114 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》

本題主要在檢測考生對於生態系統碳循環中幾個基本名詞的理解程度。

1. 總初級生產量 (Gross Primary Production, GPP)：
   生態系統中，生產者（主要是植物）透過光合作用，將無機物（二氧化碳和水）轉化為有機物的總速率。這是生態系統中能量進入的起始點，也是碳固定的總量。
   【答案】生態系統中生產者透過光合作用固定碳的總量。

2. 淨初級生產量 (Net Primary Production, NPP)：
   總初級生產量減去生產者自身呼吸消耗的量 (Autotrophic Respiration, Ra)。NPP 代表了生產者在自身生理活動後，實際用於生長、繁殖和儲存的有機物（或碳）的速率。它是消費者和分解者可利用的總有機物量。
   $\text{NPP} = \text{GPP} - R_a$
   【答案】總初級生產量減去生產者呼吸消耗的碳量，代表用於植物生長和儲存的碳量。

3. 淨生態系統生產量 (Net Ecosystem Production, NEP)：

本題考驗考生對熱帶森林砍伐後地表能量平衡及水文循環改變的理解。森林砍伐會顯著影響地表與大氣之間的能量交換和水分蒸散。

核心觀念： 地表能量平衡、蒸散作用、反照率。

解題思路：
森林砍伐會移除大量的樹冠層，改變地表的物理特性，進而影響能量通量和水文過程。

1. 顯熱通量 (Sensible Heat Flux)：
   顯熱通量是指地表與大氣之間，由於溫度差異而引起的顯熱交換。未砍伐的熱帶森林通常具有較高的蒸散作用，這會消耗大量的能量（潛熱），從而降低地表溫度，減少顯熱通量的輸出。
   砍伐後，樹冠層消失，植被蒸散量大幅減少。裸露的土壤或低矮的農作物（如果有的話）其蒸散能力遠低於森林。同時，太陽輻射能更多地直接照射在地表，導致地表溫度升高。更高的地表溫度會增加地表與空氣之間的溫度梯度，因此，顯熱通量會顯著增加。這意味著更多的熱量被直接傳遞到大氣中，導致地表溫度升高，空氣也變得更熱。

2. 潛熱通量 (Latent Heat Flux)：
   潛熱通量是指與水汽相變（蒸發、蒸騰）相關的能量交換。熱帶森林擁有茂密的樹冠，其蒸騰作用非常旺盛，將大量水分從土壤輸送至大氣，這個過程需要消耗大量的能量，即潛熱。

本題考查氣候變遷下，北極地區植被變化（灌木化）對區域輻射平衡及全球氣候的影響。關鍵在於理解植被變化如何影響反照率，以及反照率變化如何影響能量收支和氣候系統。

核心觀念： 反照率、輻射平衡、冰-反照率回饋、氣候變遷。

解題思路：

1. 區域輻射平衡變化 (Focus on Snow and Albedo)：

   • 現狀 (苔原)：北極苔原地區冬季被厚厚的積雪覆蓋。積雪具有非常高的反照率（約 0.7-0.9），能反射大部分入射的太陽輻射，因此在冬季，即使有陽光，地表吸收的能量也很少，有助於維持低溫。夏季，積雪融化，露出顏色較深的苔原土壤和低矮植被，反照率較低（約 0.1-0.2），地表吸收的太陽輻射增加，促進升溫。
   • 灌木化後的變化：隨著氣候變暖，積雪融化期提前，融雪期延長，且灌木（如矮樺樹、柳樹等）的生長範圍向北擴展並變得更高。
     • 反照率降低：灌木會「遮蓋」地表，尤其是在冬季積雪尚未完全覆蓋或早春積雪開始融化時。灌木的顏色通常比積雪深，且其枝葉結構也比平坦的雪面更能吸收輻射。因此，灌木的出現會顯著降低區域的平均反照率。這意味著，在相同的太陽輻射條件下，灌木化的區域吸收的太陽能量將更多。
     • 積雪持續時間縮短：灌木的擴展也會加速積雪的融化。灌木的深色表面吸收更多太陽輻射，加熱周圍空氣，加速積雪融化。同時，灌木的枝條在積雪之上，也會影響雪的堆積和融化過程。積雪覆蓋時間的縮短，意味著一年中暴露於低反照率地表的時間增加。
   • 輻射平衡的改變：由於反照率的降低（灌木取代了高反照率的積雪），地表吸收的太陽輻射總量在全年（尤其是春季和秋季）增加。這會導致區域的輻射能量收支向有利於地表加熱的方向傾斜，即區域輻射平衡向正輻射（吸收的輻射大於釋放的輻射）移動。

2. 對區域和全球氣候環境的影響：

   • 區域影響 (北極地區)：

本題考查地形對太陽輻射接收的影響，以及這種影響如何導致不同坡向植被類型的差異，特別是在高緯度地區。

核心觀念： 太陽輻射接收、坡向、坡度、永久凍土、植被類型。

解題思路：

1. 太陽輻射接收的差異：

   • 太陽高度角：在北半球，太陽終年位於天空的南方。
   • 朝南斜坡：朝南的斜坡正對太陽，在一年中的大部分時間，尤其是在日照較強的春、夏、秋季，能接收到較多的直射太陽輻射。即使在冬季，雖然太陽高度角低，朝南斜坡依然能接收到比朝北斜坡更多的輻射。
   • 朝北斜坡：朝北的斜坡背對太陽，主要接收散射輻射，直射輻射極少，尤其是在冬季。因此，朝北斜坡接收到的總太陽輻射量遠低於朝南斜坡。

2. 地形對土壤條件的影響：

   • 朝南斜坡：由於接收到更多的太陽輻射，朝南斜坡的土壤溫度較高，積雪融化較快，且土壤解凍程度較深。這使得土壤條件更有利於植物生長，特別是對於需要較暖土壤和較長無霜期才能生長的樹種。
   • 朝北斜坡：由於接收到的太陽輻射少，土壤溫度較低，積雪融化慢，且土壤可能長期處於凍結狀態（形成永久凍土）。永久凍土的存在限制了土壤的排水性和根系生長深度，同時也意味著土壤溫度極低，不利於大多數植物生長。