113 年 國立臺灣大學森林環境暨資源學系碩士班丙組《森林氣象學》

本題主要在探討城市樹木在夏季對氣候的調節作用，也就是「都市熱島效應」的緩解。

城市樹木的氣候緩解效果主要體現在以下幾個方面：

1. 降低溫度 (Temperature Reduction)：

   • 遮蔭 (Shading)：樹冠能有效遮擋太陽輻射，減少地表和建築物吸收的太陽能，從而降低環境溫度。
   • 蒸散作用 (Evapotranspiration)：樹木透過葉片蒸散水分，這個過程需要吸收熱量（潛熱），將熱量從周圍環境帶走，達到降溫效果。這也是樹木最主要的降溫機制之一。

2. 調節濕度 (Humidity Regulation)：

   • 蒸散作用會增加空氣中的水蒸氣含量，短期內可能略微提高濕度，但配合良好的通風，整體效果是使空氣感覺更舒適。在乾旱的城市環境中，樹木的蒸散作用能提供額外的水分。

本題主要在探討地表能量平衡的四個主要組成部分。地表能量平衡是描述地表與大氣之間能量交換的過程，可用以下公式表示：
$R_n = G + H + \lambda E$
其中：

• $R_n$：淨輻射 (Net Radiation)
• $G$：土壤熱通量 (Soil Heat Flux)
• $H$：顯熱通量 (Sensible Heat Flux)
• $\lambda E$：潛熱通量 (Latent Heat Flux)

以下分別解釋這四個組成部分：

1. 淨輻射 ($R_n$) (Net Radiation) (5分)
   淨輻射是地表接收到的所有短波輻射（太陽輻射）與長波輻射（來自大氣和地表的輻射）之間差異的總和。它是地表能量收支的「驅動者」，代表地表可用的能量來源。
   $R_n = (S \downarrow - S \uparrow) + (L \downarrow - L \uparrow)$
   其中：

   • $S \downarrow$：向下太陽輻射 (Incoming solar radiation)
   • $S \uparrow$：向上太陽輻射 (Outgoing solar radiation)，即反射的太陽輻射。$S \uparrow = \alpha S \downarrow$，$\alpha$ 為反照率 (albedo)。
   • $L \downarrow$：向下長波輻射 (Incoming longwave radiation)，來自大氣的長波輻射。
   • $L \uparrow$：向上長波輻射 (Outgoing longwave radiation)，地表發出的長波輻射。
     淨輻射可以是正值（地表獲得能量）或負值（地表失去能量）。

2. 土壤熱通量 ($G$) (Soil Heat Flux) (5分)
   土壤熱通量是指單位時間內，單位面積上，能量從地表傳遞到土壤（或從土壤傳到地表）的熱量。

   • 如果地表溫度高於土壤溫度，能量會向下傳遞，此時 $G$ 為正值。
   • 如果土壤溫度高於地表溫度，能量會從土壤向上傳遞到地表，此時 $G$ 為負值。

本題要求辨識並描述照片中的氣象過程或特徵。照片顯示的是一片被積雪覆蓋的山坡，有稀疏的樹木，遠處有雲層。

觀察照片，可以辨識出以下氣象相關特徵：

1. 積雪 (Snow Cover)：

   • 照片中的地面，包括坡面和部分樹木的枝幹，都被厚厚的白色積雪覆蓋。這表明當時正處於寒冷的季節（冬季），且有顯著的降雪事件發生。
   • 積雪的厚度和分佈情況，可以反映當地的氣溫、降水量以及風的影響。例如，坡面的迎風坡可能積雪較厚。

2. 天氣狀況 (Weather Conditions)：

   • 低溫 (Low Temperature)：積雪的存在直接表明氣溫低於冰點（0°C）。
   • 雲層 (Clouds)：遠處的山頂或天空中有明顯的雲層。這可能代表了當前或近期有降水（雪）的供應，也可能預示著天氣系統的移動。照片中的光線似乎較為柔和，但仍有陰影，可能是在陰天或多雲的天氣下拍攝。
   • 風 (Wind)：雖然無法直接看到風，但積雪的形態（例如可能被風吹動形成的雪脊或雪堆）以及樹木的傾斜（如果有的話）可以間接指示風的存在和方向。照片中的樹木似乎比較稀疏，可能更容易受到風的影響。

本題要求比較短草 (Short grass) 和森林 (Forest) 在無雲天氣下的輻射平衡組成部分（淨輻射 $R_n$、向下短波 $S \downarrow$、向上短波 $pS \downarrow$、向下長波 $L \downarrow$、向上長波 $L_u$）的特徵差異，並注意 $S \downarrow$ 和 $L \downarrow$ 幾乎相同。

首先，我們需要理解圖表所呈現的資訊。圖表包含兩個子圖，分別展示了短草和森林上方三天（約為第 208.0 至 211.0 天和 162.0 至 165.0 天，這兩個時間段可能代表了不同的季節或年份，但我們主要比較兩者在圖中呈現的行為模式）的輻射通量隨時間的變化。圖中包含：

• $S \downarrow$: 向下太陽輻射 (通常呈現一天中的明顯週期性變化，白天高，夜晚為零)。
• $pS \downarrow$: 向上短波輻射 (即反射的太陽輻射，大小與 $S \downarrow$ 和反照率 $p$ 有關)。
• $L \downarrow$: 向下長波輻射 (通常相對穩定，但會隨雲層和水氣變化)。
• $L_u$: 向上長波輻射 (由地表發出，與地表溫度有關)。
• $R_n$: 淨輻射 (是以上四種輻射的淨效應)。

根據題目提示，「兩種植被上方的 $S \downarrow$ 和 $L \downarrow$ 幾乎相同」。這意味著我們主要比較的是 $pS \downarrow$、$L_u$ 和 $R_n$ 的差異。

比較與描述：

1. 向下太陽輻射 ($S \downarrow$) 與向下長波輻射 ($L \downarrow$)：

   • 兩者在圖中都呈現出明顯的日週期變化（白天高，夜晚為零）。
   • 題目已說明，這兩項對於短草和森林上方是「幾乎相同」的。這表示外部接收到的輻射能量沒有顯著差異，差異主要來自於地表與大氣的相互作用。

2. 向上短波輻射 ($pS \downarrow$)：

   • 短草 (Short grass)：從圖中可見，短草的 $pS \downarrow$ 曲線在白天 $S \downarrow$ 較高時，其反射量也相對較高。短草的地面（如草地、土壤）通常具有較高的反照率（albedo），因此反射的太陽輻射比例較大。
   • 森林 (Forest)：森林的 $pS \downarrow$ 曲線在白天 $S \downarrow$ 較高時，其反射量相對較低。

本題探討砍伐北方林（boreal forest）後，在雪季時其輻射平衡可能發生的變化。北方林通常位於高緯度地區，冬季漫長且嚴寒，有較長的積雪期。

在砍伐樹木之前，北方林（有樹冠覆蓋）的輻射平衡特徵如下：

1. 淨輻射 ($R_n$)：樹冠能捕捉一部分向下短波輻射 ($S \downarrow$)，但同時也會阻擋部分輻射到達地面。樹冠本身也會發射長波輻射 ($L_u$)。由於樹冠的複雜結構和其上可能積雪，其反照率（$p$）和長波輻射特性會影響 $R_n$。
2. 反照率 ($p$)：未砍伐的北方林（尤其是針葉林）通常具有較低的反照率，因為深綠色的葉片會吸收大部分太陽輻射。然而，如果樹冠上覆蓋著厚雪，則整體的反照率會顯著升高。
3. 長波輻射 ($L_u$)：樹冠的溫度決定了其向外的長波輻射。
4. 蒸散作用 ($\lambda E$)：在冬季，北方林的蒸散作用非常微弱，潛熱通量幾乎為零。

砍伐樹木後，輻射平衡的變化：

1. 反照率 (Albedo) 顯著增加：
   • 砍伐後，地表直接暴露。如果地表有積雪，雪的平均反照率非常高（可達 0.8-0.9）。即使沒有積雪，裸露的土壤或植被（如苔蘚、矮灌木）的反照率通常也高於森林冠層。
   • 影響：高反照率意味著更多的太陽輻射被反射回太空，到達地表的太陽能減少。