111 民航特考三等 飛航管制 航空氣象學 考古題詳解

核心觀念

本題考查大氣熱力學中的兩個基本概念：

1. 「熱」與「溫度」的區別。
2. 大氣及地表之間的各種傳熱方式。

熱（heat）是因為存在溫度差，而由高溫物體傳遞至低溫物體的能量。熱不是物質，也不是物體所「含有」的溫度；物體內部所具有的微觀能量，通常稱為內能。熱則是能量傳遞的過程。

熱量常以焦耳（J）表示，氣象學中也常使用卡（cal）。其關係為：

$$1\ \mathrm{cal}\approx 4.186\ \mathrm{J}$$

溫度則是物體分子平均動能的表現，用以表示冷熱程度。溫度高低會造成熱能傳遞，但溫度本身不是傳遞中的能量。

大氣中的熱量來源主要是太陽輻射。太陽能先被地表吸收，使地表增溫，再由地表以長波輻射、感熱傳導、對流及水相變化等方式傳給大氣。因此，大氣主要是由地面「自下而上」加熱。

---

解題方法

作答時可採「定義—主要熱源—傳熱方式—航空氣象意義」的架構：

1. 先定義熱，說明熱與溫度不同。
2. 指出大氣熱量的根本來源是太陽輻射，且地表是大氣的主要直接熱源。
3. 依序說明輻射、傳導、對流、平流及潛熱傳遞。
4. 補充各過程在近地層、雲、降水及飛航環境中的作用。

---

大氣中的各種傳熱過程

一、輻射（Radiation）

輻射是以電磁波形式傳遞能量，不需要介質，因此太陽能可穿越太空到達地球。

1. 太陽短波輻射

太陽主要以短波輻射將能量輸送至地球，波長大致集中於可見光及近紅外線範圍。到達地球後，部分能量被雲、水氣、塵埃及大氣成分吸收，部分被反射或散射，其餘到達地表並被地面吸收。

地表吸收太陽短波輻射後升溫，成為大氣熱量的重要來源。

2. 地球長波輻射

地表溫度遠低於太陽，因此地表主要以紅外線長波輻射向外放射。大氣中的水氣、二氧化碳及雲層能有效吸收地表長波輻射，再向各方向放射，其中一部分向下返回地面，形成大氣逆輻射。

此過程造成溫室效應，使地表及近地面大氣的溫度高於沒有大氣時的情形。

3. 輻射冷卻

夜間地表持續向外放射長波輻射，但沒有太陽短波輻射補充，因此地表及近地層大氣可能降溫。晴朗、風弱、乾燥的夜晚，地面輻射冷卻最為顯著，容易形成：

• 地面逆溫；
• 霧；
• 露或霜；
• 低雲及能見度降低。

---

二、傳導（Conduction）

傳導是物質內部分子相互碰撞，使熱能由高溫處傳到低溫處的過程。其特徵是物質本身沒有大規模的整體移動。

地表受太陽輻射加熱後，先以傳導方式將熱量傳給緊接地面的空氣。由於空氣是熱的不良導體，因此傳導作用主要限於地面附近很薄的近地層。

熱傳導可用傅立葉定律表示：

$$Q=-kA\frac{dT}{dz}$$

其中：

• $Q$ 為熱傳遞率；
• $k$ 為熱傳導係數；
• $A$ 為傳熱面積；
• $\frac{dT}{dz}$ 為垂直溫度梯度；
• 負號表示熱量由高溫處流向低溫處。

在大氣中，傳導本身的垂直傳熱能力有限，但它是地表與近地面空氣交換感熱的第一個步驟。

---

三、對流（Convection）

對流是流體因密度差而產生垂直方向的整體運動，熱量隨空氣上升、下降而傳遞。

地表受熱時，鄰近地面的空氣升溫，密度降低而上升；上方較冷、較重的空氣下沉補充，形成對流環流。對流可將地表熱量輸送至較高的大氣層，是大氣垂直熱量交換的重要方式。

1. 溫度與浮力

空氣團受熱後，若其溫度高於周圍空氣，密度較小，便具有正浮力而上升。上升空氣因外界氣壓降低而膨脹冷卻；下降空氣則因受壓縮而增溫。

2. 對流與雲的形成

上升空氣膨脹冷卻至露點後，水氣凝結形成雲。若大氣不穩定，對流可發展成積雲、積雨雲，並伴隨：

• 強烈上升及下沉氣流；
• 陣風；
• 雷雨；
• 冰雹；
• 飛航亂流；
• 積冰風險。

3. 對流與感熱、潛熱

對流不只輸送感熱，也能將水氣帶至高空。水氣凝結時釋放潛熱，使上升氣流獲得額外能量，進一步增強積雲及雷雨雲的發展。

---

四、平流（Advection）

平流是空氣作水平運動時，將熱量由一地帶到另一地的過程。其熱量傳遞方向主要為水平方向，與對流的垂直運動不同。

例如：

• 暖空氣向較冷地區移動，形成暖平流；
• 冷空氣向較暖地區移動，形成冷平流；
• 海風將較涼的海上空氣帶至陸地；
• 大陸冷空氣南下，使臺灣氣溫下降。

溫度平流可用下式表示：

核心觀念

本題考查大氣運動中的「渦度」（vorticity）定義、物理意義，以及大氣產生渦度的主要機制。

渦度是描述流體微小氣團局部旋轉程度的物理量。對速度場 $\mathbf{V}=(u,v,w)$ 而言，渦度定義為速度的旋度：

$$\boldsymbol{\zeta}=\nabla\times\mathbf{V}$$

其中 $\boldsymbol{\zeta}$ 為渦度向量。其三個分量為：

$$\boldsymbol{\zeta} = \left( \frac{\partial w}{\partial y}-\frac{\partial v}{\partial z}, \frac{\partial u}{\partial z}-\frac{\partial w}{\partial x}, \frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y} \right)$$

在航空氣象及天氣系統分析中，最常討論垂直方向的渦度：

$$\zeta = \frac{\partial v}{\partial x} - \frac{\partial u}{\partial y}$$

其中：

• $u$：東西向風速；
• $v$：南北向風速；
• $x$：東西方向座標；
• $y$：南北方向座標。

渦度的單位為 $\mathrm{s^{-1}}$。

在北半球，若氣團呈逆時針旋轉，垂直渦度通常取正值，稱為氣旋式渦度；順時針旋轉則取負值，稱為反氣旋式渦度。南半球的旋轉方向與符號判讀相反。

對地球而言，還須區分：

• 相對渦度：氣團相對於地面觀測者的旋轉程度，記為 $\zeta$。
• 行星渦度：由地球自轉造成的渦度，記為 $f$，其中

$$f=2\Omega\sin\phi$$

$\Omega$ 為地球自轉角速度，$\phi$ 為緯度。

因此，大氣分析常使用絕對渦度：

$$\eta=\zeta+f$$

解題方法

本題可分為兩部分作答：

1. 先以數學定義說明渦度代表氣團局部旋轉程度。
2. 再從動力學來源說明渦度如何產生或改變。

作答時應將「渦度本身的定義」與「渦度的來源」分開，並涵蓋地球自轉、風場切變、氣流曲率、水平輻合輻散、垂直傾斜及摩擦等因素。

產生渦度的可能原因

一、地球自轉造成行星渦度

地球自轉使大氣氣團即使沒有相對於地面的旋轉，也具有行星渦度：

$$f=2\Omega\sin\phi$$

行星渦度隨緯度改變：

• 北半球為正值；
• 南半球為負值；
• 赤道附近接近零；
• 緯度越高，$|f|$ 越大。

因此，地球自轉是大氣具有絕對渦度的重要原因。

二、水平風切變造成相對渦度

即使氣流路徑近似直線，只要不同位置的風速不同，也可能使氣團產生旋轉。

在水平運動中，垂直相對渦度為：

$$\zeta=\frac{\partial v}{\partial x}-\frac{\partial u}{\partial y}$$

其中：

• $\frac{\partial v}{\partial x}$ 表示南北向風速沿東西方向的變化；
• $\frac{\partial u}{\partial y}$ 表示東西向風速沿南北方向的變化。

若風速在空間中有適當的差異，氣團兩側移動距離不同，便會形成局部旋轉。此種由風速空間變化造成的旋轉，稱為切變渦度。

三、氣流曲率造成渦度

氣流沿彎曲路徑流動時，速度方向持續改變，即使風速大小保持不變，也會產生曲率渦度。

例如：

• 低壓系統附近的氣流通常呈氣旋式彎曲；
• 高壓系統附近的氣流通常呈反氣旋式彎曲。

核心觀念

本題考查噴射流的定義、形成機制、主要分布位置及各類型特徵。答題時應掌握三個層次：

1. 噴射流是什麼。
2. 噴射流為何形成。
3. 不同噴射流的高度、風向、緯度、季節及天氣影響。

一、噴射流的定義

噴射流（Jet Stream）是指對流層上部至平流層下部，沿近似水平方向伸展的狹長強風帶，具有：

• 風速非常強；
• 風速在水平方向及垂直方向變化很大，即具有強烈風切；
• 風速最大區域稱為噴射流軸或噴射流核心（jet core）；
• 風向通常為西風，但熱帶地區的噴射流也可能為東風；
• 噴射流並非筆直均勻的風帶，常呈波狀蜿蜒，形成槽、脊及急流中心。

一般氣象學並無全球一致的單一風速門檻；航空作業上常將風速達約 $60$ kt 以上的高空強風帶視為具噴射流意義的風場。

二、形成原理

噴射流的根本原因是不同緯度間存在顯著的溫度梯度。依熱成風關係，水平溫度梯度愈強，高度增加時風速變化愈大，因而容易在對流層頂附近形成強風帶。

地球自轉所造成的科氏力，使高空氣流在北半球向右偏轉、南半球向左偏轉。當南北向的氣壓梯度與科氏力達到近似平衡時，便形成高空地轉西風。中高緯度的極鋒及副熱帶地區，因溫度梯度特別明顯，最容易形成噴射流。

噴射流的位置大致與對流層頂高度及溫度梯度最大的區域相配合，因此具有下列特性：

• 冬季溫度梯度較強，噴射流通常較強；
• 噴射流軸附近常有強烈垂直風切；
• 噴射流可引導鋒面、低壓及高壓系統移動；
• 噴射流附近的強風切容易造成晴空亂流（CAT）。

解題方法

本題適合採「定義—成因—分類—航空影響」的方式作答：

1. 先界定噴射流為高空狹長強風帶。
2. 說明溫度梯度、地轉風與科氏力是主要形成因素。
3. 依緯度帶及季節，分述極鋒噴射流、副熱帶噴射流及熱帶東風噴射流。
4. 補充平流層極夜噴射流及低空噴射流等延伸分類，可顯示對噴射流分類的完整掌握。
5. 最後說明其對航空飛行、天氣系統及亂流的影響。

各種類型的噴射流

一、極鋒噴射流

極鋒噴射流（Polar Front Jet）形成於極地冷空氣與中低緯暖空氣交界附近，約位於 $40^\circ$ 至 $60^\circ$ 緯度。

主要特徵如下：

• 風向：以西風為主；
• 高度：通常位於約 $9$ 至 $12$ km，常見於 $300$ 至 $200$ hPa 附近；
• 位置：沿極鋒及中高緯度溫度梯度最大的區域分布；
• 季節：冬季溫度梯度增強，噴射流較強且位置偏向低緯；
• 形態：容易受羅斯比波影響而呈現槽、脊及蛇行；
• 天氣關係：與溫帶氣旋、鋒面發展及中高緯度天氣系統密切相關。

極鋒噴射流的強烈風切，容易在噴射流核心附近及其下方產生晴空亂流。極鋒噴射流的波動也會影響低壓系統的生成、發展與移動。

二、副熱帶噴射流

副熱帶噴射流（Subtropical Jet）主要位於副熱帶上空，約在 $25^\circ$ 至 $35^\circ$ 緯度附近。

其形成與哈德里環流（Hadley Cell）上層氣流及角動量守恆有關。熱帶上升氣流在對流層上部向極地方向流動，受到地球自轉影響後形成強盛的西風。

主要特徵如下：

• 風向：以西風為主；
• 高度：通常比極鋒噴射流更高，約在 $10$ 至 $14$ km，常見於 $200$ hPa 附近；
• 位置：大致位於副熱帶高壓帶上空；
• 季節：冬季通常較強，夏季較弱，並隨季節南北移動；
• 形態：相較極鋒噴射流通常較平直、較具緯向性；
• 天氣關係：影響副熱帶高壓、季風環流、降水帶及中高緯度天氣系統。

東亞地區的冬季高空西風帶及夏季副熱帶高壓位置，均與副熱帶噴射流的季節變化有關。

三、熱帶東風噴射流

熱帶東風噴射流（Tropical Easterly Jet）主要出現在北半球夏季，尤其與南亞季風環流有關。

主要特徵如下：

核心觀念

本題考查兩類天氣危害的成因、特性，以及其對飛航安全、航空器、機場與飛航管制的影響：

1. 龍捲風（tornado）：由強烈對流雲，尤其是具有旋轉上升氣流的積雨雲所產生之強烈旋轉氣柱，向下延伸並接觸地面。其特徵為尺度小、持續時間短、移動迅速，但風速極高且破壞力集中。
2. 靜電（static electricity）：航空器或其他航空設備因摩擦、碰撞、分離或感應而累積電荷，形成與周遭環境不同的電位。航空氣象中主要討論航空器的**降水靜電（precipitation static, P-static）**與靜電放電現象。

兩者雖然成因不同，但都可能造成航空器操縱、通訊、導航及機場運作上的重大風險。

---

一、龍捲風

（一）定義與形成

龍捲風是強烈旋轉的狹窄氣柱，通常懸掛於積雨雲底部，並向下延伸至地面。若旋轉氣柱尚未接觸地面，通常稱為漏斗雲（funnel cloud）；接觸地面後才形成龍捲風。

龍捲風多發生於具有下列條件的強烈對流環境：

• 大氣具有較大的垂直不穩定度；
• 低層有充足水氣；
• 低層輻合或抬升作用明顯；
• 垂直風切（vertical wind shear）強，使上升氣流產生旋轉；
• 強烈積雨雲內具有中氣旋（mesocyclone）或其他旋轉結構。

其基本形成過程可概括為：

1. 地面附近存在水平旋轉的氣流；
2. 強烈上升氣流將水平旋轉軸向上傾斜；
3. 上升氣流使旋轉氣柱收縮，角動量集中；
4. 旋轉速度增強，形成漏斗雲；
5. 漏斗雲接觸地面後成為龍捲風。

龍捲風通常伴隨積雨雲、雷雨、強烈陣風、冰雹、暴雨及低空風切等危害。其中心附近氣壓可能顯著降低，氣壓梯度很大，因而產生極強風速。

（二）風場特性

龍捲風的風向與風速變化極為劇烈，具有下列特徵：

• 水平風速極高；
• 風向可能在極短距離內快速改變；
• 風速與風向具有強烈垂直及水平梯度；
• 伴隨強烈上升、下降及旋轉氣流；
• 龍捲風外圍可能有飛散物、強降水及冰雹；
• 觀測站未必能直接測得龍捲風中心的最大風速。

龍捲風的破壞力不僅取決於平均風速，也取決於風向快速變化、瞬間陣風、壓力變化以及飛散物撞擊。

---

二、龍捲風對航空部門的影響

（一）對飛行中航空器的影響

1. 極端風速與風向變化

航空器進入龍捲風或其附近區域，可能遭受劇烈側風、逆風及順風快速轉換，導致空速、地速與航向突然改變。航空器可能出現：

• 航向偏離；
• 滾轉、俯仰及偏航快速變化；
• 空速突然增加或減少；
• 操縱負荷急劇增加；
• 結構受力超過設計限制。

2. 強烈上升與下降氣流

龍捲風通常與積雨雲強烈上升、下降氣流共存。航空器可能在短時間內遭遇劇烈垂直速度變化，產生：

• 突然上升或下降；
• 高度偏離；
• 失速或超速風險；
• 飛行員難以維持姿態與高度；
• 乘員及未固定物品受到拋擲。

3. 低空風切與微爆流風險

龍捲風所在的積雨雲系統，常伴隨嚴重低空風切、下擊暴流及微爆流。飛機在起飛或進場階段若遭遇風切，可能先遇到迎風使空速增加，隨後迅速轉為下沉氣流與順風，使空速及升力急降，造成高度快速損失。

4. 能見度降低

龍捲風常伴隨暴雨、冰雹、塵土或飛散物，使能見度急劇降低。航空器可能難以目視辨識障礙物、跑道或其他航空器，儀器進場也會受到強烈對流與風切影響。

5. 冰雹與雷電

龍捲風通常發生於強烈積雨雲內，雲中可能含有大冰雹及頻繁閃電。冰雹會造成：

• 雷達罩破損；
• 風擋受損；
• 機翼、尾翼及發動機受撞擊；
• 發動機壓縮器及風扇葉片損傷；
• 航空器操縱性能降低。

（二）對機場運作的影響

龍捲風通過機場或鄰近區域時，可能造成：

• 跑道、滑行道及停機坪暫停使用；
• 航空器、車輛、設備及建築物受損；
• 地勤人員暴露於極端風、雷擊與飛散物危險；
• 進離場航班延誤、改降或取消；
• 通訊、導航、電力及氣象觀測設備受損；
• 跑道上出現異物，增加航空器吸入或撞擊風險。

停機坪上的小型航空器、空橋、拖車、貨櫃及地面設備，可能被強風吹移，形成嚴重飛安危害。

（三）航空作業上的處置原則

• 不得穿越龍捲風本體或其所在積雨雲；
• 對強烈積雨雲應保持足夠水平及垂直隔離；
• 進場或起飛遇到顯著風切、微爆流警報時，應暫停或採取復飛、重飛及改道措施；
• 機場應依雷達、風切警報、地面風場及氣象預警停止部分或全部作業；
• 航空器應避免停留於露天停機坪，並將航空器及地面設備妥善固定；
• 飛航管制應提供對流區、龍捲風、雷雨、冰雹及風切等資訊，協助航空器繞飛或改降。

---

三、靜電

（一）靜電的形成

航空器飛行時，機體會與空氣、雨滴、冰晶、雪粒、塵埃及其他微粒持續碰撞與摩擦。不同物質接觸後，電子發生轉移，使航空器表面累積電荷，形成靜電。

航空器產生靜電的主要來源包括：

• 雨滴或雪粒撞擊機體；
• 飛越雲、霧、冰晶或含塵氣流；
• 與空氣摩擦；
• 直升機旋翼或螺旋槳運動造成電荷分離；
• 航空器在雷雨雲內飛行而產生感應與電荷累積。

降水靜電特別容易發生於航空器飛越降雨、降雪、冰晶或其他含有大量帶電粒子的區域。當機體電位逐漸升高，電荷會從尖銳部位，例如翼尖、尾翼尖端或其他突出部位，以電暈放電方式釋放。

（二）靜電放電與靜電干擾

靜電放電可產生電磁雜訊，使航空器的通訊與導航系統受到干擾。此現象在無線電上常被稱為：

• precipitation static；
• P-static；
• static interference。

其典型表現包括：