高考申論題
109年
[氣象] 大氣物理學(包括大氣輻射與雲物理)
第 一 題
📖 題組：
在NASA CLOUDSAT衛星上的雲剖面雷達（Cloud Profiling Radar, CPR）所使用的頻率為94 GHz。試依據上述雷達回波的特徵，回答下列問題（光速為3 10^8 m）：
在NASA CLOUDSAT衛星上的雲剖面雷達（Cloud Profiling Radar, CPR）所使用的頻率為94 GHz。試依據上述雷達回波的特徵，回答下列問題（光速為3 10^8 m）：
📝 此題為申論題，共 4 小題
小題 (一)
當雷達所觀測的雲層中雲滴直徑大小約為10微米（μm）時，雲滴對雷達波所產生的散射是比較偏向那一類的典型輻射散射作用？（3分）
思路引導 VIP
本題測驗散射原理的基本概念。考生應先利用光速與頻率的關係式（c = fλ）計算出雷達的波長，接著計算「尺寸參數（Size parameter）」，藉由比較雲滴直徑與波長的相對大小，即可判別屬於哪一種典型散射（如瑞利散射、米氏散射或幾何光學）。
小題 (二)
如果雷達所觀測的是直徑大小為4毫米（mm）的雨滴，雨滴對雷達波所產生的散射則是屬於那一類典型輻射散射作用？（3分）
思路引導 VIP
遇到判斷散射類型的題目，首要步驟是計算雷達的波長，並將其與觀測目標（雨滴）的粒徑進行比較。透過計算無因次量「尺寸參數（Size Parameter, x = πD/λ）」，即可嚴謹區分物理機制是屬於瑞利散射、米氏散射或是幾何光學範疇。
小題 (三)
上述兩種典型輻射散射所產生的散射輻射各自有什麼重要特徵？（8分）
思路引導 VIP
看到94 GHz，第一步須計算其對應波長（約3.19 mm），並聯想大氣中雲滴與雨滴的尺寸差異。第二步，依據粒徑參數判定題目所謂的「兩種典型散射」為針對微小雲滴的「雷利散射」與針對較大降雨/冰晶粒子的「米氏散射」。第三步，從波長/粒徑相依性（如 D^6 關係）及角分布（相函數對稱性）切入，嚴謹對比兩者的物理微觀特徵。
小題 (四)
雲滴或是雨滴的散射可以將比較多的雷達波反射回到衛星？試從散射效率（scattering efficiency）的特性，具體解釋其原因。（6分）
思路引導 VIP
本題的核心在於比較『粒子尺寸』與『雷達波長』的關係（大小參數 Size parameter）。需先計算 94 GHz 頻率對應的波長，接著比較典型雲滴與雨滴的尺寸，從而推導出雲滴適用『雷利散射』、雨滴適用『米氏散射』，並藉由這兩個區域的散射效率（Scattering efficiency）特性差異來解釋雷達回波的強弱。