114 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

本題考比較兩地的環境溫度直減率。環境直減率定義為環境氣溫隨高度增加而降低的速率：

在其他條件相同下，環境直減率越小，氣溫隨高度下降得越少，空氣層的靜力穩定度越大。完整判斷氣團穩定度時，會將環境直減率與乾絕熱直減率、濕絕熱直減率比較；本題直接比較兩地的環境直減率即可。

解題方法

兩地的氣溫資料都是近地面至 $1\ \mathrm{km}$ 高度，因此可用氣溫差除以高度差計算：

甲地：

乙地：

核心觀念

本題考查夏季東亞的綜觀環流與天氣系統，以及臺灣附近雷達回波所呈現的中小尺度降雨與劇烈天氣。地面天氣圖適合判讀鋒面、高低壓、颱風與季風氣流等大尺度配置；雷達回波圖則用來觀察降水回波的位置、強度、形狀與移動。

「綜觀天氣系統」指水平尺度約數百至數千公里的天氣系統；「中小尺度劇烈天氣」則包括局部強對流、雷雨胞、線狀對流及其造成的短延時強降雨、雷電與強陣風等。

解題方法

先依夏季的季節環流，列出東亞地面天氣圖常見的綜觀系統；再由臺灣的地形、海陸差異與季風水氣條件，說明雷達上常見的降水型態及可能伴隨的劇烈天氣。作答時要指出系統如何形成、通常帶來什麼天氣，並區分大尺度系統與局部對流現象。

綜觀天氣系統

1. 梅雨鋒面與梅雨低壓系統 初夏時，冷暖氣團交界及東亞鋒面常位於華南、臺灣附近至日本一帶。鋒面附近水氣輻合與上升運動旺盛，常有廣泛降雨；若鋒面滯留或低壓沿鋒面發展，雨區可持續影響臺灣，並發展出強降雨對流。

2. 西南季風與西南氣流 夏季低層暖濕氣流由南海、孟加拉灣一帶向東北輸送，臺灣常受西南風或西南氣流影響。當水氣輸送強、氣流在臺灣附近輻合，或受地形抬升時，容易造成持續性降雨及局部豪雨；與梅雨鋒面或其他低壓系統配合時，降雨可顯著增強。

3. 太平洋副熱帶高壓 夏季太平洋副熱帶高壓勢力增強並影響東亞。高壓中心或脊部控制臺灣時，下沉增溫使天氣較穩定，常見高溫、晴朗或午後局部雷雨；若臺灣位於高壓邊緣，則可能受偏南至西南風輸送水氣影響，降雨機率提高。

4. 熱帶低壓、季風低壓與颱風 夏季西北太平洋及南海常有熱帶性低氣壓、熱帶低壓槽或颱風活動。颱風及其外圍環流可帶來強風與大量降雨；即使中心未登陸，外圍雨帶、環流與地形交互作用仍可能使臺灣出現劇烈降雨。

5. 局部低壓與低壓槽 東亞沿岸或臺灣附近可出現低壓槽、熱低壓等系統，促使低層風場輻合。若空氣暖濕且不穩定，易觸發對流，造成局部陣雨、雷雨或強降雨。

臺灣附近雷達回波與劇烈天氣

核心觀念

颱風的移動不是由近地面風直接決定，而是由大尺度環境引導氣流與颱風本身的內部動力共同作用。可用向量形式概括：

其中 $\mathbf{C}_{\text{storm}}$ 是颱風移速，$\mathbf{V}_{\text{steering}}$ 是環境引導氣流，$\mathbf{V}_{\beta}$ 是 β 漂移，其他影響則包括季風槽、相鄰天氣系統及地形等。颱風位於開放海域時，沒有陸地地形阻擋或摩擦效應主導路徑，因此分析重點放在大尺度環境風場與 β 漂移。

題目已指明颱風向東北移行，要求討論造成此運動特性的主要貢獻因子；應分辨「直接帶動颱風的環境引導氣流」與「颱風自身造成的偏移」。

解題方法與主要因子

一、大尺度環境引導氣流：主要貢獻

颱風是深厚的暖心渦旋，其移動通常近似隨周圍中、低對流層的深層平均氣流平流。實務上常以颱風周遭一定範圍內的深層平均風，估計其引導氣流。

若颱風向東北移動，表示其周遭環境風場具有朝東與朝北的合成分量。西北太平洋常見的情境是副熱帶高壓位置或形狀改變，使颱風不再受其南側偏東風引導向西或西北，而轉入副熱帶高壓西側或西北側的偏南至西南氣流，進而朝北至東北移動。中緯度西風帶與槽脊系統也可能提供向東分量，促成轉向後的東北移行。

二、β 漂移：颱風內部動力造成的偏移

地球科氏參數隨緯度改變，即 β 效應。北半球颱風的環流與 β 效應交互作用，會在渦旋周圍形成 β 渦旋對，帶來偏向西北的自傳播趨勢。

核心觀念

本題考相對渦度垂直分量的自然座標表示，以及槽前正渦度平流的判斷。相對渦度是水平風場的旋轉程度；在自然座標中，風速 $V$ 沿流線方向，$n$ 軸垂直流線且向左為正，$R$ 為流線曲率半徑。採北半球氣象慣例，氣旋式曲率取正，則

第一項是風速沿法線方向的切變渦度，第二項是流線彎曲造成的曲率渦度。直線流時 $R\to\infty$，曲率項為零。

解題方法

槽是高空等壓面上向赤道方向伸展的低高度區，槽軸附近流線呈氣旋式彎曲，因此相對渦度通常偏大。判斷槽前是否為正渦度平流，關鍵是看渦度沿風向的變化。

以中緯度西風帶為例，槽前位於槽軸東側，風大致由西向東。由槽軸往東，氣旋式相對渦度通常逐漸減小，因此渦度沿風向遞減。渦度平流定義為

若風近似沿東西向，則

核心觀念

靜力平衡（hydrostatic balance）是指大氣鉛直方向的氣壓梯度力與重力大致互相抵銷，使空氣的鉛直加速度相對很小。以高度 $z$ 為鉛直座標，其關係式為

其中 $p$ 是氣壓、$\rho$ 是空氣密度、$g$ 是重力加速度。靜力平衡並不代表空氣完全靜止，也不代表垂直速度 $w$ 必定為零；它表示鉛直方向的力大致平衡，垂直加速度較小。天氣尺度或較大尺度的環流通常近似靜力平衡，強烈對流與小尺度湍流則較容易顯著偏離。

解題方法

逐項判斷時，先看天氣現象的空間尺度與垂直運動強度：空氣平穩、垂直加速度弱時，通常可視為近似靜力平衡；有強烈對流或快速變化的湍流時，鉛直方向的力不平衡較明顯，靜力近似較不適用。接著描述垂直速度的量級、方向與空間分布，並注意「平均垂直速度」與局部上升、下沉氣流並不相同。

各小題分析

(1) 晴朗無風的天氣

約略處於靜力平衡。 晴朗、無風的情況通常缺乏強烈天氣系統及顯著對流，空氣垂直加速度很小，鉛直氣壓梯度力與重力大致平衡。

垂直速度 $w$ 通常接近零，或僅有很弱、緩慢的大尺度上升或下沉運動。地面無風主要表示水平風弱，不能單獨用來證明 $w=0$；本題還須根據天氣平穩、缺乏強烈垂直運動來判斷。

(2) 雷雨系統

不約略處於靜力平衡，尤其在對流核心內。 雷雨中有強烈浮力、凝結潛熱加熱，以及降水蒸發、融化造成的冷卻；這些過程會驅動顯著的鉛直加速度，使靜力平衡近似失效。