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民國115年 高考三級 氣象 氣候學（包括氣象統計）收錄考選部官方試題，共 5 題可線上瀏覽，考選部未公告本科目答案。
題目與答案
試說明 季風形成機制為何？而地球上主要季風區有那些？ 臺灣屬
於那個季風區？其氣候特徵為何？（每小題10 分，共20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、季風的定義與形成機制：季風（monsoon）是指盛行風向隨季節明顯反轉、並伴隨乾濕季變化的行星尺度環流系統。其根本機制是海陸熱力差異：陸地熱容量小、海水熱容量大，夏季陸地增溫快而形成熱低壓，海洋相對為高壓，風由海洋吹向陸地；冬季海陸角色互換，風向相反，形成一年周期的循環。 二、形成機制的多重因素：除海陸熱對比外，尚包括太陽輻射季節移動造成熱帶輻合帶（ITCZ）南北位移；青藏高原與伊朗高原的感熱加熱，使南亞上空形成暖性高壓（南亞高壓），增強海陸氣壓梯度；地球自轉與科氏力使氣流偏轉；凝結潛熱釋放的正回饋；以及大地形、海陸分布與洋流等幾何與熱力效應的綜合作用。 三、全球主要季風區：主要包括亞洲—澳洲季風系統（含南亞印度季風、東亞季風、東南亞季風）、西非季風、北美季風（墨西哥季風）、南美季風與澳洲季風。其中以亞洲季風最強、範圍最廣，影響全球約半數人口；各季風區的建立時間、降水型態與年際變異度不同，並受聖嬰與印度洋偶極（IOD）調制。 四、臺灣所屬季風區與氣候特徵：臺灣位於東亞季風區（East Asian monsoon），受東北季風與西南季風交替影響。冬季（10月至翌年4月）東北季風盛行，北部、東北部迎風面多雨，南部背風面乾燥；夏季（5月至9月）西南季風與副熱帶高壓影響，5至6月梅雨、7至9月颱風與午後對流，雨量集中。年雨量約2500毫米，時空分布不均，北部冬雨、南部夏雨特徵明顯。
根據熱力學理論，大氣含水氣量隨著溫度每升高1°C 而增加約7%，你
認為在全球暖化的情況下，降水量會增加到與水氣量一樣多嗎？請解釋
你的理由（是或否）。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、結論：否。依克勞修斯—克拉佩龍關係（Clausius-Clapeyron relation），飽和水氣壓隨溫度約以6至7%／°C增加，但降水量受能量與動力約束，全球平均降水增加率僅約2至3%／°C，兩者並不同步。 二、能量約束：降水凝結釋放的潛熱必須由大氣輻射冷卻平衡，而對流層輻射冷卻隨增溫增加有限（約2至3%／K）；因此全球降水無法如持水能力般增加7%，此即「能量限制」觀點。 三、水氣收支與動力調整：降水等於蒸發加水氣輻合。增溫使大氣持水能力提高，但對流層增溫幅度大於地表、相對濕度近似不變，熱帶環流每K約減弱2至4%，水氣輻合未必增加；風場與環流改變使水氣輸送重新分布，部分地區反而變乾。 四、時空重分布與極端：平均降水增加有限，但強降水事件隨水氣增加而增強（可達約7%／K），乾期拉長、乾區更乾、濕區更濕；聖嬰、季風與颱風路徑改變亦重塑降水分布，故「總量」與「極端」反應不同。 五、限制與政策意涵：模式對雲、氣膠與解析度敏感，區域差異大。水資源規劃應以極端降水、乾旱風險與調適能力為核心，而非僅依平均雨量推估。
如果有一筆50 年的全球熱帶地區月平均海面溫度格點資料，請問如何
從這筆資料中分離出全球暖化和聖嬰兩種不同海溫變化訊號？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、資料前處理：先做品質檢查與缺測處理，將月平均海溫（SST）扣除氣候平均（climatology）求距平，並以cos緯度加權；必要時低通濾波。須先確認兩種訊號的尺度差異：聖嬰（ENSO）為2至7年的年際振盪，全球暖化為長期趨勢。 二、分離全球暖化訊號：以熱帶或全球面積加權平均SST建立暖化指數，或對時間做線性迴歸、低通濾波取得長期趨勢；再以迴歸係數圖（regression map）呈現暖化的空間模態，通常為空間近似均勻增暖、東太平洋略強。 三、分離聖嬰訊號：對去除趨勢後的距平做經驗正交函數（EOF）分析，第一模態（EOF1）多為聖嬰型態，其主成分（PC1）可作為ENSO指數；或以Niño3.4區SST距平定義ONI指數，再求迴歸場與合成分析。 四、聯合分離方法：以多元線性迴歸同時納入暖化指數與ENSO指數，分離各自貢獻；或採EOF／REOF、奇異值分解（SVD）、多通道奇異譜分析（MSSA）、小波分析。可先迴歸移除ENSO再估趨勢，或先移除趨勢再取EOF，兩種結果宜相互比較。 五、注意事項：ENSO與暖化可能存非線性交互作用，年代際振盪（如PDO）會干擾；50年樣本對低頻趨勢估計有限，應做敏感度測試、信賴區間與統計顯著性檢定，避免過度詮釋。
21 世紀地球最強超級「聖嬰（El Niño）」發生在2015～2016 年，造成全
球短期氣候劇烈變化，請說明何謂「聖嬰」現象？發生時全球氣候如何
受到改變？（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、聖嬰定義：聖嬰（El Niño）指赤道中東太平洋海面溫度異常偏暖的現象，屬ENSO暖位相。作業定義為Niño3.4區（5°S至5°N、120°W至170°W）三個月滑動平均SST距平連續五個月達+0.5°C以上，並依強度分為弱、中等、強與超強等級。 二、形成機制：信風減弱或西風異常（westerly wind burst）激發東傳開爾文波（Kelvin wave），使東太平洋溫躍層加深、湧升流減弱，海溫升高；暖水東移使對流與降水東移，沃克環流（Walker circulation）減弱、南方振盪指數（SOI）轉負，形成海氣耦合正回饋。 三、2015至2016個案：為21世紀最強之一，ONI峰值約2.6°C（2015年11至12月），強度與1997至1998年相當；特徵為中東太平洋強暖、西風異常活躍，並與MJO等熱帶低頻振盪交互作用，惟其暖水分布與前次個案略有差異。 四、全球氣候影響：印尼、澳洲與東南亞乾旱及森林火災；秘魯、厄瓜多、阿根廷、烏拉圭洪澇；印度季風減弱、非洲南部乾旱、東非多雨；北美加州多雨、冬季偏暖；全球平均溫度因海洋釋放熱量而創新高；颱風生成位置東移；並引發第三次全球珊瑚白化事件。 五、遙相關機制與限制：透過羅斯貝波列（Rossby wave train）、PNA與太平洋—日本（PJ）型態傳遞至中高緯。影響程度受暖化背景、年代際振盪與區域差異調制，目前預報仍具不確定性，須以系集預報與模式評估降低風險。
「波譜分析」是氣候研究中重要之分析工具，請說明波譜分析之數學原
理及其在氣候上之應用。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方） 一、數學原理：波譜分析（spectral analysis）將時間序列視為不同頻率正弦與餘弦波的疊加，依傅立葉轉換（Fourier transform）X(f)=∫x(t)e^(-i2πft)dt，功率譜密度S(f)=|X(f)|²，表示各頻率振動對總變異數的貢獻，可將時域訊號轉換至頻域。 二、估計方法：實務上以離散傅立葉轉換與快速傅立葉轉換（FFT）計算週期圖（periodogram），再以Welch分段平均或平滑窗（如Tukey、Hamming）降低變異。須注意取樣頻率與尼奎斯特頻率（Nyquist frequency）、頻譜洩漏（leakage）、頻率解析度與序列長度的限制。 三、顯著性檢定：氣候序列多具紅噪音特性，常以AR(1)紅噪音譜為虛無假設，計算95%信賴帶以判定峰值是否顯著；亦可使用交叉譜（cross-spectrum）、同調（coherence）與相位差，分析兩變數在不同頻率下的關聯與領先落後關係。 四、氣候應用：可辨識聖嬰2至7年、準兩年振盪、QBO約28個月、MJO 30至60天、太陽11年週期、米蘭科維奇23／41／100千年週期及潮汐日變化等；並用於氣候模態偵測、模式評估、可預報度分析與濾波器設計。 五、限制與延伸：傅立葉分析假設序列平穩，對非平穩氣候序列宜採小波分析（wavelet）或希爾伯特—黃轉換；序列長度、缺測與趨勢會扭曲低頻譜估計，判讀時應結合物理機制，避免僅憑峰值下結論。