110 高普考普通考試 氣象 大氣科學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查大氣的主要組成，以及微量氣體如何透過吸收、放射輻射改變地球能量收支。組成比例通常以**乾空氣的體積百分比（亦近似莫耳百分比）**表示；水氣含量變化很大，須另外說明。

地球能量收支可概念化為：大氣頂端吸收的太陽短波輻射，與地球向外放出的長波紅外線輻射達到平衡。大氣中的氣體若吸收或放射這些輻射，便會影響地表與大氣的能量收支。

解題方法與作答要點

先列出乾空氣的主要成分及比例，再指出水氣不列入固定的乾空氣比例。接著依氣體吸收的輻射波段，說明其能量效應：溫室氣體主要吸收地表放出的長波紅外線，並向各方向放射；部分向下放射的能量增加地表與低層大氣所接收的能量。

大氣主要組成

乾空氣近地面的體積比例約為：

水氣（$H_2O$）含量隨地點、季節及高度變化，近地面約可由接近 $0\%$ 到數個百分比；全球平均約為 $1\%$ 左右。因其變動性大，通常不納入上述乾空氣比例。

影響能量收支的微量氣體

• 水氣（$H_2O$）：吸收地表放出的長波紅外線，是重要的天然溫室氣體。暖空氣可容納較多水氣，因此氣候暖化常使大氣水氣增加，進一步增強溫室效應，形成正回饋。
• 二氧化碳（$CO_2$）：吸收地表長波紅外線並放射紅外線，減少部分能量直接逸散至太空，使地表與對流層增暖。

核心觀念

本題考查氣塊絕熱升降時的溫度變化，以及乾、濕絕熱遞減率的差異如何造成焚風。

氣塊上升時，周圍氣壓降低，氣塊膨脹並冷卻；下降時，周圍氣壓升高，氣塊受壓縮而增溫。若過程中沒有與環境交換熱量，稱為絕熱過程。

• 乾絕熱遞減率 $\Gamma_d$：未飽和氣塊上升時的降溫率，約為 $9.8\ ^\circ\mathrm{C/km}$。
• 濕絕熱遞減率 $\Gamma_m$：飽和氣塊上升時的降溫率，會隨溫度與含水量改變，通常小於乾絕熱遞減率。

乾絕熱遞減率可寫為：

其中 $g$ 為重力加速度，$c_p$ 為空氣定壓比熱。

為何乾絕熱遞減率較大

未飽和氣塊上升時，主要因膨脹做功而冷卻，溫度約每上升 1 公里下降 $9.8\ ^\circ\mathrm{C}$。

飽和氣塊上升時，水氣會凝結成雲滴，並釋放凝結潛熱。這些熱量抵銷部分膨脹冷卻，使氣塊上升時降溫較慢。因此：

濕絕熱遞減率不是固定常數；氣溫越高，空氣可容納的水氣通常越多，凝結時釋放的潛熱也較多，濕絕熱遞減率便可能更小。

解題方法：套用山地氣流的升降路徑

核心觀念

本題考查聖嬰—南方振盪（ENSO）的海氣耦合，以及 ENSO 如何透過改變西北太平洋季風槽的位置，影響熱帶氣旋的生成位置。

聖嬰現象（El Niño）是赤道中、東太平洋海表溫度偏暖的海洋狀態；反聖嬰現象（La Niña）則是該區海表溫度偏冷。這些海溫異常會改變信風、沃克環流與熱帶對流分布，進而影響西北太平洋低層季風槽的位置及延伸範圍。

解題方法

依序說明「海洋狀態 → 大氣環流 → 季風槽變化 → 熱帶氣旋生成位置」，即可完整作答。熱帶氣旋較容易在海溫偏高、低層輻合與對流旺盛、垂直風切較弱的環境生成；因此，判斷季風槽往哪個方向移動，是說明生成位置變化的關鍵。

聖嬰現象時的海洋與大氣特徵

• **海洋：**赤道中、東太平洋海表溫度升高，暖水向中、東太平洋擴展；西太平洋暖池與中、東太平洋的海溫差縮小。赤道東太平洋溫躍層加深，冷水湧升減弱。
• **大氣：**赤道東風信風減弱，沃克環流減弱；對流與降雨中心由海洋大陸、西太平洋一帶往中、東太平洋移動。西北太平洋的低層季風槽因而向東延伸。

反聖嬰現象時的海洋與大氣特徵

核心觀念

靜力平衡是指大氣中垂直方向的氣壓梯度力與重力互相平衡，使空氣垂直方向的加速度可忽略。它描述的是垂直方向的受力關係，並不代表大氣完全靜止；水平風仍可存在。

取高度 $z$ 向上為正，氣壓梯度力的垂直分量為 $-\frac{1}{\rho}\frac{\partial p}{\partial z}$，重力加速度為 $-g$。垂直動量方程可寫為

其中 $\rho$ 為空氣密度、$p$ 為氣壓、$w$ 為垂直速度。靜力平衡令垂直加速度近似為零，因此

此式表示氣壓隨高度增加而降低；其垂直變化率由空氣密度與重力決定。

解題方法

本題先說明平衡的兩種力，再由垂直動量方程指出其成立條件。取一個水平截面積為 $A$、厚度為 $dz$ 的薄氣柱：底面向上的氣壓力與頂面向下的氣壓力相差約 $-\frac{\partial p}{\partial z}A\,dz$，氣柱重量為

核心觀念

本題考查氣團與鋒面的基本定義、形成條件，以及挪威學派的極鋒理論（polar-front theory）如何說明溫帶氣旋的生命史。作答時應先交代氣團和鋒面的物理意義，再依序說明氣旋由鋒面波動發展至囚錮、消散的過程，最後整理各類鋒面的移動方式與天氣特徵。

氣團的定義與形成條件

**氣團（air mass）**是水平範圍廣大、內部溫度與濕度等性質相對均勻的空氣體。它的水平範圍通常遠大於垂直厚度；整團移動時，會將其來源地區的熱力與濕度特徵帶到別處。

氣團的形成需要適合的源區（source region），通常具備下列條件：

1. 地表性質廣大且均勻：例如大陸、海洋或大範圍冰雪區，使氣團受熱、增濕或冷卻的性質大致一致。
2. 氣流滯留時間足夠：空氣在源區停留較久，才能逐漸與地表交換熱量及水氣，取得源區特徵。
3. 大尺度環境相對穩定：弱風或高、低壓系統內的輻散、輻合型態，有利空氣在源區停留；強烈的水平混合作用則不利於氣團維持均勻。

氣團可依熱力與水氣來源分類，例如大陸性（c）與海洋性（m），以及赤道性（E）、熱帶性（T）、極地性（P）、北極性（A）。符號組合可表示氣團性質，如海洋熱帶氣團為 mT，通常溫暖而潮濕；大陸極地氣團為 cP，通常寒冷而乾燥。

鋒面的定義與形成條件

**鋒面（front）**是兩個性質不同的氣團之間的狹窄過渡區，尤其表現為水平溫度梯度、密度與風場等氣象要素的顯著變化。鋒面具有三維結構，並非單純的地面線；鋒線是鋒面與地表相交的線。

鋒面常在不同溫度、密度的氣團相遇處形成。若水平溫度差異在大尺度流場中因風場匯聚或形變而增強，便會發生鋒生作用（frontogenesis）；鋒區的溫度梯度增強，並常伴隨垂直環流與空氣抬升。相反地，溫度梯度減弱則稱為鋒消作用（frontolysis）。

解題方法：以極鋒波動串起氣旋生命史

極鋒理論描述中高緯度溫帶氣旋的典型發展：極地冷空氣與低緯暖空氣交界處形成極鋒，鋒面上的波動發展成低壓，逐步建立暖鋒、冷鋒與暖區；當冷鋒追上暖鋒，暖空氣被抬離地面，氣旋進入囚錮並逐漸消散。

依生命史可分為以下階段：

1. 初始或滯留鋒階段：極地冷空氣與較暖空氣在極鋒兩側相鄰，鋒面大致呈東西向，主要鋒段移動緩慢，常呈滯留鋒型態。
2. 波動生成階段：鋒面受到擾動而彎曲，形成波動與地面低壓中心。北半球氣流繞低壓中心呈反時針環流，暖空氣向極地方向推進，冷空氣向赤道方向推進。
3. 發展與成熟階段：低壓加深，暖鋒向前推進、冷鋒向暖區切入，兩鋒之間形成暖區（warm sector）。暖空氣沿暖鋒面緩慢爬升，冷空氣則沿較陡的冷鋒面推進；氣旋附近伴隨雲雨與風場變化。
4. 囚錮階段：通常移動較快的冷鋒追上暖鋒，暖區暖空氣被迫抬升離開地面，地面形成囚錮鋒。此時氣旋達到成熟後期，地面暖區縮小。

核心觀念

輻射冷卻是地表與近地面空氣以長波輻射向外放熱，使地表溫度及近地面氣溫下降的過程。白天，地表吸收太陽短波輻射而增溫；夜間短波輻射來源消失，地表仍持續放出長波輻射。當地表放出的能量大於大氣回射給地表的能量，地表便淨失熱，近地面空氣也隨之降溫。

以地表淨輻射表示，可寫成：

其中 $K$ 為短波輻射，$L$ 為長波輻射。夜間 $K_{\downarrow}$ 幾乎為零；若地表向外放出的長波 $L_{\uparrow}$ 大於大氣回射的長波 $L_{\downarrow}$，則 $R_n<0$，地表淨失熱。地表再透過感熱交換冷卻近地面空氣，形成夜間降溫。

容易發生的條件與原因

1. 晴朗少雲：雲層能吸收地表放出的長波輻射，並向下回射長波能量。雲量少時，大氣回射較弱，地表長波淨散失較大，降溫較明顯。
2. 空氣乾燥、水氣少：水氣是重要的長波吸收體。水氣少時，大氣吸收並回射地表長波的能力較弱，地表容易持續失熱。
3. 風弱、近地面混合作用小：強風會把上方較暖的空氣帶到地面附近，減弱近地面降溫。風弱時，地表冷卻較集中在近地層，容易形成逆溫。
4. 地形有利於冷空氣累積：夜間地表冷卻後，近地面空氣密度增加，會沿坡面向低處流動；若地形封閉、通風不良，冷空氣便容易聚集，使谷地或盆地低溫更顯著。
5. 夜長、日照後的地表容易散熱：夜間可持續失熱的時間愈長，地表降溫愈充分；若白天日照充足、夜間轉為晴朗少雲，日夜溫差也容易增大。