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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:
四、試分別繪俯視圖顯示下列各項與(北半球冬季)斜壓波有關之現象: (一)低層典型發展中溫帶氣旋(extratropical cyclone)之結構特徵,及其與高層波動之間的關係為何?(10分) (二)承上小題,試說明此種高低層關係的原因何在?(5分) (三)承小題(一),此類溫帶氣旋伴有數股的主要氣流,包括暖運輸帶、冷運輸帶、及冷乾運輸帶,試分別繪圖說明,此三種運輸帶的位置、方向、隨高度變化、以及伴隨雲系等典型特徵為何?(15分) (四)伴隨高層西風波動的氣流,例如西風槽前之西南氣流與槽後之西北氣流,其軌跡線振幅往往較氣流線為大,試繪圖說明原因何在?(5分)
📝 此題為申論題,共 4 小題

小題 (一)

低層典型發展中溫帶氣旋(extratropical cyclone)之結構特徵,及其與高層波動之間的關係為何?(10分)

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拿到此題,首先應聯想到「斜壓不穩定」理論,核心觀念為高低層系統的「相位差」。答題時需在文字上建構一張高低層疊加的俯視圖:低層有冷暖鋒及低壓中心,高層有等高線波槽,並清楚指出高層槽落後於低層低壓(垂直軸向西傾斜),這是溫帶氣旋得以獲取斜壓能量發展的絕對必要條件。

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【破題】 典型發展中溫帶氣旋屬於斜壓不穩定(Baroclinic instability)系統,其核心特徵為高低層系統存在明顯的相位差,系統軸線隨高度向西傾斜,此為維持氣旋發展的關鍵動力結構。 【論述】

小題 (二)

承上小題,試說明此種高低層關係的原因何在?(5分)

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解題關鍵在於連結大氣熱力學與動力學。首先思考「溫度平流」如何透過測高公式改變大氣厚度,解釋系統隨高度向西傾斜的成因;接著利用「高空渦度平流與輻散輻合的關係」,解釋這種傾斜結構如何提供低層氣旋發展所需的動力正回饋機制。

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【破題】發展中溫帶氣旋呈現高層槽線落後於低層氣旋中心(即系統隨高度向西傾斜)的關係,主要源自「溫度平流引起的厚度場變化」與「維持斜壓發展的動力耦合機制」。 【論述】 一、溫度平流與厚度變化(熱力機制):

小題 (三)

承小題(一),此類溫帶氣旋伴有數股的主要氣流,包括暖運輸帶、冷運輸帶、及冷乾運輸帶,試分別繪圖說明,此三種運輸帶的位置、方向、隨高度變化、以及伴隨雲系等典型特徵為何?(15分)

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看到溫帶氣旋的主要氣流,應立即聯想到「傳送帶模型(Conveyor Belt Model)」。答題時需具體將暖傳送帶(WCB)、冷傳送帶(CCB)與乾侵入(Dry Intrusion)在俯視圖中的相對冷暖鋒位置標出,並依題意逐一列出各氣流的方向、垂直運動(上升/下沉)及對應的雲系特徵(如逗點雲系各部位)。

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【破題】 溫帶氣旋的立體三維結構可藉由「傳送帶模型(Conveyor Belt Model)」來解釋。此模型包含三股主要氣流:暖運輸帶(WCB)、冷運輸帶(CCB)及冷乾運輸帶(Dry stream/Dry intrusion),共同形塑了氣旋的熱力分布與典型逗點雲系。 【論述】

小題 (四)

伴隨高層西風波動的氣流,例如西風槽前之西南氣流與槽後之西北氣流,其軌跡線振幅往往較氣流線為大,試繪圖說明原因何在?(5分)

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本題測驗「氣流線(Streamline/Eulerian)」與「軌跡線(Trajectory/Lagrangian)」在移動系統中的動力學差異。解題關鍵在於引入「系統相速(c)」與「背景風速(u)」的相對關係。當西風槽向東移動且高層風速大於槽線移速(u > c)時,氣塊在槽前/槽後氣流中停留的時間會被拉長,導致其南北向累積位移增加。答題時需文字具體描述作圖要領,並輔以簡單的運動學公式推導證明,展現專業深度。

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【破題】 本題核心在於區分尤拉觀點(Eulerian)的「氣流線(Streamline,瞬時風場)」與拉格朗日觀點(Lagrangian)的「軌跡線(Trajectory,氣塊實際運動路徑)」。在向東移動的西風波動中,由於系統相速的存在,拉長了氣塊在特定風向中的受力時間,導致氣塊實際運動的南北向振幅大於瞬時氣流線的振幅。 【論述】

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