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在雲層上空：為何毫米波雷達是探索雲的最佳工具？
隨著氣候變化和極端天氣事件的頻率增加，科學界越來越重視對雲的研究。雲層的性質和動態直接影響天氣預測及氣候模型的準確性。在這方面，毫米波雷達被視為探索雲層結構及其動態的最佳工具之一。這種高技術的雷達系統提供了前所未有的解析度，使研究人員能夠分析雲的微物理性質，甚至追蹤雲層的演變過程。
毫米波雷達的運作原理
毫米波雷達是一種專門設計用於監測雲的雷達系統，其工作頻率範圍一般在24到110 GHz之間，對比傳統的S波段雷達，其波長更短，大約為1毫米到1.11厘米。這一特性使得毫米波雷達能夠更敏感地檢測到雲層中較小的水滴或冰晶。
毫米波雷達以其高 temporal 和 range resolution，能精確識別雲的邊界及其微物理性質，從而幫助科學家更好地理解雲反射、吸收與轉化輻射能量的過程。
毫米波雷達通常以35 GHz的Ka波段和94 GHz的W波段運行，這兩個頻率具有最佳的大氣傳輸性。其高時域及距離解析度，使得研究人員能在1到10秒之間獲得數據，並且能以幾米的精度觀測雲層的不同特徵。
毫米波雷達的多樣應用
這些雷達不僅能用來測量雲的物理性質，還廣泛用於研究霧、昆蟲及氣膠等其它重要議題。由於毫米波雷達能在無雲的日子中探測到幾乎所有的昆蟲目標，因此在昆蟲學研究中展現了其獨特的價值。此外，這些雷達也能探測到大型氣膠，幫助科學家了解氣膠的分佈和強度。
例如，自2006年以來，在CloudSAT衛星上運行的雲剖面雷達（CPR）便是毫米波雷達的一個成功應用案例。
毫米波雷達的技術特徵
毫米波雷達具有多種先進技術，包括極化測量能力，能夠測量雲中水滴和冰晶的大小及形狀。這項技術的發展對於大氣中混合相雲的研究尤為重要，因為冰晶的形狀是導致在垂直結合激光雷達和雷達觀測中，大小和數量濃度檢索出錯的重要因素。
此外，毫米波雷達的多樣性還表現在其安裝形式上，包括地面、空中和太空中的系統。例如，許多科學研究飛機上都配備了毫米波雷達，例如HALO飛機和懷俄明州的KingAir研究飛機，這使得研究人員能夠在不同的高度和環境中進行雲的測量。
未來的發展和挑戰
儘管毫米波雷達在雲的研究中展現了卓越的能力，但依然面臨著各種挑戰。例如，如何提高雷達數據的解析度以準確捕捉微小的變化，並能夠應對大氣環境的不確定性，依然是科學社群需要攻克的難題。
即將於2023年3月發射的Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer（EarthCARE）任務，也將把這項技術推向新的高度，這是首個具備 Doppler 能力的太空雲剖面雷達。
最後的思考
毫米波雷達的發展和應用不斷推進著我們對雲的理解，從而幫助改善天氣預報和氣候預測的準確性。然而，在面對變化多端的天氣系統時，不論是技術還是方法，我們是否能持續在探索中取得突破，為未來的氣候研究鋪平道路呢?
