109 高普考普通考試 氣象 大氣測計學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查氣象雷達回波的觀測原理，以及多部雷達資料的整合方式與判讀限制。雷達發射電磁波，遇到雨滴、雪或冰雹等水象粒子後產生散射，部分能量返回雷達接收器；經訊號處理後得到反射率資料，再以顏色呈現回波強弱與分布。

全臺整合雷達回波圖，是把不同雷達站所觀測的回波資料，經過處理與整合後，繪成涵蓋臺灣及鄰近海域的共同圖像。回波越強，通常表示雷達所觀測體積內的降水粒子反射訊號越強；但回波強度不等同於地面雨量，也不能單憑回波圖推定地面降雨量。

解題方法：整合圖的取得流程

作答時可依「資料來源、資料處理、資料整合、圖資產出」說明：

1. 蒐集各雷達觀測資料：彙整中央氣象局所屬雷達與空軍雷達等站的觀測回波。民國 109 年的產品說明指出，當時整合了五分山、花蓮、墾丁、七股等 S 波段雷達，以及空軍所屬 C 波段雙偏極化雷達的觀測資料。
2. 解碼與品質控制：將不同雷達傳來的資料解碼，進行品質控制、校正等處理，降低不可靠資料對產品的影響。
3. 分類並整合資料：依觀測參數與空間位置等條件，將各雷達資料整合成一致的回波場，使不同雷達涵蓋區域能呈現在同一張圖上。
4. 產出資料與圖像：將整合結果製成資料檔與圖檔，提供使用者查看。產品可依用途呈現不同範圍，並可選擇是否疊加地形。

使用時的注意事項

核心觀念

本題考查大氣折射率隨高度的變化如何影響雷達電磁波路徑。雷達波在大氣中傳播時，溫度、氣壓與水氣含量的垂直分布會造成折射率改變，使波束彎曲。若折射率隨高度下降得非常快，波束會向下彎曲；當彎曲程度足以使波束被限制在大氣的一層內傳播，即稱為槽化現象（ducting）。

常用無線電折射率 $N$ 表示大氣折射特性：

其中 $n$ 為折射率。對雷達波而言，當折射率的垂直梯度滿足

即屬槽化條件。等價地，使用修正折射率

表示時，槽化層內的 $M$ 會隨高度減少，即 $\frac{dM}{dz}<0$；其中 $z$ 為高度，$a$ 為地球半徑。

解題方法

先說明槽化是「強烈向下折射，造成波束被大氣層捕捉」，再以折射率梯度的臨界值界定其發生條件。第二小題則由折射率受溫度與水氣分布影響的特性，說明哪些垂直結構會形成足夠強的折射率遞減。

（一）何謂雷達電磁波槽化現象？

雷達電磁波槽化是指大氣中存在折射率隨高度急遽下降的薄層，使雷達波產生強烈向下折射，波束因而被限制在該層與地表（或另一折射層）之間，沿著大氣層長距離傳播。

槽化時，波束的曲率大於地球表面的曲率，因此電磁波不再依一般直視距離向外擴展，而會沿著槽層被導引，傳播距離可超出正常雷達視距。地面氣象雷達可能因此出現遠距離地物雜波、異常傳播回波，或回波高度與距離判讀偏差。

（二）大氣在哪些環境下，電磁波較容易出現槽化現象？

核心觀念

本題考查兩種由不同大氣運動造成的逆溫，以及如何從探空圖辨認它們。逆溫是指氣溫隨高度上升而增加的層次；在探空圖上，應先找出溫度線呈現逆溫的高度，再依露點線及上下層的溫濕差異判斷成因。

解題方法

判讀時抓住兩個問題：逆溫層如何形成？越過逆溫層時，空氣是變乾還是變暖、變濕？

沉降逆溫

**大氣環境：**常見於高壓或反氣旋等下沉氣流環境。空氣下沉時受到壓縮而絕熱增溫；下沉層相對濕度降低，形成較暖、較乾的空氣。當下沉增溫的空氣位於較冷的低層空氣上方，便形成沉降逆溫。這類逆溫常出現在對流層中低層，具有抑制垂直混合與雲體向上發展的作用。

探空圖特性：

• **溫度線：**穿越逆溫層時，溫度隨高度上升而增加，呈逆溫特徵；逆溫層上方常接續較乾、較穩定的下沉空氣。
• **露點線：**通常在逆溫層附近或其上方明顯向低溫方向偏移，表示水氣減少、空氣變乾。溫度線與露點線之間的距離因此增大。

鋒面逆溫

**大氣環境：**冷暖氣團交界處，暖空氣沿著鋒面爬升並移到冷空氣上方。由於低層冷空氣較冷、上方暖空氣較暖，跨越鋒面時可見氣溫隨高度上升而增加，形成鋒面逆溫。暖鋒附近常見暖空氣越過冷空氣的結構；鋒面本身通常具有傾斜面，探空站觀測到的逆溫是垂直剖面穿越該鋒面結構的結果。

探空圖特性：

核心觀念

太陽輻射進入地球大氣後，直達地面的短波輻射會因大氣成分與粒子作用而減弱，主要機制為吸收與散射；雲層還會將部分輻射反射回太空。大氣中各成分的作用具有波長選擇性，因此不同波段的衰減程度不同。

描述直達輻射衰減，常用比耳－朗伯定律：

其中 $I_{0,\lambda}$ 為大氣頂端的波長 $\lambda$ 輻射強度，$I_\lambda$ 為穿過大氣後的直達輻射強度，$\tau_\lambda$ 為垂直光學厚度，$m$ 為相對氣團量。太陽天頂角為 $\theta_z$ 時，在平面平行大氣的近似下，$m\approx\sec\theta_z$。光學厚度愈大、路徑愈長，直達輻射衰減愈多。

解題方法：依輻射與大氣成分的交互作用分類

作答時先列出衰減的物理機制，再說明各機制由哪些大氣成分造成，並補充影響衰減程度的條件。

1. 氣體吸收 大氣氣體會吸收特定波長的太陽輻射。臭氧主要吸收紫外線；水氣在近紅外波段有強吸收帶；氧氣與二氧化碳也會吸收部分波段。吸收後，輻射能轉為大氣內能，因而不再以原來的短波直達輻射到達地面。

核心觀念

本題考風的兩種描述與量測方式，關鍵差異是觀測位置是否固定：

• 歐拉法（Eulerian method）：在空間中固定位置設置儀器，量測風場隨時間的變化。觀測者不隨氣團移動，因此得到的是固定測站處的風速與風向。
• 拉格朗日法（Lagrangian method）：追蹤隨氣流移動的氣團或示蹤物，記錄其位置隨時間的變化，再由位移求得風速與風向。

解題方法

作答時先指出觀測座標的差異，再各舉一例，並交代儀器如何取得風場資訊。

1. 歐拉法：固定點觀測 風速計與風向計固定在測站，持續量測該處的風。若儀器記錄兩個分量 $u$、$v$，則風速為 $V=\sqrt{u^2+v^2}$ 風向則依分量及採用的風向慣例判定。

**例：**地面氣象站的杯狀風速計與風向標，或固定於塔架上的超音波風速計。儀器位置不動，量測的是該固定位置的風隨時間如何改變。