高考申論題 111年 [氣象] 大氣測計學(包括傳統觀測與遙測)

第一題

📖 題組：
探空觀測最常用的是使用探空氣球將探空儀往上帶，上升過程中隨時將量測到的氣象資料回傳到地面接收站。（每小題 10 分，共 30 分）

📝 此題為申論題，共 3 小題

小題 (一)

請問一般作業單位（如氣象局）施放探空氣球時，氣球上升速度約多少 m/s？

考生看到此題應直接聯想 WMO 的高空觀測規範及氣象局實務操作數據。除了精確寫出 5-6 m/s 的數值外，更應進一步以大氣測計學的角度，解釋為何設定於此速度範圍（例如：通風效應對感測器反應時間的影響、垂直解析度與鐘擺誤差的權衡）。

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【破題】一般作業單位（如中央氣象署）施放探空氣球時，其標準上升速度約控制在 5 至 6 m/s（約等於 300 至 360 m/min）。【論述】一、標準數值與 WMO 規範

若氣球依您(一)所提供的上升速度等速上升，且大氣之垂直風切為定值，地面水平風為東北風 10 m/s，當氣球上到 16 公里高時之水平風為西南風 60 m/s，請問氣球從地面上升到 16 公里耗時多久？水平位移多遠？

本題測驗探空觀測的運動學計算。首先確認探空氣球的常規上升速率（若無前題數據則代入標準值 5 m/s）求出上升時間；接著利用垂直風切為常數（即風速隨高度線性變化）的物理特性，計算平均水平風速向量，再將其與時間相乘求得總水平位移。

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【解題思路】利用等速直線運動公式求上升時間，再運用平均速度定理（線性風切下等同於算術平均風速）計算水平總位移。【詳解】已知：

依據(二)之結果，說明用探空資料來解釋那些大氣現象時應該要小心？

看到探空觀測的限制，應立即聯想其物理機制：(1) 氣球上升需時且隨風飄移產生的「時空非同步性（傾斜軌跡）」；(2) 感測器物理特性造成的「遲滯誤差 (Lag error)」與「輻射誤差」。接著將這些誤差來源對應到生命週期短、空間梯度大的大氣現象（如對流系統、逆溫層、鋒面）進行論述。

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【破題】探空觀測資料在實務上並非理想的「瞬間垂直剖面」，而是具備「時空非同步性（隨風飄移與上升時間）」與「儀器遲滯效應」的傾斜軌跡，因此在分析中小尺度或垂直梯度變化劇烈的天氣系統時需特別謹慎。【論述】