112 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

核心觀念

本題考查雲如何改變地球系統的輻射收支，重點在區分雲對短波太陽輻射與長波地球輻射的作用。

地球頂端（TOA）的淨輻射可概略表示為：

其中，$S_0$ 為太陽常數，$\alpha$ 為行星反照率，$\mathrm{OLR}$ 為向外長波輻射。$N$ 增加代表地球系統吸收的能量增加；$N$ 減少則代表能量流失增加。

解題方法

分別從兩個輻射波段說明雲的作用：

1. 短波部分：雲反射、散射多少入射太陽輻射，並因此改變地球吸收的太陽能。
2. 長波部分：雲吸收地表放出的紅外線，並向上、向下發射長波輻射，因而改變地球向太空放出的能量。

雲的淨氣候效應是兩者合成，會隨雲的高度、厚度、光學厚度、粒子特性及地表背景而異。

（一）雲—反照率效應

雲滴或冰晶會散射、反射入射的短波太陽輻射，使部分太陽能返回太空。雲量或雲反射能力增加時，地球行星反照率通常提高，地球吸收的太陽輻射減少：

因此，雲—反照率效應通常使地球系統冷卻。對同一雲系而言，雲越厚、光學厚度越大，短波反射通常越強；低層厚雲往往具有顯著的冷卻作用。

（二）雲—溫室效應

核心觀念

馬登－朱利安震盪（Madden–Julian Oscillation, MJO）是熱帶大氣中主要的季內振盪，以熱帶對流與環流的共同變化為特徵。其活躍對流區通常由印度洋向東經海洋大陸，續向西太平洋及中太平洋傳播，典型週期約 30–60 日，有些定義或觀測研究涵蓋約 30–90 日。

MJO 可視為一個向東移動的「對流活躍區—對流抑制區」系統：

• 對流活躍（濕）位相：深對流、降雨與上升運動較旺盛，常伴隨低層輻合及高層輻散。
• 對流抑制（乾）位相：對流與降雨較弱，常伴隨下沉運動及較不利於深對流發展的環境。

MJO 的作用尺度大於單一雷暴系統，卻遠小於季節循環，因此會改變熱帶地區數週尺度的降雨、風場與熱帶氣旋活動。

解題方法

本題分兩部分作答：先定義 MJO 的現象、尺度與傳播方向，再說明它如何透過改變西北太平洋的大尺度環境，調節颱風生成與活動。作答時要把「有利環境增加颱風機率」與「直接決定颱風生成」區分開來；MJO 是重要的調制因子，並非颱風生成的唯一原因。

（一）何謂馬登－朱利安震盪？

MJO 是熱帶地區尺度最大、最重要的季內變異之一，主要表現為熱帶深對流、降雨及大尺度環流的耦合振盪。其活躍對流中心大致由印度洋向東傳播，通過海洋大陸與西太平洋；傳播速度約為每秒數公尺，典型週期約 30–60 日。

因此，MJO 不只是降雨帶的東移，也包含與對流相伴的低層與高層環流變化。隨著活躍位相東移，不同經度的熱帶海域會依序經歷對流增強與對流受抑制的階段。

（二）馬登－朱利安震盪對西北太平洋颱風有何影響？

核心觀念

本題考查 ENSO 暖位相的空間型態差異，以及海洋與大氣如何透過耦合作用放大海溫異常。東太平洋型（EP El Niño）與中太平洋型（CP El Niño）主要依據赤道太平洋海表溫度正異常的中心位置區分；兩者是聖嬰事件的不同型態，並非彼此完全獨立、成因截然無關的現象。

分析形成機制時，須掌握兩項核心回饋：

• Bjerknes 正回饋：赤道中、東太平洋海溫升高，使東西向海溫梯度減弱，沃克環流與信風減弱；信風減弱又使暖水向東移動、東部躍溫層加深、冷水湧升減弱，進一步增暖。
• 溫躍層回饋與海洋動力過程：躍溫層深度及其傾斜變化會影響湧升水的溫度；赤道西風異常也可激發向東傳播的下沉 Kelvin 波，使東太平洋躍溫層加深。

解題方法

先以「海溫正異常最大值在哪裡」比較兩型的空間分布，再依各型增暖區域，說明主要的海氣回饋與海洋熱量輸送。作答時將機制串成因果鏈：初始擾動 → 風場改變 → 海洋環流、躍溫層與湧升改變 → 海溫異常增強。

（一）空間分布特徵

• 東太平洋型（EP）：赤道東太平洋海溫正異常最強，通常由赤道中太平洋向東延伸至南美洲沿岸；峰值常位於赤道東太平洋，暖異常分布較偏東，事件強時範圍及幅度都很顯著。
• 中太平洋型（CP）：海溫正異常中心位於赤道中太平洋，約在國際換日線附近或其東側；東太平洋沿岸的增暖相對較弱，空間型態常呈現中太平洋暖異常、東西兩側相對較冷的分布。

兩型的區分重點是暖海溫異常中心的經度位置，不是單看整個太平洋是否變暖，也不能只憑聖嬰事件的強弱判定。

（二）形成原理

東太平洋型

1. 西太平洋暖水區附近的赤道西風異常或西風爆發，推動表層暖水向東，並可激發向東傳播的下沉 Kelvin 波。
2. Kelvin 波使東太平洋躍溫層加深，東部海洋躍溫層變深後，湧升流帶上來的海水較暖；信風減弱也會降低冷水湧升及東向冷水輸送，促使東太平洋海溫升高。

核心觀念

濾波器是依時間尺度或頻率特性，從氣象時間序列中保留指定的變動、抑制其他變動的運算方法。氣候資料常同時包含長期趨勢、年週期、季節內變動、天氣尺度擾動與測量雜訊；濾波的目的，是凸顯研究所關心的時間尺度。

對離散序列 $x_t$，線性濾波通常可寫成加權和：

其中 $w_k$ 是濾波權重，決定各時間點對濾波結果的貢獻。濾波器的頻率響應則描述不同頻率成分被保留或削弱的程度。

解題方法：常用濾波法及其原理

一、移動平均濾波

以固定時間窗內的資料平均，平滑高頻起伏。簡單移動平均的權重相等：

視窗越長，平滑效果越強，較短週期的變動越容易被抑制，因此常作為低通濾波器使用。若希望不同時點有不同權重，可採加權移動平均；權重常設為窗中心較大、兩側較小，以保留較平滑的低頻變化。

適用例： 以逐月資料計算 12 個月移動平均，可削弱年內月際起伏，凸顯較長期變化。

二、有限脈衝響應濾波（FIR）

以有限個時間點的加權和計算濾波結果：

移動平均是 FIR 濾波的一種特例。設計權重時可讓濾波器具有低通、高通或帶通特性；例如 Lanczos 濾波器以適當權重近似理想頻率截止，常用於氣候與大氣資料的時間尺度分離。

三、傅立葉或頻域濾波

先將時間序列轉換至頻率域，依頻率保留或刪除頻譜成分，再作反轉換。以離散傅立葉轉換表示：

其中 $H(f)$ 是頻率響應。低通濾波保留低頻、抑制高頻；高通濾波保留高頻、抑制低頻；帶通濾波只保留指定頻帶。

核心觀念

本題考「動力統計氣候預測系統」如何把全球氣候模式的預測轉成臺灣地區可用的月、季長期預報。答案要交代兩個環節：先用數值模式預測大尺度大氣與海洋的演變，再以歷史資料建立的大尺度環流與臺灣測站氣候變數間的統計關係，進行統計降尺度，產生臺灣溫度、雨量的預測。

「動力」指以大氣或海氣耦合數值模式，依大氣與海洋的物理方程模擬未來演變；「統計」指運用模式歷史回報資料與觀測資料間建立的統計關係，校正或轉換模式訊號，推估區域或測站氣候變數。預報重點是未來一段時間相對於氣候平均值的距平及偏高、正常、偏低等類別機率，並非逐日天氣的確定預報。

解題方法：依系統流程說明

1. 取得初始狀態與觀測資料 蒐集預報起報時的全球大氣、海洋觀測與分析資料，作為模式初始條件；同時蒐集歷史氣候觀測資料，供模式校驗及統計關係建立使用。

2. 以全球氣候模式進行預報 將初始條件輸入氣候預測模式，模擬未來大氣環流、海溫及其他氣候變數。現行系統使用海氣耦合預測方式，大氣模式與海洋模式定期交換資料，使海洋與大氣的相互作用能反映在預報中。由於初始條件與模式具有不確定性，系統以多組系集預報呈現可能的未來狀態。

3. 分析大尺度氣候訊號 檢視東亞與西北太平洋季風區等大尺度預報場，包括海溫、低層風場、雨量及氣溫的預測變化。這些大尺度環流與海溫變異，是臺灣季節及次季節氣候的重要背景訊號。

4. 統計降尺度至臺灣測站 利用歷史資料建立全球模式預報變數與臺灣測站觀測溫度、雨量之統計關係，再將模式的全球或大尺度預報結果轉換成測站預測值。