114 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

剖風儀（wind profiler）是都卜勒雷達，利用大氣中的湍流結構、雲滴或降水粒子等散射體回波，估算不同高度的風速。雷達直接量到的是沿波束方向的徑向風速，不是完整的風向量；要取得三維風場，須由不同指向的波束測得多個徑向風速，再依波束幾何關係反演風速分量。

最常見的方法是都卜勒波束擺動法（Doppler beam swinging, DBS）：雷達依序朝垂直方向及至少兩個方位角不同的斜向發射脈衝。各方向回波的都卜勒頻移為

其中 $f_D$ 是都卜勒頻移、$\lambda$ 是雷達波長、$v_r$ 是沿雷達波束的徑向速度；正負號依儀器採用的接近或遠離慣例而定。

解題方法

令東、北、垂直向上的風速分量分別為 $u$、$v$、$w$。若斜波束仰角為 $\alpha$（自水平面量起），方位角 $\phi$ 自東向逆時針量起，則該波束的徑向速度可寫為

每個高度範圍門（range gate）分別計算各波束的回波都卜勒速度，依序解出該高度的風場。假設剖風儀採用一個垂直波束，以及仰角為 $\alpha$、方位角互相垂直的東向與北向斜波束，其觀測式為

核心觀念

飛機的皮托管（Pitot tube）迎向來流，測得氣流停滯後的總壓（或稱滯止壓）$p_t$；機身上的靜壓孔測得周圍未受擾動的靜壓$p_s$。兩者之差為衝壓（impact pressure）：

空速表利用這個壓差表示空速。須注意，皮托管本身提供總壓；實際空速指示仰賴皮托管與靜壓孔組成的皮托靜壓系統。

解題方法

在低速、空氣可視為不可壓縮且流場穩定時，依伯努力定理，氣流在皮托管口減速至停滯點，速度壓轉換為壓力：

因此：

其中 $\rho$ 為當地空氣密度，$V$ 為飛機相對於周遭空氣的真空速。壓差越大，表示空速越大。

在一般亞音速航空器上，空速表以壓差驅動，並按海平面標準大氣條件校準，直接讀值稱為指示空速（IAS）。IAS 經儀器與安裝誤差修正後為校正空速（CAS）；再按當地密度修正，才得到真空速（TAS）。高速或高空飛行時，空氣可壓縮性也須納入修正。

高空與低空使用差異

核心觀念

雷達電磁波在大氣中的路徑會因空氣折射率隨高度的變化而彎曲。氣象雷達常以無線電折射度 $N$ 表示折射率差異：

其中 $n$ 是折射率，$p$ 是氣壓（hPa）、$T$ 是絕對溫度（K）、$e$ 是水氣壓（hPa）。因此，雷達波的彎曲方向取決於折射度隨高度的變化；溫度之外，氣壓與水氣分布也會影響結果。

解題方法

依題目給的近地面溫度排列，判斷垂直溫度梯度，再說明它如何影響折射度梯度與雷達波路徑：

• 下熱、上冷：近地面暖空氣上升、垂直溫度隨高度快速下降，形成不穩定層結。若溫度下降梯度大，使折射度隨高度下降得比標準大氣慢，甚至隨高度增加，雷達波向上彎曲，稱為次折射（subrefraction

核心觀念

這題考查無線電掩星如何由訊號折射資訊反演大氣折射率，再結合溫度與氣壓資料，求出對流層的水氣分布。折射率同時受乾空氣與水氣影響，因此單靠折射率不能直接分離出濕度。

氣象學常用折射率折射度 $N$ 表示折射率 $n$ 與真空折射率的微小差異：

其中 $P$ 為總氣壓（hPa）、$T$ 為絕對溫度（K）、$e$ 為水氣壓（hPa）。第一項主要代表乾空氣的貢獻，第二項代表水氣的貢獻。求得 $e$ 後，可再由水氣壓換算相對濕度或比濕等濕度變數。

解題方法

1. 接收掩星訊號並測量相位變化 福衛三號、福衛七號搭載 GPS 無線電掩星接收器。當 GPS 衛星與接收衛星的連線逐漸掠過地球大氣邊緣，訊號穿越不同高度的大氣層。大氣折射率隨位置改變，使訊號路徑彎曲，並造成接收訊號的相位與都卜勒頻移變化。掩星觀測可在衛星上升或下降過程取得不同高度的資料。

2. 由訊號反演折射資訊與折射率剖面 根據接收到的訊號相位變化，先求出訊號的彎曲角與掠射參數，再利用掩星幾何及 Abel 反演等方法，取得大氣折射率 $n$，並換算成折射度 $N$ 的垂直剖面。實際反演會用到大氣球對稱等近似假設，得到的是沿掩星路徑所代表的垂直大氣結構。

3. 以溫度、氣壓資料分離水氣貢獻 由折射度公式整理水氣壓：

核心觀念

高層冷心低壓是高空中以冷空氣為中心的低壓渦旋，常出現在對流層中、高層。判讀重點是找出冷空氣的中心與環繞其旋轉的雲系。可見光、紅外線與水氣頻道分別呈現雲層反射、雲頂溫度及中高層水氣分布，因此判讀效果不同。

解題方法

較容易分析高層冷心低壓位置的，是水氣頻道衛星雲圖，尤其是觀察中高層水氣的水氣影像。高層冷心低壓通常伴隨中、高層環流與水氣分布的旋轉特徵；水氣影像能顯示中高層水氣的明暗與紋理，即使地面沒有明顯雲層，也常可追蹤其環流形態，據以判定低壓中心附近的旋轉位置。