110 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

本題考查氣象觀測的標準與國際追溯，以及描述量測品質時幾個容易混淆的名詞。

集合標準（collective standard）是由一組相似的標準器或量測儀器共同使用，合併後構成的標準。它通常提供某一物理量的一個標準值；該值由組內各儀器所提供的數值適當平均而得。各儀器共同參與，可使集合標準的量測不確定度低於單一儀器的結果。

解題方法

先辨認題目問的是「哪個觀測項目」採集合標準追溯，再連結該項目所使用的國際參考標準。

WMO 的世界輻射標準（World Radiometric Reference, WRR）是典型的集合標準，由一組標準輻射計共同維持。各國的太陽輻射觀測標準，透過國際比對與校正追溯至 WRR。因此，題目所問的觀測項目是太陽輻射，尤其是以絕對輻射計進行的太陽直接輻射量測。

討論集合標準的量測準確度時，宜區分以下名詞：

核心觀念

傾斗式雨量儀是將降雨量轉換成「傾斗翻轉次數」的自記式雨量儀。承雨口收集雨水後，雨水流入一對可繞軸翻轉的容器；每次翻轉代表固定的雨量增量，儀器再把翻轉訊號記錄下來。

設承雨口面積為 $A$，每斗翻轉前收集的水量為 $V$，則每次翻轉所代表的雨深為

若觀測期間翻轉 $N$ 次，累積雨量為

例如，若儀器設定每次翻轉代表 $0.5\ \text{mm}$，累積翻轉 $20$ 次，則雨量為 $10\ \text{mm}$。實際設定值依儀器規格而異。

構造與觀測原理

1. 承雨口與集水漏斗：承雨口以已知面積接收降雨，雨水經漏斗集中導入儀器內。
2. 濾網或緩衝裝置：用來阻隔砂石、落葉等雜物；部分儀器另設強雨緩衝漏斗，以減輕高速進水對傾斗的干擾。
3. 雙傾斗與支軸：兩個小型承水斗固定在支軸兩側，形成蹺蹺板構造。雨水流入其中一斗，水量達到設定值時，該側重量使斗體翻轉，排出斗內雨水，另一側則轉到承雨位置繼續集水。
4. 感測與記錄裝置：傾斗翻轉時，磁鐵或觸點使磁簧開關切換，產生一個電脈波；資料記錄器計算脈波數並記錄其發生時間。

因此，脈波總數用來求累積雨量，脈波間隔用來估計降雨強度。若每次翻轉代表 $h_0$，相鄰兩次翻轉的時間間隔為 $\Delta t$，則該時段的平均雨強可估為

其中 $I$ 的單位須依 $h_0$ 與 $\Delta t$ 的單位換算，例如將毫米每秒換算成毫米每小時。

解題方法

作答時依序交代「收集雨水、累積至定量、傾斗翻轉、產生訊號、換算雨量」即可完整說明原理。核心公式是單次翻轉雨深 $h_0=V/A$，再以翻轉次數 $N$ 計算累積雨量 $P=Nh_0$。最後按誤差來源分類，說明誤差如何影響觀測值。

可能的觀測誤差來源

核心觀念

本題在考日射量觀測的場地代表性、儀器安裝條件與日常維護。日射量是單位面積所接收的太陽輻射能量；觀測品質取決於感測器周圍是否有遮蔽與反射，以及感測器是否保持清潔、水平、校正良好。日射量觀測儀器包括總日射計（pyranometer）與直接日射計（pyrheliometer）等，應依儀器型式及觀測目的安裝、操作。

解題方法

可依「選址與安裝 → 避免環境干擾 → 維護與品質檢查」作答。先說明觀測場如何確保日照視野與地面代表性，再列出儀器安裝及維護要點，並指出各項要求與觀測誤差的關聯。

一、觀測環境與安裝條件

1. 天空視野開闊，避免遮蔽 儀器應設於四周開闊處，避免建物、樹木、煙囪、塔架等遮住太陽或天空。遮蔽會使入射輻射減少，且遮蔽物的影子隨太陽高度角改變，造成日變化曲線失真。選址時也應考慮周圍物體在不同季節的遮蔽情形。

2. 避免熱源、污染源與局部環境影響 儀器應遠離排氣口、煙塵源、熱源及會產生水氣或污染物的位置，以免污染感測器受光面，或使局部熱環境影響觀測。周圍地面與設施宜能代表當地環境，避免觀測值受到局部反射或熱島效應等非代表性因素干擾。

3. 基座穩固，儀器安裝正確 儀器應固定於穩固基座，避免晃動、傾斜或震動。總日射計感測面須保持水平；若有傾斜，水平面上的入射輻射會產生幾何誤差。直接日射計則須準確瞄準太陽，並依其追日裝置及視場要求操作。

4. 注意地面與周遭反射 觀測場地面應平整，並避免近旁有強反射面或會遮光、反光的設施。

核心觀念

氣象衛星的色調強化技術，是將衛星影像中原本的灰階亮度或輻射值，依照事先設定的數值範圍與色階表，重新指定為不同灰階或彩色，讓特定數值區間的差異更醒目。這是影像顯示上的增強處理，並非改變衛星實際觀測到的輻射資料。

紅外線影像中，衛星接收的輻射可換算為亮度溫度；雲頂越高，通常溫度越低。透過為不同亮度溫度指定不同色彩，便能凸顯冷雲頂及其溫度細節。

解題方法

作答時掌握兩個重點：色調強化如何處理資料，以及哪些頻道和現象最常使用。

色調強化主要用於熱紅外線頻道，尤其是紅外線窗區頻道。這類頻道能觀測雲頂與地表的熱輻射，可用亮度溫度判別雲頂冷暖。色階強化後，可更清楚看出冷雲頂的範圍與溫度梯度。

核心觀念

本題考臭氧探空（ozonesonde）的儀器配置、氣球可達高度、電化學量測原理，以及由電流換算臭氧量時須做的訂正。臭氧探空提供的是氣球沿途的原位垂直剖面，核心感測器通常為電化學濃度電池（electrochemical concentration cell, ECC）。

解題方法

作答時依序說明「帶什麼儀器、飛多高、怎麼產生訊號、如何把訊號訂正為臭氧值」，並以量測電流換算臭氧分壓的公式串起各項訂正。

一、攜帶的儀器

觀測載荷主要包括：

• 臭氧探空儀：含非反應性空氣採樣幫浦、ECC 電化學感測池、含碘化鉀（KI）的吸收液，以及電流量測與訊號處理電路。
• 氣象無線電探空儀：量測或傳送氣壓、氣溫、相對濕度及位置等資料；臭氧電流與幫浦溫度等資料也透過無線電傳回地面。
• 氣球與附屬裝置：以高空氣球攜帶探空儀上升，並附繫繩；實務上可配合降落傘回收。

二、氣球希望達到的高度

氣球上升至約 30–35 km，進入平流層中上部後破裂。臭氧探空因而可量得由地面至低層平流層的臭氧垂直分布。

三、臭氧量測原理

幫浦將周圍空氣以已知流率送入含 KI 的感測液。臭氧在溶液中氧化碘離子，產生碘，並使外電路產生電流。理想情況下，每個臭氧分子造成兩個電子通過外電路，因此電流與進入感測池的臭氧量成正比。配合空氣流率及幫浦溫度，即可換算臭氧分壓。

常用的 ECC 臭氧分壓換算式為：

其中：

• $p_{O_3}$：臭氧分壓，常用單位為 mPa；
• $I_M$：感測池量得的電流；
• $I_B$：背景電流；
• $T_P$：幫浦溫度，K；
• $\Phi$：幫浦空氣流率；
• $\psi$：幫浦流量效率訂正因子。

核心觀念

光達（LiDAR, Light Detection and Ranging）以雷射脈衝照射大氣，接收氣體分子與氣膠粒子散射回來的光，利用回波的到達時間換算散射物所在高度，進而取得大氣氣膠散射訊號的垂直剖面。題目重點在於掌握「回波強度同時受散射與沿途消光影響」，並能由剖面中的散射變化判讀氣膠層、雲層及邊界層結構。

對垂直向上發射的脈衝，回波延遲時間 $t$ 與高度 $z$ 約為：

其中 $c$ 為光速，分母中的 $2$ 是因為光需往返傳播。脈衝寬度 $\Delta t$ 對應的距離解析度約為：

理想化的彈性散射光達方程可寫為：

其中：

• $P(z)$ 為高度 $z$ 的接收回波功率。
• $C$ 為儀器常數，包含雷射能量、望遠鏡口徑及偵測器響應等因素。
• $O(z)$ 為發射光束與接收視場的重疊函數；近距離常未完全重疊。
• $\beta_{\mathrm{m}}$、$\beta_{\mathrm{a}}$ 分別為分子與氣膠的後向散射係數。
• $\alpha_{\mathrm{m}}$、$\alpha_{\mathrm{a}}$ 分別為分子與氣膠的消光係數。
• 指數項描述雷射向上及回波向下傳播時的雙程消光。

因此，回波變強通常表示該高度有較強的後向散射，但回波也會因光束在途中被氣膠或雲層消光而減弱。單靠原始回波強度，不能直接等同氣膠濃度或氣膠消光係數。

解題方法

作答可依「測距原理—訊號意義—剖面判讀—限制」的順序說明。

首先，光達發射短脈衝並記錄回波到達時間，以 $z=ct/2$ 將時間序列轉為高度序列。對回波訊號進行背景光扣除、距離平方校正及儀器重疊校正後，可建立隨高度變化的距離校正訊號，作為散射剖面的基礎。接著依回波的強弱、梯度及突變位置辨識大氣層結構。

• **氣膠層與輸送層：**氣膠後向散射相對分子背景增強時，表示該高度有較多粒子或較強散射層。若增強層位於邊界層之上，可判讀為殘留層、自由大氣氣膠層或輸送而來的氣膠層。
• **行星邊界層高度：**邊界層內氣膠通常較充分混合，後向散射常較均勻；在邊界層頂附近，氣膠濃度與散射訊號會呈現明顯垂直梯度或突降。可由距離校正回波的梯度極值或梯度突變，估計邊界層頂高度。