109 年 國立臺灣大學地理環資系碩士班甲組《自然地理學》

本題主要考查地景生態學（landscape ecology）中 patch, corridor, matrix 這三個核心概念的理解與應用。關渡地區的地理特徵是其應用情境。

核心觀念：

• Patch (斑塊)： 相較於周圍環境，具有較為均質且獨特特徵的地理單元。在生態學上，通常指植被、土地利用類型等較為集中的區域。
• Corridor (廊道)： 連接兩個或以上斑塊的狹長地帶，可供生物遷徙、擴散或能量、訊息的交流。
• Matrix (基質)： 地景中佔據主導地位、最為廣泛的環境單元，斑塊和廊道鑲嵌其中。其特徵決定了地景的整體性質。

解題步驟：

1. 辨識圖示資訊： 仔細觀察地圖，辨識出主要的地理特徵，如淡水河、基隆河、關渡自然公園、關渡自然保留區、都市區域（台北市區）、道路、綠地等。
2. 套用地景生態學概念：
   • Patch：
     • 關渡自然公園與關渡自然保留區： 這兩塊區域具有較為集中的濕地、草澤、林地等自然或半自然植被，與周圍高度開發的都市區域形成鮮明對比，因此可視為重要的自然或半自然斑塊 (patch)。它們是生物棲息、活動的場所。
     • 都市區域（如台北市區）： 雖然是人為開發的區域，但在地景生態學的觀點下，高度集中的建築物、道路、公園綠地等也可以被視為一種「人為斑塊」，其內部具有一定的同質性（如高密度開發）。
   • Corridor：
     • 河川（淡水河、基隆河）： 這兩條河流及其沿岸的河岸帶，是連接不同區域（如關渡地區與更廣闊的淡水河口、基隆河下游）的重要水域廊道。它們不僅是水流通道，也可能提供水鳥、魚類等水生生物的棲息與遷徙路徑。
     • 綠色廊道（可能存在的）： 地圖上若有連續的綠地、公園綠帶或道路兩旁的行道樹，這些也可能構成生態廊道，連接不同的綠色斑塊，促進生物或基因的交流。例如，沿著河岸延伸的綠地。
     • 道路系統： 雖然道路常被視為對生物有阻隔作用，但某些情況下，如大型道路兩旁的綠化帶，或某些動物會穿越的橋下空間，也可能成為某種程度上的廊道。
   • Matrix：

本題主要考查地表能量平衡方程式的理解，以及不同土地利用類型（從森林到都市）對能量收支各項物理量的影響。

核心觀念：
地表能量平衡方程式描述了地表接收與釋放能量的過程。

• $R_n$ (Net Radiation)：地表接收到的淨輻射，是地表能量收支的總來源。
• $SW \downarrow$ (Incoming Shortwave Radiation)：來自太陽的短波輻射。
• $SW \uparrow$ (Outgoing Shortwave Radiation)：地表反射的短波輻射，即反照率 (albedo) 的結果。
• $LW \downarrow$ (Incoming Longwave Radiation)：大氣或其他地表發出的長波輻射。
• $LW \uparrow$ (Outgoing Longwave Radiation)：地表自身發出的長波輻射。
• $H_s$ (Sensible Heat Flux)：通過對流和傳導在地表與大氣之間傳遞的顯熱，與溫度變化有關。
• $H_l$ (Latent Heat Flux)：通過蒸發散 (evapotranspiration) 過程，從地表吸收或釋放的潛熱。

解題步驟：

題目要求在「同樣的太陽入射條件之下」，討論土地利用由森林變為都市時，方程式中各項物理量的變化。這意味著 $SW \downarrow$ 基本上是相同的（假設一天中同一時刻、同一地點）。

1. 反照率 (Albedo) 的變化：

   • 森林： 森林具有較深的顏色和複雜的樹冠結構，其反照率通常較低（約 0.1-0.2）。
   • 都市： 都市地區包含建築物、道路、水泥地面等，其反照率通常較高（約 0.15-0.3，取決於材料，但平均而言，人造表面顏色可能較淺，但複雜的建築結構和陰影會影響整體反照率的計算）。然而，更關鍵的是，都市地區的「表面粗糙度」增加，且「綠地」和「水體」面積大幅減少。
   • 影響： 由於森林的反照率通常低於都市地區的平均反照率，當土地利用從森林轉變為都市時，$SW \uparrow$ (Outgoing Shortwave Radiation) 會增加（因為反射的比例變高），但由於 $SW \downarrow$ 相同，地表吸收的短波輻射 $SW \downarrow - SW \uparrow$ 可能會略微減少或變化不大，取決於具體反照率的差異。但更重要的是，都市化常伴隨建築物和人造表面的增加，這些表面吸收短波輻射的能力可能更強，導致地表溫度升高，進而影響其他能量項。

2. 長波輻射 (Longwave Radiation) 的變化：

   • $LW \uparrow$ (Outgoing Longwave Radiation)： 地表向外輻射的長波能量與地表溫度有關（$LW \uparrow \propto T_{surface}^4$）。都市地區由於「都市熱島效應」(Urban Heat Island Effect)，平均地表溫度通常高於周圍的森林地區，尤其是在夜晚。因此，$LW \uparrow$ 會增加。
   • $LW \downarrow$ (Incoming Longwave Radiation)： 都市地區建築物密集，人造表面多，以及空氣污染物（如溫室氣體、懸浮微粒）可能更多，這些因素會增強大氣對長波輻射的吸收和再輻射，因此**$LW \downarrow$ 可能會增加**。

3. 潛熱通量 (Latent Heat Flux, $H_l$) 的變化：

   • 森林： 森林擁有大量的植被，蒸散作用 (transpiration) 非常旺盛，且地表覆蓋較為完整，保水能力強，蒸發 (e

本題分為兩部分，第一部分考查極端降雨事件的特徵及其相互關係，第二部分考查都市化對洪水歷線的影響。

第一部分：最大降雨強度、降雨量、延時、面積與頻率的關係 (10%)

核心觀念：

• 降雨強度 (Rainfall Intensity)： 单位时间内降雨的量，通常以 mm/hr 表示。
• 降雨量 (Rainfall Depth)： 在特定時間段內累積的總降雨量，通常以 mm 表示。
• 降雨延時 (Duration)： 降雨事件持續的時間長度。
• 降雨面積 (Areal Extent)： 降雨影響的地理範圍。
• 降雨頻率 (Frequency) / 重現期距 (Return Period)： 指某種規模或更極端的降雨事件在統計上發生的平均間隔時間。例如，百年重現期距的降雨，表示平均每 100 年會發生一次或一次比它更嚴重的降雨。

關係說明：

1. 降雨強度與延時 (Intensity-Duration)：

   • 對於一個給定的重現期距，極端的降雨強度通常與較短的降雨延時相關。也就是說，短時間內（如幾分鐘到幾小時）發生極大強度的降雨，比長時間（如幾天）維持極大強度的降雨要更頻繁。
   • 反之，長時間的降雨事件，其平均強度通常較低。例如，一場持續數天的豪雨，其總降雨量可能很大，但每小時的平均強度會低於一場數小時的強對流降雨。
   • 這可以用「降雨頻率曲線」(Intensity-Duration-Frequency, IDF 曲線) 來表示。IDF 曲線顯示，在相同的重現期距下，降雨強度隨著延時的增加而減小。

2. 降雨量與延時 (Depth-Duration)：

   • 對於一個給定的重現期距，總降雨量通常隨延時的增加而增加。較長的降雨事件（延時長）通常會累積更多的總降雨量。
   • 例如，某地區的百年重現期距 1 小時降雨量可能為 50 mm，而 24 小時降雨量可能為 150 mm。

3. 降雨面積與降雨特性 (Areal Extent & Characteristics)：

   • 極端的降雨事件（高強度、大雨量）通常影響的範圍（面積）也相對較小，尤其是對流性降雨（如雷陣雨、颱風眼牆外的強降雨帶）。
   • 範圍較廣的降雨（如鋒面系統帶來的持續性降雨）強度可能較低，但延時和總雨量可能較大。
   • 然而，特大暴雨（如颱風登陸時的環流帶來的強降雨）可以同時具備大面積、大雨量和較長延時的特徵，但其強度雖然不是瞬間最大，但累積量巨大。

4. 降雨頻率 (重現期距) 與極端值：

   • 重現期距越長，代表該等級降雨事件越極端，發生的機率越低。
   • 對於任何一個給定的降雨事件，其強度、延時、面積是相互關聯的。例如，一個「百年重現期距」的事件，可能表現為：
     • 極高強度、短延時、小面積（如強對流）。
     • 中等強度、長延時、大面積（如持續性豪雨）。
   • 在水文設計中，需要根據不同的應用（如橋樑、水庫、都市排水系統）來選擇合適的重現期距，並考慮對應的強度、延時和面積組合。

總結： 最大降雨強度與短延時、較小面積、特定重現期距相關；最大降雨量則與較長延時、可能較大面積、特定重現期距相關。頻率（重現期距）是衡量事件極端程度的指標，所有這些參數都需要在水文分析中綜合考慮。

第二部分：森林土地都市化對洪水歷線的影響 (10%)

本題涵蓋了板塊構造、台灣地形形成、岩石循環與地理循環三個重要的地理學概念。

第一部分：台灣島的形成（基於板塊循環） (10%)

核心觀念： 板塊構造學說、板塊邊界類型（聚合型邊界）、板塊運動（碰撞、俯衝、擠壓、抬升）。台灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊的聚合邊界上，是複雜的碰撞與俯衝帶。

說明：
台灣島的形成是現今地球上最活躍的造山運動之一，其過程主要基於兩個主要板塊的相互作用：

1. 板塊位置與運動：
   • 台灣位於歐亞板塊（Eurasian Plate）的東緣，屬於該板塊的西部邊界。
   • 台灣東側是菲律賓海板塊（Philippine Sea Plate），向西北方向快速移動，並與歐亞板塊發生碰撞。
2. 聚合型邊界與碰撞：
   • 碰撞階段（主要作用）： 菲律賓海板塊（較年輕、密度可能較小）向西北方向擠壓歐亞板塊。這種碰撞並非簡單的正面對撞，而是複雜的斜向碰撞。
   • 俯衝作用： 在台灣東部，菲律賓海板塊（海洋板塊）傾向於俯衝到歐亞板塊（大陸板塊）之下，形成馬里亞納海溝類型（但台灣東部是碰撞為主，東南部的呂宋島弧的俯衝是另一部分）。更精確地說，在台灣東部，由於板塊運動方向，菲律賓海板塊的西緣（如呂宋火山島弧）正在與歐亞板塊的東緣發生碰撞和擠壓。
   • 複雜的地體構造： 這種碰撞導致歐亞板塊的邊緣發生強烈的褶皺、斷裂和抬升，形成複雜的地質構造。台灣的山脈（如中央山脈、雪山山脈）就是在此過程中被擠壓、隆升而形成的。
3. 造山運動與地形形成：
   • 褶皺與斷層： 劇烈的擠壓使得地層發生褶皺（彎曲）和斷裂（形成斷層）。台灣的山脈就是由這些被抬升和擠壓的褶皺斷塊構成。
   • 抬升與侵蝕： 板塊的持續碰撞和擠壓導致台灣島持續抬升，同時，台灣位於亞熱帶，降雨充沛，強烈的河流侵蝕和風化作用也參與塑造了台灣崎嶇的山地地形。
   • 火山活動： 雖然台灣島主體是碰撞造山，但在其東部邊緣，菲律賓海板塊的俯衝也可能伴隨火山活動（如呂宋島弧的一部分，但台灣本島的火山活動相對較少，主要集中在東部外海及蘭嶼、綠島等地）。

總結： 台灣島的形成是歐亞板塊與菲律賓海板塊在聚合邊界上劇烈碰撞、擠壓、俯衝的結果，是典型的板塊碰撞造山帶，導致地殼強烈變形、抬升，最終形成了今日多山的地貌。

第二部分：台灣海岸山脈的岩石循環 (10%)

核心觀念： 岩石循環 (Rock Cycle) 是指岩石在地質作用下，經歷生成、轉變、再生的過程，包括沉積岩、火成岩、變質岩之間的相互轉化。

說明：
海岸山脈是台灣東部的一系列年輕山脈，其地質特徵與台灣西部山脈（由歐亞板塊變質岩為主）有所不同。海岸山脈的形成與菲律賓海板塊的碰撞和移動有關，其岩石組成也反映了這一過程。

1. 海岸山脈的形成背景：

   • 海岸山脈主要位於菲律賓海板塊的西緣，是該板塊與歐亞板塊碰撞的產物。其岩石組成顯示它主要是由火山岩和沉積岩構成，且年輕（約數百萬年）。
   • 它被認為是與呂宋火山島弧（屬於菲律賓海板塊的一部分）相關的構造。

2. 可能的岩石循環過程：

   • 火成岩的生成 (Igneous Rock Formation)：
     • 噴發岩 (Extrusive Igneous Rocks)： 海岸山脈的形成與火山活動密切相關。在地質歷史上，該區域曾有頻繁的火山噴發，噴出的岩漿冷卻凝固形成了大量的安山岩 (andesite) 等火山岩。這些火山岩構成了海岸山脈的重要組成部分。
     • 侵入岩 (Intrusive Igneous Rocks)： 在火山噴發的同時或之前，部分岩漿可能在地殼深處緩慢冷卻，形成侵入岩，但海岸山脈以噴發岩為主。
   • 沉積岩的生成 (Sedimentary Rock Formation)：
     • 沉積作用： 火山噴發產生的火山灰、碎屑物質，以及區域內其他岩石風化、侵蝕產生的沉積物，在河流、海洋等環境中堆積，經過壓密、膠結後，形成沉積岩。海岸山脈的基底和上部可能包含砂岩、頁岩、礫岩等沉積岩，其中可能含有火山碎屑成分。
   • 變質岩的生成 (Metamorphic Rock Formation)：
     • 區域變質作用： 雖然海岸山脈以火山岩和沉積岩為主，但台灣東部的板塊碰撞和擠壓作用，可能導致部分岩石在較高的壓力（但溫度相對不高）下發生變質作用，形成低級變質岩（如綠色片岩、千枚岩），但相較於台灣西部高山，變質程度較低。
   • 風化與侵蝕 (Weathering and Erosion)：
     • 海岸山脈形成後，受到持續的風化（物理、化學）和侵蝕（流水、風力）作用。岩石破碎，產生碎屑物質，這些物質又可能被搬運、沉積，重新形成沉積岩。
   • 熔融與再生 (Melting and Recycling)：
     • 若海岸山脈的岩石被深埋（如在更劇烈的板塊碰撞或俯衝過程中），在高溫高壓下可能熔融形成岩漿，然後再次冷卻凝固，開始新的循環。

本題結合了極端天氣事件（森林大火）的環境影響分析，以及環境監測的規劃設計，同時要求運用自然地理學和空間技術的知識。

第一部分：澳洲森林大火的環境影響 (約 10%)

核心觀念： 森林大火對生態系統、大氣、水文、土壤、甚至氣候的連鎖影響。自然地理學關注這些影響的空間分布、過程與相互關係。空間技術（遙感、GIS）在此類事件的影響評估中至關重要。

環境影響說明：

1. 生態系統影響：

   • 植被破壞： 大面積森林、草地被燒毀，生物多樣性急劇下降，許多物種（包括瀕危物種）面臨滅絕風險。
   • 棲息地喪失： 動物失去棲息地和食物來源，可能導致大規模遷徙或死亡。
   • 土壤有機質損失： 高溫燃燒會嚴重破壞土壤表層的有機質，影響土壤肥力。
   • 生態恢復的挑戰： 某些生態系統（如桉樹林）雖然能從火災中恢復，但頻繁或極端火災可能改變物種組成，甚至導致生態系統類型轉變。

2. 大氣環境影響：

   • 空氣污染： 大量煙霧（懸浮微粒 PM2.5, PM10）、二氧化碳 (CO2)、一氧化碳 (CO)、氮氧化物 (NOx)、揮發性有機化合物 (VOCs) 等污染物釋放到大氣中。
   • 能見度降低： 煙霧嚴重影響能見度，對交通、航空造成威脅。
   • 氣候影響：
     • 短期： 燃燒釋放大量溫室氣體（CO2），加劇全球暖化。同時，煙霧中的氣溶膠（尤其是黑碳）會吸收太陽輻射，影響區域輻射平衡，可能導致局部降溫或增溫效應。
     • 長期： 森林碳匯功能的喪失，可能改變區域碳循環，影響長期氣候。

3. 水文與水質影響：

   • 地表徑流增加： 植被被燒毀後，土壤滲透性下降，地表覆蓋減少，雨水直接形成地表徑流，導致洪水風險增加。
   • 土壤侵蝕加劇： 失去植被保護的土壤極易被雨水沖刷，導致嚴重的土壤侵蝕。
   • 水體污染： 侵蝕產生的泥沙、燃燒產生的灰燼、重金屬等污染物進入河流、湖泊，嚴重影響水質，威脅水生生物和飲用水源。
   • 地下水補給減少： 滲透減少，可能影響區域地下水補給。

4. 土壤影響：

   • 土壤結構破壞： 高溫可能改變土壤的物理化學性質，如燒結、改變團粒結構。
   • 養分流失： 有機質和氮、磷等養分在高溫下揮發或被沖刷流失。
   • 微生物群落改變： 土壤微生物受到嚴重影響，影響土壤的生物活性和肥力恢復。

5. 人類社會影響：

   • 生命財產損失： 造成人員傷亡，摧毀房屋、基礎設施。
   • 健康問題： 空氣污染對人體呼吸系統和心血管系統造成嚴重危害。
   • 經濟損失： 農業、林業、旅遊業遭受重創，滅火和災後重建成本高昂。

第二部分：環境監測規劃設計 (約 10%)

核心觀念： 環境監測是為了評估環境狀況、追蹤變化、預警風險、評估恢復進度。需結合自然地理學原理與空間技術，確定監測的目標、對象、方法和尺度。

監測規劃設計要素：

1. 監測目標 (Monitoring Objectives)：

   • 評估火災造成的即時環境破壞程度（如植被損失面積、土壤侵蝕潛勢）。
   • 監測火災後空氣和水質的變化及其影響範圍。
   • 追蹤生態系統的恢復進度（植被再生、土壤肥力恢復）。
   • 評估洪水、山火引發的山體滑坡等次生災害風險。
   • 為災後重建和環境管理提供決策依據。

2. 監測對象 (Monitoring Targets)：

   • 植被： 植被覆蓋度、類型、健康狀況、再生情況。
   • 土壤： 土壤侵蝕狀況、有機質含量、養分狀況、物理化學性質。
   • 水體： 河流、湖泊、地下水的水質（懸浮物、pH、營養鹽、重金屬）、流量、水位。
   • 大氣： 空氣品質（PM2.5, PM10, CO, NOx, O3 等）、能見度、氣溫。
   • 野生動物： 關鍵物種的出現頻率、族群數量變化（較難即時監測）。
   • 地貌： 山體滑坡、崩塌、洪泛區的變化。

3. 監測工具與技術 (Monitoring Tools and Technologies)：

   • 遙感 (Remote Sensing)：
     • 衛星遙感：
       • 光學衛星（如 Sentinel-2, Landsat, MODIS）： 提供高頻率、大範圍的植被覆蓋、地表溫度、火災熱點、煙霧擴散等資訊。可計算植被指數（NDVI, EVI）、歸一化差異水體指數 (NDWI) 等。
       • 雷達衛星（如 Sentinel-1）： 可穿透雲層，提供地表濕度、土壤濕度、地表粗糙度、甚至在某些情況下檢測地表變形（如滑坡）。
       • 高光譜衛星： 可更精確地識別植被類型、健康狀況、土壤成分。
     • 航空遙感（無人機 - UAV）： 提供更高解析度的影像，適用於小範圍、精細化監測，如特定區域的植被再生、土壤侵蝕點、滑坡體。
   • 地理資訊系統 (GIS)：
     • 整合、分析、可視化遙感數據、地面調查數據、氣象數據等。
     • 進行空間疊加分析，如火災範圍與敏感區域（水源地、保護區、聚落）的疊加，評估影響。
     • 建立火災風險模型、侵蝕模型、恢復進度模型。
   • 地面監測 (Ground-based Monitoring)：
     • 自動氣象站： 監測氣溫、濕度、風速、降雨量、輻射。
     • 水質監測站： 連續或定期採樣分析水質參數。
     • 空氣品質監測站： 實時監測大氣污染物濃度。
     • 土壤採樣與分析： 定期採集土壤樣本，分析物理化學性質。
     • 生態調查： 樣帶、樣方調查，記錄植被再生情況、物種出現。
     • GPS/GNSS 測量： 監測地表變形（如滑坡）。

4. 時間尺度與頻率 (Time Scale and Frequency)：

   • 即時/短期（火災期間及後數週）：
     • 衛星遙感： 每日或每幾日一次（如 MODIS）監測火點、煙霧擴散、即時植被損失。