114 高普考普通考試 氣象 大氣科學概要 考古題詳解

核心觀念

本題考查地球自轉座標系中的水平動量平衡。空氣水平運動主要受水平氣壓梯度力、科氏力、摩擦力影響；若採沿風向與垂直風向的自然座標描述彎曲氣流，還須考慮曲率（離心）效應。地球自轉產生的離心效應通常已併入有效重力，主要影響垂直平衡，不另列為一般水平動量方程的獨立力。

在局地水平直角座標中，水平動量方程可寫為

其中 $\mathbf{V}_h=(u,v)$ 是水平風，$\rho$ 是空氣密度，$p$ 是氣壓，$f=2\Omega\sin\phi$ 是科氏參數，$\mathbf{F}_h$ 是單位質量的水平摩擦力。左側是空氣微團的水平加速度。

解題方法與各力的作用

一、水平氣壓梯度力

單位質量的氣壓梯度力為

方向由高壓指向低壓，會直接推動空氣加速。水平氣壓梯度越大，作用越強；在氣壓場均勻、水平梯度很小的區域可忽略。

二、科氏力

單位質量的科氏力為

它是地球自轉座標系中的慣性力，方向與風向垂直：北半球偏向風向右側，南半球偏向左側。科氏力本身不改變風速大小，主要改變風向；其大小與風速及 $|f|$ 成正比。

在赤道附近，$f=2\Omega\sin\phi\approx 0$，科氏力很弱，短時間或小尺度運動中通常可忽略。若風速很小，科氏力也相對較小。需注意，低緯度不適用一般地轉近似。

三、摩擦力

核心觀念

本題考查地球能量收支的緯度分布，以及能量不平衡如何驅動大氣與海洋環流。短波輻射主要是太陽輻射；長波輻射主要是地球與大氣向外放出的紅外線輻射。地球大氣層頂（TOA）的淨輻射可寫為

其中 $\phi$ 為緯度，$S_{\mathrm{abs}}$ 是吸收的太陽短波輻射，$\mathrm{OLR}$ 是向外逸出的長波輻射。若以「向下為正」表示短波、以「向上為正」表示長波，則淨輻射為短波向下量減去長波向上量。

解題方法：先畫緯度變化，再判讀能量盈虧

以下以年平均量作答。緯度愈高，太陽入射角愈斜、日照時間的季節差異愈大，因而吸收的短波輻射整體由低緯向高緯遞減。長波輻射則反映地表與大氣的溫度，整體也由低緯向高緯遞減，但曲線較平緩；雲量、水氣、地表反照率及溫度差異會使曲線呈現起伏。

可用下圖表示定性分布；縱軸為輻射量，曲線是示意而非按比例繪製：

年平均輻射量
 ↑
 │ 短波吸收 ╲
 │ ╲
 │ 長波放射 ╲＿＿
 │ ╲＿＿＿＿＿＿＿
 │
 │ 淨輻射 正值 ───── 0 ───── 負值
 │ ╭──────╮
 │ ╭──╯ ╰──╮
 └──────────────────────────→ 緯度
 南極 高緯 低緯 高緯 北極

更精確地說，年平均淨輻射在熱帶與副熱帶大致為正，在中高緯度及極區大致為負，零值交界約落在南北緯 $35^\circ$ 至 $40^\circ$ 附近，實際位置會隨季節、雲量與資料平均期間而變。

核心觀念

本題考查水的相平衡與三相圖，以及冷雲中冰晶依「伯吉龍—芬德森過程」（Bergeron–Findeisen process）成長的物理機制。

飽和水氣壓是水氣與凝結相達到平衡時的水氣壓。過冷水滴上方的飽和水氣壓高於冰晶上方的飽和水氣壓；因此，當空氣的水氣壓介於兩者之間時，空氣對過冷水滴未飽和、對冰晶卻過飽和，水氣便由水滴蒸發並沉積到冰晶上，使冰晶成長。

水的三相圖與三相變化

下圖為水的壓力—溫度相圖示意，非按比例繪製：

壓力 P
 ↑
 │ 固體 液體
 │ ╲
 │ ╲ 固液平衡線
 │ ╲
 │ ● 三相點──────────────
 │ ╱ ╲ ╲
 │ 固氣平衡線╱ ╲ 液氣平衡線 ╲
 │ ╱ ╲ ╲
 │ 氣體 ● 臨界點
 └────────────────────────────────────→ 溫度 T

三條相平衡線分別代表：

• 固氣平衡線（昇華曲線）：冰與水氣共存；跨越此線可發生昇華或凝華。
• 固液平衡線（熔解曲線）：冰與液態水共存；跨越此線可發生熔化或凝固。水的固液平衡線斜率為負，因冰的密度小於液態水，增加壓力有利於較密的液態水，故熔點會略微降低。
• 液氣平衡線（汽化曲線）：液態水與水氣共存；跨越此線可發生汽化或凝結，並延伸至臨界點。

三條平衡線交會於三相點，此時固態、液態與氣態水可同時平衡共存。水的三相點約為 $0.01^\circ\mathrm{C}$、$611\ \mathrm{Pa}$。三相點以下的壓力條件下，液態水沒有穩定存在的相區，冰受熱可直接昇華成水氣。

核心觀念

本題考臺灣依主要降雨系統與雨量季節分布所劃分的五個自然季節，重點是把每一季的「降雨來源、迎風／背風分布、降雨性質」連在一起說明。常用月份區分為：春季（2–4月）、梅雨季（5–6月）、颱風季（7–9月）、秋季（10–11月）、冬季（12月至翌年1月）。

臺灣中央山脈大致呈南北走向，季風風向改變時，迎風面與背風面的雨量差異也隨之改變。因此回答各季時，不能只列出天氣系統名稱，也要交代降雨在臺灣的空間分布。

解題方法

依時間順序整理各季的主導環流與降雨系統，再用「迎風面降雨、背風面較乾」判斷主要雨區；最後補上降雨是偏連續、層狀，或偏短時強烈、對流型。答題時可依「來源 → 分布 → 特徵」逐季作答。

分季說明

一、春季（2–4月）

• **主要降雨來源：**春季是冬季東北季風減弱、夏季西南季風逐漸建立的過渡期。降雨主要來自春季冷鋒或鋒面通過，也受東北季風尾段及逐漸增強的偏南至西南氣流影響；午後熱對流也開始增加。
• **降雨分布：**季初雨區較偏北部及東北部；隨春季推進，降雨範圍逐漸擴展至西部與山區。春季鋒面通過時，全臺部分地區可降雨，西部山區亦可能受地形抬升影響。
• **降雨特徵：**降雨型態由冬季較穩定的層狀降雨，逐步轉為鋒面降雨與對流降雨並存；雷雨活動增加，但整體雨量及強降雨發生頻率通常仍不如梅雨或颱風季。

二、梅雨季（5–6月）

• **主要降雨來源：**滯留或移動緩慢的梅雨鋒面，以及鋒面附近旺盛的西南季風水氣輸送。鋒面與中尺度對流系統結合時，容易出現持續性降雨或劇烈降雨。
• **降雨分布：**降雨可影響全臺；西南氣流將水氣送入臺灣時，中央山脈西側及西部地區常有明顯降雨，局部山區與迎風地區可出現豪雨。鋒面位置及移動會使雨區隨時間南北變動。
• **降雨特徵：**雨勢常呈間歇性或持續性，鋒面附近容易發展大範圍、組織化對流，短時間雨量可很大。梅雨季降雨對西部地區水資源尤其重要，也須留意豪雨與淹水。

三、颱風季（7–9月）

• **主要降雨來源：**西北太平洋颱風或熱帶性低氣壓，以及夏季午後熱對流。颱風外圍環流與西南氣流交互作用時，也可能加強臺灣附近降雨。
• **降雨分布：**分布高度取決於颱風路徑、環流風向與地形。迎風面及山區常有地形增雨；颱風從不同方向接近時，東部、南部或西部都可能成為主要雨區，背風側則可能較少雨。

核心觀念

本題考查濕絕熱遞減率、環境溫度遞減率與大氣穩定度的關係。氣溫垂直遞減率定義為

其中 $T$ 為氣溫、$z$ 為高度；氣溫隨高度下降時，$\Gamma$ 為正。濕絕熱遞減率 $\Gamma_m$ 則描述飽和空氣團絕熱上升時，每單位高度的降溫幅度。

題目已給定：氣溫升高時，$\Gamma_m$ 下降。這表示暖化後，飽和空氣團上升時降溫較慢。

解題方法

比較環境氣溫遞減率 $\Gamma_e$ 與濕絕熱遞減率 $\Gamma_m$。飽和空氣團若受擾動上升，氣團溫度依濕絕熱率下降，環境溫度則依環境遞減率下降：

• 若 $\Gamma_e>\Gamma_m$，氣團上升後比環境暖，浮力為正，環境對飽和氣團不穩定。
• 若 $\Gamma_e<\Gamma_m$，氣團上升後比環境冷，浮力為負，環境對飽和氣團穩定。
• 若 $\Gamma_e=\Gamma_m$，環境對飽和氣團為中性。

暖化使 $\Gamma_m$ 下降；在環境溫度遞減率不變的比較基準下，$\Gamma_e-\Gamma_m$ 增大，因此環境更容易滿足 $\Gamma_e>\Gamma_m$，對飽和氣團的穩定度降低。

對流層溫度剖面與穩定度