111 身心障礙特考四等 氣象 大氣測計學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查地面氣象觀測坪（meteorological observing plot）的設置原則，核心在於：

1. 觀測場址須具有代表性，能反映當地自然大氣狀況。
2. 各項儀器須有適當的曝露條件，避免建築物、樹木、熱源及地表材質造成觀測偏差。
3. 觀測坪須兼顧安全、排水、維護、交通與長期穩定性。
4. 場內不同儀器的設置，須依其觀測目的分別考量，例如溫度、降水、風、日照及蒸發量的曝露要求並不完全相同。

觀測坪不是單純將儀器集中放置的空地，而是經過選址、整地、配置及維護，使觀測結果具有時間與地點可比性的標準觀測環境。

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解題方法

答題時可依「場址選定、地面與環境、儀器曝露、安全維護」四個層次說明。先寫一般原則，再補充主要儀器的特殊要求，即可完整涵蓋本題。

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一、觀測坪場址的選定

1. 具有氣象代表性

觀測坪應設於能代表當地區域氣候的地點，避免只反映局部特殊環境。例如：

• 不宜設於高大建築物旁、狹窄巷道或盆地內的局部低窪處。
• 不宜設於工廠、鍋爐、冷氣機、排氣口等熱源或污染源附近。
• 不宜設於交通繁忙道路旁，以免受到車輛熱氣、震動、灰塵及排放物影響。
• 不宜選在機場跑道、屋頂或大型水泥地面等特殊下墊面，除非該站本身即為觀測該類環境而設。

選址的目的，是使觀測值反映鄰近區域的大氣狀況，而非某一個障礙物、熱源或特殊地表所造成的微氣候。

2. 四周開闊，避免障礙物遮蔽

觀測坪周圍應保持開闊，使空氣流動及輻射交換不受明顯干擾。障礙物包括：

• 建築物
• 高大樹木
• 圍牆
• 電線桿及大型設備
• 土堤、山坡或其他地形障礙

障礙物可能造成下列影響：

• 樹木及建築物會阻擋風，造成風速偏小或風向失真。
• 障礙物會形成湍流與渦流，使風的觀測不具代表性。
• 建築物及水泥地會吸收、儲存並釋放熱量，使氣溫偏高。
• 障礙物會遮蔽日照，造成日照時數偏少。
• 降雨儀器附近的障礙物會造成雨影，使雨量偏低，或使雨滴沿障礙物滴入而造成偏高。

一般原則為：障礙物與儀器的距離，應依儀器種類及障礙物高度保持足夠距離；對風速、日照及降水觀測而言，周圍開闊程度尤其重要。

3. 地勢平坦，避免局部地形影響

觀測坪宜選擇地勢平坦或坡度很小的地點，避免：

• 山頂、山谷、陡坡及懸崖邊
• 局部凹地或積水處
• 受坡面上升氣流、下沉氣流影響的地點
• 容易發生冷空氣堆積或熱空氣滯留的地點

若地形條件受限制，仍應選擇能代表該站所在區域的地點，並在站址資料中記錄地形及周邊環境。

4. 避免靠近大型水體或特殊下墊面

觀測坪附近若有大面積水面、裸地、柏油路、水泥廣場或金屬屋頂，會改變局部的熱力與濕度條件，影響：

• 氣溫
• 相對濕度
• 蒸發量
• 地面溫度
• 露、霜及霧的形成

因此，觀測坪應盡量設置於自然、均勻且具代表性的下墊面，避免不同地表交界處造成強烈局部效應。

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二、觀測坪地面及整體設施條件

1. 地面宜為均勻草地

標準地面觀測坪通常以短草地為宜，並應保持：

• 草高適中且均勻
• 不宜裸露大面積土壤
• 不宜鋪設大面積水泥、柏油或碎石
• 不宜任意灑水或施加會改變地表熱力性質的材料

草地可降低地表受熱後的極端溫度變化，使地表條件較接近自然環境，也能減少地面反射及熱輻射對溫度、濕度儀器的影響。

2. 地面應平整且排水良好

觀測坪須整地平整，避免地面高低不平造成積水或局部乾濕差異。排水系統應良好，以防：

• 降雨後長時間積水
• 雨量觀測受到地面逕流影響
• 蒸發皿或地溫觀測受到異常濕地影響
• 儀器基座下陷或傾斜
• 泥濘妨礙人員維護

排水設施本身也不應造成大量水氣、熱氣或反射面，並應避免排水溝、積水池直接靠近主要溫濕度儀器。

3. 面積須足夠

觀測坪面積應足以容納各類儀器，並保留儀器間適當距離及人員維修通道。一般標準觀測坪常採約 $15\text{ m}\times15\text{ m}$ 的配置，但實際大小須依觀測項目、儀器數量及主管機關規範決定。

面積不足時容易產生：

• 儀器彼此遮蔽
• 儀器間熱輻射或水滴飛濺互相干擾
• 人員通行踩壞草地
• 維護作業影響觀測
• 防護圍籬過度接近儀器

4. 設置圍籬但不得妨礙觀測

觀測坪通常應設置適當圍籬，以防止：

• 人員及動物進入
• 儀器遭破壞或誤觸
• 草地遭踩踏
• 儀器被移動或污染

但圍籬不宜過高、不宜為密閉式牆面，也不宜過度接近儀器，否則會造成風場阻擋、陰影及輻射效應。圍籬高度、材質與距離應兼顧安全及通風。

5. 便於進入、供電及維護

觀測坪應有安全、穩定且不影響觀測的進出通道，並具備：

• 儀器校正及維修空間
• 可靠的供電與接地設施
• 防雷及防漏電措施
• 適當的照明與安全管理
• 儀器基座及固定設備

供電設備、照明燈具、空調室外機及發電設備不得設置在會影響氣溫、風速、濕度或輻射觀測的位置。

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三、主要儀器的曝露要求

觀測坪整體條件合適後，仍須依不同儀器調整位置及高度。

1. 氣溫與濕度儀器

核心觀念

本題考查地面日射量的形成、影響因素，以及依輻射傳輸方向與來源所作的分類。

太陽輻射抵達地面前，必須通過大氣層，因此地面接收的日射量不是單純由太陽常數決定，而是受到太陽—地面幾何關係及大氣透射作用共同影響。

地面所接收的短波太陽輻射可表示為：

$$R_g=R_b+R_d$$

其中：

• $R_g$：全球日射量（global solar radiation）
• $R_b$：直接日射量（direct solar radiation）
• $R_d$：散射日射量（diffuse solar radiation）

若再考慮地表反射，則地面輻射收支中的短波部分還包括反射短波輻射。

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一、影響抵達地面日射量的因素

1. 太陽高度角與太陽天頂角

太陽高度角越高，太陽光線通過大氣的路徑越短，大氣吸收與散射越少，抵達地面的日射量越大。

以太陽天頂角 $\theta_z$ 表示時，理想水平面所接收的直接日射量可寫成：

$$R_b=I_0\cos\theta_z$$

其中 $I_0$ 為大氣頂端的日射強度。

太陽高度角 $h$ 與天頂角的關係為：

$$\theta_z=90^\circ-h$$

因此也可寫成：

$$R_b=I_0\sin h$$

清晨、傍晚的太陽高度角小，單位水平面所接收的日射量較弱；中午前後太陽高度角較大，日射量較強。

太陽高度角受到下列因素影響：

• 緯度
• 季節
• 時刻
• 太陽赤緯
• 地面方向與坡度

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2. 地球與太陽的距離

地球繞太陽運行的軌道略呈橢圓形，因此日地距離會隨季節改變。依反平方定律，太陽輻射強度與日地距離平方成反比：

$$I\propto\frac{1}{r^2}$$

其中 $r$ 為日地距離。

地球較接近太陽時，大氣頂端接收的太陽輻射較強；距離較遠時則較弱。

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3. 大氣吸收

大氣中的氣體會吸收部分太陽輻射，主要包括：

• 臭氧吸收紫外線
• 水氣吸收部分紅外線
• 二氧化碳及其他氣體吸收特定波段輻射

吸收會使太陽輻射通過大氣後減弱，且不同波長的減弱程度不同。

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4. 大氣散射

空氣分子、氣膠、塵埃及污染物會使太陽光改變原來的直線傳播方向，形成散射輻射。

主要散射類型包括：

• 瑞利散射：由空氣分子造成，對短波長光線較強
• 米氏散射：由氣膠、塵埃及較大粒子造成
• 非選擇性散射：由雲滴及較大水滴造成，各波長散射程度較接近

散射會降低直接日射量，但其中部分輻射仍以天空散射日射的形式抵達地面。

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5. 雲量與雲的光學性質

雲會對太陽輻射產生：

• 吸收
• 散射
• 反射

雲量越多、雲層越厚、雲水量越大，通常地面直接日射量越小。厚重的低雲對太陽輻射的削弱最明顯。

雲隙及雲邊也會造成局部輻射增強，因為雲體反射與散射的輻射可能集中至地面。

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6. 大氣透明度與氣溶膠含量

霧、煙、塵埃、污染物及火山灰會增加大氣消光作用，使日射量降低。

常以大氣濁度、能見度或氣膠光學厚度反映大氣透明程度。大氣越乾淨、越透明，直接日射量通常越大。

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7. 可降水量與水氣含量

水氣對特定波段太陽輻射具有吸收作用。大氣中的水氣越多，吸收通常越強，抵達地面的太陽輻射越少。

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8. 海拔高度

海拔越高，上方大氣柱越薄，輻射通過的吸收物質與散射粒子較少，因此晴朗條件下高海拔地區的直接日射量通常較大。

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9. 地表狀況與地形遮蔽

地形、山坡、建築物及樹木可能遮蔽太陽，減少實際觀測到的日射量。

地表反照率則主要影響太陽輻射抵達地面後的反射量。雪地、沙地等高反照率地表會反射較多短波輻射；森林、海洋等低反照率地表反射較少。

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二、依輻射傳輸原理所作的分類

1. 直接日射

直接日射是由太陽圓面沿近似直線方向抵達地面的輻射，未經大氣顯著改變傳播方向。

其特性為：

• 方向性強
• 受太陽高度角影響明顯
• 受雲、氣膠與大氣透明度影響很大
• 可用日射強度計或日射表測量，並配合遮蔽環或遮蔽盤測量散射分量

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2. 散射日射

散射日射是太陽輻射受到空氣分子、氣膠及雲滴散射後，自天空各方向抵達地面的輻射。

其特性為：

• 來自天空半球各方向
• 無明顯單一入射方向
• 雲量增加時，直接日射降低，散射日射所占比例通常上升
• 測量時須遮蔽太陽直射方向，以排除直接日射

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3. 全球日射

全球日射是水平面接收到的直接日射與散射日射總和：

$$R_g=R_b+R_d$$

全球日射是一般氣象站日射表最常觀測的量，代表水平地面由上方天空接收的總短波太陽輻射。

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4. 反射日射

核心觀念

雷文送（rawinsonde）是將「無線電探空」（radiosonde）與「氣球測風」（rawin, radio wind）結合的高空探測系統，利用氣球攜帶探空儀上升，連續量測大氣熱力狀態；同時由地面追蹤氣球的位置變化，求得高空風場。

本題核心在於區分：

1. 探空儀感測器直接量測的氣象要素。
2. 由氣球位置隨時間的變化間接推算的風場。
3. 由觀測資料進一步計算出的衍生氣象參數。

雷文送主要用於取得垂直方向的大氣剖面資料，通常可探測對流層至平流層下部，實際高度受氣球型式、載重、天氣及氣球破裂高度影響。

解題方法與施作方式

一、地面施放

在地面站將氫氣或氦氣灌入氣球，氣球下方懸掛雷文送探空儀。探空儀通常包含：

• 溫度感測器；
• 濕度感測器；
• 氣壓感測器，或利用高度與其他資料推算氣壓；
• 無線電發射器；
• 電池及資料處理、編碼裝置。

氣球上升時，探空儀以固定時間間隔量測資料，並透過無線電將觀測結果傳回地面接收站。

二、追蹤氣球位置

地面站利用雷達、無線電測向儀，或其他定位設備，連續測定氣球的位置。對每一個觀測時刻，可取得氣球的：

• 方位角；
• 仰角；
• 距離，或由定位系統取得的三維位置；
• 高度。

因此可建立氣球的水平位置與時間序列。

三、由位置變化推算風

設氣球在兩個時刻的水平位置差為 $\Delta x$、$\Delta y$，時間間隔為 $\Delta t$，則氣球的水平移動速度為：

$$V_x=\frac{\Delta x}{\Delta t}, \qquad V_y=\frac{\Delta y}{\Delta t}$$

若忽略氣球相對空氣的運動，氣球的水平移動速度可視為該高度的風速向量。因此風速大小為：

$$V=\sqrt{V_x^2+V_y^2}$$

但氣象上的風向是「風從哪裡吹來」，氣球移動方向是「風往哪裡吹去」，二者方向相差 $180^\circ$。例如氣球向東北方移動，表示風是由西南方吹來。

若採用氣象風場分量：

• $u$：東向風分量；
• $v$：北向風分量；

則風速為：

$$|\vec{V}|=\sqrt{u^2+v^2}$$

風向必須以風的來源方向表示，不能直接把氣球漂移方向當成風向。

可直接探測的氣象參數

一、氣溫

由溫度感測器直接量測各高度的大氣溫度，所得資料可繪製垂直溫度剖面，用以判斷：

• 氣溫隨高度的變化；
• 氣溫遞減率；
• 逆溫層；
• 穩定度與不穩定度；
• 對流層頂附近的溫度結構。

二、氣壓

由氣壓感測器直接量測大氣壓力，或由探空系統配合高度資料求得各層氣壓。氣壓隨高度降低，是高空探空的重要垂直座標之一。

三、濕度

由濕度感測器直接量測相對濕度或水氣相關量，通常可取得：

• 相對濕度；
• 水氣含量；
• 濕度垂直剖面；
• 飽和層與乾燥層位置。

在傳統探空儀中，濕度常由吸濕性元件、電容式濕度元件或其他濕度感測器量測。

四、探空儀高度與位置

透過雷達追蹤、無線電測向或定位系統，可直接取得氣球的高度及空間位置。這些資料同時是計算風場與繪製高空等壓面的重要基礎。

可間接推算的氣象參數

一、風向與風速

核心觀念

本題考查「遙測儀器量測到的不是完整風向風速，而是某種可觀測訊號，再利用物理關係或時間、空間變化反推出大氣運動向量」的原理。

風場通常以三維風向量表示：

$$\vec{V}=(u,v,w)$$

其中 $u$、$v$、$w$ 分別為東西向、南北向及垂直方向風速。地面雷達主要利用電磁波回波的都卜勒頻移或回波目標位移估計風場；衛星則主要利用連續影像中雲團、水汽特徵的位移，配合特徵高度判定，推估大氣運動向量（Atmospheric Motion Vector, AMV）。

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一、地面雷達推估風場的原理

（一）都卜勒雷達量測徑向風速

都卜勒雷達發射電磁波，空氣中的雨滴、冰晶、雲粒子等散射體會產生回波。若散射體相對於雷達沿雷達波束方向運動，接收回波會產生都卜勒頻移。

都卜勒頻移為：

$$f_d=\frac{2v_r}{\lambda}$$

因此徑向速度為：

$$v_r=\frac{\lambda f_d}{2}$$

其中：

• $f_d$：都卜勒頻移；
• $\lambda$：雷達波長；
• $v_r$：散射體沿雷達—散射體連線方向的速度分量。

因為雷達波為往返傳播，所以公式中有係數 $2$。回波頻率增加通常表示散射體朝向雷達運動，回波頻率降低則表示遠離雷達運動；實際正負號仍須依雷達的速度定義而定。

雷達直接觀測的是徑向風速，而不是完整風向風速，這是雷達風場反演的基本限制。

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（二）利用多方位掃描的 VAD 方法

在水平風場大致均勻、垂直速度很小的條件下，雷達固定某一仰角，沿不同方位角 $\phi$ 掃描。若水平風速為 $(u,v)$，雷達量得的徑向速度可表示為：

$$v_r=u\sin\theta\cos\phi+v\sin\theta\sin\phi+w\cos\theta$$

其中：

• $\theta$：雷達仰角；
• $\phi$：雷達方位角；
• $u$、$v$：水平風分量；
• $w$：垂直速度。

在低仰角且 $w$ 很小時，可近似為：

$$v_r\approx u\sin\theta\cos\phi+v\sin\theta\sin\phi$$

將各方位角的徑向速度資料以正弦曲線配適，即可求得水平風向與風速。這種方法稱為速度方位顯示法（Velocity Azimuth Display, VAD）。

若將水平風速寫成風速大小 $V$ 及風向 $\alpha$，則可寫成：

$$v_r=V\sin\theta\cos(\phi-\alpha)$$

因此，徑向速度隨方位角呈正弦變化。正弦曲線的振幅與 $V\sin\theta$ 有關，曲線相位則決定風向。

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（三）利用多部雷達或多次觀測求風向量

單部雷達在一個觀測方向只能取得一個速度分量。若兩部雷達從不同方向觀測同一空間位置，便可得到兩個不同方向的徑向速度：

$$v_{r1}=\vec{V}\cdot\hat{e}_1$$ $$v_{r2}=\vec{V}\cdot\hat{e}_2$$

其中 $\hat{e}_1$、$\hat{e}_2$ 為兩部雷達的視線單位向量。聯立兩式即可反演水平風的 $u$、$v$ 分量；若有足夠不同仰角與觀測資料，也能估計垂直速度或三維風場。

此方法的優點是幾何上可直接分解風向量，缺點是需要雷達波束交會、時間同步及適當的回波散射體。

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（四）利用回波目標追蹤估計風場

即使雷達沒有都卜勒功能，也可透過連續雷達反射率圖追蹤雨區、雲團或回波核心的移動。

設某一回波特徵在時間 $t_1$ 位於 $(x_1,y_1)$，在時間 $t_2$ 位於 $(x_2,y_2)$，則平面運動向量為：

$$\vec{C}= \left( \frac{x_2-x_1}{t_2-t_1}, \frac{y_2-y_1}{t_2-t_1} \right)$$

實務上常使用影像相關法，例如比對前後兩張雷達回波影像，尋找相關係數最大的位移位置，再將位移除以時間間隔，得到回波平移速度。

但回波移動速度不必然等於風速，因為回波可能同時受下列因素影響：

• 降水粒子生成、成長與消散；
• 上升、下沉運動；
• 回波系統本身的組織與傳播；
• 風場在水平及垂直方向的切變。

因此，回波追蹤所得通常是「回波平移向量」，需在回波物理性質穩定且平流作用占優勢時，才可近似代表風場。

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二、衛星遙測推估大氣運動向量的原理

（一）連續影像追蹤大氣特徵

氣象衛星依不同波段取得連續影像，常用的追蹤目標包括：

• 可見光雲系；
• 紅外線雲頂；
• 水汽影像中的水汽結構；
• 特定雲團、雲系邊界或水汽紋理。

在連續兩張或多張衛星影像中，若某一雲團或水汽特徵可辨識，便可求得其影像位移：

$$\Delta x=x_2-x_1$$ $$\Delta y=y_2-y_1$$