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高考申論題 111年 [氣象] 大氣動力學

第 一 題

📖 題組:
一、 (一)何謂羅士比數(Rossby number)?其典型中緯度與熱帶區域的數值為何?(7 分) (二)以羅士比變形半徑為基準,討論不同空間尺度的地轉調節。(7 分) (三)為何熱帶區域的探空,在暖池地區和東側數千公里外冷海水區很相似?(6 分)
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

何謂羅士比數(Rossby number)?其典型中緯度與熱帶區域的數值為何?(7 分)

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看到羅士比數,先列出其無因次群的物理定義式 $Ro = U / (f L)$,並點出其核心物理意義:慣性力與科氏力之比。接著,分別代入中緯度與熱帶大氣的典型特徵尺度(風速 $U$、水平尺度 $L$ 與科氏參數 $f$)進行數量級估算(Scale Analysis),藉此突顯兩地區動力近似機制(如地轉平衡適用性)的根本差異。

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【破題】 羅士比數(Rossby number, $Ro$)是大氣與海洋動力學中極為重要的無因次參數,用以衡量流體運動中「慣性力」與「科氏力」的相對大小,決定了旋轉流體是否能適用地轉平衡近似。 【論述】

小題 (二)

以羅士比變形半徑為基準,討論不同空間尺度的地轉調節。(7 分)

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看到「地轉調節(Geostrophic adjustment)」與「羅士比變形半徑」,第一步應先寫出羅士比變形半徑的物理定義(如淺水模式中的 $L_R = \sqrt{gH}/f$)與位渦守恆的概念。接著,分三種情況討論初始空間尺度($L$)與 $L_R$ 的關係($L < L_R$、$L > L_R$、$L \approx L_R$),點出「誰適應誰」(質量場適應風場,或風場適應質量場),並說明重力波在能量頻散中所扮演的角色。

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【破題】地轉調節是指大氣在受到擾動破壞平衡後,透過慣性重力波的頻散釋放多餘能量,並在位渦守恆的約束下,重新建立風場與質量場間地轉平衡的過程。其調節的最終狀態取決於初始擾動空間尺度($L$)與羅士比變形半徑($L_R$)之相對關係。 【論述】 一、 理論基礎與變形半徑定義

小題 (三)

為何熱帶區域的探空,在暖池地區和東側數千公里外冷海水區很相似?(6 分)

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看到熱帶大氣動力問題,首要聯想科氏參數(f)趨近於零的特性。透過羅士比變形半徑公式推導出熱帶變形半徑極大的結論,進而切入「重力波快速抹平水平溫度梯度」(弱溫度梯度近似,WTG)的動力機制來解釋探空的相似性。

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【破題】此現象源於熱帶大氣獨有的「弱溫度梯度近似」(Weak Temperature Gradient, WTG approximation),其核心動力機制為熱帶極大的羅士比變形半徑與重力波的快速調節。 【論述】 一、動力學基礎與變形半徑極大化

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