108 高普考高考三級 氣象 大氣測計學（包括傳統觀測與遙測） 考古題詳解

核心觀念

雲狀與雲量觀測的價值，在於把大氣中的水凝結與垂直運動，轉化為可供天氣分析、預報及氣候研究使用的資料。雲的種類、分布與演變反映不同的大氣過程；雲量則描述天空被雲遮蔽的程度。

• 雲狀：記錄雲的形態與類別，例如卷雲、層雲、積雲、雨層雲、積雨雲，以及雲的高度層次。不同雲狀常對應不同的水氣條件、穩定度、垂直運動與天氣系統。
• 雲量：天空被雲遮蔽的比例，可記錄總雲量，也可按雲種或高度層記錄分量。地面目視觀測常以八分量表示，衛星與其他遙測產品則可用百分比或像元雲量表示。
• 觀測資料的意義：單一時刻的雲況提供大氣狀態線索；連續觀測則能呈現雲系的移動、發展、消散與尺度結構。判讀時應與氣壓、風、溫濕度、降水及衛星資料合併使用。

解題方法

本題應按「天氣尺度」與「氣候尺度」分層回答。天氣預報部分再由大尺度到小尺度說明：雲場可協助辨識天氣系統、追蹤對流與局地天氣演變，也能提供雲輻射與降水相關資訊；氣候部分則著重長期統計、能量收支、水循環及模式評估。

雲觀測對不同尺度天氣預報的訊息

大尺度與天氣系統尺度

1. 辨識鋒面、低壓及大範圍雲系

• 大範圍、連續的層狀雲帶，常出現在鋒面或低壓系統的上升區，可協助分析鋒面位置、雲帶延伸方向及降水區範圍。
• 卷雲、卷層雲等高雲的擴展，有時反映遠處天氣系統接近或高空水氣輸送；若雲量及雲種隨時間改變，也能作為系統發展的線索。
• 雲狀與雲量須搭配地面和高空氣象資料判讀，不能僅憑雲況確定鋒面或低壓位置。

2. 判斷降水與天氣轉變

• 雲層由高雲逐漸增厚、雲底降低、總雲量增加，常表示水氣與雲層發展加強，能提示天氣轉變或降水機率上升。
• 雨層雲通常與較廣泛、較持續的降水相關；積雨雲則代表深厚對流，可能伴隨短時強降雨、雷電、強陣風或冰雹。
• 降水是否發生及其強度，仍須參考雷達、衛星、探空及降水觀測。

中尺度與局地天氣尺度

1. 監測對流發展

• 積雲的增長、頂部發展及雲量增加，可反映低層加熱、水氣供應與大氣不穩定度的影響。
• 積雲快速增厚並發展為積雨雲，顯示對流正加深；藉由連續觀測雲體的生成、移動及消散，可追蹤雷雨發展與可能影響區域。
• 雲量的空間差異也可顯示對流較活躍或較受抑制的區域，有助短時預報與局地警戒。

2. 估計雲層垂直結構及局地輻射條件

• 低雲常對地表日照與夜間冷卻有直接影響；高雲可反映高層水氣及雲頂輻射作用。

核心觀念

本題考查兩種接觸式溫度儀的感溫原理，以及它們在氣象觀測中的使用特性：

• 雙金屬片溫度儀：利用兩種金屬的熱膨脹係數不同，將溫度變化轉成金屬片的彎曲或扭轉，再由機械機構顯示或記錄溫度。
• 電阻式溫度儀：利用感溫材料的電阻隨溫度改變的特性，量測電阻後依校正關係換算溫度。氣象測量常採用鉑等金屬製成的電阻溫度計。

解題方法

作答時可依序說明「感溫材料的物理性質 → 溫度如何轉成可讀訊號 → 優缺點」。雙金屬片將溫度轉成機械位移；電阻式溫度儀則將溫度轉成電阻變化，兩者的差異由此展開。

一、雙金屬片溫度儀

原理

將兩種熱膨脹係數不同的金屬片緊密接合。溫度改變時，兩種金屬伸縮量不同，使複合金屬片彎曲；將金屬片製成螺旋形或捲曲形，可放大末端的位移，再帶動指針或記錄筆。

若兩金屬的線膨脹係數分別為 $\alpha_1$、$\alpha_2$，在溫度變化 $\Delta T$ 下，其自由伸長量之差可表示為：

接合後兩者不能各自自由伸長，因而產生彎曲。升溫時，雙金屬片通常向熱膨脹係數較小的一側彎曲。

特點

• 構造簡單、堅固耐用，不需電源即可直接指示。
• 可透過螺旋或捲曲構造帶動指針，也可用於溫度記錄器。
• 感溫元件有熱容量，反應速度受元件尺寸、材料及通風條件影響；氣溫快速變化時，讀值可能有時間遲滯。
• 金屬片的機械特性可能隨長期使用而改變，須定期檢查與校正。
• 量測結果是機械位移，較不便遠距傳送，也不易直接整合到自動化電氣系統。

二、電阻式溫度儀

原理

核心觀念

本題考日照時數的三種定義，以及以日照儀器或輻射資料判定日照時數的方法。日照時數以太陽直射光束達到規定強度、足以在日照計留下紀錄的時段累計，單位通常為小時。

（一）天文日照時數、可能日照時數、實測日照時數

• 天文日照時數：依觀測地緯度、太陽赤緯及日出日沒的幾何條件，計算太陽中心位於地平線以上的時間長度。此數值只由地球與太陽的相對位置決定，不考慮雲、霧、地形遮蔽或大氣折射等實際觀測因素。

日出日沒時角為

因而天文日長為

其中 $\phi$ 為測站緯度，$\delta$ 為太陽赤緯，$\omega_0$ 以角度表示。若以弧度表示，則 $N=24\omega_0/\pi$。

• 可能日照時數：在指定日期及測站，依天文日長所給出的日照機會長度；亦即在太陽幾何條件允許下，當日理論上可能出現日照的時間。通常等於天文日照時數，實務上常以可能日照時數作為日照率的分母。

• 實測日照時數：由日照計或其他觀測資料判定，當日實際達到日照判定標準的累計時數。雲遮蔽、霧、降水及地形遮擋等會使實測值低於可能值；晴朗且觀測條件良好時，實測值可接近可能值。

日照率可用來比較實際日照與日照機會：

（二）日照時數的觀測方式

1. Campbell–Stokes 焦點式日照計

核心觀念

衛星微波感應器多為被動式微波輻射計，接收地球與大氣自然放射的微波，量得各頻道的亮度溫度，再依大氣吸收、放射及散射特性，反演溫度、水氣、雲液態水與降水等資訊。微波穿透非降水雲的能力通常優於紅外線，因此可在多雲條件下提供觀測資料；但觀測訊號也會受到地表發射率、降水及地形影響。

頻道的選擇主要依據大氣分子的吸收譜線與「大氣窗區」：

• 氧氣吸收帶：主要用於大氣溫度垂直探測。
• 水氣吸收帶：主要用於水氣含量與垂直分布探測。
• 大氣窗區：大氣吸收較弱，適合觀測地表、雲與降水等訊號。

解題方法

作答時可依「頻道範圍 → 主要物理對象 → 觀測特性 → 5G 影響」逐項說明。頻率不必列出所有儀器的每一個頻道，掌握常見頻帶及其物理依據，即可完整作答。

主要頻道與觀測特性

核心觀念

雨滴譜儀可量測近地面雨滴的粒徑分布（drop size distribution, DSD）及落速。由 DSD 可計算雷達反射率因子與降雨率，作為地面參考資料，與雷達在相近時間、相近位置觀測的資料比對，找出雷達反射率偏差，並改進雷達定量降雨估計（QPE）。

這題的重點是：先確保雨滴譜儀資料可信，再由雨滴譜推算雷達可觀測量，完成時空配對與差異分析，最後修正雷達校正偏差或降雨估計關係式。

設 $N(D)$ 為單位體積、單位粒徑間隔內，直徑為 $D$ 的雨滴數。雷達反射率因子與降雨率可分別表示為：

其中 $v(D)$ 為直徑 $D$ 雨滴的終端落速。實際計算時須依雨滴譜儀的粒徑分箱、取樣體積及時間間隔處理單位；$Z$ 常以 $\mathrm{mm^6\,m^{-3}}$ 表示，雷達顯示值則通常用

表示。

解題方法

1. 品管雨滴譜儀資料。 檢查儀器狀態、資料缺漏、時間戳記及粒徑分布是否合理；剔除不合理落速、儀器雜訊及非降雨粒子造成的資料。強風、飛濺、遮蔽或儀器受污染都會使粒徑與落速觀測失真。若地面雨量計可用，也可比對累積雨量，協助辨識雨滴譜儀的異常或系統性偏差。

2. 由雨滴譜計算參考量。 將各粒徑分箱的雨滴數轉換為 $N(D)$，據此計算 $Z$ 和 $R$。比較反射率時，須將 $Z$ 換算為 dBZ。由於 $Z$ 的被積函數包含 $D^6$，少數大雨滴會對反射率貢獻很大，因此資料品管與大雨滴樣本的檢查尤其重要。

3. 與雷達觀測作時空配對。 找出雨滴譜儀附近的雷達格點或雷達波束，配對相同降雨時段的資料。配對時要考量雷達掃描時間、雨滴由波束高度落至地面的時間差，以及風場造成的平流位移。宜使用多筆有效樣本作統計比對，避免以單一瞬時值代表整個雷達波束體積。

4. 估算雷達反射率偏差並校正。 對配對樣本計算雷達反射率與雨滴譜儀推算反射率的差值：