環境氣象學

地球是太陽系中唯一有生命的行星，而所有生命的原動力是源自於太陽的輻射能量。雖然地球的大氣向外太空延伸數百公里之遙，但是從外太空鳥瞰，這層保護地球的外衣卻薄的像香瓜皮（圖1-1）。

1.1　大氣的成分

表1-1列出大氣的成分，以氮氣最多（78.08%），其次是氧氣（20.95%），二者合計99.03%，其餘為氬、氖、氦、氫、氙，這些氣體成分在0～80 km的海拔幾乎不變，稱之永久氣體（permanent gas）。成分微量且會變動的氣體，包括水氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化合物、氣懸膠（aerosol/浮游粒子或液滴）等，稱之變動氣體（variable gas）。雖然變動氣體僅占大氣極少部分，但它們對環境及氣候產生巨大的影響。

在近地面，這些氣體恆處在毀滅及生成的動態平衡過程中。例如，土壤中的細菌可經生化反應移除大氣中的氮氣，而動植物的殘骸在腐敗後又釋出氮氣。又如，有機物因氧化生成氧化物，同時自大氣中移除氧氣；而當植物行光合作用（photosynthesis）時，二氧化碳與水可反應生成氧氣。

大氣中的二氧化碳僅占一小部分，約為0.36%，主要來自植物的腐化、火山爆發、動物呼吸、石化燃料燃燒等。而當植物行光合作用時，就消耗二氧化碳以產生葉綠素。海洋就像是一座巨大的二氧化碳儲槽，因在水面有無數微小的浮游植物將二氧化碳固定在其細胞內。

二氧化碳濃度在大氣的年平均增率約為0.4%，在2019年的濃度約418 ppm，與甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化合物及水氣均是溫室氣體（greenhouse gases）。甲烷主要來自農作物如稻米的腐化、牛胃的反應及貧瘠土壤的溼氧化過程，在大氣中的年增率約為0.5%。氧化亞氮主要源自土壤中細菌及微生物的化學反應，在大氣中的年增率約為0.25%。氟氯碳化合物為人類合成的化學產品，包括冷媒、溶劑及推進劑，在大氣中的年增率約為4%。

水氣（vapor）在大氣中的濃度雖極微，但隨地區及緯度而變化很大，且水分子可以固、液、氣三態出現在自然環境中，構成水循環（hydrological cycle），如圖1-2。大氣中的水氣會釋放潛熱，可提供驅動風暴的能量，亦能吸收地面向太空發散的輻射能，也是溫室氣體，因此在氣象及全球熱平衡上扮演重要的角色。

近地表大氣中的臭氧是造成光化學煙霧（photochemical smog）的主要成分，它會刺激眼睛及喉嚨，造成不適；但是約97%的臭氧是在平流層，並吸收紫外線。臭氧與氮氧化物、硫氧化物、碳氫化合物、懸浮微粒等均是空氣污染物。

1.5　氣象學簡史

氣象學（Meteorology）是探討大氣及其現象的一門科學，包括天氣及氣候的規律、變化、異常和極端事件。

在公元前340年，希臘哲學家亞理斯多德（Aristotle）寫了一本Meteorologica，書的內容總括當時對天氣及氣候的知識，也涉獵一些天文、地理及化學的材料。在當時，希臘字「meteoros」的意思是「high in the air」，如今meteoros是指來自外太空的「流星」。在Meteorologica一書中，亞理斯多德嘗試以哲學及臆測的方式解釋大氣中的現象。儘管許多臆測是錯誤的，但是有將近二百年之久，眾人深信他的說詞（Ahrens, 2012）。

事實上，早期的氣象學不是一門自然科學，一直要到氣象儀器的發明後始誕生，如16世紀末的溫度計（thermometer），西元1643年的壓力計（barometer）及1700s晚期的溼度計（hygrometer）等。此後藉助儀器的觀測，發展出以科學實驗及物理定律去解釋某些觀察到的天候現象，遂成為科學的一支。

到了十九世紀，更多精良的儀器問世。例如，1804年，人們首次用氣球收集大氣的溫度及溼度（到達7000 m高度）。在1843年發明電報機（telegraph），開啟了氣象觀測數據可常規性的傳送時代。1846年發明了轉杯風速計（cup anemometer），已經成為今日大多數氣象站測量風速的工具。而人們對風及風暴的移動也開始有更清楚的認知，並在1869年繪出簡略的天氣圖。

在1920年代，挪威氣象學家有系統的描述出氣團、鋒面的概念，奠定中緯度氣旋發展的理論。同樣在那時期，氣象人員第一次用氫氣球攜帶無線電探空儀（radiosonde）向地面傳回高度、溫度、氣壓及溼度等數據。到了1940年代，釋放探空氣球（sounding balloon）已成為全世界氣象站每日兩次的例行工作（間隔12小時），擴展了人們對大氣三度空間的了解。而兩次世界大戰中發明的軍用雷達（radar），日後也應用在降雨、下雪的追蹤上（Moran, et al., 2013）。

在二十世紀50年代之後，電腦高速運算能力突飛猛進，開啟了數值模式解析複雜大氣運動及天氣預測的里程碑。1960年4月1日第一顆氣象衛星泰洛斯-I （TIROS-I）發射升空，從此開啟太空氣象觀測的新紀元。

地球是太陽系中唯一有生命的行星，而所有生命的原動力是源自於太陽的輻射能量。雖然地球的大氣向外太空延伸數百公里之遙，但是從外太空鳥瞰，這層保護地球的外衣卻薄的像香瓜皮（圖1-1）。

1.1　大氣的成分

表1-1列出大氣的成分，以氮氣最多（78.08%），其次是氧氣（20.95%），二者合計99.03%，其餘為氬、氖、氦、氫、氙，這些氣體成分在0～80 km的海拔幾乎不變，稱之永久氣體（permanent gas）。成分微量且會變動的氣體，包括水氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化合物、氣懸膠（aerosol/浮游粒子或液滴）等，稱之變動氣體（v...

序

近年來民眾普遍關切大氣污染問題，大氣中的污染物，無論是氣相或粒狀，皆與氣象條件息息相關。行政院環境保護署長期監測數據顯示，空氣品質指數（AQI）呈季節性的變化，例如高雄市AQI在夏季最佳，到了秋、冬季明顯轉差，其他縣市亦雷同。甚至可以說，當地空氣品質的變動，三成與當地排放，七成與氣象因素有關，後者包括風速、風向、雨量、逆溫、日照量、大氣穩定度、高氣壓、低氣壓等。因此，以科學態度學習氣象，對非氣象科系特別是環境、生態、能源或其他相關領域的學生，格外具有意義。

有鑒於此，敝人自民國八十六年即在本校環境工程研究所開設氣象學課程，迄今已二十餘年。退休後亦曾在廣州華南理工大學環境與能源學院講授，本書即是編修歷年上課講義而成。由於環工、環科、生態、公安衛的學生在大專時期鮮少修習氣象學課程，因此講義內容參酌多本美國大專院校氣象科系的教科書，擇其精要講授、編撰，另輔以相關書籍或資料。這些教科書以地球的大氣揭開序幕，繼以天氣變化的源頭「太陽輻射」闡述發生在對流層的萬端氣象，包括天氣及氣候的規律及變化，並以局部及中大尺度的風場、大氣環流、氣團、鋒面、中緯度氣旋、雷雨、龍捲風、颱風、全球氣候等為重點，較少涉及微尺度的氣象。

空氣、水氣和熱量可謂是天氣的三要素。空氣水平運動生風，水受熱蒸發生成水氣，水氣上升後冷卻凝結成雲、霧，雲滴落下方有雨、雪。這些現象均彰顯，水的熱力特性和空氣的運動機制，在天氣中扮演關鍵作用。

本書旨在有系統介紹天氣現象發生的基本機制、演變及消長過程，並闡述大氣穩定度、大氣邊界層和其他氣象因素與空氣品質的關聯，然而並未包括天氣預測及氣候變遷等議題。有些內容應用熱力學及流體力學原理作解說，以達到「知其然，亦知所以然」的目的，並可奠定進階修習的基礎。

本書適合一般大專院校氣象學課程的教科書或參考書籍，倉促付梓，錯誤難免，尚期各方專家、賢達不吝指正，是為幸甚！本書的插圖皆由管琪芬助理精心製作，本人衷心感謝！

序

近年來民眾普遍關切大氣污染問題，大氣中的污染物，無論是氣相或粒狀，皆與氣象條件息息相關。行政院環境保護署長期監測數據顯示，空氣品質指數（AQI）呈季節性的變化，例如高雄市AQI在夏季最佳，到了秋、冬季明顯轉差，其他縣市亦雷同。甚至可以說，當地空氣品質的變動，三成與當地排放，七成與氣象因素有關，後者包括風速、風向、雨量、逆溫、日照量、大氣穩定度、高氣壓、低氣壓等。因此，以科學態度學習氣象，對非氣象科系特別是環境、生態、能源或其他相關領域的學生，格外具有意義。

有鑒於此，敝人自民國八十六年即在本校環境...

序
第一章　地球的大氣
1.1　大氣的成分
1.2　大氣的垂直結構
1.3　大氣的演化
1.4　天氣及氣候
1.5　氣象學簡史
第二章　溫暖地球及大氣的能量
2.1　基礎熱力學回顧
2.2　熱傳遞機制
2.3　太陽及地球的輻射
2.4　太陽輻射的衰減
2.5　全球的能量平衡
2.6　溫室效應
第三章　季節、日照量及日常溫度
3.1　季節變化的原因
3.2　影響日照量的因素
3.3　近地面日常溫度的變化
3.4　風寒及溼度效應
第四章　大氣水分
4.1　飽和水氣壓
4.2　溼空氣及溼度
4.3　水滴的飽和水氣壓
4.4　溫度、溼度與露點
4.5　溼度、緯度與高度
4.6　乾溼計
4.7　改變溼度的方法
第五章　凝結：露、霜、霧及雲
5.1　凝結核
5.2　露和霜
5.3　霧和霾
5.4　雲及雲的分類
5.5　雲形成原因
5.6　對流雲底高度估算
5.7　雲底高及雲量觀測
5.8　衛星觀測
第六章　大氣穩定度及雲的發展
6.1　乾絕熱及溼絕熱直減率
6.2　大氣穩定度
6.3　穩定與不穩定的空氣
6.4　熱浮力判斷大氣穩定度
6.5　動態穩定度
6.6　雲的發展
6.7　絕熱圖及高空分析
第七章　降水：雨及雪
7.1　降雨及降雪過程
7.2　人造雨
7.3　降水量測
第八章　大氣運動：氣壓、力及風
8.1　地面及高空氣壓圖
8.2　力與運動方程式
8.3　高空風
8.4　近地面風
8.5　熱力風
8.6　大氣運動的分類
8.7　風力及風向
第九章　大氣邊界層
9.1　概述
9.2　大氣邊界層的結構及演變
9.3　高氣壓及低氣壓的影響
9.4　高氣壓及低氣壓的天氣
第十章　全球大氣環流
10.1　大氣環流的形成及模式
10.2　實際氣壓場及風場
10.3　隨季節變動的氣壓帶及風帶
10.4　南北半球中緯度的高空均為西風
10.5　對流層頂噴流
10.6　大氣與海洋的交互作用
第十一章　局部及區域風場
11.1　局部風
11.2　季風
11.3　沙漠風
11.4　沙塵暴
第十二章　氣團、鋒面及東亞沿岸概況
12.1　氣團
12.2　鋒面
12.3　東亞沿岸的氣團及鋒面
12.4　移動性高氣壓及週期性天氣變化
12.5　梅雨
第十三章　中緯度氣旋
13.1　極鋒理論
13.2　壓力系統的空間結構
13.3　溫壓場配置對氣旋與反氣旋發展的影響
13.4　高空長波及高空氣流的角色
13.5　渦度運動學的解說
13.6　阻塞系統
13.7　極性低壓
第十四章　雷雨及龍捲風
14.1　普通雷雨
14.2　劇烈雷雨
14.3　紅色小精靈及藍色噴流
14.4　龍捲風
第十五章　颱風及颶風
15.1　概述
15.2　颱風的結構
15.3　颱風的熱力及動力特性
15.4　颱風的形成及發展
15.5　東亞地區颱風的行進路線
15.6　颱風與中緯度氣旋的比較
第十六章　全球氣候
16.1　氣候形成因素
16.2　全球氣候帶劃分法
16.3　潤溼熱帶氣候
16.4　乾燥氣候
16.5　溫帶氣候
16.6　寒冷氣候
16.7　極地氣候
16.8　高地氣候
第十七章　空氣污染氣象學
17-1　影響空氣品質的氣象因素
17.2　其他因素
參考資料
附錄1　標準大氣
附錄2　公制單位
附錄3　天氣符號
附錄4　索引－中文
附錄5　索引－英文縮寫

序
第一章　地球的大氣
1.1　大氣的成分
1.2　大氣的垂直結構
1.3　大氣的演化
1.4　天氣及氣候
1.5　氣象學簡史
第二章　溫暖地球及大氣的能量
2.1　基礎熱力學回顧
2.2　熱傳遞機制
2.3　太陽及地球的輻射
2.4　太陽輻射的衰減
2.5　全球的能量平衡
2.6　溫室效應
第三章　季節、日照量及日常溫度
3.1　季節變化的原因
3.2　影響日照量的因素
3.3　近地面日常溫度的變化
3.4　風寒及溼度效應
第四章　大氣水分
4.1　飽和水氣壓
4.2　溼空氣及溼度
4.3　水滴的飽和水氣壓
4.4　溫度、溼度與露點
4.5　溼度...