114 高普考高考三級 氣象 氣候學（包括氣象統計） 考古題詳解

核心觀念

本題考查三個相連的氣候學概念：聖嬰成熟期的海氣耦合特徵、西北太平洋颱風對聖嬰發展年夏季的反應，以及 ENSO 與季節循環的位相鎖定（phase locking）。

聖嬰是 ENSO 暖位相，核心特徵是赤道中、東太平洋海表溫度偏暖，並伴隨赤道信風減弱、沃克環流東移或減弱。其海氣回饋常以 Bjerknes 正回饋說明：赤道中東太平洋增暖使東西向海溫梯度減小，信風減弱；信風減弱又使暖水向東擴展、東太平洋躍溫層加深且湧升減弱，進一步增暖中東太平洋。

分析颱風活動時，需分開討論生成數量、生成位置、強度。生成潛勢可概念化為海溫與海洋熱含量、低層渦度、水氣、垂直風切，以及中層乾空氣等因素的綜合作用；局部海溫偏高並不代表整個海盆颱風數量必然增加。

解題方法

先描述成熟期的海溫與環流，再用「海溫分布改變生成環境、環流異常改變動力與風切」來推論颱風變化，最後以耦合成長與季節性負回饋解釋 ENSO 為何常在冬季達峰。

一、聖嬰成熟期的太平洋特徵

• **海溫：**赤道中、東太平洋海溫正異常，暖水區向中太平洋甚至東太平洋擴展；西太平洋相對偏冷或暖異常較弱。東太平洋冷舌與沿岸湧升減弱，赤道東太平洋躍溫層加深，西太平洋躍溫層相對變淺，東西向海溫梯度減小。
• **風場：**赤道東風信風減弱，部分事件可出現西風異常。暖水與對流活動向中、東太平洋移動。
• **沃克環流與降雨：**正常情況下，西太平洋暖池上升、東太平洋下沉的沃克環流減弱並向東移；中、東太平洋對流降雨增加，印尼、海洋大陸一帶下沉與偏乾增強。氣壓差與信風也隨之減弱。

二、聖嬰發展年夏季的西北太平洋颱風

聖嬰發展年 JJA（六月至八月）常見的統計反應，是西北太平洋颱風生成位置向東南偏移，生成數量可略增或變化不大，且呈現較大的年際差異；生成區東移後，颱風在海上移動距離較長，累積氣旋能量（ACE）可能增加。這些是氣候統計傾向，實際結果會受 ENSO 強度、型態及其他季節內變異調節。

其物理解釋分成兩部分：

• **海溫與生成位置：**赤道中東太平洋增暖、暖水區東伸，配合西北太平洋低層環流異常，使適合生成的區域偏向較東、較南處，平均生成位置因而向東南移。

核心觀念

氣候系統由五大組成構成：大氣圈、水圈、冰雪圈、岩石圈（陸地表面）、生物圈。氣候是這些組成及其交互作用的長期統計狀態；各組成會透過能量、水分、碳及動量交換，改變地球的輻射收支與大氣環流。

解題方法

先列出五大組成，再各舉一個可辨識的變化，說明它如何影響氣候。最後聚焦冰雪圈，依「變化 → 反照率與能量收支改變 → 氣候回饋」的因果鏈，解釋其回饋機制。

五大組成及其氣候影響

1. 大氣圈：溫室氣體濃度或氣膠含量改變，會影響長波與短波輻射。例如二氧化碳增加會增強溫室效應，使地表與低層大氣暖化。

2. 水圈：海洋熱含量、海表溫度與環流變化會影響熱量儲存及輸送。例如聖嬰現象期間，熱帶太平洋海表溫度與對流分布改變，進而影響全球降雨及氣溫型態。

3. 冰雪圈：海冰、積雪、冰河與冰棚的範圍或厚度變化，會改變地表反照率，也會影響海洋與大氣間的熱量交換。例如海冰減少使更多海面曝露，吸收更多太陽能。

4. 岩石圈（陸地表面）：地形、土壤含水量及土地利用變化會影響地表能量與水分通量。例如森林改為農地或都市後，地表粗糙度、蒸散與反照率改變，會影響局部溫度及降水。

核心觀念

氣候模式是以數學與物理方程式，描述地球氣候系統中的能量、水分與動量如何傳遞及相互作用，再以電腦進行數值計算。它不是對未來天氣的逐日預報，而是用來推估在特定外在條件下，長期氣候統計特徵如何改變。

氣候模式的基礎包括流體力學、熱力學與輻射傳輸等基本定律。典型的耦合氣候模式包含大氣、海洋、陸地表面、海冰與積雪等模組；地球系統模式則進一步納入碳循環、植被、氣膠及其他生物地球化學過程。各模組透過熱量、水分、動量與物質交換相連結。

由於雲、對流、湍流等過程的尺度小於模式網格，無法逐一直接解析，因此須以參數化方式估算其對較大尺度氣候的影響。模式依網格將地球表面與垂直大氣、海洋分層，逐時步解算控制方程式，模擬氣候系統隨時間演變。

解題方法：如何推估未來氣候

推估未來氣候時，科學家通常依下列步驟進行：

1. 設定未來情境：指定未來溫室氣體、氣膠、土地利用等外在強迫條件。不同社會經濟與排放路徑，代表不同的可能未來；情境是條件式假設，不是單一確定預測。
2. 執行模式模擬：以耦合氣候模式或地球系統模式，模擬大氣、海洋、陸地與冰雪等的共同演變。長期氣候推估通常進行數十年至數百年的積分。
3. 檢驗模式表現：將模式對歷史氣候的模擬與觀測資料比較，評估其是否能合理重現全球與區域的氣候平均態、變率、季節循環及重要物理過程。
4. 計算氣候變化量：選定基準期間與未來期間，計算平均溫度、降雨、極端事件等指標的差異。例如比較基準期與 2081–2100 年的平均值，分析 21 世紀末的變化。推估結果須附帶所用排放情境、基準期間及不確定範圍。

模式輸出可用來評估全球平均地表溫度、降水、海洋熱含量、海冰與極端高溫等變化。區域尺度研究可再運用較高解析度模式或統計降尺度，補足全球模式網格較粗所造成的細節不足。

氣候模式的限制

• 外在情境的不確定性：未來排放量與土地利用取決於人口、經濟、技術及政策發展，模式本身無法決定人類未來會採取哪條路徑。
• 物理過程的參數化誤差：雲、對流、氣膠交互作用及降雨微物理等過程，需以近似方式表示，可能影響輻射平衡、降水及氣候敏感度。

核心觀念

本題考查氣候變遷的外部驅動力、內部氣候變異與人為氣候強迫，以及如何利用冰芯等古氣候代理資料檢驗冰河週期假說。

• 外部驅動力是地球氣候系統之外的變化，例如地球軌道參數及太陽輻射變化。冰河—間冰期的反覆轉換，主要與地球軌道參數改變造成的日照分布變化有關，通常以米蘭科維奇週期說明。
• 內部驅動力是氣候系統內部各部分的交互作用及自然變異，包括海洋、大氣、冰凍圈、生物圈與地表之間的耦合。
• 人為因素主要藉由溫室氣體、氣膠、土地利用與地表反照率改變，改變地球能量收支。
• 自然因素則可分成外部自然強迫與內部自然變異，例如太陽活動、火山噴發，以及厄爾尼諾—南方振盪等海氣變異。

解題方法

依題目順序作答：先說明控制冰河週期的軌道力量，再說明冰芯如何提供古氣候紀錄，最後分別列出內部自然與人為因素，並交代科學家如何估算它們對氣候的影響。作答時要區分「觸發因素」和「放大回饋」：軌道變化改變季節及緯度間的日照分布，冰雪反照率、溫室氣體與海洋環流等回饋則放大或延遲氣候反應。

一、冰河週期的主要控制力量

米蘭科維奇理論所討論的三項地球軌道變化為：

1. 偏心率（eccentricity）：地球軌道由較接近圓形至較橢圓形的變化，主要週期約為 100,000 年及 400,000 年。它改變近日點與遠日點的日照差異，並調節歲差效應的強弱。
2. 地軸傾角（obliquity）：地軸傾斜角度的變化，週期約 41,000 年。傾角較大時，高緯度夏季日照較強；傾角較小時，高緯度夏季較涼，有利冬季積雪跨季保留。
3. 歲差（precession）：地軸方向與軌道橢圓長軸方向的緩慢變化，主要週期約 19,000 至 23,000 年。它改變季節與近日點、遠日點的相對位置，因此影響不同半球季節日照的強弱。

考慮冰河消長時，關鍵不是全球年平均日照，而是北半球高緯度夏季日照。夏季涼爽時，冬季累積的雪較不易融化，冰蓋逐漸擴大；夏季較暖時，融冰增強，冰蓋退縮。軌道日照改變透過冰雪反照率、海洋環流和大氣溫室氣體等回饋，形成更大的全球氣候變化。

二、冰芯資料如何重建古氣候並檢驗假說

冰芯是從格陵蘭、南極等冰蓋鑽取的冰柱。冰層中的年層、氣泡與化學成分，保留了過去降雪及大氣組成的資訊。分析流程與主要指標如下：

• 建立年代：依年層、火山灰或火山硫酸鹽層、放射性核種及冰流模型等建立深度—年代關係。冰中被封存的氣泡通常比周圍冰層形成得晚，因此解讀氣體與冰本身的年代時須考慮這段封存延遲。
• 重建溫度：分析冰中水分子的穩定同位素，例如 $\delta^{18}O$ 與 $\delta D$。同位素比例受降雪形成時的溫度與水氣運輸路徑影響，經由當地校正關係，可估算過去溫度的相對變化。
• 重建溫室氣體：分析氣泡中的二氧化碳、甲烷與一氧化二氮濃度，重建過去大氣成分。氣體濃度與冰層同位素紀錄可比較其變化先後及幅度。
• 輔助判讀環境：水溶性離子、塵埃及火山物質可提供氣膠、乾濕環境、風力與火山活動等資訊。

要檢驗冰河週期假說，科學家把冰芯重建的氣候與溫室氣體紀錄，和天文計算所得的軌道參數、夏季日照變化比較，檢視兩者的週期、相位及先後關係。冰芯提供高解析度紀錄；深海沉積物中的有孔蟲氧同位素等紀錄，則可補足更長時間尺度的冰量與深海溫度變化。

核心觀念

本題檢定前期與後期「母體平均年最高氣溫」是否有差異，屬於雙尾雙樣本 $t$ 檢定。設定虛無假設 $H_0:\mu_1=\mu_2$，對立假設 $H_1:\mu_1\ne\mu_2$，顯著水準為 $\alpha=0.01$。

題目給定兩期的標準差與樣本數相同，因此採用合併變異數雙樣本 $t$ 檢定。合併變異數與檢定統計量為：

解題方法與計算

前期設為第 1 組、後期設為第 2 組。已知 $\bar{x}_1=33.5$、$s_1=1.2$、$n_1=30$，以及 $\bar{x}_2=35.1$、$s_2=1.5$、$n_2=30$。

先計算合併變異數：

所以 $s_p=\sqrt{1.845}\approx1.358$。代入檢定統計量：