113 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

都卜勒雷達直接量到的是降水粒子沿雷達視線方向的速度，不是空氣速度本身。降水粒子一方面隨周遭空氣移動，另一方面相對於空氣有終端落速；因此，粒子速度是空氣速度與粒子相對空氣運動的向量和。

令空氣速度為 $\mathbf{V}_{a}$，粒子相對空氣的終端速度為 $\mathbf{V}_{t}$，降水粒子的實際速度為 $\mathbf{V}_{p}$，則

雷達只量得其視線方向（徑向）的分量：

其中 $\hat{\mathbf{r}}$ 是雷達視線方向的單位向量。實際觀測還是雷達解析體積內多種粒子的回波加權平均；不同粒徑的散射強度與終端落速不同，因此量得的平均徑向速度不必等於單一粒子的速度。

解題方法

作答時抓住「粒子隨氣流移動，但不完全等於氣流速度」這個關係，再分水平與垂直方向說明：

核心觀念

本題考查地面儀器對雨滴粒徑分布的觀測，以及雨滴粒徑分布與雷達反射率的關係。能量測雨滴大小及數量的地面儀器稱為雨滴譜儀（disdrometer），可記錄不同粒徑雨滴的數量，形成雨滴粒徑分布。

雷達回波強度常以反射率因子 $Z$ 表示。在瑞利散射近似下，$Z$ 與單位體積內各雨滴直徑的六次方總和成正比：

其中 $D$ 為雨滴直徑，$N(D)$ 為粒徑分布。雷達反射率常以分貝單位表示：

解題方法

先辨認題目所問的儀器：能測量雨滴的粒徑與數量，並據此取得粒徑分布，就是雨滴譜儀。

核心觀念

傾斗式雨量儀以集水口收集降水，雨水流入一側小斗；累積到預定水量後，小斗翻轉並排水，另一側小斗接續承接。每翻轉一次，電路或計數器便記錄一個訊號，再依集水口面積與單斗容量換算雨量。

若每次翻轉代表雨量增量 $\Delta P$，累積翻轉 $N$ 次，則記錄雨量為

這種儀器能自動記錄降雨的時間變化，但它量得的是「成功收集並觸發翻斗的水量」。集水、翻斗及訊號記錄過程中的損失或延遲，都會造成誤差。

解題方法

本題要從儀器的量測鏈逐段說明限制：先看雨水是否完整進入集水口，再看水是否完整流入翻斗並觸發翻轉，最後看翻轉訊號是否被正確記錄。可依「收集誤差、翻斗機械誤差、時間解析度與記錄誤差」分項作答。

誤差來源

1. 風造成的漏測 雨量儀本體會改變集水口上方的氣流，使雨滴偏離入口；風越強、雨滴越小，未被收集的比例通常越高。因此量測值常低於實際降雨量。此誤差受儀器高度、周遭遮蔽物、風速與降水粒徑影響。

2. 集水口與內壁的潤濕及蒸發損失 雨水會附著在漏斗與內壁，未必能全部流入翻斗；雨停後，殘留水分也可能蒸發。這些水沒有形成翻斗訊號，造成累積雨量低估，尤其在小雨或短暫降雨時，損失占總雨量的比例較明顯。

3. 翻斗翻轉期間的漏測 翻斗翻轉需要時間，翻轉期間集水口仍有雨水流入，但翻斗暫時不能正常承接；強降雨時，這段時間內流入的水可能流失或未被完整量到。因此降雨強度越大，翻轉損失越明顯，常使總雨量與短時間雨強低估。

4. 固定單次容量與解析度限制 雨量以一次次翻轉計數，量測增量受單斗容量 $\Delta P$ 限制。尚未累積到足以觸發翻轉的水量不會立即被記錄，因此小雨量會有量化誤差；

核心觀念

**In-situ 觀測（原位觀測）**是指感測器直接置於欲測量的大氣位置，量測該處的氣象要素。它取得的是感測器所在位置的局部資料；相對而言，遙測是在遠處接收大氣所散射、反射或放射的訊號，再推估大氣狀態。

判斷重點是量測方式與感測器是否直接在被測位置，不是儀器是否固定、是否裝在地面，或資料是否來自衛星。

解題方法

逐一檢視各項觀測：

• 若感測器進入被測大氣位置，直接量測當地的氣象要素，屬於 In-situ 觀測。
• 若儀器在遠處接收訊號，再由訊號反演大氣狀態，屬於遙測。

同一類儀器的實際量測方式可能因配置而異，因此要依題目所指的觀測方法判斷。

各項觀測分析

• **探空觀測：屬於 In-situ 觀測。**探空儀隨氣球升入大氣，在所在高度直接量測氣壓、溫度、濕度及風等資料，再傳回地面。
• **氣壓計：屬於 In-situ 觀測。**氣壓計置於測站，直接量測儀器所在位置的氣壓。

核心觀念

露點溫度 $T_d$ 是在氣壓與水氣含量維持不變時，空氣冷卻至水氣達到飽和（相對濕度為 $100\%$）所需達到的溫度。若再繼續冷卻，水氣便會凝結成液態水或冰。

相對濕度 $RH$ 是空氣中實際水氣壓 $e$ 與同一溫度下飽和水氣壓 $e_s(T)$ 的比值：

在露點溫度下，空氣恰好飽和，因此實際水氣壓等於露點溫度下的飽和水氣壓：

所以，只要知道實際氣溫 $T$ 與露點溫度 $T_d$，即可求得：

解題方法

先由露點的定義，判定實際水氣壓等於露點溫度下的飽和水氣壓；再將此關係代入相對濕度定義，即可得到以兩個溫度表示的公式。

計算時，可查飽和水氣壓表，分別查出 $e_s(T_d)$ 與 $e_s(T)$，再代入公式。例如，若 $T=20^\circ\mathrm{C}$、$T_d=10^\circ\mathrm{C}$，查表得 $e_s(10^\circ\mathrm{C})\approx12.3\ \mathrm{hPa}$、