115 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》

此題考查空氣密度與水氣含量的關係，以及影響密度的因素。

乾空氣與濕空氣密度的比較，主要取決於水氣($\text{H}_2\text{O}$)與空氣中主要氣體(氮氣 $\text{N}_2$、氧氣 $\text{O}_2$)的分子量。空氣的密度可以近似地用理想氣體定律來描述，即 $\rho = \frac{PM}{RT}$，其中 $\rho$ 是密度，$P$ 是壓力，$M$ 是平均分子量，$R$ 是理想氣體常數，$T$ 是絕對溫度。在相同的溫度和壓力下，密度與平均分子量成正比。

空氣中主要成分的平均分子量約為 29 g/mol (氮氣約 28 g/mol，氧氣約 32 g/mol)。

此題主要考查氣候暖化對高山生態系，特別是雲霧林的影響。

氣候暖化對台灣山區雲霧林的影響，可以從以下幾個面向來解釋：

1. 溫度升高與霧線（雲底）的抬升：

   • 氣候暖化導致全球平均溫度上升，台灣山區也不例外。
   • 雲霧林之所以能形成，是因為其處於經常被雲霧籠罩的區域。這些雲霧通常發生在特定的海拔高度，形成所謂的「霧線」或「雲底」。
   • 隨著溫度升高，空氣中的水氣凝結高度會隨之抬升。也就是說，霧線或雲底會向上移動。
   • 對於海拔約 1000 至 2500 公尺的雲霧林而言，若霧線顯著抬升，這些原先處於濕潤霧氣中的區域，未來可能會面臨霧氣減少甚至消失的情況。

2. 水分供應的改變：

   • 雲霧林生態系高度依賴從雲霧凝結而來的水分（霧滴、露水），這部分水分補充對植物的生長至關重要，尤其是在乾季。
   • 如果霧線抬升，雲霧林的霧水供應將會減少，導致土壤水分壓力增加，植物可能面臨乾旱胁迫。
   • 雖然全球暖化可能伴隨降雨型態的改變（例如總雨量增加或減少，或降雨強度改變），但霧水供應的減少是雲霧林特有的衝擊。

此題考查皆伐（清除森林）對森林地面輻射平衡的影響，並探討白天與夜晚的差異。關鍵在於理解森林冠層對地面輻射收支的遮蔽與調節作用。

輻射平衡是指單位時間內，一個表面接收到的輻射淨量。對於森林地面而言，主要的輻射收支包括：太陽短波輻射的吸收、地面長波輻射的放出、大氣長波輻射的吸收，以及地面的反射。

核心觀念： 森林冠層對進入地面的太陽輻射有極大的遮蔽作用，同時也阻擋了地表向外散發的長波輻射。皆伐後，這種遮蔽和阻擋作用消失。

假設： 森林冠層和森林地面的溫度相同。這個假設簡化了問題，意味著在皆伐前後，地表長波輻射的散發能力（與溫度相關）在同一個溫度下是相同的。重點在於「到達」地面的輻射量變化。

1. 皆伐前 (有森林冠層)：

• 白天：

  • 太陽短波輻射： 森林冠層會截留大部分的太陽短波輻射。只有少量穿透冠層到達地面。因此，地面接收到的太陽短波輻射量很低。
  • 長波輻射：
    • 地面長波輻射放出： 雖然地面溫度與冠層相同，但地面主要是在吸收透過冠層的少量短波輻射和上方大氣的長波輻射來維持其溫度。
    • 大氣長波輻射吸收： 森林冠層本身也會放出長波輻射，但同時也會吸收來自大氣的長波輻射。更重要的是，冠層本身會阻擋一部分來自上方的長波輻射直接到達地面，但冠層也會吸收並再輻射長波輻射。
    • 冠層長波輻射放出： 森林冠層的葉片和枝條會向外放出長波輻射，其中一部分會朝向地面。這部分來自冠層的長波輻射，以及來自大氣的長波輻射，會被地面吸收。
  • 整體輻射平衡： 白天，森林地面接收到的太陽短波輻射極少。地面吸收的長波輻射（來自大氣和冠層）與地面放出的長波輻射（由於溫度較低，且被冠層部分阻擋，淨放出量相對受控）之間，形成一個相對穩定且較低的淨輻射量。森林冠層扮演了「隔熱層」的角色，減緩了白天太陽輻射對地面的直接衝擊，也限制了地面溫度的劇烈波動。

• 夜晚：

  • 太陽短波輻射： 為零。
  • 長波輻射：
    • 地面長波輻射放出： 地面會向外放出長波輻射。
    • 大氣長波輻射吸收： 地面會吸收來自大氣的長波輻射。
    • 冠層長波輻射放出： 森林冠層會放出長波輻射，這部分輻射可以部分補充地面散失的長波輻射，起到保溫作用。

此題考查能量平衡方程和 Bowen 比的應用，計算潛熱通量。

核心觀念： 森林地表的能量平衡方程為：
$R_n = G + \lambda E + H$
其中：

• $R_n$ 為淨輻射量 (Net Radiation)
• $G$ 為土壤熱通量 (Soil Heat Flux)
• $\lambda E$ 為潛熱通量 (Latent Heat Flux)，與蒸散發有關
• $H$ 為感熱通量 (Sensible Heat Flux)

Bowen 比 ($\beta$) 的定義：
$\beta = \frac{H}{\lambda E}$
它表示感熱通量與潛熱通量之間的比例。

解題步驟：

1. 將能量平衡方程改寫，以求解 $\lambda E$ 和 $H$。
2. 利用 Bowen 比的定義，將 $\lambda E$ 和 $H$ 表示成與 $R_n - G$ 和 $\beta$ 相關的函數。
3. 代入給定的 $R_n$、$G$ 和各情境下的 $\beta$ 值，計算 $\lambda E$。

推導：
從能量平衡方程 $R_n = G + \lambda E + H$，我們可以得到：
$R_n - G = \lambda E + H$

由於 $\beta = \frac{H}{\lambda E}$，則 $H = \beta \lambda E$。
將 $H$ 代入上式：
$R_n - G = \lambda E + \beta \lambda E$
$R_n - G = \lambda E (1 + \beta)$

因此，潛熱通量 $\lambda E$ 可以計算為：
$\lambda E = \frac{R_n - G}{1 + \beta}$

已知條件：
$R_n = 500 \, \text{W m}^{-2}$
$G = 50 \, \text{W m}^{-2}$
$R_n - G = 500 - 50 = 450 \, \text{W m}^{-2}$

計算不同情境下的 $\lambda E$：

此題考查森林生態學中關於蒸發散的重要概念——「截留蒸發」，以及它對水分循環和生態系統功能的影響。

1. 森林濕冠層蒸發 (截留蒸發) 的定義：

森林濕冠層蒸發，又稱為截留蒸發 (Interception Evaporation)，是指當降雨或霧氣發生時，一部分水分被森林冠層（樹冠、樹葉、樹枝）所截留，這些被截留的水分在尚未到達地面或土壤之前，直接從冠層表面蒸發回到大氣中。

• 截留 (Interception): 降雨時，一部分雨水會被樹冠上的葉片、枝條、樹皮以及附生的苔蘚、地衣等吸收或停留在其表面，這就是截留。
• 蒸發 (Evaporation): 這些被截留的水分，在陽光照射和空氣流動下，會直接蒸發散失。

截留量的大小取決於多種因素，包括：

• 樹種與樹型： 針葉樹的枝葉結構通常比闊葉樹截留更多。樹冠的形態、葉面積指數 (LAI) 越高，截留量也越大。
• 降雨強度與持續時間： 短時強降雨可能來不及被冠層完全截留，而長時緩慢降雨則有更多機會被截留。
• 風速： 風速影響蒸發速率。
• 冠層濕潤程度： 冠層表面越濕潤，蒸發越快。
• 環境條件： 溫度、濕度、日照等。

2. 對森林水分平衡的影響：

截留蒸發是森林水分循環中的一個重要環節，它會顯著影響到達地面的水量，進而影響森林的水分平衡：

• 減少到達地面的水量： 截留蒸發意味著一部分原本可能滲入土壤或形成地表徑流的水分，直接返回大氣。這會減少土壤的補給量，尤其是在降雨量不高或頻率不高的情況下。
• 影響蒸散發總量： 森林的總蒸散發 (Evapotranspiration, ET) 包括來自冠層的截留蒸發和來自土壤及植物本身的蒸騰作用 (Transpiration, T)。截留蒸發是總蒸散發的一部分，但它不經過土壤，也不經過植物體內的蒸騰作用。