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普考申論題 111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:
二、大氣的穩定度(stability)在天氣系統與對流的發展均扮演重要角色,試說明: (一)何謂大氣的穩定度?(5 分) (二)穩定度有那些分類?(5 分) (三)試列舉有那些常見過程,可以改變大氣的穩定度?並說明這些過程為何造成穩定度變化?(10 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

何謂大氣的穩定度?(5 分)

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回答大氣穩定度的定義時,必須扣緊「氣塊受垂直擾動後的運動趨勢」。關鍵在於描述氣塊絕熱位移時,其自身溫度(密度)與周圍環境溫度(密度)的差異所產生的「浮力方向」,藉此判斷氣塊是傾向回到原位、繼續加速離開,還是停留在新位置。

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「大氣穩定度」係指大氣中某一氣塊在受到微小的垂直擾動(被迫上升或下降)後,其後續運動發展的趨勢狀態。 其物理機制的判定,主要取決於氣塊作絕熱運動時本身的溫度(密度)變化,與周遭環境大氣溫度(密度)垂直分布的差異所產生的浮力作用:

  1. 若氣塊受擾動位移後,產生的浮力方向與擾動方向相反(如上升後比環境冷而變重),迫使氣塊回復到原高度,則稱該大氣狀態為「穩定」。

小題 (二)

穩定度有那些分類?(5 分)

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作答此題應立刻聯想到穩定度的判斷基準,即「環境氣溫遞減率 (γ)」與「乾絕熱遞減率 (γd)」、「濕絕熱遞減率 (γs)」的相對大小。將這三者的數學不等式關係列出,即可清晰且精確地劃分出絕對穩定、絕對不穩定及條件性不穩定三大類。

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【破題】大氣穩定度主要依據「環境氣溫遞減率($\gamma$)」與「乾絕熱遞減率($\gamma_d$)」、「濕絕熱遞減率($\gamma_s$)」的相對大小關係進行分類。 【論述】 大氣穩定度主要分為以下三類(另含中性穩定):

小題 (三)

試列舉有那些常見過程,可以改變大氣的穩定度?並說明這些過程為何造成穩定度變化?(10 分)

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考生應先抓出改變穩定度的核心關鍵:『環境溫度遞減率(γ)的改變』。接著從大氣物理與動力過程出發,依序聯想非絕熱過程(日夜輻射、地表加熱)、熱力平流(不同高度的冷暖平流差異),以及動力過程(大尺度的上升或下沉運動)來建立嚴謹的作答架構。

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【破題】大氣穩定度主要由「環境溫度遞減率」($\gamma = -\partial T / \partial z$)決定。當底層增溫或頂層冷卻使 $\gamma$ 增大時,大氣趨向不穩定;反之,若底層冷卻或頂層增溫使 $\gamma$ 減小時,大氣趨向穩定。常見改變穩定度的過程可歸納如下: 【論述】 一、非絕熱加熱與冷卻過程(輻射與地表熱通量)

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