第四課 大綱

4-1 大氣的垂直結構
4-2 水循環與天氣變化
4-3 大氣的水平運動
4-4 判讀天氣圖

氣壓

  • 意義：垂直於單位面積上的空氣柱重量，稱為大氣壓力，簡稱氣壓

  • 1 atm(大氣壓)
    = 1013 hPa(百帕)
    = 101300 Pa(帕)
    = 1013 mb(毫巴)
    = 760 mmHg(毫米汞柱)
    = 101300 牛頓/米2(N/m2)

  • 垂直大氣壓分布

    • 高度升高
      • 氣壓下降 (在幾公里內的大氣：1hPa/10m)
      • 氣壓遞減率下降
高度 氣壓
約30公里高 約$\frac{1}{100}$大氣壓 99%的空氣分子集中於離地30km距離內
約16公里高 約$\frac{1}{10}$大氣壓 90%的空氣分子集中於離地16km距離內
約10公里高 約$\frac{1}{4}$大氣壓 75%的空氣分子集中於離地10km距離內
約5.5公里高 約$\frac{1}{2}$大氣壓近 50%的空氣分子集中於離地5.5km距離內
地面 約1大氣壓

氣溫

  • 依氣溫垂直變化分層
名稱 高度 氣溫變化 其他
增溫層 85~500公里 隨高度上升 (溫度最高溫區域)
主要熱量來源：大氣吸收Ｘ光和紫外線 		受太陽輻射，此區域頂部可達1000~2000K
但由於空氣稀薄，人體感受仍十分寒冷
中氣層 50~85公里 隨高度下降 (溫度最低溫區域) 甚麼都少w，氣溫下達-90°C
平流層 11~50公里 隨高度上升
主要熱量來源：臭氧層吸收紫外線 		大氣流動平穩，空氣以水平方向流動，長飛機在此層飛行
臭氧層：位於25公里上下，吸收紫外線散發熱量
對流層 0~11公里 隨高度下降
主要熱量來源：溫室氣體吸收紅外線 		天氣變化主要發生區域(90%水氣)
每上升1公里，氣溫下降6.5°C
厚度受季節、緯度，早晚影響：夏季較冬季厚，低緯度較高緯度厚，白天較晚上厚
  • 冷知識：電離層於上表中不算一層
    • 若按照空氣電離層度分層，50公里以上電離層，以下為非電離層
    • 電離層功用
      • 反射和傳送高頻無線電信號
      • 阻擋高速電子形成極光
      • 阻隔X光、超紫外光和紫外光

水氣

水循環

  • 蒸發
  • 凝結
  • 降水

飽和與濕度

  • 雲是由水滴和冰晶組成
  • 飽和水氣壓：各溫度下能容納的水氣量
    • 溫度越高，飽和水氣壓越高
  • 飽和曲線：將各溫度下的飽和水氣壓繪成曲線

  • A點達到飽和的辦法

    • 溫度不變時增加空氣中的水氣量(如圖中A點移至B點)
    • 水氣量不變時降低空氣的溫度(如圖中A點移至C點)。

  • 濕度

    • 絕對溼度：空氣中單位體積的水氣量，單位為g/m3或hPa
    • 相對溼度：$\small 實際水氣量 \div 飽和水氣量 \times 100％$
      • 該點水氣壓 ÷ 該點溫度飽和水氣壓 = 相對溼度
      • 例：A點之相對濕度為 $15 \div 25 \times 100％ = 60％$

  • 露點溫度：藉由降溫達到飽和的溫度

    • 露點溫度越高，實際水氣量越高
    • $|\small露點溫度 - 該點溫度|$越小，相對濕度越高

  • 體感溫度影響條件

    • 氣溫
    • 日照
    • 風速
    • 相對溼度

凝結機制

  • 條件
    • 空氣中水氣量達飽和
      • 降低溫度(大氣中凝結主因)
      • 增加水氣
    • 空氣中有凝結核
      • 例：灰塵、懸浮粒子、碘化銀、乾冰

天氣現象

  • 雲、霧
    • 小水滴 + 小冰晶
    • 空中 => 雲 / 地面 => 霧
  • 露、霜
    • 水氣在地表凝結
    • 有凝固 => 霜
  • 雨、雪、雹
    • 水滴、冰晶增大，受重力往下掉落
  • 華、暈、虹、海市蜃樓、霞
    • 太陽光經過水滴折射、反射後形成

空氣降溫

絕熱膨脹冷卻 未飽和空氣塊上升至露點溫度後形成雲 寶特瓶造雲小實驗
空氣遇山坡迎風面而抬升，水氣凝結，形成「上坡霧」
若空氣下降時外界壓力增加，體積收縮，溫度上升，為絕熱收縮降溫
一般而言，水氣達飽和的濕空氣，每上升1公里，氣溫下降6.5°C；未達飽和的空氣，每上升1公里，氣溫下降10°C
平流冷卻 濕暖空氣經冷地面或水面時，熱量向下傳遞，造成氣溫下降 冬季海面暖濕空氣流經沿海低溫陸地，常發生濃霧，稱為「平流霧」
*補充： 冷空氣流經比溫差較大的暖水面時，因氣壓差異而使得水氣不斷地從暖水面蒸發，與冷空氣相遇而形成「蒸氣霧」
輻射冷卻 夜間地面藉由紅外線輻射，能量散失，造成氣溫下降 深夜至清晨常出現「輻射霧」，太陽出現後消失
混合冷卻 冷暖空氣塊相遇，因混合使暖空氣遇冷凝結 鋒面前緣常有「鋒面霧」

空氣上升運動

方式 發生地區 降雨的成因
對流上升 地面或海面的高溫地區 冷空氣吹過溫暖海面或夏季高溫地面時，空氣被加熱，使地面附近空氣對流上升發生造雲降雨，為對流雨，例：午後雷陣雨
地形舉升 山區迎風面 水平氣流若遇高山地形，空氣抬升發生絕熱膨脹，成雲制雨，為地形雨
鋒面舉升 鋒面區 高溫空氣密度較低溫空氣小，在鋒面處暖空氣抬升造成降雨，為鋒面雨，例：梅雨
低壓輻合 地面低壓中心附近 地面空氣向低氣壓中心聚集，空氣被迫上升發生造雲降雨，例如：颱風雨

風

定義

  • 因水平氣壓不同而造成空氣流動
    • 空氣從高壓流向低壓
  • 風向：風的來向
    • 台灣
      • 夏季：西南季風
      • 冬季：東北季風
    • 海陸
      • 白天：海風
      • 晚上：陸風
  • 風速：氣壓密度越大，風速越大

摩擦風(近地面風)與地轉風

  • 科氏力 (假想力)

    • 原因：地球自轉
    • 北半球向右偏，南半球向左偏
    • 赤道無偏轉
    • 緯度越大，位移越大，速率越大，科氏力越大
    • 需遠距離運動才會顯現

  • 氣壓梯度力

    • 原因：水平氣壓差
    • 等壓線密度與氣壓梯度力成正比

  • 摩擦力

    • 原因：空氣流動與地面磨擦
  • 梯度力與氣壓線垂直
  • 科氏力與風向垂直(北半在右側，南半在左側)
  • 摩擦力與風向相反
  • 梯度力與摩擦力與科氏力的合力相反

風與天氣變化

氣壓中心 高氣壓(反氣旋) 低氣壓(氣旋)
符號 H L
水平流動 輻散 輻合
空氣流動 順時鐘方向向外旋出 逆時鐘方向向內旋入
空氣垂直流動 氣流下降 氣流上升
天氣狀況 晴天 陰雨
  • 降水條件 (符合以下兩條件才有可能下雨)
    • 上升運動
    • 水氣充沛

天氣圖

氣象觀測

  • 現場觀測(有接觸到物體)
    • 地面觀測
      • 溫度、濕度(百葉箱)、氣壓、雨量、風向風速、雲量雲狀(人工目視)
    • 高空觀測
      • 溫度、濕度、高度，可推得高空風速
  • 遙測(無接觸到物體)
    • 主動遙測(接收的訊息來源是機器)
      • 雷達
        • 降雨強度
      • 衛星
        • 雲層厚度(可見光衛星雲圖)、雲頂高度(紅外線衛星雲圖)、水氣含量(水氣頻道衛星雲圖)
    • 被動遙測(接收的訊息來源是物體)
  • 世界氣象組織(WMO)
    • 原為國際氣象組織，是聯合國專門機構之一
    • 分為全球、區域、國家三個層級
      • 3個世界氣象中心
        • 墨爾本(澳洲)
        • 華盛頓(美國)
        • 莫斯科(俄羅斯)
      • 25個區域氣象中心
      • 各國(地區)的國家氣象中心
    • 訂定各項觀測的標準精確度
    • 各地觀測結果經由該國氣象單位進行彙整，再傳送至WMO所屬氣象中心進行交換，
      再統一發送給各國，於是各國就擁有觀測資料，以繪製高空及地面天氣圖

圖標

- 雲量

  • 風速

  • 風向

    • 風的來向

  • 氣壓

    • 單位為百帕(hPa)
    • 氣壓值為末兩位與小數點後一位值，故101為1010.1百帕

  • 氣溫與露點溫度

    • 單位為攝氏(°C)
    • 露點溫度越高代表水氣含量越高
    • 露點與氣溫差越小，相對濕度越高

  • 其他

名稱 符號 說明
冷鋒 冷氣團推暖氣團，短時間內強烈降雨，過境時溫度下降
為台灣常見鋒面(發生在秋天至隔年春天)		 皆會下雨
暖鋒 暖氣團推冷氣團，雨帶寬，降雨時間長，過境時溫度上升
滯留鋒 冷暖勢力相當，雨區寬，持續時間長，細雨綿綿，但有時伴隨著雷雨及強陣雨
為台灣常見鋒面(發生在春末夏初)，例：梅雨季
囚錮鋒 暖鋒被冷鋒追上，發生在溫帶氣旋附近，形成「較冷空氣\暖空氣/冷空氣」的景象
等壓線 每一條等壓線相隔4hpa
高氣壓 氣團(水平方向物理性質一致的一團空氣)以高氣壓系統呈現
低氣壓
輕度颱風
中度及強烈颱風