109 高普考普通考試 氣象 天氣學概要(包括基礎天氣分析與基礎大氣動力學) 考古題詳解

核心觀念

本題考查邊界層動力、東亞冬季季風、濕空氣熱力學，以及氣團與水氣的基本定義。作答時應說明各名詞的物理成因或判定條件，並指出容易混淆之處。

解題方法

（一）艾克曼螺線（Ekman spiral）

艾克曼螺線描述旋轉地球上，摩擦與科氏力共同作用下，邊界層風向及風速隨高度改變的結構。近地面摩擦使風速減小，科氏力也隨之減弱，風向因此較接近氣壓梯度力方向；高度增加後，摩擦影響減小，風逐漸轉向並接近平衡流。將各高度的風矢量以端點相連，形成螺旋狀曲線，稱為艾克曼螺線。

在北半球，風向通常隨高度增加而順時針轉；在南半球則通常逆時針轉。理想艾克曼層中，風速也會隨高度增加而逐漸接近上方的地轉風。實際大氣的螺旋形態會受穩定度、地形及湍流影響。

（二）寒潮（Cold surge）

寒潮是冷空氣大規模向低緯度或較暖地區急速南下的現象，常伴隨氣溫明顯下降、氣壓上升及強風。東亞寒潮多與西伯利亞、蒙古一帶冷高壓增強，以及冷空氣沿大陸向南推進有關；冷空氣抵達華南、台灣或鄰近海域時，常形成強烈東北季風。

判斷寒潮著重於冷空氣的大範圍推進與快速降溫，不宜只以單一地點某個固定氣溫值界定。冷空氣南下後若遇暖濕海面，水氣與熱量交換可造成低層不穩定，並影響降雨與海象。

（三）相當位溫（Equivalent potential temperature，$\theta_e$）

相當位溫是描述濕空氣熱力狀態的量：將空氣中的水氣凝結並移除潛熱，再把空氣乾絕熱移至標準氣壓（通常為 $1000\ \mathrm{hPa}$）時所對應的位溫。它把水氣凝結釋放的潛熱也納入考量，因此同時反映空氣的溫度與水氣含量。

常用近似式為

其中 $\theta$ 為位溫、$L_v$ 為水的汽化潛熱、$q$ 為比濕、$c_p$ 為乾空氣定壓比熱、$T_L$ 為抬升凝結高度附近的代表溫度，$p_0$ 通常取 $1000\ \mathrm{hPa}$。此式為常用近似，精確計算式會依採用的熱力學假設而異。

核心觀念

本題考查水平風場的輻散度，以及如何用有限個探空站的風觀測估計區域平均輻散度。水平輻散度定義為

其中 $u$、$v$ 分別是向東、向北的風分量。輻散度為正表示空氣淨流出，為負表示淨流入。

利用高斯散度定理，三站所圍成區域的平均水平輻散度，等於邊界上的風通量除以區域面積：

其中 $A$ 為三角形面積，$\mathbf{n}$ 為邊界的外向單位法線。

解題方法

將三站位置連成三角形，並以各站觀測到的同一氣壓層水平風作為三角形頂點的風值。假設三站之間的風場近似線性變化，即可估計各邊的風通量。

 站 2 ● (u₂, v₂)
 / \
 / \
 / \
 站 1 ● (u₁, v₁) ────● 站 3 (u₃, v₃)

 三站圈成控制面；各邊的外向法線指向三角形外側

操作步驟如下：

1. 求三角形面積：依三站的平面座標計算面積 $A$。
2. 估算各邊平均風：每一邊以兩端站風的平均值代表該邊平均風。例如，站 $i$ 到站 $j$ 的邊上，平均風近似為

3. 計算各邊向外通量：將邊上的平均風投影到該邊的外向法線，再乘以邊長。

核心觀念

本題考查鋒面的氣團界面與地面觀測特徵，以及地轉平衡如何影響鋒區的垂直結構。鋒面不是沒有厚度的幾何線，而是冷、暖氣團交界處具有顯著水平溫度梯度的狹窄過渡帶。低層鋒生則涉及水平溫度梯度增強、非地轉環流與鋒區垂直運動；半地轉理論比準地轉理論更能描述強鋒區中的這些過程。

解題方法

（一）鋒面的定義

鋒面是兩個性質不同的氣團交界處，具有顯著水平溫度梯度（密度梯度）的狹窄過渡區。氣團性質的差異也常伴隨濕度、風向及穩定度等差異。鋒面通常具有傾斜結構，因此地面鋒線是鋒面與地面的交線。

（二）典型地面冷鋒的觀測特徵

冷鋒通過時，較冷空氣推進並楔入暖空氣下方。鋒面附近相較於鋒區外，常見下列特徵：

• **溫度與密度梯度較大：**鋒後氣溫較低、空氣較密；鋒前氣溫較高。氣溫常在鋒線附近或通過前後快速下降。
• **風向轉變較明顯：**風在鋒面兩側方向不同，鋒面通過時常出現風向轉變；具體風向取決於天氣系統與地區環流。
• **氣壓有槽形變化：**鋒線附近常有局部低壓槽，鋒後氣壓通常回升。
• **輻合與上升運動增強：**冷空氣楔入使暖空氣沿鋒面抬升，容易形成雲、降水或雷雨；鋒區外的垂直運動通常較弱。
• **濕度與雲量常有差異：**鋒前暖濕空氣與鋒後冷乾空氣的濕度不同，鋒面附近則常因抬升凝結而雲量增加。

作答時應指出，鋒區內的梯度、風場變化與垂直運動通常比鋒區外集中而強烈；各站觀測到的氣溫、風向和降水變化，會隨冷鋒移動速度及當地環境而異。

（三）由地轉調整說明中對流層鋒面較弱

地轉平衡下，水平風主要沿等壓線吹，氣壓梯度力與科氏力大致平衡。鋒區具有強水平溫度梯度，依熱成風關係，溫度梯度會對應到隨高度改變的地轉風切變：

地轉調整會使不平衡的氣壓與風場透過調整環流趨向較接近地轉平衡。中對流層摩擦影響較小，風場較接近地轉平衡，跨鋒面的非地轉環流與輻合較弱；因此水平溫度梯度較不易在該層持續集中，鋒面表現通常較弱。

核心觀念

本題考查北半球冬季斜壓波中的溫帶氣旋發展、上下層配置、氣旋內三種主要氣流帶，以及流線與軌跡線的差異。作答時先畫出地面低壓、鋒面與高空槽的相對位置，再補上氣流帶的三維運動和雲雨分布。

北半球地面低壓周圍的風呈逆時針、向中心輻合；暖鋒前方通常是層狀雲與較廣範圍降水，冷鋒附近常有較窄的強降水帶。發展中的氣旋通常呈現**高空槽在地面低壓上游（偏西）**的配置，亦即低壓軸線隨高度向西傾斜。

解題方法

（一）地面溫帶氣旋結構及與高空波動的關係

以下為北半球冬季發展中氣旋的示意俯視圖。圖上方為北，右方為東；高空槽位於地面低壓西側。

 北
 ↑
 冷氣團 │ 暖鋒
 │ ─ ─ ─ ─ ─ ─ →
 │ ／
 高空槽軸 │ 地面低壓 L
 500 hPa │ ↺
 │ │ ／ 暖區
 │ │ ／ → 暖平流
 │ │ ／
 └───────────────┼────────────────→ 東
 冷鋒 │
 ▲ ▲ ▲
 ↙
 冷空氣

圖中的冷鋒自低壓向南或西南延伸，暖鋒則向東至東北延伸，暖區位於兩鋒之間、低壓中心東南側。地面風場在北半球低壓周圍逆時針旋轉並向中心輻合。

若比較不同高度的槽、脊和低壓中心，發展中氣旋常見的配置如下：

高空（約 500 hPa）： 槽軸 │ 槽前西南氣流 →
低層／地面： 冷區 │ 地面低壓 L
 （偏槽軸東側）

高空槽前方的氣流通常有正渦度平流；若正渦度平流隨高度增強，會促進上升運動及高空輻散。高空輻散使氣柱質量減少，地面氣壓下降，低壓因而加深。氣旋發展過程中，高空槽與低壓逐漸加深；若上層槽進一步移近地面低壓並趨於上下對齊，氣旋便會減弱。

（二）高、低層配置的原因

主要原因是斜壓波中的高空動力強迫，與低層鋒區的溫度平流互相配合。

1. 高空槽前的上升與輻散 槽前若有正渦度平流，且正渦度平流隨高度增加，依準地轉理論會伴隨上升運動；上層輻散使氣柱質量流失，造成地面氣壓下降，地面低壓加深。

2. 低層暖平流與冷平流 低壓東側的暖平流及西側的冷平流維持鋒區溫度梯度，並造成斜壓發展。溫度梯度和垂直風切的關係可由熱成風關係表示：

水平溫度梯度越強，地轉風隨高度的變化越明顯，斜壓波可從平均流取得可用位能並發展。

3. 上下層系統向垂直堆疊演變 發展初期高空槽在地面低壓西側，槽前的上升與輻散有助低壓加深。當高空槽逐漸向低壓靠近、上下層中心趨於對齊後，槽前的有效強迫減弱，氣旋也較難持續增強。

（三）暖運輸帶、冷運輸帶與冷乾氣流

三種氣流帶須同時說明來源與位置、氣旋相對流向、垂直運動，以及雲雨特徵。俯視圖中的箭頭表示氣流的典型走向：

 北
 ↑
 冷乾氣流下降 ↘ │ 冷運輸帶
 （乾槽） │ ←────────
 \ │ 暖鋒 ─ ─ ─ → 
 \ │ 地面 L ↺
 \ │ ↑
 \ │ 暖運輸帶
 \│ ↗↗↗
 冷鋒 ▲ ▲ ▲────────┼────────────────→ 東
 暖區：低壓東南側