112 身心障礙特考四等 氣象 大氣科學概要 考古題詳解

112 年・身心障礙特考・四等・氣象
試題代碼 大氣科學概要

第 一 題25 分

氣溫與氣壓變化是兩個重要的大氣觀測項目。請論述造成地球上氣候溫度分布差異的成因有哪些？並論述赤道與極區的溫度差異，可以如何影響氣壓分布及大氣垂直、水平環流變化？

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核心觀念

本題考查地球氣候的熱量分布，以及赤道與極區的溫度差異如何造成氣壓梯度，進而驅動大氣的垂直與水平環流。核心因果鏈為：

太陽輻射與地表能量收支差異→氣溫分布差異→氣柱厚度與氣壓場差異→垂直運動及水平環流\text{太陽輻射與地表能量收支差異} \rightarrow \text{氣溫分布差異} \rightarrow \text{氣柱厚度與氣壓場差異} \rightarrow \text{垂直運動及水平環流}

氣壓是單位面積上方空氣柱的重量；氣壓隨高度遞減。靜力平衡可表示為

∂p∂z=−ρg\frac{\partial p}{\partial z}=-\rho g

其中 pp 為氣壓、zz 為高度、ρ\rho 為空氣密度、gg 為重力加速度。氣溫差異會改變空氣密度及氣柱厚度，因此也會影響不同高度上的氣壓分布。

解題方法

先從造成地表受熱不均的因素，說明地球氣候溫度分布為何存在差異；再以赤道和極區作為對照，依序說明溫度差異如何影響氣柱厚度、氣壓場、垂直運動及水平環流。

一、造成氣候溫度分布差異的成因

  1. 緯度與太陽高度角 地球呈球形，不同緯度的太陽入射角不同。低緯度太陽高度角較大，單位面積接收的太陽能較多；高緯度太陽高度角較小，能量分散於較大面積，且穿越大氣的路徑較長，地表受熱較少。

  2. 日照時間與季節變化 地軸傾斜造成各緯度日照長度及太陽高度角隨季節改變。高緯度的季節性日照差異尤其大，形成顯著的季節溫度變化。

  3. 地表反照率 雪冰覆蓋區反照率高，會反射較多短波輻射，吸收較少能量；海洋、森林等表面通常吸收較多太陽能。反照率差異也會透過冰雪反照率回饋放大區域溫度差異。

  4. 陸海分布與熱容量 海洋熱容量大，升溫與降溫較慢；陸地熱容量較小，溫度變化較快。因此，沿海地區通常較受海洋調節，內陸地區則較容易出現較大的日夜及季節溫差。

  5. 地形與海拔 海拔升高時，氣壓、空氣密度及氣溫通常降低。山脈還會阻擋氣流，造成迎風面與背風面的溫度及降水差異。

  6. 洋流與大氣環流 暖流可把低緯熱量輸送至較高緯度，寒流則使沿岸降溫；大氣環流也會搬運熱量與水氣，影響各地溫度及雲量。

  7. 雲量、水氣與溫室效應 水氣與雲會影響短波輻射到達地表及長波輻射逸散。大氣中的溫室氣體吸收並再放射地表長波輻射，使地表與低層大氣維持較高溫度。

二、赤道與極區溫度差異對氣壓及環流的影響

  1. 溫度差異造成氣柱厚度差異 在相同上下氣壓面之間，暖空氣柱較厚、冷空氣柱較薄。此關係可由測高公式表示：

Δz=RdTv‾gln⁡(p1p2)\Delta z=\frac{R_d\overline{T_v}}{g}\ln\left(\frac{p_1}{p_2}\right)

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第 二 題25 分

請論述太陽輻射波長和地球輻射波長的特徵差異？並論述雲的存在如何造成大氣溫室效應？

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核心觀念

本題考查輻射的波長分布，以及雲對地球輻射收支與大氣溫室效應的影響。太陽表面溫度高，主要放出短波輻射；地表溫度低，主要放出長波紅外線。雲對兩種輻射的作用不同：對太陽短波有反射作用，對地表長波則有吸收與再放射作用。

波長分布可用維恩位移定律說明：

λmax⁡T=b,b≈2.90×10−3 m K\lambda_{\max}T=b,\qquad b\approx 2.90\times10^{-3}\ {\rm m\,K}

其中 TT 為物體絕對溫度，λmax⁡\lambda_{\max} 為輻射強度最大的波長。溫度越高，峰值波長越短。

解題方法

先比較太陽與地球的有效溫度，再由維恩位移定律判斷各自輻射的波長範圍；接著分別說明雲如何作用於入射短波與地表放出的長波，即可完整回答雲對能量收支和溫室效應的影響。

太陽輻射與地球輻射的波長差異

比較項目太陽輻射地球輻射
主要來源溫度太陽光球約 5800 K5800\ {\rm K}地表約 288 K288\ {\rm K}
峰值波長（維恩定律估算）λmax⁡≈0.50 μm\lambda_{\max}\approx 0.50\ \mu{\rm m}λmax⁡≈10 μm\lambda_{\max}\approx 10\ \mu{\rm m}
主要波段短波，包含紫外線、可見光及近紅外線長波紅外線，主要為熱紅外線
輻射特性大氣對多數可見光較透明，短波可到達地表地表吸收太陽能後升溫，向外放出長波；部分長波會被大氣吸收

以維恩位移定律估算，太陽的峰值波長為：

λmax⁡,⊙=2.90×10−35800≈5.0×10−7 m=0.50 μm\lambda_{\max,\odot} =\frac{2.90\times10^{-3}}{5800} \approx 5.0\times10^{-7}\ {\rm m} =0.50\ \mu{\rm m}

地球地表的峰值波長為：

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第 三 題25 分

請從大氣中的作用力概念，論述為何地面天氣圖上看到的臺灣冬季主要盛行風方向為東北風？並論述赤道地區出現的南方振盪現象可以如何影響熱帶地區降水分布變化？

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核心觀念

本題考兩個觀念：一是冬季東亞氣壓配置下，壓力梯度力、科氏力與摩擦力如何共同決定臺灣附近的地面風向；二是赤道太平洋南方振盪如何透過沃克環流改變熱帶地區的對流與降水分布。

南半球與北半球的科氏力方向不同；臺灣位於北半球，移動中的空氣受科氏力作用會向運動方向的右側偏轉。近地面風還受到摩擦力影響，因此風不會完全沿等壓線吹，而會斜穿等壓線，朝低壓方向移動。

解題方法一：由冬季氣壓配置推導臺灣東北風

冬季亞洲大陸冷卻較快，地面氣壓偏高，形成西伯利亞高壓；鄰近太平洋的氣壓相對較低。大氣受到壓力梯度力作用，從高壓區往低壓區移動，東亞冬季風因而由大陸一側往東南方及南方吹送。

空氣向南移動時，北半球科氏力使其向右偏轉，也就是往西偏。壓力梯度力、科氏力和地面摩擦力共同作用後，臺灣附近的地面氣流呈由東北往西南吹送的方向，因此地面天氣圖上稱為「東北風」；風向是指風從哪個方向吹來。

可用下式表示水平運動所受的主要作用力：

DVDt=−1ρ∇hp−fk×V+F摩擦\frac{D\mathbf{V}}{Dt} = -\frac{1}{\rho}\nabla_h p -f\mathbf{k}\times\mathbf{V} +\mathbf{F}_{\mathrm{摩擦}}

其中，−1ρ∇hp-\frac{1}{\rho}\nabla_h p 是壓力梯度力，f=2Ωsin⁡ϕf=2\Omega\sin\phi 是科氏參數，F摩擦\mathbf{F}_{\mathrm{摩擦}} 表示近地面摩擦力。在自由大氣中，風常近似為壓力梯度力與科氏力平衡的地轉風；在地面附近，摩擦使風速減弱、科氏力也隨之減弱，壓力梯度力便能使風斜向低壓吹去。

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第 四 題25 分

臺灣春天常受冷鋒面或是滯留鋒面影響。請論述鋒面氣旋為何好發在中緯度地區？冷鋒面由北往南移動時，將會對臺灣各地的氣溫、壓力、風速、降水帶來什麼變化？

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核心觀念

本題考查兩個觀念：鋒面氣旋的生成環境，以及冷鋒通過時氣象要素的典型變化。

鋒面是冷暖氣團交界處的狹長過渡帶。中緯度常有冷暖空氣交會，水平溫度梯度大，形成斜壓帶；在高空波動與高低層輻散、輻合的配合下，斜壓擾動發展，暖空氣向極地方向輸送、冷空氣向赤道方向推進，氣旋環流因而增強，並逐漸形成暖鋒與冷鋒。此種由水平溫度差異提供能量的氣旋發展，稱為斜壓性發展，故鋒面氣旋特別常見於中緯度。

冷鋒是冷空氣推進並取代暖空氣的邊界。鋒面由北往南移動時，臺灣各地依序經歷鋒前、鋒面附近與鋒後，因此氣溫、氣壓、風速與降水會隨鋒面通過而改變。

解題方法

依序判讀鋒面通過前後的氣團與天氣型態：

  1. **氣溫：**鋒前為較暖空氣，鋒後由較冷空氣取代，因此冷鋒通過後氣溫下降。
  2. **氣壓：**鋒面接近時，常受鋒面低壓槽影響而逐漸下降；通過後冷空氣進入，氣壓回升。
  3. **風速與風向：**鋒面附近氣壓梯度及對流活動增強，風速常增大、陣風較明顯；通過後風向轉為偏北風，臺灣常見北至西北風，之後風速逐漸減弱。
  4. **降水：**冷鋒抬升暖濕空氣，降雨多集中在鋒面附近及其前方。鋒面由北向南通過時，降雨區也大致由北向南移動；鋒後冷空氣影響，降雨通常減少，天氣逐漸轉晴。

各氣象要素的變化

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