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高考申論題 108年 [氣象] 大氣物理學(包括大氣輻射與雲物理)

第 一 題

📖 題組:
根據你對於氣象雷達的知識,請回答下列問題:(每小題10分,共20分)
📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

假設你使用X波段(波長為3公分)的雷達觀測一強對流系統,請解釋為何此X波段雷達所接收到的回波會有明顯衰減(Attenuation)現象?

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看到此題,應立即聯想「雷達波長(λ)與降水粒子粒徑(D)的比例關係」及「電磁波的消散(Extinction)機制」。核心解題脈絡為:X波段波長較短(3公分),而在強對流系統中存在大粒徑水滴或冰雹;當粒子粒徑接近或大於波長的十分之一時,散射機制將由瑞利散射(Rayleigh scattering)進入米氏散射(Mie scattering)區間,加上液態水對微波的強烈吸收特性,大幅增加消散截面積,導致雷達波能量沿路徑嚴重損耗。

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【破題】 X波段雷達波長較短(λ=3公分),在觀測強對流系統時,因系統內降水粒子粒徑大且液態水含量高,雷達電磁波在傳遞過程中會遭遇強烈的「吸收」與「散射」作用,導致能量大幅損耗而產生明顯的衰減現象。 【論述】

小題 (二)

請解釋為何雙偏極化(dual-polarmetric)雷達相對於單偏極化雷達而言,能夠更有效區分降水粒子的型態(例如有效分辨雨滴與雪花的不同)?

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考生看到此題應先從雷達測量的基本物理量切入,比較單偏極化(僅得回波強度,反映粒子大小與數量)與雙偏極化(測量水平與垂直回波差異,反映粒子形狀與相態)的物理意義。接著結合雲微物理學與空氣動力學,說明雨滴與雪花在下落過程中的微觀形狀差異,並引入關鍵偏極化參數(如差分反射率 $Z_{DR}$、共極化相關係數 $\rho_{HV}$)作為論證核心。

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【破題】 單偏極化雷達僅能測量單一方向(通常為水平)的散射能量,其回波強度僅與粒子的尺寸與濃度有關;而雙偏極化雷達透過同時發射與接收水平與垂直方向的電磁波,能進一步獲取降水粒子的「形狀、相態與空間排列」等微觀物理特徵,從而突破單一參數的限制,有效區分降水粒子型態。 【論述】

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