109 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《氣象學》

這題主要在探討與熱帶雨林乾旱相關的氣候現象，重點在於 El Niño 和 La Niña 現象的定義及其對降雨的影響。

El Niño 與 La Niña 是太平洋赤道地區海水溫度異常的現象。
El Niño 指的是太平洋赤道東部（秘魯沿岸）的海水溫度異常偏高，同時伴隨大氣環流的改變，使得原本應該在太平洋西部（印尼、澳洲一帶）集中的對流活動向東移動，造成西太平洋地區（包括東南亞）乾旱，而東太平洋地區（包括南美洲西岸）則降雨偏多。
La Niña 則與 El Niño 現象相反，太平洋赤道東部海水溫度異常偏低，對流活動集中在西太平洋，因此對東南亞和澳洲等地區而言，La Niña 通常伴隨著較多的降雨，而東太平洋地區則可能較為乾旱。

本題考驗氣團抬升過程中的溫度變化，以及乾絕熱遞減率與濕絕熱遞減率的應用。

首先，我們需要釐清題目給定的資訊：
初始氣溫 (Sea level): $T_0 = 28^\circ$C
雲開始形成的高度: $h_{cloud} = 1200$ m
乾絕熱遞減率: $\gamma_d = 0.01$ K m$^{-1}$
濕絕熱遞減率: $\gamma_w = 0.005$ K m$^{-1}$
山頂高度: $h_{mountain} = 2000$ m
最終下降高度: $h_{final} = 0$ m

(a) 求初始氣團的露點溫度。
題目告知雲在 1200 m 高度開始形成，這表示在 1200 m 高度時，氣團的溫度等於其露點溫度。
我們可以利用氣團在海平面 (0 m) 的溫度 $T_0 = 28^\circ$C，以及乾絕熱遞減率 $\gamma_d$ 來計算 1200 m 高度的溫度。
1200 m 高度的溫度 $T_{1200}$ 為：
$T_{1200} = T_0 - \gamma_d \times h_{cloud}$
$T_{1200} = 28^\circ\text{C} - (0.01 \text{ K m}^{-1}) \times (1200 \text{ m})$
$T_{1200} = 28^\circ\text{C} - 12^\circ\text{C}$
$T_{1200} = 16^\circ\text{C}$
由於雲在 1200 m 開始形成，表示該高度的溫度即為露點溫度。
【答案】露點溫度為 $16^\circ$C。

(b) 求氣團在 2000 m 山頂的溫度。
氣團從 1200 m 高度開始抬升至 2000 m 高度，過程中已經形成雲，因此適用濕絕熱遞減率。
抬升的高度差為 $\Delta h = 2000 \text{ m} - 1200 \text{ m} = 800 \text{ m}$。

此題探討北極海冰減少對地球氣候的潛在影響，主要涉及反照率（albedo）的變化以及其連鎖效應。

核心觀念：

1. 反照率 (Albedo)：物體反射太陽輻射的能力。冰雪表面具有高反照率，能將大部分太陽輻射反射回太空，有助於地球冷卻。
2. 海洋的吸收能力：海水（特別是深色海水）的反照率較低，會吸收更多的太陽輻射。
3. 正回饋機制 (Positive Feedback)：一種情況的發生導致另一情況的加劇，從而產生連鎖反應。

影響分析：
當北極海冰面積減少時，意味著更多深色的海水暴露在陽光下。

• 吸收更多太陽輻射：海水吸收太陽輻射的能力比冰雪強，因此暴露出來的海水會吸收更多的能量。
• 進一步暖化：吸收的能量會使海水溫度升高，導致更多海冰融化，進一步減少海冰面積，形成一個正回饋循環。
• 全球暖化加劇：這種吸收更多能量的過程會加劇全球暖化。
• 影響大氣環流：北極地區的溫度變化與全球大氣環流（例如噴射氣流，jet stream）密切相關。

本題考查熱傳遞的三種基本模式及其是否需要介質。

熱傳遞的三種基本模式是：

1. 傳導 (Conduction)：熱量通過物體內部的分子振動和碰撞，從高溫區域傳遞到低溫區域。
2. 對流 (Convection)：熱量藉由流體（液體或氣體）的移動來傳遞。熱的流體密度較小，會上升；冷的流體密度較大，會下降，形成循環。

此題探討在晴朗無風的夜晚，裸露土壤表面溫度比上方空氣溫度下降得更快且更低的原因，並排除蒸發散或凝結的影響。

核心觀念：

• 長波輻射冷卻 (Longwave Radiation Cooling)：物體會不斷地向外輻射能量（主要是紅外線）。在晴朗無風的夜晚，地表（土壤）向外太空輻射的能量（長波輻射）會超過從大氣接收到的長波輻射，導致地表溫度下降。
• 大氣的保溫效應 (Greenhouse Effect)：大氣中的某些氣體（如水蒸氣、二氧化碳）會吸收地表輻射的長波輻射，並重新輻射回地表，有助於減緩地表的冷卻。
• 熱傳導 (Conduction)：土壤的熱傳導性，以及土壤與空氣之間的熱交換。

現象分析：

1. 地表強烈的長波輻射冷卻：在晴朗無風的夜晚，天空沒有雲層阻擋，地表（土壤）會將其儲存的熱量以長波輻射的形式強烈地散失到太空中。
2. 大氣的隔熱作用有限：雖然大氣本身也會輻射，但如果空氣乾燥（水蒸氣含量低）且無雲，大氣吸收和再輻射回地表的長波輻射就相對較少，因此地表的冷卻效應更加顯著。
3. 土壤的熱力特性：
   • 熱容量 (Heat Capacity)：土壤的熱容量相對較小，或者說，其儲存熱量的能力不如水。
   • 熱導率 (Thermal Conductivity)：土壤的熱導率較低，表示其傳導熱量的效率不高。

此題探討在北方森林（boreal forest）的雪季期間，若清除樹木後，地表輻射平衡的變化。這主要與反照率（albedo）的變化以及植被的遮蔽效應有關。

核心觀念：

• 反照率 (Albedo)：不同地表對太陽輻射的反射率。
• 植被的遮蔽效應：樹冠可以遮擋地表，影響太陽輻射到達地面的比例。
• 雪的影響：雪覆蓋的地表具有非常高的反照率。
• 輻射平衡：地表接收到的太陽輻射（短波輻射）與長波輻射（來自大氣和自身的輻射）減去反射的短波輻射和向外輻射的長波輻射。

情境分析：
在雪季，北方森林地區通常被厚厚的積雪覆蓋。

1. 未清除樹木（有森林）時：

   • 短波輻射 (Solar Radiation)：樹冠會遮擋大部分的太陽輻射，只有一小部分能到達雪地表面。因此，雪地接收到的太陽短波輻射（$St$）相對較低。
   • 反照率：樹冠本身的反照率（通常低於雪）會反射一部分太陽輻射，但到達雪面的輻射量已經很少。
   • 長波輻射 (Longwave Radiation)：樹冠會阻擋一部分來自天空的長波輻射（$La$），同時也會阻擋地表（雪面）向外輻射長波輻射（$Lu$）。樹冠本身也會輻射長波能量。整體而言，樹冠的存在會對地表與大氣間的長波輻射交換產生複雜影響，但通常會減少來自天空的長波輻射到達地表，並減少地表向外輻射。

2. 清除樹木（無森林）後：

   • 短波輻射 (Solar Radiation)：沒有樹冠的遮擋，太陽輻射可以更直接地照射到積雪表面。如果積雪沒有被壓實或融化，其反照率非常高。
     • 接收到的短波輻射 ($St$) 會顯著增加，因為沒有樹木遮蔽。
     • 反射的短波輻射 ($\rho St$) 也會顯著增加，因為雪的反照率很高。
     • 淨短波輻射 ($St - \rho St$) 的變化：雖然接收到的輻射增加，但反射的比例也很高。如果雪是乾淨且新鮮的，其反照率可能接近 0.8-0.9。即使接收的輻射增加，反射的比例也可能導致淨短波輻射不一定顯著增加，甚至可能因為高反照率而略微下降或保持相對穩定，但這取決於具體條件。然而，通常認為沒有植被遮蔽，太陽輻射會更有效地到達地表。
   • 長波輻射 (Longwave Radiation)：
     • 來自天空的長波輻射 ($La$)：沒有樹冠的阻擋，來自大氣的長波輻射更容易到達積雪表面。

本題探討地球的實際表面平均溫度（約 288 K）遠高於其作為黑體輻射時應有的溫度（約 255 K）的原因。這主要歸因於大氣的溫室效應。

核心觀念：

• 黑體輻射 (Blackbody Radiation)：任何物體都會向外輻射電磁波，其輻射強度和頻譜分佈由其溫度決定。地球若只考慮其吸收太陽輻射並以黑體形式向外輻射熱量，其平衡溫度可以計算出來。
• 太陽輻射：地球從太陽接收能量。
• 地球輻射：地球向外太空輻射能量。
• 溫室效應 (Greenhouse Effect)：大氣中的某些氣體（溫室氣體，如水蒸氣 $H_2O$、二氧化碳 $CO_2$、甲烷 $CH_4$、氧化亞氮 $N_2O$ 等）能夠吸收地球表面輻射的長波紅外線，然後將這些能量重新輻射回地表或大氣層中，從而使地球表面的平均溫度升高。

現象解釋：

1. 地球作為黑體的輻射溫度（255 K）：
   這是假設地球是一個完全吸收並輻射所有能量的黑體，並且其輻射出去的能量等於從太陽接收到的能量時所達到的平衡溫度。這個溫度是地球未受大氣影響時的理論溫度。

本題要求解釋「大氣窗」(Atmospheric Window) 的概念，這是一個關於長波輻射穿透大氣層的現象。

核心觀念：

• 長波輻射 (Infrared Radiation)：地球表面和低層大氣發出的熱輻射，主要集中在紅外波段。
• 大氣的吸收與穿透：大氣中的氣體成分，特別是溫室氣體（如水蒸氣 $H_2O$、二氧化碳 $CO_2$、臭氧 $O_3$ 等），對不同波長範圍的電磁波有不同的吸收能力。
• 溫室效應：大氣吸收並再輻射長波輻射，是溫室效應的關鍵。

「大氣窗」的定義：
「大氣窗」是指大氣層中，對來自地球表面的長波輻射（紅外線）相對透明的特定波長範圍。換句話說，在這些波長範圍內，大氣吸收和散射的輻射量很少，使得地球表面的熱量能夠直接或較少地受到阻礙地輻射到外太空。

詳細解釋：

1. 大氣成分的吸收光譜：

   • 地球表面發出的長波輻射涵蓋了較寬的紅外波段。
   • 大氣中的主要溫室氣體，如水蒸氣 ($H_2O$) 和二氧化碳 ($CO_2$)，對許多長波紅外波段的輻射有很強的吸收能力。例如，水蒸氣在約 5-7 微米 ($\mu m$) 和 18-25 $\mu m$ 範圍內有強烈的吸收帶，二氧化碳在約 4.3 $\mu m$ 和 15 $\mu m$ 處有強烈的吸收帶。
   • 這些吸收帶是「不透明」的，阻止了熱量有效散失。

2. 「大氣窗」的波長範圍：

   • 然而，在某些特定的長波紅外波長範圍內，大氣的吸收相對較弱。最顯著的大氣窗範圍大約在 8-13 微米 ($\mu m$)。

本題要求比較短草地 (short grass) 與森林 (forest) 在晴朗無雲天氣下的地表輻射收支（淨輻射 $R_n$）的組成部分，並描述其差異。題目提供了兩組圖，分別顯示了短草地和森林在不同日期（代表一天中的時間變化）的短波輻射、長波輻射分量。

核心觀念：

• 輻射平衡 (Radiation Balance)：地表接收到的能量（太陽短波輻射 $St$ 和來自大氣的長波輻射 $La$）與散失的能量（反射的短波輻射 $\rho St$ 和向外輻射的長波輻射 $Lu$）之間的差值，即淨輻射 $R_n = St - \rho St + La - Lu$。
• 短波輻射 (Shortwave Radiation)：主要來自太陽，包括向下短波輻射 $St$ 和反射的短波輻射 $\rho St$。
• 長波輻射 (Longwave Radiation)：主要來自地球表面和從大氣發出的熱輻射，包括向下的長波輻射 $La$ 和向上的長波輻射 $Lu$。
• 植被類型對輻射的影響：不同地表覆蓋（如短草、森林）的結構、顏色、高度等會影響其對太陽輻射的反射率（反照率）和對長波輻射的吸收/發射能力。

圖表分析與比較：

1. 向下短波輻射 (St)：

• 短草圖：顯示了從 208.0 到 211.0 的日期，這代表連續三天。在每一天內，St 呈現一個明顯的日變化曲線，在白天達到峰值（約 1000-1200 W/m$^2$），在夜間降至零。三天的曲線形態相似，峰值略有差異。
• 森林圖：顯示了從 162.0 到 165.0 的日期，同樣代表三天。森林的 St 曲線也呈現日變化，峰值大約在 1000-1200 W/m$^2$ 左右，與短草地相似。然而，觀察細節，森林的 St 峰值可能略低於短草地，且曲線的上升和下降過程似乎更為平緩。
• 比較：兩者都顯示了典型的日變化。森林的樹冠結構可能導致到達地面的太陽輻射比完全暴露的短草地略少（因為樹冠會吸收和反射一部分），但圖中顯示的峰值差異不大，可能圖中的 St 指的是到達植被頂端的太陽輻射，或者森林底部的 St 雖然較低，但圖表可能展示的是平均值或頂端值。若圖中的 St 是指到達地面的太陽輻射，那麼森林的 St 應該顯著低於短草地，因為樹冠會遮蔽。但從圖來看，似乎沒有非常明顯的差異，這點需要謹慎解讀。假設圖中的 St 是指照射到地表（或植被頂端）的太陽輻射，那麼兩者大致相似。

2. 反射的短波輻射 (pSt)：

• 短草圖：pSt 的值遠低於 St，峰值約為 200 W/m$^2$ 左右，且呈現與 St 相似的日變化，但幅度較小。
• 森林圖：pSt 的值同樣遠低於 St，峰值約在 100-200 W/m$^2$ 之間。森林的 pSt 曲線形態也與 St 相似。
• 比較：森林的 pSt 峰值似乎略低於短草地。這意味著森林的反照率（$\rho = pSt / St$）可能低於短草地。短草地（尤其是乾燥或淺色的）反照率可能較高，而森林（葉片顏色較深，結構複雜）的反照率通常較低。從圖上看，短草地的 pSt 佔 St 的比例似乎更高一些。

3. 向下的長波輻射 (La)：

• 短草圖：La 的值相對穩定，大部分時間在 300-400 W/m$^2$ 之間，沒有明顯的日變化，夜間略有下降。
• 森林圖：La 的值同樣相對穩定，在 300-400 W/m$^2$ 之間，也未見明顯日變化。
• 比較：兩者的 La 值非常相似，說明來自大氣的長波輻射量在這兩種地表上差別不大。這也符合晴朗天氣下，大氣長波輻射主要由大氣溫度和水氣含量決定，與地表類型關係較小。

4. 向上的長波輻射 (Lu)：

• 短草圖：Lu 的值也相對穩定，大約在 400-500 W/m$^2$ 之間。
• 森林圖：Lu 的值與短草地相似，大約在 400-500 W/m$^2$ 之間，可能略低於短草地。
• 比較：兩者的 Lu 值非常接近。