111 身心障礙特考四等 氣象 大氣科學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查「氣團」的定義，以及依源地緯度與下墊面性質分類的全球主要氣團。氣團是指在水平方向上，溫度與濕度等性質大致均勻、垂直方向具有相近熱力特性的廣大空氣團。氣團形成於範圍廣大且性質均一的源地；在源地停留愈久，愈能取得該地表面的熱量與水氣特徵。

解題方法

回答時先寫出氣團的判定特徵，再用兩個分類依據整理各類氣團：

• 源地緯度決定氣團偏暖或偏冷。
• 源地下墊面決定氣團偏乾或偏濕：大陸源地較乾，海洋源地較濕。

因此，常以「緯度名稱＋海洋或大陸」命名氣團，並說明其典型溫度與濕度特徵。

全球常見氣團及特色

核心觀念

本題考查地球大氣的經向三胞環流模型，以及依空氣垂直運動與溫度分布判斷環流是熱力直接或熱力間接。

「熱力直接環流」是暖空氣上升、冷空氣下沉，環流方向順著熱力浮力作用；「熱力間接環流」則是冷空氣上升、暖空氣下沉，不能單靠局地熱力浮力維持，主要由中緯度天氣系統與渦旋輸送動量和熱量來維持。

解題方法：先畫環流，再標示升降與近地面風

以下以北半球為例。三個環流胞由赤道向北依序為哈德里胞、佛雷爾胞與極胞；南半球大致呈鏡像。

 對流層上層
赤道 0° 30°N 60°N 北極 90°N
 ↑ ↓ ↑ ↓
 │ 哈德里胞 │ 佛雷爾胞 │ 極胞 │
 │ │ │ │
 └──近地面→────┘←────近地面────────┘────近地面→────────┘
 信風 副熱帶高壓帶 盛行西風 極鋒低壓帶 極地東風

圖中近地面流向和上升、下沉位置如下：

三個胞的垂直運動可用「赤道上升、30°下沉、60°上升、極區下沉」記憶。實際大氣的環流位置會隨季節與經度改變；上述緯度是理想化平均圖像。

熱力直接與熱力間接環流

• 哈德里胞：熱力直接。 赤道受熱較強，暖空氣在赤道附近上升；空氣在副熱帶下沉，構成直接由赤道加熱驅動的環流。
• 極胞：熱力直接。 極區空氣寒冷而密度較大，於極區下沉；約 60°附近較暖的空氣上升，符合暖空氣上升、冷空氣下沉的熱力配置。

核心觀念

懸浮微粒（aerosols）會改變大氣輻射收支，主要分為直接效應與間接效應。直接效應是微粒本身與輻射交互作用；間接效應則是微粒作為雲凝結核或冰核，藉由改變雲的性質與生命史影響輻射。

判讀輻射平衡時，可分別追蹤短波太陽輻射與長波地球輻射：反射或散射更多太陽短波輻射至太空，通常會使地氣系統冷卻；吸收短波或阻止長波輻射逸出太空，則通常會使系統增暖。

解題方法

依微粒影響輻射的途徑分成兩層說明：

1. 微粒本身吸收、散射或消光輻射，屬於直接效應。
2. 微粒改變雲滴、冰晶與雲量等雲特性，再改變輻射收支，屬於間接效應。

並指出各效應對地表、大氣或整體地氣系統的影響方向；方向會因微粒性質、雲況與垂直分布而異，不能將所有微粒概括為同一種增暖或冷卻作用。

直接效應（direct effect）

微粒可散射與吸收入射的太陽短波輻射，也可吸收、散射地表與大氣放出的長波輻射。

• **散射短波輻射：**硫酸鹽、海鹽等較具散射性的微粒，會將部分太陽輻射散射回太空，降低地表吸收的短波能量，通常造成地表及地氣系統冷卻。
• **吸收短波輻射：**黑碳等吸光性微粒會吸收太陽輻射，使大氣層增暖；同時，抵達地表的短波輻射減少，可能使地表冷卻。若微粒位於雲層上方，也可能改變雲層受熱與穩定度。
• **長波交互作用：**微粒會影響地球長波輻射的吸收、散射與放射，作用方向取決於微粒種類、粒徑、濃度及高度分布，通常比其對短波輻射的影響更具情境依賴性。

因此，直接效應的輻射強迫可為負值或正值：散射型微粒通常呈冷卻傾向，吸光型微粒則可直接加熱大氣；地表與大氣的溫度反應也不必相同。

核心觀念

本題考大氣光學中，粒子尺寸相對於入射光波長的大小，如何決定散射型態。判斷時可用無因次尺寸參數：

其中 $r$ 為粒子半徑，$\lambda$ 為光波長。當 $x\ll 1$，適用瑞利散射；粒子尺寸與波長相近或更大時，則須考慮米氏散射。瑞利散射是小粒子極限下的散射，米氏散射則能描述球形粒子在較廣尺寸範圍內的散射。

解題方法

作答時分別交代兩種散射的適用粒子、波長依存性、散射方向特性及大氣中的例子，再說明兩者在天空顏色與雲霧能見度上的表現。

一、瑞利散射（Rayleigh scattering）

瑞利散射適用於粒子遠小於波長的情況，即 $x\ll1$。大氣中的氮、氧分子相對於可見光波長極小，因此晴朗大氣中的分子散射主要屬於瑞利散射。

在粒子性質相同的條件下，瑞利散射強度約與波長四次方的倒數成正比：

因此短波長的藍光比長波長的紅光更容易被散射。陽光穿過大氣時，來自天空各方向的散射光以藍光成分較強，天空因而呈現藍色。日出、日落時，陽光通過較長的大氣路徑，藍光在途中被大量散射離開直射方向，直射光便相對偏紅、偏橙。

對未偏振入射光而言，理想瑞利散射的角分布可寫成：