民國115年 高考三級 氣象 大氣測計學（包括傳統觀測與遙測）考古題
民國115年 高考三級 氣象 大氣測計學（包括傳統觀測與遙測）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
請說明福衛三號或七號的掩星觀測（radio occultation）所反演出的溫度
以及濕度垂直分布與無線電探空儀（radiosonde）所取得的溫濕度觀測之
差異，並且分析兩者的優缺點。（25 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、觀測原理與反演流程：福衛三號（FORMOSAT-3/COSMIC）與福衛七號（FORMOSAT-7/COSMIC-2）接收導航衛星訊號，當訊號穿過大氣時量測都卜勒頻移，取得彎折角（bending angle），再經 Abel 轉換求得折射率 N。N 與氣壓 P、溫度 T、水氣壓 e 的關係為 N=77.6P/T+3.73×10^5 e/T^2。平流層水氣少，可假設為乾大氣並反演「乾溫度」；對流層下層水氣影響大，溫度與濕度無法由單一折射率唯一決定，需加入背景場或一維變分（1D-Var）先驗資訊，濕度常以比濕或可降水量形式呈現。
- 二、與無線電探空儀的差異：無線電探空儀（radiosonde）為原位（in situ）觀測，隨氣球升空直接量測氣壓、溫度、相對濕度與風，垂直解析度高，但為單點觀測，每日僅少數施放時刻，且受感測器時間常數、太陽輻射、夜間乾偏差與氣球漂移影響。掩星屬遙測，水平解析度約數百公里，垂直解析度在平流層可達約 0.1 至 1 公里，具全球、全天氣、無需現場維護的特性，但下對流層的解析度與準確度受水氣反演不確定性限制。
- 三、掩星觀測的優點：全球均勻覆蓋，尤其海洋、高山與極區；長期穩定，適合作氣候基準與資料同化；可捕捉對流層頂、平流層增溫與重力波；不受雲雨影響。缺點包括水平解析度較粗，難以解析中小尺度與邊界層細結構；低層水氣造成反演歧異；地表反射、超折射、電離層與訊號繞射會增加誤差；且無法直接提供風場。
- 四、探空觀測的優點：可直接取得溫、濕、壓、風的垂直剖面，邊界層與雲層細節佳，為數值模式與遙測驗證的重要基準。缺點是測站分布不均、海上與偏遠地區稀少、施放成本高、時間解析度低，且感測器有滯後與輻射誤差，不同廠牌與型號間存在系統性差異。
- 五、綜合分析：兩者具互補性。掩星適合全球尺度、平流層與氣候監測，並可作為探空資料同化與偏差修正的參考；探空適合局部、邊界層與劇烈天氣分析。實務上應以探空驗證掩星反演，並在掩星反演中妥善處理水氣先驗與觀測誤差協方差，避免將乾溫度誤用於低層濕大氣。
請說明透過雙偏極化雷達（dual-polarization radar）所得到的ZDR
（differential reflectivity；差異反射率）、KDP（specific differential phase；
比差異相位差）以及ρ_hv（correlation coefficient；回波相關係數）所代
表之物理意義，並敘述三個變數之運用。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、ZDR 的定義與物理意義：差異反射率 ZDR=10 log10(Zh/Zv)，反映降水粒子水平與垂直尺寸比及定向。球形粒子接近 0 dB；扁橢圓雨滴隨粒徑增大而呈正值，暖季大雨可達 1 至 4 dB；垂直取向冰晶可為負值；冰雹因翻滾與形狀不規則通常接近 0 或略正。故 ZDR 主要提供形狀與相態資訊，而非直接反映濃度。
- 二、KDP 的定義與物理意義：比差異相位差 KDP=0.5 dΦDP/dr，單位為 °/km，是水平與垂直相位差隨距離的變化率，與液態水含量、雨滴扁率及粒徑分布有關。其優點是對雷達絕對校準與衰減較不敏感，在大雨與強降水定量估測中較穩定；缺點是低降水時訊號微弱、雜訊大，且需足夠路徑長度與相位解纏繞。
- 三、ρhv 的定義與物理意義：回波相關係數 ρhv 為同距離閘門水平與垂直回波的相關係數，範圍 0 至 1。均勻球形或形狀一致的降水粒子接近 1；融化層、冰水混合、冰雹、昆蟲、鳥類、地物與雜波會使 ρhv 明顯降低。故其反映散射體形狀、取向與相態的一致性，是品質管制與非氣象回波辨識的重要指標。
- 四、三個變數的運用：聯合 Zh、ZDR、KDP、ρhv 可進行水文氣象粒子分類（hydrometeor classification），區分雨、毛毛雨、冰晶、雪花、霰、冰雹與融化層；以 KDP 為主估算豪雨降雨率，可降低衰減與校準誤差；以 ZDR 與 ρhv 辨識冰雹與三體散射；以 ρhv 低值區偵測融化層、鳥蟲與地物雜波，並應用於機場風切與飛安警示。
- 五、限制與注意事項：雙偏極化參數受雷達波段、波束非均勻填充、衰減、差分衰減、校準與低訊號雜訊比影響；ZDR 需精確匹配水平與垂直通道，KDP 需處理相位折疊，ρhv 在低訊號雜訊比下不穩定。實務上應先做衰減與差分相位校正、雜波濾除與品質控制，再與雨量站及探空比對，避免單一參數判讀。
請解釋冷凝式露點儀之觀測原理，並敘述相較於其他濕度觀測的優缺
點。（15 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、觀測原理：冷凝式露點儀（chilled mirror dew-point hygrometer）以帕爾帖（Peltier）致冷器冷卻鏡面，發光二極體與光偵測器監測鏡面反射或散射光量。當鏡面溫度降至露點或霜點時，水氣凝結形成露或霜，光學訊號改變，伺服系統據此調節致冷電流，使凝結量維持平衡；此時鏡面溫度即為露點或霜點溫度。
- 二、觀測內涵：露點是空氣在水氣分壓不變下冷卻至飽和的溫度；若鏡面低於 0°C 且凝結為霜，則得霜點。配合乾球溫度可計算相對濕度、水氣壓與混合比。此法是直接量測凝結平衡溫度，具一級標準（primary standard）性質，可追溯至溫度標準，常用於實驗室、校準與基準站。
- 三、優點：準確度高，典型不確定度可達約 ±0.1 至 0.3°C 露點；長期穩定性佳，無電容式感測器常見的漂移問題；量測範圍廣，可從低露點到高濕；不需要已知水氣滲透膜或經驗校正；對溫度與壓力變化的物理意義明確。
- 四、缺點與限制：響應較慢，尤其在低露點或低溫時，凝結平衡需時間；鏡面易受氣膠、油汙、揮發性有機物與汙染物附著，需定期清潔與維護；對流量、氣流與鏡面汙染敏感；設備成本與耗電較高，戶外長期無人運作困難；若凝結為過冷水或霜，需判定露點與霜點轉換。與電容式濕度計相比，冷凝式較準但較慢、較貴；與乾濕球溫度計相比，不受通風與濕球紗布汙染影響，但操作更複雜。
請比較杯式風速計（cup anemometer）與超音波風速計（ultrasonic
anemometer）在量測原理、反應速度與觀測限制上的差異。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、杯式風速計原理：風杯受風力產生扭矩，轉速與風速呈近似線性關係，經出廠校正轉換為風速。其起動風速（threshold）約 0.3 至 1 m/s，距離常數（distance constant）通常為數公尺，表示風速改變後轉子追上所需空氣路徑。
- 二、超音波風速計原理：利用三對或兩對超音波換能器，量測順風與逆風方向聲波傳播時間差，由時間差推算風速分量；三維型可同時得 u、v、w 與聲虛溫。無機械轉動件，可量測極低風速與垂直風。
- 三、反應速度比較：杯式因轉子慣性與距離常數，時間解析度較低，陣風與湍流高頻變化易被平滑；超音波取樣頻率可達 10 至 50 Hz 以上，反應快，適合渦流協方差、風切與陣風研究。杯式在陣風中可能出現過速（overspeeding）現象，超音波則無機械慣性問題。
- 四、觀測限制：杯式受軸承磨損、結冰、汙染與安裝傾斜影響，且對垂直風與非水平風有餘弦響應誤差；超音波受塔架與感測器本身流場畸變、換能器遮蔽、雨雪與結冰影響，需做溫度與濕度修正，設備成本、耗電與維護較高。兩者皆需良好曝露與定期校正。
- 五、選用建議：作業級氣候網與一般風速監測常用杯式，因其堅固、便宜、長期運轉成熟；研究級邊界層、機場風切、湍流與三維風觀測則優先採超音波。若比較兩者，應在相同高度與曝露條件下並行比對，並依距離常數、取樣頻率與不確定度需求選擇。
請解釋光電透射儀（photoelectric transmissometer）與散射型能見度儀之
觀測原理以及兩者之差別。（20 分）
參考解答（AI 生成，非官方）
- 一、光電透射儀原理：發射端與接收端相隔已知基線，發射平行光束，接收端量測透過光強 I，與乾淨空氣參考光強 I0 比較，依比爾—朗伯定律（Beer–Lambert law）求消光係數 σ，I=I0 exp(−σL)。再由柯希米德（Koschmieder）關係估算氣象光學距離 MOR≈3/σ，此關係以 5% 對比閾值計；觀測結果屬路徑平均。
- 二、散射型能見度儀原理：以正向或前向散射方式，在局部取樣體積內發射光束，量測特定角度散射光，推算散射係數 σscat；假設消光主要由散射造成，且粒徑分布與相位函數符合校正條件，令 σext≈σscat，再換算能見度。其代表測點附近之能見度，而非整段路徑平均。
- 三、兩者差別：透射儀直接量測光衰減，對低消光（高能見度）仍具良好解析力，適合機場跑道視程（RVR）與長基線觀測；散射儀間接量測散射，設備體積小、安裝容易、靈敏度高，適合低能見度與密集測站，但受氣膠種類、吸收與相位函數假設影響。前者為路徑積分，後者為單點取樣。
- 四、優缺點：透射儀準確、可追溯、較不受氣膠種類影響，但設備昂貴、需對準與堅固基座、鏡窗汙染與霧滴附著會造成偏差，且路徑平均可能掩蓋局部濃霧。散射儀成本低、維護較易、反應快，但在高能見度時訊號弱、易受汙染與氣膠吸濕成長影響，且不同廠牌校正曲線差異大。
- 五、應用建議：機場 RVR 與航空氣象常以透射儀為準，並以散射儀作為輔助與備援；環境監測與公路氣象可採散射儀密集布點。無論何種設備，均應定期清潔鏡窗、執行零點與跨度校正、監測濕度與加熱狀態，並與人工觀測或其他能見度感測器交叉比對，以降低系統偏差。