113 高普考普通考試 氣象 大氣科學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考大氣運動方程中的主要作用力。依牛頓第二運動定律，單位質量所受合力等於加速度：

其中 $\mathbf{V}$ 為氣流速度，$D/Dt$ 是隨氣流移動的物質導數。大氣中主要作用力包括壓力梯度力、重力、科氏力與摩擦力；在地球旋轉座標系描述時，科氏力是慣性力。

解題方法

逐一辨認能改變空氣質點運動狀態的力，說明其來源、方向與對大氣運動的作用。以單位質量表示，大氣動量方程可寫為：

式中 $\rho$ 為空氣密度、$p$ 為氣壓、$\boldsymbol{\Omega}$ 為地球自轉角速度向量、$\mathbf{g}$ 為重力加速度，$\mathbf{F}_{\mathrm{fr}}$ 為單位質量所受摩擦力。

1. 壓力梯度力

空氣由高壓往低壓方向受力，單位質量的壓力梯度力為：

它是促使空氣開始流動、形成風的主要作用力。壓力場若均勻，則 $\nabla p=0$，不會有壓力梯度力。

2. 重力

核心觀念

熱帶氣旋生成需要多項大尺度環境條件共同配合。海洋提供水氣與潛熱，低層擾動使空氣匯聚上升，環境垂直風切不可過強，科氏力則提供氣旋性旋轉。這些因子有利於對流持續發展並組織成暖心、低壓的熱帶氣旋。

解題方法

按「能量來源、低層擾動、旋轉條件、垂直結構穩定性」整理生成環境，逐一說明各因子如何協助熱帶擾動增強，而非只羅列名詞。

有利的大尺度環境因子

一、海表溫度高，海洋熱含量充足

海表溫度通常須達約 $26.5^\circ\mathrm{C}$ 以上，且暖水層需有一定厚度。暖海面增強蒸發，供應水氣；水氣凝結時釋放潛熱，暖化氣旋中心附近的中上層大氣，使氣柱厚度增加、地面氣壓下降，進一步促進低層輻合與上升運動。若暖水層很淺，強風攪拌容易將下方冷水帶上來，削弱海氣熱量供應。

二、大氣中層濕度高

中層大氣濕潤有利於深厚對流持續發展。若中層乾燥，環境空氣容易被對流下沉氣流捲入，造成蒸發冷卻與下沉運動，抑制上升氣流，也會使對流系統難以維持。相對濕潤的中層可減少這種抑制，使潛熱加熱得以在較深厚的氣層中累積。

三、低層有輻合與初始擾動

熱帶氣旋通常由既有的熱帶擾動發展，例如熱帶波、季風槽或季風渦旋。低層輻合使暖濕空氣聚集並上升，觸發深對流；若擾動具有一定的氣旋性渦度，對流加熱便較容易集中在低壓環流附近，逐步建立並強化氣旋性環流。完全均勻、缺乏擾動的環境，不易自行組織出熱帶氣旋。

四、垂直風切小

核心觀念

本題考查氣象衛星感測器接收不同波段輻射後，如何轉成衛星雲圖，以及各種雲圖能觀察到的大氣特徵。中央氣象署常見的基本衛星雲圖有三種：可見光雲圖、紅外線雲圖、水氣頻道雲圖。

同一種灰階在不同雲圖上的意義不同：可見光主要反映反射率，紅外線主要反映亮度溫度，水氣頻道主要反映大氣水氣與溫度的綜合影響。判讀時不可把不同頻道的「白」一概解讀成相同現象。

解題方法與各類雲圖原理、用途

作答時可依「感測原理 → 圖上特徵 → 觀測用途」逐一說明，並點出是否能在夜間使用。

一、可見光雲圖（Visible）

**原理：**感測器接收太陽光照射雲層或地表後反射的可見光。雲層反射率通常高於海洋或地表，因此雲區在影像上較亮；雲愈厚，通常反射愈多，看起來也愈白。

**用途：**適合觀察雲系形狀、範圍、排列與發展情形，可用來辨識雲帶、對流雲團及低層雲系細節。由於仰賴太陽光反射，主要只能在白天使用；夜間沒有足夠日照，無法取得一般可見光影像。

二、紅外線雲圖（Infrared, IR）

**原理：**感測器接收地表、雲頂與大氣所放出的紅外線輻射，據此推估其亮度溫度。雲頂愈高，通常溫度愈低；在一般黑白紅外線雲圖上，低溫區常呈較亮或較白，高溫的海面、地面則較暗。

**用途：**可全天候觀測，不受日夜限制。藉由雲頂溫度判斷雲頂高低與雲團冷暖，追蹤高雲、深厚對流雲團及颱風雲系；時間序列影像也可用來監測雲系移動與發展。色調強化雲圖是將不同溫度範圍以顏色區分的呈現方式，方便辨識極冷雲頂，仍屬紅外線資料的判讀產品。

核心觀念

氣候回饋是指初始溫度變化引起氣候系統其他變數改變，而這些改變再反過來影響溫度的機制。若回饋使原有溫度變化加大，稱為正回饋；若使變化減小，則為負回饋。本題所問的水氣－溫室回饋與雪－反照率回饋，都是正回饋。

可用簡化的能量平衡表示回饋對溫度變化的放大作用：

其中 $\Delta T_0$ 是沒有回饋時的初始溫度變化，$f$ 是正回饋強度；在此簡化表示下，正回饋會使溫度變化幅度大於 $\Delta T_0$。

解題方法

依序說明每種回饋的「初始溫度變化 → 中介變數改變 → 輻射或能量收支改變 → 溫度進一步變化」，並指出回饋如何放大地表與大氣的溫度變化。

一、水氣－溫室回饋

1. 溫室氣體增加或其他外在擾動先造成地表與大氣升溫。
2. 暖空氣可容納較多水氣。依克勞修斯－克拉佩龍關係，近地表飽和水氣量每升高約 $1\,^\circ\mathrm{C}$，大致增加 $7\%$。在相對溼度大致不變時，大氣水氣含量通常也隨溫度上升而增加。
3. 水氣會吸收並再放射地表放出的長波輻射，使向太空逸出的長波輻射減少。
4. 地球能量散失減少，於是地表與大氣進一步升溫；升溫又使大氣含有更多水氣，形成增強循環。

核心觀念

本題考查全球平均地球—大氣系統的「輻射平衡」及短波、長波輻射在地球系統中的傳遞、吸收、反射與放射。

圖中各數值單位均為全球平均能量通量，單位為 $\mathrm{W\,m^{-2}}$。全球頂層大氣（top of atmosphere, TOA）必須滿足：

圖示給出的入射太陽輻射為 $342\ \mathrm{W\,m^{-2}}$。

一、短波輻射的物理意義

1. 入射太陽短波輻射

太陽主要以短波輻射形式向地球輸送能量，圖中全球平均入射值為：

此數值約為太陽常數除以 $4$，因為地球受光面積為 $\pi R^2$，但能量分布在整個地球表面 $4\pi R^2$：

其中 $S_0$ 為太陽常數。

2. 短波反射

入射太陽輻射中有 $107\ \mathrm{W\,m^{-2}}$ 被反射回太空，包含：

• 雲、氣膠及大氣氣體反射：$77\ \mathrm{W\,m^{-2}}$
• 地表反射：$30\ \mathrm{W\,m^{-2}}$

因此全球平均反照率為：

亦即約 $31\%$ 的入射太陽短波輻射被反射，未直接加熱地球系統。

反射來源包括雲層、氣膠、大氣分子與地表。雲量增加、氣膠增多或地表變得較明亮，都會提高反照率，使地球吸收的太陽能減少。

3. 短波吸收

未被反射的短波輻射為：

其中：

• 大氣吸收：$67\ \mathrm{W\,m^{-2}}$
• 地表吸收：$168\ \mathrm{W\,m^{-2}}$

所以：

大氣吸收短波輻射主要與臭氧、部分水氣、雲及其他吸收性氣體有關；地表吸收的短波則成為地表加熱的重要能量來源。

因此，在全球平均狀態下，短波輻射收支為：

二、長波輻射的物理意義

1. 地表放出的長波輻射

地表吸收太陽短波後升溫，依史特藩—波茲曼定律以長波輻射形式放出能量。圖中地表放出的長波輻射為：

地表長波輻射的波長主要位於紅外線範圍，約為 $4$ 至 $100\ \mu\mathrm{m}$。

地表長波能量的去向包括：

• 大氣吸收：$350\ \mathrm{W\,m^{-2}}$
• 經大氣窗直接逸出太空：$40\ \mathrm{W\,m^{-2}}$

因此：

2. 大氣窗

約 $40\ \mathrm{W\,m^{-2}}$ 的地表長波輻射可經由「大氣窗」直接放出太空，主要是因為部分紅外線波段受到大氣吸收較弱。

大氣窗使地表能量能直接散失至太空，是地球系統重要的冷卻途徑。水氣、雲及其他溫室氣體增加時，大氣窗的有效透射會減少，會改變長波輻射平衡。

3. 溫室氣體吸收與大氣放射

大氣吸收地表放出的長波輻射後，會依其溫度向各方向放射長波輻射，形成溫室效應。

大氣及雲向上放出的長波輻射為：