光達

光達 (Light Detective Raging, LIDAR)
國立苗栗高級中學地球科學科劉承玨老師/國立臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿教授責任編輯

氣象觀測根據觀測方式分成地面觀測、高空觀測以及遙測。遙測中最常被使用且為人所知的是衛星雲圖，而光達是另一種遙測，顧名思義，光達 (Light Detective Raging, LIDAR)和光有關係，故又被稱作雷射雷達，為一種主動式(active)的遙測系統，運作方式與一般所認知的雷達相似，主動打出雷射光穿透大氣層，再藉由分析接收器接收散射或是反射回來的回波(參閱圖1和圖2)，用於氣膠濃度及其性質、大氣溫度、卷雲、邊界層高度等科學研究。

圖1：光達系統簡介圖

圖2：光達結構示意圖

與雷達的主要不同處在於雷達使用之輻射波段主要在微波波段，而光達使用之輻射波段介於紫外線到紅外線之間。光達系統接收來自Z距離之回波，在相關的觀測數值計算中，較重要的變數有：

λL：雷射光波長，PλL：雷射強度，Pλ(z)：波長λ的雷射光從z高度反射回來後測量到的訊號，Aλ、ξ(z)皆為校正所需之數值，βλ(z)：λ波長的光對於介質為彈性(如Rayleigh或Mie散射)或非彈性(如Raman散射)背向散射的係數；T則為穿透率，與空氣的特性有關。由光達方程式可衍生出許多氣膠光學性質的敘述，以下說明利用光達訊號所得之各項參數及其代表之氣膠特性。

1. 背向散射比(R)

背向散射比(R)主要代表光達發射出的雷射光，經過氣膠粒子的散射或反射之後，在180度方向的訊號R為背向散射比，βp及βa分別為氣膠及空氣分子的背向散射訊號。背向散射比的強度主要決定於氣膠的散射截面積，而散射截面積主要受到兩個因子的影響，一為氣膠濃度，當濃度越高，反映出之截面積越大；另外氣膠粒子的大小也會影響散射截面積；在同樣的氣膠濃度下，粒徑較大的粒子或是粒子的凝結成長也都會造成較大的散射截面積。

2. 消偏振率

消偏振率主要是垂直方向的偏振光對於平行方向偏振光之比率，我們可以定義氣膠及空氣分子的總消偏振率為TDP，當求出之消偏振率越大，代表粒子形狀越不規則，而粒子若接近於球形，消偏振率會趨近於0。各種氣膠粒子的消偏振率變化甚大，乾燥的硫酸鹽結晶約為2%，亞洲沙塵可以從5%到30%，生質燃燒約為6-11%，海鹽則為8-22%。因此我們可以從光達偵測到的不同DP值，推測空氣中的氣膠粒子成分。

3. Ångström exponent (α)
Ångström exponent主要代表粒子之大小，當α越大，代表粒子越小，而α越小，則代表較大的粒子。Reid et al.(1999)、Eck et al.(1999)等科學家皆發現累積模的氣膠粒子α大於2，而Eck et al. (1999)和Sakai et al. (2002)則發現粗模的氣膠，如撒哈拉沙漠及亞洲沙塵，α值會接近0。

4. 邊界層高度

邊界層為大氣中最接近地表的部份，受到地表人為或自然活動影響甚鉅，且由於對流和動力的擾動，使得邊界層的成分會受到混合(Seibert et al.，2000)。而邊界層的高度和空氣品質有相當大的關係，Turner(1969)就發現，當混合層高度較低時，空氣品質受氣膠的影響大而較差。然而，邊界層高度的變化會隨時間和空間而變動，邊界層高度測量主要是利用逆溫儀或是風速之不連續來判斷。但是，環保署所設置的逆溫儀有1公里之觀測高度限制，而依據風速之不連續判斷存在不確定性。因此，開始有人利用光達來觀測混合層的高度(mixing layer)。由於氣膠受到邊界層上逆溫的限制，大部份的氣膠會集中在邊界層內或是混合層之下，因此找出氣膠濃度差異最大的高度，即可定義為混合層高度(mixing height, MH)。

參考文獻
中研院環境變遷中心大氣氣膠實驗室http://www.rcec.sinica.edu.tw/~cgchou/lab/
維基百科-LIDAR http://en.wikipedia.org/wiki/LIDAR
http://www.lambdaphoto.co.uk/applications/100.210
http://jp.hamamatsu.com/en/rd/technology/energy/lidar.html
劉承珏，2009.1，以光達觀測分析台北之邊界層與氣膠特性