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普考申論題 109年 [氣象] 天氣學概要(包括基礎天氣分析與基礎大氣動力學)

第 一 題

📖 題組:
請試述下列名詞之意涵:(每小題5分,共25分) (一)艾克曼螺線(Ekman spiral) (二)寒潮(Cold surge) (三)相當位溫(Equivalent potential temperature (θe)) (四)氣團變性(air mass transformation) (五)露點溫度(dew-point temperature)
📝 此題為申論題,共 5 小題

小題 (一)

艾克曼螺線(Ekman spiral)

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看到「艾克曼螺線」,應立刻聯想到大氣邊界層中氣壓梯度力、科氏力與摩擦力的三力平衡。解題時需點出「風速隨高度增加而增大」及「北半球風向隨高度順時針偏轉直至平行等壓線」的幾何特徵,並交代其引發低層輻合輻散的動力機制。

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「艾克曼螺線(Ekman spiral)」是指在大氣邊界層(摩擦層)中,風向與風速隨高度增加而呈現三維空間螺旋狀變化的物理現象。 其物理與動力特徵包含: (1) 動力機制:在邊界層內,空氣質點的運動受氣壓梯度力、科氏力與地表湍流摩擦力三力平衡控制。近地面摩擦力減小了風速,導致與風速成正比的科氏力減弱,使風向受氣壓梯度力主導而偏向低壓區(與等壓線交角約 30~45 度)。

小題 (二)

寒潮(Cold surge)

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看到「寒潮」,應聯想極地冷氣團爆發南下的物理過程。答題須涵蓋熱力/動力特徵(強冷平流、氣壓驟升、強風),並強烈建議補充臺灣氣象署的實務定義(臺北測站≦10.4℃)以展現實務常識,獲取高分。

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「寒潮(Cold surge)」指高緯度或極區之強烈冷氣團大規模且爆發性向低緯度推進的天氣過程。 特徵包含: (1) 動力與熱力機制:伴隨強烈低對流層的冷平流、氣壓梯度力顯著增大以及強烈的下沉運動。

小題 (三)

相當位溫(Equivalent potential temperature (θe))

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看到「相當位溫」,首先聯想其為「位溫」概念的延伸,加入了水氣凝結釋放「潛熱」的效應。作答時必須精確描述其物理過程(假絕熱抬升至水氣全凝結+乾絕熱下沉至1000 hPa),並點出其在乾、濕絕熱過程中皆「守恆」的特性,最後補充其在判斷大氣穩定度及氣團分析上的實務應用。

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「相當位溫(Equivalent potential temperature, θe)」是指將一未飽和空氣塊,先以乾絕熱過程抬升至達到飽和,接著以假絕熱過程(水氣凝結後立刻降水離開系統)繼續抬升,直到空氣塊內的水氣完全凝結並釋放所有潛熱來加熱空氣塊後,再將此乾燥空氣塊沿乾絕熱過程下降至標準氣壓(1000 hPa)時所具有的溫度。 特徵與實務應用包含: (1) 守恆性:相當位溫在乾絕熱過程與假絕熱(濕絕熱)過程中均保持守恆,不受水氣相變影響。

小題 (四)

氣團變性(air mass transformation)

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看到「氣團變性」首先回想氣團的定義(廣大且溫濕度均勻的空氣塊),接著思考當它離開「源地」移動至不同性質的下墊面時會發生什麼事。答題應著重於變性的「原因/機制(熱力、動力交換)」以及「改變的物理量(溫度、濕度、穩定度)」,並舉一常見的天氣實例(如冷氣團南下)佐證。

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「氣團變性(air mass transformation)」指氣團離開其源地後,在移動過程中行經不同熱力或動力性質的下墊面(如不同溫度的陸地或海洋),受外在環境影響而逐漸改變其原有物理性質(主要為溫度、濕度及垂直穩定度)的過程。 其變性機制主要包含: (1) 熱力作用:透過底層地表或海面進行的感熱與潛熱交換,改變氣團底層的溫濕條件。

小題 (五)

露點溫度(dew-point temperature)

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看到「露點溫度」,首先應直擊其大氣熱力學定義:在氣壓與水氣混合比不變的情況下,空氣冷卻至水氣達到飽和時的溫度。接著需點出其代表「絕對水氣含量」的物理意義,並說明其與氣溫的關係(露點差),以及在天氣預報實務上(如判斷鋒面、預報霧或雲底高度)的應用價值。

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「露點溫度(dew-point temperature, Td)」是指一團未飽和空氣在等壓(氣壓固定)且水氣含量不變(水氣混合比固定)的條件下,因冷卻降溫使其內部水氣達到飽和狀態(相對濕度達 100%)時所對應的溫度,常用單位為攝氏度(℃)。 其核心特徵與物理意義包含: (1) 絕對水氣指標:露點溫度是空氣中「絕對水氣含量」的直接指標。露點溫度越高,代表空氣中實際蘊含的水氣量越多,且此數值不受空氣實際溫度單純升降的影響。

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