高考申論題
114年
[氣象] 大氣測計學(包括傳統觀測與遙測)
第 四 題
四、電磁波在大氣對流層內傳播時的折射率（N）與大氣壓力（P）、溫度（T）及濕度（e）有關，即折射率是壓力、溫度、濕度之函數，N=N（P、T、e）。試說明我國福衛三號及福衛七號之掩星計畫（Radio Occultation, RO）如何利用 N 的觀測值得到對流層內濕度之分布。（20 分）
📝 此題為申論題
思路引導 VIP
看到此題，首要想到『無線電掩星技術 (RO) 的物理反演過程』與『折射率公式 (Smith-Weintraub equation)』的組成。解題須扣緊三步：1. 寫出 N 的公式並區分『乾項』與『濕項』；2. 點出對流層低層面臨『一條方程式解三個未知數 (P, T, e)』的欠定問題；3. 說明實務上如何透過一維變分 (1D-Var) 結合 NWP 背景場分離出水氣，並點出福衛七號針對熱帶水氣觀測的升級優勢。
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【破題】 我國福衛三號 (FORMOSAT-3) 及福衛七號 (FORMOSAT-7) 的無線電掩星計畫 (RO) 透過接收 GNSS (如 GPS) 穿越地球大氣層的微波訊號，測量其相位延遲並計算出彎折角，進而透過阿貝爾轉換 (Abel transform) 求得大氣折射率 (N) 的垂直剖面。要從 N 推導出濕度 (e)，需結合大氣物理公式與資料同化技術來解決欠定問題 (Under-determined problem)。 【論述】
▼ 還有更多解析內容
福衛掩星濕度反演
💡 利用折射率公式結合一維變分法，將觀測值分離出對流層水氣。
🔗 無線電掩星濕度反演流程
- 1 相位延遲觀測 — 接收 GNSS 穿越大氣之訊號並計算相位變化。
- 2 幾何物理轉換 — 由彎折角透過阿貝爾轉換求得折射率 N 剖面。
- 3 1D-Var 處理 — 引入 NWP 背景場解決 P、T、e 三未知數欠定問題。
- 4 產出濕度剖面 — 最小化成本函數後，分離出高垂直解析度的水氣壓 e。
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🔄 延伸學習：延伸學習：福衛七號低軌道傾角設計，能提供更多熱帶地區水氣資訊。
