112 民航特考三等 飛航管制 航空氣象學 考古題詳解

核心觀念

本題考查兩個觀念：以氣溫隨高度的變化判斷大氣穩定度，以及理解 $K$ 指數（$KI$）中溫度與水氣項對雷雨潛勢的影響。

大氣穩定度描述空氣受到垂直擾動後，是否傾向回到原高度、維持原位或繼續遠離原位。判斷時，須比較環境氣溫直減率與氣塊升降時的絕熱溫度變化；氣塊升降過程中未飽和時按乾絕熱直減率變化，飽和後按濕絕熱直減率變化。

解題方法

先依環境氣溫隨高度的變化，說明穩定、中性與不穩定三種情形；再將 $KI$ 分成溫度差項與水氣相關項，判斷各項增減對指數及穩定度的影響。

環境直減率記為 $\Gamma_e$，乾絕熱直減率與濕絕熱直減率分別記為 $\Gamma_d$、$\Gamma_m$，一般有 $\Gamma_m<\Gamma_d$。

• 穩定：$\Gamma_e<\Gamma_m$。氣塊上升時比環境冷，密度較大，會傾向下沉回原位；氣塊下降時則較環境暖，傾向回升。
• 條件不穩定：$\Gamma_m<\Gamma_e<\Gamma_d$。未飽和氣塊受抬升時按乾絕熱率降溫，仍比環境冷而穩定；達飽和後按較小的濕絕熱率降溫，可能比環境暖而繼續上升。因此是否不穩定取決於氣塊是否飽和。
• 絕對不穩定：$\Gamma_e>\Gamma_d$。氣塊無論未飽和或飽和，受抬升後都比周圍暖，會繼續上升。
• 中性：$\Gamma_e=\Gamma_d$ 時為乾中性；$\Gamma_e=\Gamma_m$ 時為濕中性。氣塊受到垂直位移後，沒有回復或持續遠離原位的傾向。

題目給定：

核心觀念

本題考查四種航空氣象觀測設備如何把大氣中的「能見度、雲底高度、近地面風場與降水／風場回波」轉換為飛航作業可用的資訊。作答時應分別交代量測原理、提供的氣象資料，以及資料如何協助飛航安全。

解題方法

依「量什麼 → 怎麼量 → 用在哪裡」的順序說明即可。四種設備各有不同量測對象：跑道視程儀量測跑道附近的光學消光或散射；雲高儀量測雷射回波時間；低空風切警報系統比較機場周邊的風速、風向；都卜勒氣象雷達則分析降水粒子的回波與徑向速度。

各設備原理與航空用途

一、跑道視程儀（Runway Visual Range, RVR）

觀測原理： 跑道視程儀量測跑道附近大氣對光的消光程度，據以估算飛行員在跑道中心線附近可辨識跑道標線或跑道燈光的距離。常見儀器包括：

• **透射式儀器（transmissometer）：**在已知距離的發射端與接收端之間傳送光束，測量光束穿過大氣後的透射率。霧、雨、雪等粒子越多，光束衰減越大，能見距離越短。
• **前向散射式儀器（forward-scatter sensor）：**測量光束遇到大氣粒子後，在特定角度產生的散射光強度，再換算大氣消光程度與視程。

實際報告值也會考量跑道燈光強度與背景亮度等因素，反映跑道環境下的視程狀況。

航空用途： 提供跑道起飛、著陸時的跑道視程資訊，供飛行員與管制單位掌握低能見度程度，支援儀器進場、著陸最低標準及低能見度作業判斷。不同跑道位置的視程可能不同，因此儀器可設於跑道接地區、中段或末端等位置。

二、雲高儀（Ceilometer）

觀測原理： 雲高儀通常以雷射或其他光脈衝朝上發射，雲滴、冰晶或大氣粒子會散射部分光能回到接收器。儀器測量發射與接收間的時間差，依光速換算回波高度：

其中，$h$ 為回波目標高度，$c$ 為光速，$\Delta t$ 為光脈衝往返時間；除以 2 是因為光脈衝走了往返路程。雲底高度判定主要依據雲層產生的回波。

航空用途： 自動觀測並提供雲底高度，協助判定雲幕高度及低雲狀況，支援機場天氣報告、飛航計畫、進場與起飛決策。部分系統也能辨識垂直方向的多層雲底資訊。

三、低空風切警報系統（Low-Level Wind Shear Alert System, LLWAS）

核心觀念

本題比較的是兩種尺度與成因迥異的旋轉風暴：

• 颱風是發生在西北太平洋的熱帶氣旋，屬於大尺度、暖心、以海洋供應熱量的系統。
• 龍捲風是與強烈對流雷雨相關的狹小而劇烈的旋轉氣流，通常從積雨雲底部延伸至地面；常見於強烈雷暴，但也可由非超級胞雷暴或其他方式形成。

比較時應依題目指定的五個面向逐項整理：生成地點、生成條件、水平尺度、生命長度與結構。颱風和龍捲風雖然都具有旋轉風場，但不能只因都有低壓與旋轉，就把兩者視為同一類尺度或成因的系統。

解題方法

依題目列出的面向建立比較表，掌握各自的「能量來源與母系統」：

核心觀念

溫帶氣旋（extratropical cyclone，又稱中緯度氣旋或鋒面氣旋）是主要發生於中、高緯度的低壓系統。它通常沿著冷暖空氣交界的鋒面或斜壓帶發展，具有冷鋒、暖鋒等鋒面結構，能量主要來自不同溫度氣團之間的水平溫度差。

本題重點是掌握三件事：溫帶氣旋與熱帶氣旋的差異、溫帶氣旋如何沿鋒面生成，以及典型生命史中冷鋒如何追上暖鋒並形成錮囚鋒。

生成原理與解題方法

作答時可依序說明「鋒面上的溫度差 → 擾動形成波動 → 低壓加深、鋒面發展 → 冷鋒追上暖鋒、氣旋消散」。這條因果鏈同時交代生成機制與生命演化。

在極鋒附近，暖空氣與冷空氣相鄰，形成強烈的水平溫度梯度。若鋒面受到高空槽或急流等大尺度環流影響而出現波動，波動處會發展出低壓中心。低層空氣向低壓中心輻合，暖空氣沿暖鋒向冷空氣上方滑升，冷空氣則沿冷鋒向暖空氣下方推進，形成明顯的鋒面環流。

氣旋發展的動力學核心是斜壓不穩定：大氣利用水平溫度差所儲存的可用位能，轉換為氣旋性環流的動能。高空槽前的輻散有利於低層氣壓下降；低層暖平流與冷平流則使暖鋒、冷鋒及其間的暖區逐漸發展。北半球低壓附近風向呈逆時針環流，南半球則相反。

與鋒面的關係及生命過程

下圖為北半球典型的挪威模式簡圖。圖中「暖區」是暖鋒與冷鋒之間的暖空氣區；低壓中心沿鋒面波動發展，兩道鋒面逐漸向低壓中心延伸。