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高考申論題 111年 [氣象] 天氣學(包括天氣分析與天氣預報)

第 一 題

📖 題組:
試回答下列關於正壓、斜壓及相當正壓大氣的問題:
📝 此題為申論題,共 3 小題

小題 (一)

試分別定義何謂正壓大氣與斜壓大氣?(5 分)

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這是一道經典的氣象動力學基礎題。看到正壓與斜壓,首先要聯想到「密度與氣壓面的幾何關係」以及「等壓面上是否有溫度梯度」。作答時,除了文字定義,務必列出精確的數學判定準則(如密度梯度與氣壓梯度的外積是否為零)以及動力特徵(熱力風關係),以展現專業度並穩拿滿分。

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【破題】正壓與斜壓大氣的根本差異在於大氣中「密度分佈與氣壓分佈」的空間幾何關係,此差異決定了系統的熱力風存在與否及能量轉換特徵。 【論述】 一、正壓大氣(Barotropic Atmosphere)

小題 (二)

試說明在正壓、斜壓及相當正壓大氣中,地轉風與熱力風之間的關係有何差異?(5 分)

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看到這題,首先回想「熱力風」的物理意義:代表地轉風隨高度的向量差,由等壓面上的水平溫度梯度決定。接著依據「等壓面上是否有溫度梯度」及「等溫線與等高線的幾何交角」,分別推導正壓(無熱力風)、斜壓(地轉風隨高度轉向)與相當正壓(地轉風隨高度僅變速不轉向)的差異。

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【破題】熱力風定義為上下兩層地轉風的向量差($\vec{V}T = \vec{V}{g2} - \vec{V}_{g1}$),其大小與等壓面上的水平溫度梯度成正比。大氣的斜壓性決定了熱力風的存在與否,進而影響地轉風隨高度的變化特徵。 【論述】 一、正壓大氣 (Barotropic Atmosphere)

小題 (三)

試繪圖簡要說明,為何斜壓大氣會產生力管環流?(10 分)

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看到「斜壓大氣」與「力管環流」,應立刻聯想到「等壓面與等密度面(等溫面)相交」的定義與比耶克尼斯環流定理 (Bjerknes Circulation Theorem)。解題時需先寫出數學判定準則,接著利用力管項的公式解釋其物理機制(有效位能轉換為動能),最後透過清晰的圖示(包含座標軸、等壓線、等比容線及環流方向)來輔助論述。

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【破題】 斜壓大氣是指大氣中等壓面與等密度面(或等比容面、等溫面)不平行的狀態。這種相交會形成「力管 (Solenoids)」,透過密度差異與壓力梯度力的不平衡產生淨力矩,進而驅動力管環流,將系統的有效位能轉換為動能。 【論述】

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