 明 顯 前 面 第 二 部 分 的 分 析 已 經 發 現 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率, 在 本 個 案 的 強 降 水 情 況 下 都 有 嚴 重 低 估 的 情 況 出 現 相 較 之 下, 翡 翠 南 港 和 霞 雲 JWD 三 站 的 降 雨 率 估 計 表 現 都 不 錯, 但 畢 竟 這 三 站 的 降 水 強 度 都 沒 有 中 央 站 來 的 高, 且 雨 滴 譜 儀 的 雨 量 觀 測 結 果 也 和 實 際 情 況 接 近, 顯 示 Z-R 關 係 式 在 降 水 估 計 上 的 表 現 會 受 到 雨 滴 譜 儀 觀 測 結 果 的 影 響 Z-R 關 係 式 除 了 會 受 到 地 面 雨 滴 譜 儀 觀 測 結 果 影 響 之 外, 雷 達 回 波 在 強 降 水 情 況 下 的 衰 減 程 度 也 會 影 響 Z-R 關 係 式 的 表 現 波 長 越 短 的 雷 達 衰 減 程 度 越 大, 所 以 前 面 Z-R 關 係 式 我 們 使 用 的 是 S 波 段 的 五 分 山 雷 達 資 料, 以 增 加 降 水 估 計 的 準 確 度 中 央 大 學 的 C-POL 雷 達 回 波 雖 然 衰 減 程 度 較 大, 但 是 電 磁 波 在 傳 遞 的 過 程 中 其 相 位 並 不 會 隨 距 離 增 加 而 產 生 衰 減, 所 以 偏 極 化 的 設 計 可 以 提 供 比 差 異 相 位 差 的 資 料 和 降 雨 率 R 之 間 的 分 布 關 係 如 圖 4-54 和 圖 4-55 所 示, 由 圖 可 見 和 log 10 (R) 大 致 呈 現 指 數 關 係, 因 此 可 以 用 於 降 水 估 計 關 係 式 的 計 算 參 考 紀 (2005) 的 方 法 和 公 式 (5.8) 和 公 式 (5.9) ( 偏 極 化 雷 達 相 關 資 料 計 算 由 中 央 大 學 雷 達 實 驗 室 提 供 ), 針 對 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 做 降 水 估 計 翡 翠 站 的 降 水 估 計 時 序 變 化 如 圖 4-56 所 示, 為 了 更 加 清 楚 降 水 的 估 計 誤 差, 所 以 同 樣 採 用 公 式 (31) 和 公 式 (32) 來 計 算 偏 差 量 和 絕 對 偏 差 量, 並 和 翡 翠 站 JWD 觀 測 得 雨 量 做 比 較, 打 點 散 布 情 況 如 圖 4-57, 圖 中 斜 值 線 為 1:1 的 分 布 值, 打 點 越 接 近 斜 值 線 代 表 雷 達 的 降 水 估 計 和 JWD 的 雨 量 觀 測 越 接 近 圖 4-57 中 顯 38

57 示 翡 翠 站 的 降 水 平 均 低 估 約 1.6mm, 而 絕 對 偏 差 量 約 為 9.4mm, 表 示 雷 達 估 計 的 總 降 雨 量 只 有 些 微 低 估, 但 是 在 整 個 個 案 期 間 的 降 水 估 計 時 高 時 低 類 似 的 結 果 也 出 現 在 圖 4-58 和 圖 4-59 的 南 港 站, 以 及 圖 4-60 和 圖 4-61 的 霞 雲 站 南 港 站 的 降 水 平 均 低 估 約 1mm, 絕 對 偏 差 量 約 為 7.6mm; 霞 雲 站 的 降 水 平 均 低 估 1.2mm, 絕 對 偏 差 量 約 為 5.7mm 雖 然 從 整 體 雨 量 偏 差 量 的 計 算 來 看, 利 用 C-Pol 雷 達 進 行 關 係 式 的 降 水 估 計 看 似 不 錯, 但 是 從 雨 量 時 序 圖 ( 圖 4-56 圖 4-58 和 圖 4-60) 可 以 看 到 雨 量 估 計 和 實 際 雨 量 在 即 時 的 偏 差 變 化 非 常 明 顯 相 同 的 情 況 在 前 面 利 用 Z-R 關 係 式 進 行 降 水 估 計 的 時 序 圖 ( 圖 4-46 圖 4-48 和 圖 4-50) 也 有 出 現 顯 示 在 即 時 的 作 業 上, 利 用 雷 達 做 定 量 降 水 估 計, 還 是 有 一 定 的 挑 戰 和 困 難 度 需 要 克 服 39

58 五 結 論 與 未 來 展 望 5-1 結 論 本 研 究 依 據 資 料 成 功 蒐 集 的 時 間 分 成 三 個 部 分 來 進 行 討 論 : 第 一 部 分 為 6 月 11 日 21:00~22:17(LST), 分 析 對 象 為 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 JWD Parsivel 以 及 2DVD 第 二 部 分 為 6 月 11 日 22:07~23:06(LST), 分 析 對 象 是 位 於 中 央 大 學 觀 測 坪 的 JWD 和 Parsivel 第 三 部 分 為 6 月 11 日 00:00(LST) 至 6 月 12 日 23:59(LST), 分 析 對 象 為 分 布 於 翡 翠 南 港 霞 雲 的 JWD 下 面 分 別 根 據 這 三 部 分 的 分 析 結 果 做 個 結 論 弱 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 根 據 平 均 雨 滴 濃 度 比 較, 當 粒 徑 小 於 1mm,2DVD Parsivel 和 JWD 在 小 雨 滴 濃 度 表 現 差 異 很 大 2DVD 的 小 雨 滴 濃 度 相 對 最 高 ;JWD 次 之 ;Parsivel 則 有 嚴 重 低 估 的 情 況 2DVD 的 表 現 是 由 於 觀 測 誤 差 所 致,JWD 則 是 因 為 環 境 的 背 景 雜 訊 造 成 ; 即 使 已 經 經 過 落 速 QC 的 處 理,Parsivel 還 是 由 於 小 雨 滴 落 速 偏 快, 導 致 換 算 的 雨 滴 濃 度 相 對 低 估 很 多 中 大 雨 滴 濃 度 部 分,2DVD 和 Parsivel 的 表 現 較 為 一 致, 然 而 JWD 表 現 較 低 累 積 雨 量 的 部 分, 為 了 比 較 實 際 雨 量 的 變 化, 因 此 和 中 央 觀 測 站 的 10 米 塔 傾 斗 式 雨 量 計 做 比 較 根 據 分 析 結 果 顯 示, 雖 然 傾 斗 式 雨 量 計 在 弱 降 水 情 況 下 反 應 會 稍 微 延 遲, 但 是 這 樣 的 情 況 會 隨 著 時 間 尺 度 增 加 而 消 失 除 此 之 外, 三 台 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 估 算 表 現 都 和 雨 量 計 非 常 相 似, 仔 細 比 較 累 積 雨 量 表 現,2DVD 的 雨 量 相 對 較 多 ;Parsivel 次 之 ;JWD 最 低 累 積 雨 量 的 差 異 只 有 1mm 左 右, 換 句 話 說, 這 三 台 雨 滴 譜 儀 在 強 降 水 發 生 之 前, 觀 測 的 表 現 幾 乎 一 致, 也 確 定 最 40

59 強 降 水 發 生 之 前, 這 三 台 雨 滴 譜 儀 都 有 正 常 運 作 強 降 水 時 期 ( 中 央 站 ) 分 析 平 均 雨 滴 濃 度 的 分 布 情 況, 發 現 Parsivel 和 JWD 在 這 段 時 間 的 表 現 非 常 不 同 在 小 雨 滴 濃 度 的 部 分,Parsivel 表 現 較 高, 然 而 JWD 明 顯 較 低 ; 在 大 雨 滴 濃 度 的 部 分,Parsivel 除 了 濃 度 較 高, 觀 測 到 的 雨 滴 粒 徑 甚 至 超 過 8mm, JWD 的 濃 度 則 相 對 低 估 許 多, 且 在 最 後 一 個 粒 徑 區 間 (5.14mm) 的 雨 滴 數 量 紀 錄 皆 為 零 根 據 五 分 鐘 平 均 雨 滴 濃 度 分 布 比 較, 發 現 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 低 估 主 要 是 由 於 Dead Time 效 應 造 成, 且 Dead Time 效 應 會 隨 著 雨 勢 增 強 而 越 加 明 顯 由 於 JWD 的 最 後 一 個 粒 徑 資 料 顯 示 為 零, 表 示 沒 有 觀 測 到 粒 徑 大 於 5.14mm 的 雨 滴, 因 此 認 為 Parsivel 不 尋 常 的 大 雨 滴 資 料 為 儀 器 觀 測 原 理 限 制 所 導 致 的 觀 測 誤 差 雖 然 DSD 分 布 差 異 非 常 明 顯, 但 是 Parsivel 和 JWD 的 累 計 雨 量 分 別 為 55.18mm 53.79mm, 和 10 米 塔 傾 斗 式 雨 量 計 的 76.5mm, 明 顯 雨 量 低 估 很 多 為 了 確 認 雨 滴 譜 儀 有 確 實 反 應 真 實 的 降 水 情 況, 因 此 和 五 分 山 雷 達 回 波 做 比 較, 在 22:20(LST) 左 右 有 最 強 降 水 發 生, 對 應 此 時 的 DSD 變 化,Parsivel 的 降 雨 率 有 抓 到 最 強 降 水 出 現 的 表 現, 然 而 JWD 卻 完 全 沒 有 抓 到 Parsivel 的 雨 量 之 所 以 會 明 顯 變 高, 很 有 可 能 是 觀 測 到 的 異 常 大 雨 滴 所 造 成 本 研 究 使 用 10mm/hr 當 作 區 分 降 水 類 型 的 門 檻 值, 大 於 10mm/hr 以 上 的 降 水 為 對 流 降 水, 反 之 則 為 層 狀 降 水 為 了 瞭 解 本 個 案 的 降 水 特 徵, 利 用 Bringi et al. (2003) 的 降 水 類 型 分 類 方 法 來 分 析 降 水 分 類 結 果 由 於 此 部 分 的 觀 測 時 間 都 是 強 降 水 的 情 況, 所 以 只 分 析 對 流 降 水 的 結 果 根 據 均 質 粒 徑 Dm 和 標 準 化 截 距 參 數 Nw 的 資 料 分 布 情 況, 發 現 本 個 案 的 對 流 降 水 特 徵 是 介 於 海 洋 性 降 水 和 大 陸 性 降 水 之 間 41

60 5-1-3 完 整 個 案 時 期 ( 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 ) 經 由 雨 量 的 表 現 比 較, 發 現 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 的 JWD 雨 量 估 計 和 局 屬 自 動 測 站 的 雨 量 相 當, 顯 示 這 三 站 的 雨 量 估 計 表 現 與 實 際 情 況 相 符 利 用 五 分 山 S 波 段 雷 達 和 中 央 C-Pol 雷 達 資 料 和 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 率 和 DSD 變 化 比 較, 確 認 雨 滴 譜 儀 確 實 都 有 反 應 出 系 統 通 過 的 情 況 雖 然 C-Pol 雷 達 的 回 波 衰 減 較 為 嚴 重, 但 是 經 由 雨 滴 譜 儀 正 上 方 的 雙 偏 極 化 參 數 差 異 反 射 率 Z DR 和 相 關 係 數 ρ HV 表 現, 可 以 提 供 降 水 的 物 理 過 程 分 析 資 訊 根 據 分 析 結 果 顯 示, 翡 翠 站 的 最 強 降 雨 出 現 在 12 日 的 早 上 8 時 (LST) 至 12 時 (LST), 這 期 間 的 降 水 都 是 明 顯 的 水 象 粒 子 碰 撞 結 合 所 形 成 然 而 在 12 日 凌 晨 的 降 水, 可 能 是 由 剛 融 化 的 小 冰 晶 所 形 成 南 港 站 的 水 象 粒 子 分 布 更 為 均 勻, 顯 示 雨 滴 的 碰 撞 結 合 表 現 更 為 明 顯, 且 強 回 波 的 持 續 時 間 也 較 翡 翠 站 長 霞 雲 站 的 JWD 表 現 明 顯 與 另 外 兩 站 不 同, 小 雨 滴 濃 度 部 分 都 有 明 顯 低 估 的 情 況, 這 樣 的 特 徵 在 前 人 研 究 中 都 有 出 現, 可 能 是 地 形 作 用 特 別 顯 著, 造 成 降 水 特 徵 與 另 外 兩 站 不 同, 此 外, 霞 雲 站 的 降 水 主 要 分 成 兩 大 波, 這 兩 波 降 水 明 顯 是 水 象 粒 子 間 的 碰 撞 合 併 作 用, 但 是 雨 滴 形 狀 相 較 另 外 兩 站 呈 現 較 圓 的 特 徵 比 較 平 均 DSD 的 情 況, 四 站 JWD 的 表 現 大 致 相 似, 但 是 細 看 之 下 會 發 現 霞 雲 站 的 小 雨 滴 濃 度 表 現 相 對 最 低, 中 央 站 量 測 到 的 最 大 雨 滴 粒 徑 比 其 他 站 來 的 小 進 一 步 分 析 不 同 降 雨 率 區 間 的 DSD, 降 雨 率 小 於 1mm/hr 和 介 於 1~5mm/hr 之 間 的 DSD, 雨 滴 濃 度 明 顯 有 上 升 的 變 化, 當 降 雨 率 從 10~20mm/hr 轉 變 成 20~30mm/hr, 中 小 雨 滴 濃 度 也 有 一 個 增 加 的 特 徵 出 現, 顯 示 雨 滴 之 間 的 碰 撞 合 併 過 程 隨 降 雨 率 增 加 而 逐 漸 明 顯 將 四 站 相 同 降 雨 率 區 間 的 平 均 雨 滴 濃 度 變 化 一 起 比 較, 發 現 當 降 雨 率 大 於 1mm/hr 以 上 的 DSD, 中 央 站 觀 測 到 的 最 大 粒 徑 都 比 其 他 三 站 小, 但 是 中 央 站 的 中 大 雨 滴 濃 度 都 比 其 他 站 高 翡 翠 站 和 南 港 站 的 分 布 非 常 相 似 霞 雲 站 在 降 雨 率 小 於 5mm/hr 時, 小 雨 滴 濃 度 都 比 其 他 三 站 高, 但 是 當 降 雨 率 更 高 時, 小 雨 滴 濃 度 嚴 重 偏 低, 主 要 是 受 到 地 形 影 響, 造 成 當 地 降 水 42

61 特 徵 與 其 他 站 不 同 經 由 不 同 的 降 雨 率 區 間 DSD 比 較, 發 現 DSD 的 變 動 程 度 相 當 高, 如 果 只 單 純 從 平 均 DSD 去 分 析, 不 同 地 區 的 降 水 差 異 可 能 就 容 易 被 忽 略 利 用 10mm/hr 的 降 雨 率 門 檻 區 分 降 水 類 型, 四 站 的 層 狀 降 水 DSD 除 了 中 央 站 濃 度 稍 低 之 外, 其 他 三 站 表 現 都 非 常 相 似 對 流 降 水 的 DSD 差 異 較 為 明 顯, 翡 翠 和 南 港 站 的 分 布 較 一 致, 中 央 站 的 小 雨 滴 濃 度 偏 低, 但 是 中 大 雨 滴 濃 度 都 明 顯 偏 高, 霞 雲 站 的 DSD 表 現 差 異 最 為 明 顯, 粒 徑 約 2.8mm 一 下 的 濃 度 都 有 顯 著 偏 低 的 特 徵 比 較 降 水 積 分 參 數 的 出 現 概 率 分 佈 範 圍, 對 流 降 水 的 中 值 體 積 粒 徑 D 0 和 均 值 粒 徑 D m 值 較 高, 層 狀 降 水 的 值 較 低, 表 示 對 流 降 水 的 平 均 粒 徑 比 層 狀 高 在 形 狀 參 數 μ 的 比 較 中, 霞 雲 站 的 對 流 降 水 分 布 範 圍 較 廣 且 值 也 較 大, 中 央 站 則 是 最 小, 表 示 霞 雲 站 的 DSD 明 顯 有 向 下 凹 的 特 徵 出 現, 中 央 站 由 於 中 大 雨 滴 濃 度 同 時 增 多, 所 以 下 凹 的 情 況 只 有 在 降 雨 率 大 於 30mm/hr 以 上 才 出 現 斜 率 參 數 Λ 的 比 較 中, 翡 翠 南 港 和 霞 雲 站 的 表 現 較 為 相 似, 中 央 站 的 對 流 降 水 分 布 較 窄 且 值 也 較 小, 顯 示 中 央 站 的 DSD 容 易 往 大 雨 滴 方 向 延 伸, 也 代 表 中 央 站 的 中 大 雨 滴 濃 度 都 比 其 他 站 高 由 於 截 距 參 數 N 0 會 受 到 μ 值 影 響, 造 成 分 析 上 較 不 客 觀, 因 此 使 用 標 準 化 截 距 參 數 N w 來 比 較, 發 現 四 站 的 對 流 降 降 水 分 布 範 圍 較 集 中 且 值 都 偏 高, 表 示 對 流 降 水 的 雨 滴 數 量 變 動 不 大, 但 是 總 量 都 有 偏 大 的 情 形 ; 相 較 之 下 層 狀 分 布 較 廣, 表 示 雨 滴 數 量 的 變 動 程 度 較 大 累 積 概 率 分 佈 為 概 率 分 佈 的 累 加, 表 示 出 現 頻 率 的 比 例, 因 此 可 以 了 解 每 個 降 水 積 分 參 數 在 整 個 個 案 期 間 中 的 出 現 情 況 在 形 狀 參 數 μ 的 比 較 中, 顯 示 翡 翠 站 最 不 常 出 現 小 雨 滴 濃 度 下 凹 的 特 徵, 而 霞 雲 站 則 是 最 常 有 此 特 徵 出 現 液 態 水 含 量 LWC 方 面 的 比 較, 顯 示 霞 雲 的 雨 量 沒 有 其 他 站 高, 而 中 央 站 則 有 兩 波 高 值 出 現, 且 高 雨 量 的 出 現 比 例 比 其 他 站 多 四 站 的 標 準 化 截 距 參 數 N w 表 現 相 似 斜 率 參 數 Λ 值 的 部 分, 霞 雲 站 中 小 雨 滴 濃 度 偏 多 的 情 況 較 常 出 現, 其 他 站 則 是 濃 度 較 常 往 大 雨 滴 方 向 抬 升 除 了 中 央 站 在 中 值 體 積 粒 徑 D 0 和 均 值 粒 徑 D m 值 有 兩 個 峰 值, 表 示 中 央 站 有 明 顯 的 強 弱 降 水 差 異, 其 他 站 的 雨 滴 粒 徑 大 小 表 現 相 43

62 當 接 著 利 用 Bringi et al. (2003) 的 方 法 做 本 個 案 的 降 水 特 徵 分 析, 結 果 顯 示 層 狀 降 水 在 D m 較 小 的 情 況 下, 對 應 的 N w 值 較 高 且 分 布 情 況 較 為 集 中, 但 是 當 N w 較 小 時,D m 的 分 布 範 圍 表 現 較 廣, 且 平 均 值 能 夠 順 利 擬 合 在 Bringi et al. 提 出 的 層 狀 分 布 斜 直 線 上 根 據 分 布 的 位 置 可 以 得 知, 此 時 的 雷 達 回 波 的 亮 帶 特 徵 並 不 明 顯, 代 表 有 體 積 較 小 且 結 實 的 霰 和 凇 雪 粒 子 融 化, 所 以 此 時 的 層 狀 降 水 有 較 大 的 N w 值 和 較 小 的 D m 值 對 流 降 水 則 散 佈 在 海 洋 性 和 大 陸 性 降 水 之 間, 且 N w 值 的 範 圍 較 小,D m 反 而 有 較 大 的 差 異, 因 此 無 法 順 利 區 分 此 個 案 的 對 流 降 水 類 型 可 能 是 由 於 鋒 面 系 統 是 從 陸 上 東 移 出 海, 遇 到 海 上 西 南 氣 流 帶 來 的 水 氣, 兩 種 性 質 相 反 的 系 統 會 合, 導 致 本 個 案 出 現 混 合 型 的 對 流 降 水 特 徵 最 後 利 用 Z-R 關 係 式 來 比 較 雷 達 和 雨 滴 譜 儀 的 降 雨 估 計 表 現 五 分 山 雷 達 回 波 經 過 修 正 後, 分 別 帶 入 不 同 雨 滴 譜 儀 的 Z-R 關 係 式 來 估 算 降 雨 率 根 據 結 果 顯 示, 中 央 站 的 降 雨 估 計 表 現 和 翡 翠 南 港 及 霞 雲 站 明 顯 不 同 中 央 站 JWD 和 Parsivel 的 雨 滴 濃 度 分 布 差 異 非 常 明 顯, 但 由 於 降 雨 量 的 值 大 致 上 非 常 相 似 ( 除 了 最 強 降 水 發 生 期 間 ), 所 以 雷 達 回 波 分 別 代 入 這 兩 台 雨 滴 譜 儀 得 到 的 Z-R 關 係 式, 其 估 算 的 降 雨 率 表 現 都 非 常 接 近 但 是 降 雨 量 的 表 現 上, 五 分 山 雷 達 回 波 估 計 的 中 央 站 雨 量 幾 乎 都 比 雨 滴 譜 儀 的 觀 測 值 高, 然 而 其 他 JWD 三 站 的 估 計 雨 量 都 和 觀 測 值 相 當 接 近 早 期 一 般 使 用 雨 滴 譜 儀 的 Z-R 關 係 式 來 校 驗 雷 達 的 降 雨 率 估 算 表 現, 但 是 雷 達 回 波 在 強 降 水 的 情 況 下, 回 波 強 度 會 隨 電 磁 波 行 進 的 距 離 越 遠 而 衰 減 越 多, 因 此 在 本 研 究 中 是 使 用 S 波 段 的 五 分 山 雷 達 資 料 代 入 Z-R 關 係 式 做 降 水 估 計 依 據 分 析 比 較 的 結 果, 三 個 JWD 外 站 都 有 不 錯 的 降 雨 估 計 表 現, 特 別 是 五 分 山 雷 達 回 波 有 經 過 3dBZ 的 修 正 處 理, 雷 達 估 算 的 降 雨 率 都 和 雨 滴 譜 儀 觀 測 值 非 常 接 近 然 而 中 央 站 雨 滴 譜 儀 的 雨 量 卻 明 顯 比 實 際 值 低, 雷 達 的 雨 量 估 計 反 而 較 接 近 真 實 情 況, 如 果 直 接 用 雨 滴 譜 儀 的 雨 量 去 做 修 正 中 央 站 的 雨 量 估 計, 反 而 會 造 成 反 效 果 而 使 雷 達 的 雨 量 估 計 表 現 更 差 因 此 在 使 用 雨 滴 譜 儀 校 驗 雷 達 時, 雨 滴 44

63 譜 儀 的 觀 測 表 現 應 該 先 經 過 測 試 才 能 確 保 校 驗 的 準 確 性 除 了 Z-R 關 係 式 的 降 水 估 計, 目 前 也 很 多 人 使 用 關 係 式 來 做 降 水 估 計, 主 要 是 因 為 雙 偏 極 化 的 設 計 且 電 磁 波 的 相 位 差 並 不 會 隨 距 離 增 加 而 衰 減, 所 以 可 以 使 用 在 中 央 大 學 雙 偏 極 化 C-Pol 雷 達 的 降 水 估 計 上 根 據 分 析 比 較 的 結 果, 三 個 JWD 外 站 的 降 雨 估 計 同 樣 也 有 不 錯 的 表 現, 且 不 需 要 另 外 做 回 波 的 修 正 但 是 從 降 水 估 計 時 序 變 化 圖 中 可 以 發 現, 無 論 是 使 用 Z-R 關 係 式 還 是 關 係 式, 雷 達 在 即 時 的 降 水 估 計 和 實 際 雨 量 相 比 偏 差 變 動 很 大, 顯 示 雷 達 估 計 降 水 在 即 時 的 作 業 上 的 定 量 降 水 估 計, 還 是 有 一 定 的 挑 戰 和 困 難 度 需 要 克 服 5-2 未 來 展 望 由 於 本 個 案 的 強 降 水 特 徵 非 常 明 顯, 因 此 非 常 值 得 深 入 研 究 其 降 水 變 化 特 別 是 中 壢 楊 梅 地 區 的 強 降 雨 發 生, 導 致 中 央 的 雨 滴 譜 儀 都 無 法 順 利 取 得 完 整 資 料 雖 然 本 研 究 已 經 做 了 雷 達 的 初 步 分 析, 未 來 可 以 利 用 中 大 C-Pol 雷 達 其 他 的 雷 達 參 數 去 分 析 此 個 案 的 降 水 特 性, 可 以 對 此 個 案 可 以 有 更 深 入 的 了 解 除 此 之 外, 在 研 究 的 過 程 中 曾 經 嘗 試 使 用 WRF 模 式 模 擬 此 個 案, 但 是 模 擬 表 現 不 太 理 想, 除 了 模 擬 的 降 雨 量 不 夠 多, 鋒 面 雨 帶 出 海 的 時 間 也 會 有 延 遲 的 表 現, 因 此 未 來 可 以 致 力 於 改 善 模 擬 結 果, 或 許 也 可 以 使 用 雷 達 資 料 同 化, 改 善 降 水 估 計 情 況, 以 達 到 定 量 降 水 預 報 的 目 標 45

64 參 考 文 獻 張 偉 裕,2002: 利 用 雨 滴 譜 儀 分 析 雨 滴 粒 徑 分 布 ( 納 莉 颱 風 個 案 ), 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,95 頁 林 位 總,2004: 利 用 二 維 雨 滴 譜 儀 研 究 雨 滴 譜 特 性, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,89 頁 紀 博 庭,2005 利 用 中 央 大 學 雙 偏 極 化 雷 達 資 料 反 求 雨 滴 粒 徑 分 佈 及 降 雨 率 法 的 研 究, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,70 頁 許 玉 金,2005: 台 灣 北 部 地 區 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性 與 降 雨 估 計 之 探 討, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,89 頁 簡 巧 菱,2006: 台 灣 北 部 地 區 不 同 季 節 以 及 不 同 降 水 型 態 的 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,119 頁 吳 舜 華,2006: 利 用 雨 滴 譜 儀 分 析 不 同 降 水 系 統 之 為 物 理 特 徵 研 究, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,100 頁 毛 又 玉,2007: 台 灣 北 部 地 區 層 狀 與 對 流 降 水 的 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,101 頁 陳 奕 如,2009: SoWMEX 實 驗 期 間 雨 滴 粒 徑 分 佈 特 性 之 研 究, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,99 頁 陳 姿 瑾,2009: 西 南 氣 流 實 驗 之 雨 滴 譜 分 析 研 究, 國 立 台 灣 大 學 碩 士 論 文, 87 頁 蔣 育 真,2010: 2009 年 台 灣 梅 雨 季 雨 滴 粒 徑 分 佈 特 性 之 比 較 研 究, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,107 頁 盧 又 嘉,2012: 颱 風 侵 台 期 間 雨 滴 粒 徑 之 觀 測 研 究, 國 立 中 央 大 學 碩 士 論 文,85 頁 游 政 谷 與 謝 佩 蓉,2013: 近 地 面 降 水 粒 子 落 速 之 觀 測 研 究 國 科 會 自 然 科 學 簡 訊,25,4-9 46

65 Atlas, D., and C W. Ulbrich, 1977:Path-and area-integrated rainfall measurement by microwave attenuation in the 1-3cm band. J. Appl.Meteor., 16, Beard, K. V., D. B. Johnson, and D. Baumgardner, 1986: Aircraft observations of large 741 raindrops in warm, shallow, convective clouds. Geophys. Resea. Lett., 13, Brandes, E., G. Zhang, and J. Vivekanandan, 2002: An evaluation of a drop distribution-based polarimetric radar rainfall estimator. Journal of Applied Meteorology, 42, Bringi, V. N., V. Chandrasekar, J. Hubbert, E. Gorgucci, W. L. Randeu, M. Schoenhuber, 2003: Raindrop Size Distribution in Different Climatic egimes from Disdrometer and Dual-Polarized Radar Analysis. J. Atmos. ci., 60, Chang, Wei-Yu, Tai-Chi Chen Wang, Pay-Liam Lin, 2009: Characteristics of the Raindrop Size Distribution and Drop Shape Relation in Typhoon Systems in the Western Pacific from the 2D Video Disdrometer and NCU C-Band Polarimetric Radar. J. Atmos. Oceanic Technol., 26, Churchill, D. D., and R. A. Houze, Jr., 1984: Development and structure of winter monsoon cloud clusters on 10 December J. Atmos. Sci., 41, Feingold, Graham, and Zev Levin, 1986: The Lognormal Fit to Raindrop Spectra from Frontal Convective Clouds in Israel. J. Climate Appl. Meteor., 25, Gamache, J. F., and R. A. Houze, Jr., 1982: Mesoscale air motions associated with a tropical squall line. Mon. Wea. Rev., 110, Gunn, R. and G. D. Kinzer, 1949:The terminal velocity of fall for droplets in 47

66 stagnant air. J. Meter., 6, Houze, R. A., Jr., 1997: Stratiform precipitation in regions of convection: A meteorological paradox? Bull. Amer. Meteor. Soc., 78, Kozu, Toshiaki, and Kenji Nakamura, 1991: Rainfall Parameter Estimation from Dual-Radar Measurements Combining Reflectivity Profile and Path-integrated Attenuation. J. Atmos. Oceanic Technol., 8, Marshall, J. S. and Palmer, W. M. K., 1948: The distribution of raindrops with size, J. Meteor., 5, Sauvageot, H., and J. P. Lacaux, 1995:The Shape of Averaged Drop Size Distributions. J. Atmos. Sci., 52, Testud, Jacques, Stéphane Oury, Robert A. Black, Paul Amayenc, Xiankang Dou, 2001: The Concept of Normalized Distribution to Describe Raindrop Spectra: A Tool for Cloud Physics and Cloud Remote Sensing. J. Appl. Meteor., 40, Tokay, Ali, and David A. Short, 1996: Evidence from Tropical Raindrop Spectra of the Origin of Rain from Stratiform versus Convective Clouds. J. Appl. Meteor., 35, , Ali, David A. Short, Christopher R. Williams, Warner L. Ecklund, Kenneth S. Gage, 1999: Tropical Rainfall Associated with Convective and Stratiform Clouds: Intercomparison of Disdrometer and Profiler Measurements. J. Appl. Meteor., 38, , A., W. Petersen, P. Gatlin, and M. Wingo, 2013: Comparison of Raindrop Size Distribution Measurements by Collocated Disdrometers. J. Atmos. Oceanic Technol. doi: /jtech-d , in press. Ulbrich, C. W., 1983: Natural variations in the analytical form of the raindrop Size distribution, J. Appl. Meteorol., 22,

67 Waldvogel, A., 1974: The N0 Jump of Raindrop Spectra. J. Atmos. Sci., 31,

68 表 表 1-1 近 10 年 來 國 內 雨 滴 譜 儀 分 析 資 料 以 及 所 使 用 的 雨 滴 譜 儀 類 型 整 理 參 考 文 獻 分 析 對 象 一 分 鐘 最 大 降 最 大 粒 徑 水 強 度 (mm/hr) (mm) 雨 滴 譜 儀 張 (2002) 2001 年 納 莉 颱 風 約 95 (6 分 鐘 ) 約 5.5 2DVD 林 (2004) 2001~2002 年 中 央 大 學 約 103 (6 分 鐘 ) 約 7.3 2DVD 許 (2005) 2001~2004 年 北 部 地 區 約 98 (6 分 鐘 ) JWD 約 112 (6 分 鐘 ) 約 7.8 2DVD 簡 (2006) 2001~2006 年 北 部 地 區 約 93 (6 分 鐘 ) JWD 不 同 季 節 和 型 態 的 降 水 約 96 (6 分 鐘 ) 約 6.3 2DVD 吳 (2006) 2001~2006 年 北 部 地 區 約 112 (6 分 鐘 ) JWD 不 同 降 水 系 統 特 性 統 計 約 70 (10 分 鐘 ) 約 6.2 2DVD 毛 (2007) 2005~2006 年 北 部 地 區 約 JWD 約 6 2DVD 陳 (2009) 2008 年 SoWMEX 文 中 未 註 明 JWD POSS 陳 (2009) 2008 年 SoWMEX 約 JWD 約 7.5 2DVD 蔣 (2010) 2009 年 梅 雨 季 約 JWD 約 6.5 2DVD 盧 (2012) 2010 年 凡 那 比 颱 風 約 JWD 50

69 表 1-2 雨 滴 譜 儀 分 析 不 同 類 型 個 案 的 特 徵 整 理 降 水 型 態 特 徵 參 考 文 獻 冷 鋒 偏 小 雨 滴, 降 雨 率 較 小 簡 (2006) 雨 滴 粒 徑 分 布 較 廣, 雨 滴 顆 粒 較 大 簡 (2006) 降 雨 率 增 大, 雨 滴 粒 徑 分 布 會 向 大 雨 滴 延 伸, 小 雨 滴 的 部 分 也 會 增 加, 而 降 雨 率 減 小 則 有 相 反 的 情 形 張 (2002) 蔣 (2010) 層 狀 降 水 具 有 較 弱 的 雷 達 回 波 強 度 及 降 雨 率, 且 其 雨 滴 粒 徑 分 布 較 窄 ; 對 流 降 水 的 雷 達 回 波 較 強, 降 簡 (2006) 梅 雨 鋒 面 雨 率 也 很 大, 雨 滴 粒 徑 分 布 也 較 寬 廣 梅 雨 個 案 的 形 狀 參 數 μ 和 斜 率 參 數 Λ 在 對 流 區 的 變 化 比 颱 風 個 案 小, 是 由 於 梅 雨 個 案 的 降 水 比 較 持 續 毛 (2007) 且 穩 定 的 關 係 雖 然 梅 雨 季 是 由 綿 綿 細 雨 所 佔 據 降 雨 時 間, 但 在 總 降 雨 量 來 源 為 短 時 刻 的 對 流 性 降 水 陳 (2009) 蔣 (2010) 偏 中 大 雨 滴, 雨 滴 粒 徑 分 布 較 窄 簡 (2006) 當 降 雨 率 大 於 60mm/hr 時 大 雨 滴 的 濃 度 減 少 許 (2005) 簡 (2006) 螺 旋 雨 帶 通 過 的 地 區 降 雨 率 較 大, 雨 滴 粒 徑 分 布 較 簡 (2006) 寬 廣, 雨 滴 粒 徑 較 大 ; 眼 牆 通 過 時 雨 滴 粒 徑 分 布 變 毛 (2007) 窄, 雨 滴 顆 粒 變 小 颱 風 小 雨 滴 數 量 最 多 : 颱 風 外 圍 環 流 中 大 雨 滴 數 量 : 眼 牆 通 過 後 的 強 對 流 雨 帶 ( 較 少 的 小 雨 滴 )> 眼 牆 通 過 前 的 強 對 流 雨 帶 ( 較 多 的 小 雨 滴 )> 螺 旋 雨 帶 眼 牆 通 過 前 後 的 強 對 流 雨 帶, 幾 乎 都 是 對 流 降 水, 盧 (2012) 雨 滴 譜 分 布 較 窄 ; 外 圍 環 流 降 雨 整 體 層 狀 降 水 分 布 範 圍 較 廣 且 斜 率 較 大 ; 螺 旋 雨 帶 相 對 分 布 較 窄, 且 幾 乎 為 層 狀 降 水 居 多, 對 流 降 水 較 少 午 後 雷 陣 雨 降 雨 率 較 大 且 雨 滴 粒 徑 最 大 簡 (2006) 51

70 表 1-3 不 同 降 水 積 分 參 數 分 析 結 果 特 徵 整 理 參 數 分 析 結 果 參 考 文 獻 在 相 同 的 μ 值 下, 降 雨 率 越 大 雨 滴 粒 徑 會 向 大 雨 滴 延 伸 許 (2005) 毛 (2007) 形 狀 參 數 毛 (2007) 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 μ 蔣 (2010) 使 用 N 0 R 關 係 式 做 降 水 分 類 : 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 ; 然 而 使 用 其 他 降 水 分 類 方 式 : 層 狀 降 水 > 對 流 降 水 陳 (2009) 在 相 同 的 Λ 值 下, 降 雨 率 越 大 小 雨 滴 粒 徑 的 量 值 也 就 越 許 (2005) 少 毛 (2007) 斜 率 參 數 毛 (2007) Λ 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 陳 (2009) 蔣 (2010) 標 準 化 截 距 參 數 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 毛 (2007) 陳 (2009) N w 均 質 粒 徑 D m 中 值 體 積 粒 徑 D 0 回 波 Z 蔣 (2010) 毛 (2007) 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 陳 (2009) 蔣 (2010) 層 狀 降 水 有 觀 測 到 亮 帶 之 階 段,D m 會 比 其 他 階 段 還 要 大 ; 對 流 降 水 的 最 強 回 波 若 發 展 的 越 高, 所 觀 測 到 D m 陳 (2009) 的 也 就 會 越 大 D m 值 隨 著 降 雨 率 增 加 而 有 增 大 趨 勢, 但 隨 著 降 雨 率 逐 漸 增 加,D m 值 分 布 會 趨 於 一 致 情 形, 顯 現 雨 滴 的 增 長 盧 (2012) 似 乎 有 一 定 的 限 制 JWD 和 2DVD 在 降 雨 率 大 於 60mm/hr 的 D 0 有 變 小 的 趨 林 (2004) 勢 許 (2005) 粒 徑 由 小 到 大 : 冬 季 < 秋 季 < 春 季 梅 雨 季 < 颱 風 季 簡 (2006) 陳 (2009) 對 流 降 水 > 層 狀 降 水 蔣 (2010) 若 有 觀 測 到 較 多 的 中 型 雨 滴 的 階 段, 則 D 0 值 會 較 其 他 陳 (2009) 階 段 大 在 相 同 的 回 波 值 下, 降 雨 率 越 大 D 0 值 越 小, 表 示 相 同 許 (2005) 的 回 波 下, 降 雨 率 大 主 要 是 由 大 量 的 小 雨 滴 所 貢 獻 的 在 回 波 相 同 時, 對 流 降 水 的 降 雨 率 高 於 層 狀 降 水 在 毛 (2007) 降 雨 率 相 同 時, 層 狀 降 水 的 回 波 高 於 對 流 降 水 在 梅 雨 和 颱 風 個 案 中, 對 流 降 水 時 雨 滴 譜 所 計 算 的 回 毛 (2007) 52

71 D m VS. N w (Bringi et al. 2003) Z-R 關 係 式 的 a b 值 波 會 高 估, 但 是 層 狀 降 水 時 的 估 計 結 果 則 不 錯 用 來 區 分 降 水 型 態 的 10mm/hr 回 波 值 約 在 37.5dBZ, 與 前 人 研 究 38 40dBZ 差 異 不 大 降 雨 率 小 於 10mm/hr 時 類 似 層 狀 降 水, 降 雨 率 大 於 10mm/hr 以 上 則 介 於 海 洋 性 對 流 及 大 陸 性 對 流 之 間 台 灣 南 部 地 區 的 層 狀 降 水 分 布 與 Bringi et al. 結 果 類 似, 對 流 降 水 則 落 在 海 洋 性 降 水 層 狀 降 水 分 布 與 Bringi et al. 結 果 類 似, 對 流 降 水 則 不 一 定, 中 央 阿 里 山 站 落 在 海 洋 性 降 水 ; 霞 雲 斗 六 和 嘉 義 站 則 介 於 海 洋 性 對 流 及 大 陸 性 對 流 之 間 颱 風 外 圍 環 流 降 雨 偏 向 海 洋 性 對 流 降 水 及 部 分 層 狀 降 水 ; 颱 風 螺 旋 雨 帶 偏 向 層 狀 降 水 ; 颱 風 眼 通 過 前 後 的 強 對 流 雨 帶 偏 向 大 陸 性 對 流 降 水 2DVD 的 b 值 比 JWD 的 值 要 來 的 高 許 多, 主 要 是 和 兩 儀 器 觀 測 的 μ 值 有 關, 當 μ 值 越 大 b 值 就 越 小 ; 因 此,a 值 的 分 布 上 也 會 有 明 顯 地 不 同 每 一 個 站 都 有 自 己 的 a b 係 數, 在 估 計 降 水 上 如 果 使 用 相 同 的 Z-R 關 係 式, 將 會 造 成 估 計 降 水 上 的 不 準 確 蔣 (2010) 簡 (2006) 毛 (2006) 陳 (2009) 陳 (2009) 蔣 (2010) 盧 (2012) 許 (2005) 蔣 (2010) 53

72 表 1-4 不 同 雨 滴 譜 儀 之 間 及 雨 量 計 比 較 結 果 整 理 儀 器 比 較 分 析 結 果 比 較 參 考 文 獻 JWD vs. 2DVD ( 第 一 代 ) JWD vs. 2DVD ( 第 一 代 ) vs. 傾 斗 式 雨 量 計 JWD vs. POSS JWD 的 降 雨 率 和 2DVD 相 比 有 明 顯 的 低 估 在 相 同 的 μ 值 下, 降 雨 率 越 大 雨 滴 粒 徑 會 向 大 雨 滴 延 伸 ; 在 相 同 的 Λ 值 下, 降 雨 率 越 大 小 雨 滴 粒 徑 的 量 值 也 就 越 少, 此 特 徵 在 JWD 上 較 為 明 顯 2DVD 觀 測 的 μ 值 較 JWD 小, 所 以 Z-R 關 係 式 中 的 b 值 也 相 對 較 大 當 降 雨 率 大 於 20mm/hr,JWD 比 2DVD 觀 測 到 較 少 的 大 小 雨 滴 ; 但 是 觀 測 到 較 多 的 中 等 雨 滴 Gamma 分 布 無 法 完 整 描 述 2DVD 觀 測 到 之 雨 滴 粒 徑 分 布 特 性 JWD 的 小 雨 滴 濃 度 比 2DVD 少 很 多, 為 Dead Time 效 應 造 成 JWD 若 進 行 Dead Time 修 正, 則 能 改 進 JWD 對 於 小 雨 滴 在 觀 測 上 的 限 制, 能 補 回 一 些 遺 失 的 小 雨 滴 但 是 對 中 雨 滴 的 數 量 可 能 會 矯 枉 過 正 ( 陳 ) 與 傾 斗 式 雨 量 計 相 比,JWD 和 2DVD 的 雨 量 皆 有 低 估 的 情 況, 尤 其 以 JWD 較 為 嚴 重 在 降 雨 率 和 降 雨 量 的 誤 差 值 比 較 上, 多 數 個 案 的 誤 差 值 在 2.5mm 以 下, 而 明 顯 的 誤 差 值 多 分 布 在 平 均 降 雨 率 5mm/hr 和 最 大 降 雨 率 50mm/hr 以 上, 並 且 提 出 利 用 雨 滴 譜 儀 來 校 驗 雨 量 筒 的 想 法 JWD 的 雨 滴 譜 呈 現 Gamma 分 布, 而 隨 著 回 波 的 增 加 小 雨 滴 數 量 會 有 明 顯 之 低 估 ;POSS 則 是 Marshall and Palmer 分 布, 而 隨 著 回 波 的 增 加, 雨 滴 譜 會 由 Marshall and Palmer 轉 變 成 Gamma 分 布 JWD 在 0.6mm 到 0.3mm 觀 測 到 的 數 量 比 POSS 多, 故 JWD 所 推 算 出 來 的 降 雨 強 度 比 POSS 高 1~2mm/hr, 回 波 強 度 則 是 多 2~3dBZ Tokay et al. (2001) 許 (2005) 許 (2005) Tokay et al. (2001) 許 (2005) 簡 (2006) 吳 (2006) 毛 (2007) 簡 (2006) 陳 (2009) 陳 (2009) 蔣 (2010) Tokay et al. (2001) Tokay et al. (2003) 陳 (2009) 54

73 表 1-5 雨 滴 譜 儀 站 的 經 緯 度 位 置 站 名 經 度 緯 度 翡 翠 121 o o 南 港 121 o o 霞 雲 121 o o 中 央 121 o o 表 2-1 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 20 種 雨 滴 粒 徑 分 類 及 對 應 之 平 均 落 速 與 區 間 大 小 第 i 類 區 間 平 均 粒 徑 (mm) 平 均 落 速 (m/s) 區 間 大 小 (mm)

74 表 2-2 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 之 32 種 雨 滴 粒 徑 分 類 及 32 種 落 速 分 類 與 各 自 對 應 的 區 間 大 小 第 i 類 區 間 平 均 粒 徑 (mm) 區 間 大 小 (mm) 第 j 類 區 間 平 均 落 速 (m/s) 區 間 大 小 (m/s)

75 表 2-3 Gamma 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布 降 水 積 分 參 數 P 的 係 數 a p 和 指 數 p 降 水 積 分 參 數 P 指 數 p 係 數 a p Z(mm 6 m 3 ) mm 6 cm 6 W(gm 3 ) g cm 3 Σ(km 1 ) km 1 m 3 cm 2 R(mmh 1 ) mmh 1 m 3 cm 3.67 A(dBkm 1 ) n C A dbkm 1 m 3 cm n 表 4-1 JWD 四 站 Z-R 關 係 式 的 平 均 A B 參 數 值 站 名 平 均 A 值 平 均 B 值 翡 翠 南 港 霞 雲 中 央

76 圖 58

77 圖 1-1 日 本 氣 象 廳 地 面 天 氣 圖, 由 上 而 下 依 序 是 2012 年 6 月 11 日 1200(UTC) 6 月 11 日 1800(UTC) 6 月 12 日 0000(UTC) 6 月 12 日 0600(UTC) 59

78 圖 年 6 月 11 日 1200UTC(2000LST) 的 ECMWF 資 料 藍 色 連 線 即 為 當 時 的 梅 雨 鋒 面 位 置, 圖 中 明 顯 看 到 台 灣 壟 罩 在 西 南 氣 流 之 中, 隨 著 梅 雨 鋒 面 東 移 出 海, 兩 大 夾 帶 豐 沛 水 氣 的 系 統 交 會, 在 短 時 間 內 累 積 很 高 的 時 雨 量, 造 成 桃 竹 地 區 多 處 發 生 淹 水 情 況 60

79 圖 年 6 月 11 日 20 時 至 23 時 (LST) 中 央 氣 象 局 雷 達 回 波 圖 圖 年 6 月 11 日 20 時 至 24 時 (LST) 中 央 氣 象 局 時 雨 量 圖 61

80 62

81 圖 年 6 月 12 日(LST)中央氣象局每小時雷達回波圖 由上到下由左 到右依序分別是台灣當地時間 0 點至 23 點 63

82 64

83 圖 年 6 月 12 日 (LST) 中 央 氣 象 局 時 雨 量 累 積 雨 量 圖 由 上 到 下 由 左 到 右 依 序 分 別 是 台 灣 當 地 時 間 1 點 至 23 點 的 累 積 雨 量 分 布, 最 後 一 張 則 是 0 點 至 24 點 的 累 積 日 雨 量 分 布 65

84 圖 年 6 月 11 日 至 6 月 12 日 (LST) 中 央 大 學 觀 測 坪 的 10 米 塔 自 動 觀 測 資 料 時 序 圖 由 上 而 下 依 序 是 溫 度 ( o C) 濕 度 (%) 風 速 (m/s) 風 向 ( o ) 氣 壓 ( 百 帕 ) 以 及 降 雨 率 (mm/min) 66

85 圖 年 6 月 11 日 至 6 月 12 日 (LST) 共 48 小 時 的 局 屬 氣 象 站 與 自 動 測 站 時 雨 量 變 化 由 上 而 下 分 別 是 淡 水 台 北 中 壢 楊 梅 新 竹 和 台 中 站 圖 1-9 雨 滴 譜 儀 分 布 位 置, 中 央 觀 測 坪 有 一 維 雷 射 式 光 學 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 第 三 代 二 維 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 和 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD); 外 站 的 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 則 分 別 位 於 南 港 ( 中 央 研 究 院 ) 翡 翠 ( 翡 翠 水 庫 ) 以 及 霞 雲 ( 霞 雲 水 利 署 雨 量 站 ), 綠 色 標 誌 為 五 分 山 雷 達 站 位 置 67

86 圖 2-1 撞 擊 式 雨 滴 譜 儀 (JWD) 外 觀 圖 2-2 一 維 雷 射 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (Parsivel) 外 觀 圖 2-3 Parsivel 只 有 一 維 的 雷 射 光 束, 所 以 並 不 能 分 辨 雨 滴 數 量, 換 句 話 說, 如 果 同 時 有 兩 顆 雨 滴 通 過 感 應 區,Parsivel 會 將 兩 顆 雨 滴 誤 認 為 一 顆 大 雨 滴 68

87 圖 2-4 Parsivel 的 實 際 觀 測 情 況, 資 料 以 32 乘 32 的 矩 陣 方 式 存 取 圖 2-5 第 三 代 二 維 影 像 光 學 式 雨 滴 譜 儀 (2DVD) 外 觀 ( 上 圖 ), 觀 測 原 理 ( 下 圖 ) 為 利 用 互 相 垂 直 的 兩 道 平 行 光 束 構 成 感 應 區, 其 面 積 為 100 cm 2 光 束 經 由 兩 次 的 鏡 面 反 射, 再 由 兩 端 的 攝 影 機 接 收 當 雨 滴 通 過 感 應 區 時, 會 遮 蔽 到 部 分 光 束, 產 生 的 陰 影 會 經 由 攝 影 機 記 錄 下 來, 即 可 得 知 雨 滴 的 粒 徑 與 形 狀 69

88 圖 2-6 Marshall and Palmer (1948) 提 出 的 指 數 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布 圖 2-7 Ulbrich (1983) 提 出 的 Gamma 型 態 雨 滴 粒 徑 分 布, 當 μ 等 於 零 時, Gamma 分 布 即 可 轉 變 成 指 數 分 布 型 態 ( 圖 中 虛 線 所 示 ) 70

89 圖 3-1 JWD 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算, 橫 軸 為 儀 器 內 部 紀 錄 的 降 雨 率, 縱 軸 為 DSD 換 算 的 降 雨 率 圖 3-2 Parsivel 的 降 雨 率 偏 差 量 計 算, 橫 軸 為 儀 器 內 部 紀 錄 的 降 雨 率, 縱 軸 為 DSD 換 算 的 降 雨 率 71

90 圖 3-3 2DVD 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 橫 軸 是 粒 徑 (mm), 縱 軸 是 落 速 (m/s) 圖 3-4 第 一 代 2DVD 的 雨 滴 粒 徑 與 落 速 原 始 資 料 散 布 圖 ( 摘 自 蔣 (2010)) 72