110 公務人員升官等薦任 氣象 氣候學（包括氣象統計） 考古題詳解

110 年・公務人員升官等・薦任・氣象
試題代碼 氣候學（包括氣象統計）

第 一 題20 分

聖嬰現象是地球氣候中最主要的年際變異特徵，並可分成東太平洋聖嬰與中太平洋聖嬰，請說明這兩種聖嬰現象在時間、空間及強度上的特徵差異。

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核心觀念

本題考查聖嬰事件的空間型態多樣性，以及如何從海表溫度異常（SSTA）的分布、發展過程與幅度，區分東太平洋型（Eastern-Pacific type, EP）與中太平洋型（Central-Pacific type, CP；亦稱 Modoki 型）。

聖嬰是赤道中、東太平洋海溫偏暖，並伴隨信風減弱及熱帶對流東移的海氣耦合現象。兩型的主要判別依據是：赤道太平洋海溫正異常中心出現在哪裡，以及異常如何隨時間發展。兩型不是截然分開的固定類別，實際事件也可能呈現混合型態。

解題方法

依題目指定的「時間、空間及強度」三個面向作比較：

  1. 時間：說明共同的季節位相，再比較典型的增強、成熟與衰減演變。
  2. 空間：比較海溫異常中心、暖水區延伸位置及對流降雨的大致分布。
  3. 強度：比較典型事件的海溫異常幅度，並指出強度判斷須看所採用的區域與指標。

題目是申論題，無選項可逐一分析；作答宜使用對照架構，避免只寫兩型名稱而未交代其差異。

東太平洋型與中太平洋型比較

比較面向東太平洋型（EP）中太平洋型（CP）
時間特徵聖嬰通常具有明顯季節鎖相，常在北半球春夏發展、冬季達成熟期，之後衰減。發展時暖海溫異常常由中太平洋向東擴展，成熟期東太平洋增暖突出。同樣受季節循環影響，常在年末至北半球冬季達成熟期。主要暖區較集中於中太平洋，演變期間增暖中心較常在中太平洋維持或於該區增強。
空間特徵最大海溫正異常位於赤道東太平洋，常延伸至南美洲沿岸附近；東太平洋溫躍層加深、上升流減弱，使當地海表增暖明顯。對流與降雨異常較容易向赤道東太平洋及其鄰近區域東移。最大海溫正異常位於赤道中太平洋、國際換日線附近；東太平洋的增暖通常較弱，部分事件呈現中太平洋偏暖、兩側相對偏冷的「三極型」海溫異常分布。對流降雨異常也較偏向中太平洋。
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第 二 題20 分

請說明臺灣梅雨季期間，東亞地區的重要氣候特徵。

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核心觀念

本題考東亞夏季風建立初期的環流轉換，以及梅雨鋒面如何形成、維持並影響降雨。梅雨季是冬季東北季風轉為夏季西南季風的過渡期；東亞中緯度的冷乾空氣與低緯度的暖濕季風氣流交會，形成持續性鋒面及其伴隨的雨帶。

臺灣梅雨季約在每年 5 至 6 月，梅雨鋒面常自華南一帶經臺灣附近延伸至日本南方，形成西南—東北走向的帶狀雲雨區。鋒面位置與移動受西太平洋副熱帶高壓、季風環流及中高緯度冷空氣等共同影響。

解題方法

可從「季節轉換、主要環流、雨帶分布、降雨特性」四個面向作答：

  1. **季節與風向轉換：**冬季東北季風逐漸減弱，夏季西南季風建立；南海夏季風爆發後，暖濕西南氣流向北輸送。
  2. **鋒面與氣團交會：**中高緯度冷乾空氣南下，與低緯度暖濕空氣相遇，在華南、臺灣附近至日本一帶形成緩慢移動或滯留鋒面。
  3. **副熱帶高壓的配置：**西太平洋副熱帶高壓西側及西北側的環流影響暖濕氣流輸送，也會牽動梅雨雨帶的位置與北移。
  4. **降雨帶的時空變化：**梅雨雨帶在東亞呈西南—東北向，隨季節推進逐漸北移；鋒面停留時容易出現持續性降雨，若暖濕氣流旺盛，則可能發生強降雨。

東亞地區的重要氣候特徵

  • **季風交替明顯：**梅雨季是東亞由冬季季風轉入夏季季風的季節轉換期。低層風場由偏北、偏東的冬季風逐步轉為偏南、偏西南的夏季季風，南海與南方海域的暖濕氣流增強並向北輸送。
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第 三 題20 分

請說明何謂「氣候敏感度」？試使用史蒂芬－波茲曼定率，估計在沒有大氣層的情況下，僅考慮輻射平衡時，地球系統受到黑體輻射影響的氣候敏感度。（史蒂芬－波茲曼係數為 5.67×10−8 W m−2 K−45.67 \times 10^{-8}\ \mathrm{W\,m^{-2}\,K^{-4}}）

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核心觀念

「氣候敏感度」描述氣候系統在外部輻射強迫改變後，為達到新的能量平衡，全球平均近地面氣溫所產生的變化。常以二氧化碳濃度加倍所造成的平衡升溫表示；若以輻射強迫量表達，則可寫為

λ=ΔTΔF\lambda=\frac{\Delta T}{\Delta F}

其中 ΔT\Delta T 為平衡溫度變化，ΔF\Delta F 為輻射強迫。本題指定無大氣層、僅考慮輻射平衡，故把地球視為受太陽照射、並以黑體向外放射熱能的物體，利用史蒂芬－波茲曼定率估計溫度對輻射平衡變化的敏感程度。

解題方法與推導

無大氣層時，地球的全球平均吸收太陽輻射通量為

Fin=S04(1−α)F_{\mathrm{in}}=\frac{S_0}{4}(1-\alpha)

其中 S0S_0 為太陽常數，α\alpha 為地球反照率；除以 44 是因為地球截獲太陽輻射的面積為 πR2\pi R^2，而向外放射的面積為 4πR24\pi R^2。

地球以黑體向外放射的通量為

Fout=σT4F_{\mathrm{out}}=\sigma T^4

輻射平衡時，吸收與放射相等：

S04(1−α)=σT4\frac{S_0}{4}(1-\alpha)=\sigma T^4

對平衡式微分，並令吸收通量有小幅變化 ΔF\Delta F，可得

ΔF=4σT3ΔT\Delta F=4\sigma T^3\Delta T

因此，黑體輻射平衡下的氣候敏感度為

λ=ΔTΔF=14σT3\lambda=\frac{\Delta T}{\Delta F} =\frac{1}{4\sigma T^3}

以地球無大氣輻射平衡溫度約 T=255 KT=255\ \mathrm{K} 代入題給的史蒂芬－波茲曼係數：

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第 四 題20 分

下圖為一維模式（single-column model）計算之溫度垂直剖面，實線為達到輻射平衡、點線為乾絕熱、虛線為濕絕熱之溫度剖面。請說明地球大氣分別透過那些過程達到這三種平衡狀態。

🖼️【此處有附圖，請對照原卷】

🖼️ 本題原卷含圖表。基於試題來源之版權考量，本站不轉載原卷影像； 題目文字已完整轉錄，圖表請自行參閱考選部公告之試題原檔。

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核心觀念

本題考一維大氣模式中的輻射平衡與對流調整。圖中比較三種溫度垂直剖面：只考慮輻射傳輸的剖面，以及大氣經乾絕熱或濕絕熱對流調整後的剖面。

氣溫隨高度降低的遞減率定義為

Γ=−dTdz.\Gamma=-\frac{dT}{dz}.

未飽和空氣團作乾絕熱升降時，遞減率約為

Γd=gcp≈9.8 K km−1,\Gamma_d=\frac{g}{c_p}\approx 9.8\ \mathrm{K\,km^{-1}},

飽和空氣團上升時，水氣凝結釋放潛熱，使溫度下降較慢，濕絕熱遞減率 Γm\Gamma_m 通常小於 Γd\Gamma_d，且會隨溫度與水氣含量改變。圖中以約 6.5 K km−16.5\ \mathrm{K\,km^{-1}} 作為濕絕熱調整的代表值。

解題方法

依剖面的形成機制作答：輻射平衡看輻射收支；乾、濕絕熱平衡則看垂直對流如何搬運熱量，以及空氣是否飽和。要點是指出各剖面分別由哪些大氣過程維持。

三種平衡狀態

  1. 輻射平衡：輻射傳輸

大氣吸收與放射長波輻射，也吸收、散射或反射太陽短波輻射。當各高度的輻射加熱與冷卻達到平衡，淨輻射加熱率為零，形成輻射平衡剖面。

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第 五 題20 分

若某年 8 月某日 A 測站測量到日最高溫為 39∘C39^\circ\mathrm{C}，且 A 測站已有 30 年以上的詳細記錄。請說明你將如何利用統計方法及歷史紀錄，檢測 39∘C39^\circ\mathrm{C} 是否為極端高溫事件？

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核心觀念

本題考查的是如何以長期氣候紀錄，判斷單日高溫是否達到「極端」程度。極端高溫沒有一個適用所有測站的固定溫度門檻；39∘C39^\circ\mathrm{C} 是否極端，須相對於 A 測站當地、該季節的長期氣候分布判斷。

「30 年以上詳細紀錄」提供估計氣候分布的基礎，但不能只憑紀錄年數或單一溫度就下結論。須先確認資料品質及比較基準，再以分位數、標準化距平或極值統計量化其罕見程度。

解題方法

一、整理可比較的歷史資料

取得 A 測站至少 30 年的每日最高溫紀錄，並檢查：

  • 測站位置、儀器、觀測時間及觀測方式是否改變；若曾遷站或換儀器，須檢查資料是否均一，必要時進行均一化處理。
  • 是否有缺測、錯誤值、儀器故障或紀錄方式改變。
  • 當年 39∘C39^\circ\mathrm{C} 的日期與觀測值是否經品質檢核。

比較基準宜採用該日附近或 8 月的每日最高溫，避免拿盛夏的高溫與全年平均氣候相比。若只使用「同一月日」的紀錄，30 年資料僅約 30 筆，估計尾端分位數會不穩定；可用該日期前後一段日數的滑動窗合併多年資料，增加樣本數，同時保持季節條件相近。

二、以歷史分布計算分位數與距平

將比較期間的歷史每日最高溫由低至高排序，求其經驗分位數。若 39∘C39^\circ\mathrm{C} 高於歷史分布的第 99 百分位數，表示它比約 99% 的比較樣本高，可作為極端高溫的操作性判準；第 95 百分位數也常用於辨認偏高事件。實際採用哪個門檻，須先明確訂定，不能事後因為觀察到 39∘C39^\circ\mathrm{C} 才挑選有利門檻。

也可計算標準化距平：

z=T−μsz=\frac{T-\mu}{s}

其中 T=39∘CT=39^\circ\mathrm{C}，μ\mu 與 ss 分別為比較期間每日最高溫的平均值與標準差。zz 越大，表示該溫度偏離當地季節氣候的程度越大。此方法便於量化異常程度，但高溫分布若偏態明顯，單用平均值與標準差可能不如分位數穩健，因此宜與分位數結果一併判讀。

三、估計重現期與尾端機率

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