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高考申論題 110年 [氣象] 大氣物理學(包括大氣輻射與雲物理)

第 一 題

📝 此題為申論題,共 2 小題

小題 (一)

試述雲內冰晶主要、次要成長習性(growth habit)的環境控制因子。(10 分)

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看到冰晶成長習性,應直覺聯想 Nakaya 實驗與 Magono-Lee 圖表。破題先區分:『主要習性』(基本形狀如板狀或柱狀)由溫度決定;『次要習性』(晶體結構的複雜度如樹枝狀、空心柱)由過飽和度控制。作答時需深入解釋這兩個宏觀因子如何影響微觀的晶面(基面與稜面)沉積速率與擴散過程。

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【破題】 冰晶在雲內的凝華成長習性(Growth habit)取決於水分子在冰晶晶格的基面(basal face)與稜面(prism face)上沉積速率的競爭。此微物理過程主要受兩個環境宏觀熱力因子控制:溫度(決定主要習性)與相對於冰的過飽和度(決定次要習性)。 【論述】

小題 (二)

冰晶形狀偏離球型,對冰晶凝華成長與冰晶重力沉降有何影響?(10 分)

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看到此題,應立即聯想「非球形」對微觀幾何特性的改變:較大的「比表面積」與「迎風截面積」。論述時需從物理機制切入:凝華成長需引入水氣擴散的「靜電電容(Capacitance)類比」;重力沉降則需從流體力學的「終端速度(Terminal velocity)」與「曳力係數(Drag coefficient)」進行推演。

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【破題】 冰晶在自然界中受溫度與過飽和度影響,多呈六角板狀、柱狀或樹枝狀等非球形結構。此幾何形狀的偏離會深刻改變冰晶表面的水氣擴散場與其在空氣中運動的流體動力特性,進而影響冷雲降水機制的發展。 【論述】

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