大氣測計學概要　申論題歷屆試題與參考架構

參考架構・破題

大氣觀測儀器的靜態與動態特性是評估觀測品質與選用儀器的核心依據。本題應依序針對題示五大基本特性，分別闡述其物理定義、實務表現及在氣象量測中的重要性。

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參考架構・破題

本題為大氣風場向量分解與垂直風切強度的標準計算題。考生須熟練掌握氣象風向定義（風之來向）、風場正交分量（u、v）的三角函數轉換公式，以及層間垂直風切的計算方法與物理單位。

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露點溫度與濕球溫度為大氣濕度量測中兩個基本但熱力學機制完全不同的物理量。答題核心在於區分兩者的物理定義、相變過程（等壓冷卻達到飽和與等壓蒸發冷卻達到熱平衡），並說明其數值大小關係與造成差異的熱力學原因。

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參考架構・破題

雲底高度是大氣觀測與飛航氣象的核心觀測要素。本題評量目視觀測的幾何與經驗估算法，以及現代遙測儀器（主動式雷射或雷達遙測）精確測量雲底高度之原理與實務應用。

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參考架構・破題

氣象雷達方程式是描述發射電磁波能量、雷達系統硬體特性、傳播距離與降水粒子散射特徵之間定量關係的物理基礎。本題應完整列出氣象雷達方程式，並逐一剖析各參數的物理意涵。

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反應時間是大氣感測器動態特性的核心指標，描述儀器感測元件對外在環境階梯狀劇變的響應速度。本題需從一階線性系統微分方程式出發，推導並定義反應時間（時間常數），並精確計算響應達到百分之九十時所需之觀測時間。

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逆溫層是大氣邊界層與對流層中強烈熱力穩定結構，對動量垂直傳遞與氣流動力學具關鍵阻隔效應。本題需從流體動力學與熱力學兩大面向，深入解析逆溫層伴隨垂直風切的力學機制，以及整層空氣大尺度下沉絕熱增溫形成沉降逆溫的過程。

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參考架構・破題

雷達反射率因子（Z）與其對數單位（dBZ）是氣象雷達定量評估降水粒子大小與降雨強度的核心指標。本題應詳細闡述瑞利散射條件下 Z 值的物理數學定義、常用工程單位，推導 dBZ 轉換關係，並剖析負 dBZ 值的氣象物理意義。

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參考架構・破題

雙偏極化雷達的比差傳播相位差（Kdp）是由於扁平雨滴造成水平與垂直極化波傳播速度差異所引起的相位變化率。本題評量雷達波長對雙偏極化參數的影響，核心在於比較 S 波段與 C 波段在相同降雨條件下 Kdp 數值大小的差異及其背後的電磁散射與傳播機制。

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參考架構・破題

過衝雲頂是劇烈深對流雲系內部強烈上升氣流衝破平衡高度與對流層頂的直觀熱動力現象。本題要求解析其大氣浮力與慣性衝頂之動力機制，並依序歸納在可見光、紅外線及水氣衛星雲圖上的典型特徵。

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參考架構・破題

氣象都卜勒雷達所測得之徑向速度本質上是降水粒子相對於雷達天線的視線速度。答題核心在於剖析降水粒子在流場中受空氣拖曳、自身重力終端降落速度的交互作用，進而說明如何從粒子運動反演實際環境三維空氣風場。

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參考架構・破題

雨滴譜儀是量測地面降水微物理特性（雨滴大小分佈與數量）的專用儀器。本題需介紹主流雨滴譜儀之量測原理，並從雷達微波散射理論出發，深入闡述雨滴粒徑分佈（DSD）與雷達反射率因子（Z）之間的六次方物理關係。

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參考架構・破題

傾斗式雨量儀是地面氣象自動測站最普遍採用的降水計量儀器。儘管機構單純且穩定，但受機械翻轉時間、幾何設計及環境物理因素限制，仍存在固有之系統性與儀器性誤差。本題應全面剖析其內部機制與外部環境所引發之量測偏差。

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參考架構・破題

大氣觀測依感測器與被測目標大氣之物理接觸關係，可嚴格區分為原位觀測（In-situ Observation）與遙測（Remote Sensing）兩大體系。本題評量 In-situ 觀測之科學定義，並逐一精準判別題示五項氣象儀器之歸屬與判斷依據。

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露點溫度是大氣絕對水氣含量的重要熱力學表徵，而相對濕度則反映空氣接近飽和的百分比狀態。本題要求明確界定露點溫度的物理條件，並透過飽和水氣壓方程式推導由氣溫與露點求取相對濕度的標準計算流程。

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參考架構・破題

地面氣溫觀測是氣候監測與天氣分析最基本的常規作業。本題涵蓋標準百葉箱或輻射通風罩內的感測過程、日統計極值與平均值的計算規範，以及引發局地與區域氣溫升高的自然與人為非溫室氣體熱力因子。

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參考架構・破題

地面反照率是控制地表能量平衡與輻射收支的核心無因次參數。本題應從輻射物理學切入給出嚴謹數學定義，進而系統性說明利用地面雙日射計（反照率計）及衛星遙測觀測地表反照率之儀器設計、量測幾何與校正流程。

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參考架構・破題

探空儀高空風場量測歷經由地面定向測角至星載衛星自主導航的技術躍升。本題評量無線電經緯儀/雷達三角定位法與現代全球導航衛星系統（GPS）定位法在高空測風之物理原理、系統架構、量測精確度與作業限制之異同比較。

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參考架構・破題

氣象雷達定量降水估計（QPE）是將大氣中微波後向散射回波訊號轉化為地面降水率並積分為累積降雨量的核心技術。答題應完整呈現從雷達反射率因子（Z）與雙偏極化參數觀測、微物理反演關係式建立，到地表雜波濾除與地面雨量計校準的完整推導與作業流程。

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參考架構・破題

氣象都卜勒雷達利用脈衝都卜勒效應偵測降水粒子相對於雷達的移動速度，是辨識中小尺度旋渦、低空急流與強風切的核心工具。本題要求闡明都卜勒頻移與相位差測速原理，並針對雷達東南方逆時針旋轉氣旋之幾何投影進行精確的徑向速度偶極分佈分析。

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參考架構・破題

本題測驗大氣溼度基本物理量之定義、特性差異以及露點之直接觀測儀器原理。答題應精準區分熱力學絕對量與相對量之不同，並詳述冷鏡式露點儀等直接量測技術與光電回饋運作機制。

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參考架構・破題

本題測驗熱力學探空圖之熱力過程判讀，核心在於未飽和空氣塊在抬升降溫達到抬升凝結高度前後的相變過程，以及高空水氣凝結降水脫離空氣塊後，下沉絕熱壓縮的不可逆熱力差異。

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參考架構・破題

本題測驗光學遙測中都卜勒雷射雷達之工作原理特性，及其在大氣邊界層及自由大氣風場觀測上的物理與環境限制。

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參考架構・破題

本題測驗衛星氣象學中深對流積雨雲砧狀雲外觀幾何形態與高空環境風切變、高層動力輻散場結構之內在物理連結。

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參考架構・破題

本題測驗氣象觀測自動化現代化之標準規格，分項說明溫度、溼度、風、降雨、氣壓五大基本要素之現場觀測儀器、查核儀器、解析度及標準法定單位。

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參考架構・破題

本題測驗降水觀測之設站環境標準、誤差物理來源及世界氣象組織（WMO）針對降水捕捉誤差之評估與防護改善對策。

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參考架構・破題

本題測驗不同觀測載台（地面綜觀站、移動氣象塔、高空探空儀）之氣壓感測元件安裝位置，以及消除動態風壓（白努利效應）與溫度擾動之物理考量。

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參考架構・破題

本題測驗高空測風氣球之空氣動力學平衡原理，解析氣球垂直上升過程中的受力機制（浮力、重力、流體阻力），並探討真實大氣中非等速上升之環境物理與幾何變形因素。

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參考架構・破題

本題測驗大氣光學現象之觀測分類學，要求掌握日暈、日華與虹三者在地面氣象觀測規範中之標準天氣符號、微物理光學成因以及觀測時在視角、色序與伴隨雲種之分辨方法。

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參考架構・破題

全臺整合雷達回波圖是把多座地面都卜勒天氣雷達的體積掃描資料，經品質控制後內插到同一個直角座標網格，再依合成規則拼接而成的二維產品。作答要寫出「資料來源→品管→座標轉換→合成→顯示」的流程，再談雷達觀測本身的限制。

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參考架構・破題

雷達電磁波在大氣中的路徑取決於折射率隨高度的變化。槽化（導管）是折射率隨高度遞減得非常快，使波束彎曲曲率大於地球曲率，被侷限在某一層內傳播的「超折射極端情形」。作答先由折射率定義談四種傳播型態，再談有利的大氣條件。

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逆溫是溫度隨高度增加的穩定層。沉降逆溫與鋒面逆溫成因不同，在探空圖上最好的辨識方法是比較逆溫層內露點的變化：沉降逆溫上方乾燥、溫度露點差拉大；鋒面逆溫上方是暖濕空氣，溫度露點差小甚至接近飽和。

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太陽輻射主要集中在可見光與近紅外線，通過大氣時會因氣體吸收、分子與氣膠散射、雲的反射與吸收而減弱，減弱程度又與路徑長度（太陽天頂角）有關。答題以「吸收、散射、反射、路徑」四類組織，並用比爾—朗伯定律統整。

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歐拉法是在固定位置量測流經該點的空氣速度，描述「場」隨時間的變化；拉格朗日法是追蹤某一空氣塊或隨氣流漂移的標示物，由其位置隨時間的變化求風。作答先講兩種描述法的物理意義，再各舉儀器實例並比較優缺點。

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螺旋槳式風速計利用風吹動與風向平行的螺旋槳旋轉，轉速與沿軸風速分量成正比，再由尾翼使螺旋槳對準風向，同時量得風向與風速。誤差來源可分為儀器動態特性、幾何響應、機械與環境、架設曝露四類。

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參考架構・破題

不相同。理論上升速度是假設氣球在靜止、均勻大氣中，淨浮力（自由舉力）與空氣阻力平衡時的終端速度；實際大氣有垂直運動、亂流，氣球本身又會膨脹、漏氣、受潮，因此實際上升速度會偏離理論值，並造成以時間推算高度的測風誤差。

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參考架構・破題

三者都可能遮蔽天空並帶來降水，地面目視觀測主要依雲底高度、雲體外形與垂直發展、透光程度（能否看到太陽月亮）、降水型態、有無雷電來區分，並可輔以雲幕儀、雷達與衛星資料。

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參考架構・破題

3.7／3.9 微米屬短波紅外線頻道，白天同時收到地表或雲反射的太陽輻射與本身熱輻射，夜間只有熱輻射；10.8～12 微米長波紅外線窗區則只有熱輻射。再加上普朗克函數在短波段對溫度更敏感、雲滴在兩頻道的放射率不同，使兩者在溫度探測上表現差異明顯。

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比相位差 KDP 是水平與垂直偏極化電磁波傳播相位差 ΦDP 沿距離的變化率（度／公里），反映路徑上扁平雨滴的含水量；由於它是相位量而非功率量，用於定量降雨估計具有不受衰減與校準影響的優勢，但在弱降雨時雜訊大、解析度較差。

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參考架構・破題

不論船上或陸上，雨量觀測都要讓承雨口保持水平、曝露良好、減少風場擾動與濺入蒸發等損失；陸地的挑戰主要是障礙物與風造成的捕捉損失，船舶則多了船體搖晃、船體結構擾流、海浪飛沫與相對風速等問題。因此船上宜選用不受傾斜與振動影響的雨量計，並裝在高處、上風側、遠離煙囪的位置。

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參考架構・破題

雷達量到的是回波反射率因子 Z，並非雨量。要變成定量降水估計（QPE），須經品質控制、各項修正、選取最接近地面的有效資料、以 Z-R 或偏極化參數關係轉成降雨率、多雷達合成、雨量站校正，最後時間累積成各時段雨量產品。

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參考架構・破題

GPS 原為導航定位系統，但其無線電訊號穿過大氣時會受折射而延遲，這個「誤差」反而成為大氣資訊來源。作答時舉出兩種成熟應用，各自說明原理、取得的氣象量與優點即可。

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參考架構・破題

日照時數是「時間」量，短波輻射是「能量」量，兩者都源自太陽輻射但物理意義不同；連結兩者的關鍵在於 WMO 對日照的定義是以「直接輻射」門檻來判定，因此需要直接輻射（及散射輻射）觀測來補足。

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參考架構・破題

兩者都是充填氫氣或氦氣的橡膠氣球，但用途不同：測風氣球（pilot balloon）只靠追蹤其位移求高空風，探空氣球則要攜帶探空儀上升至平流層。作答依「特色比較→保存→使用」三段展開。

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參考架構・破題

雷達量的是空中取樣體積內的回波，雨量計量的是地面點雨量，Z-R 關係式除了雨滴粒徑分布（DSD）變異外，還有雷達硬體、波束傳播、取樣幾何與降水相態等誤差來源。作答宜分類列出不確定性，再一一對應解決方法。

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參考架構・破題

三種方法都靠追蹤氣球位置隨時間的變化求高空風，精度差異的關鍵在於「氣球高度與距離是假設的還是量測的」以及「追蹤是否受天氣與幾何限制」。

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參考架構・破題

測站選址的原則是「讓觀測值能代表要描述的對象」：綜觀站代表大範圍天氣、氣候站重在長期均一不變、農業氣象站則要代表農作物實際生長環境。依三種站的目的分述其選址條件。

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參考架構・破題

乾濕球法利用濕球蒸發冷卻：空氣越乾，蒸發越旺、乾濕球溫差越大，由溫差可算出水汽壓。但蒸發速率受通風與輻射影響，阿斯曼通風乾濕計以強制通風與防輻射設計把這些干擾控制住，使乾濕計常數穩定，因而成為標準儀器。

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參考架構・破題

蒸發量是水由液態轉為氣態進入大氣的量，器測蒸發量受儀器尺寸、材質、架設方式影響很大，與實際大水體或地表蒸發存在差距，需以蒸發皿係數修正。本題依小題作答，第三小題是重點。

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參考架構・破題

雨量計的觀測值普遍低於真實降水，WMO 將誤差分為系統誤差與隨機誤差，其中以風場造成的捕捉損失最大，固態降水（雪）尤其嚴重。作答先分類列出誤差來源，再給各項大致比例並說明修正方式。

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參考架構・破題

目視盛行能見度代表觀測者看到的整個地平圈狀況，儀器 MOR 則是單點、連續、客觀的消光量測；兩者原理與代表範圍不同，實務上要互補並注意彼此差異。

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參考架構・破題

這些名詞構成氣象儀器的「量測追溯鏈」：從最高等級的原級標準，一層層比對傳遞到各測站實際使用的儀器，確保全世界觀測資料可比、可追溯到國際單位制（SI）。依定義逐一說明，再串成追溯關係。

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參考架構・破題

向日葵 8 號是日本氣象廳的新一代地球同步氣象衛星，搭載先進成像儀，在頻道數、空間解析度與觀測頻率上大幅超越前代 MTSAT 系列。作答先講新衛星特色，再以表格式對照兩者異同。

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參考架構・破題

雷達量到的是回波功率換算出的反射因子 Z＝ΣND⁶，降雨率 R 則與雨滴體積和落速有關（約正比於 D³·v(D)）。兩者都由雨滴粒徑分布（DSD）決定，但次方不同，所以 Z→R 一定要對雨滴分布與散射條件做假設，或另外取得觀測來校正。

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選用儀器的核心是「量得準、量得到、反應得及、用得久」：先界定觀測目的與所需精度，再從儀器的靜態特性、動態特性與實務條件逐一評估。可引用世界氣象組織（WMO）氣象儀器與觀測方法指南（CIMO Guide）對儀器特性的要求作為依據。

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虹吸式雨量儀是利用浮筒隨集水上升帶動記錄筆，達到容器上限時以虹吸作用自動排空，能連續記錄降雨量與降雨強度隨時間的變化，屬自記式雨量計。

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天氣現象觀測是觀測員對「當時與過去一段時間發生了什麼天氣」的綜合判定，涵蓋各種大氣水象、塵象、光象、電象，補足儀器只能量物理量、無法描述現象型態的缺口；傳統上以目視、耳聽為主，再依規定編碼。

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三種雲圖都來自氣象衛星的被動遙測，差別在於使用的波段與呈現方式：可見光看反射的太陽光，紅外線看物體自身放射的熱輻射（亮度溫度），色調強化則是把紅外線亮度溫度分段上色，以突顯特定溫度範圍的雲頂。

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無線電探空儀隨氣球上升，量測氣壓（或以 GPS 求高度）、溫度、相對溼度並追蹤位置得風；斜溫圖則需要每一層的氣壓、溫度與露點，因此要把原始量測經換算（溼度→露點、靜力方程→高度）才能繪製。誤差則來自感應器、環境與追蹤技術。

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露點與溼球溫度都是表示空氣含水程度的溫度，差別在「冷卻方式」：露點是水氣含量不變下等壓冷卻至飽和；溼球溫度是靠水分蒸發冷卻、同時增加水氣至飽和。因此一般狀況下 T ≥ Tw ≥ Td，飽和時三者相等。

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氣象站以最高溫度表與最低溫度表記錄一段時間內的極值，兩支溫度表利用特殊構造「留住」極值，讀數後必須「復度」（重設）到當時氣溫，才能記錄下一時段，因此觀測時間、讀數順序與復度手法都會影響資料正確性。

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空盒氣壓計以抽成近真空的金屬空盒感受氣壓，氣壓變化使空盒膜面伸縮，經槓桿放大帶動指針或記錄筆。它輕便耐震，但屬間接量測，必須訂正儀器誤差與溫度影響，並視用途做高度（海平面）訂正。

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斜溫圖上有等溫線、等壓線、乾絕熱線、溼絕熱線與等飽和混合比線。位溫、溼球溫度與相當溫度都可由「沿某條絕熱線移動到某一氣壓再讀溫度」的圖解法求得，關鍵是先用溫度與露點定出舉升凝結高度（LCL）。

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三種雷達是逐步演進的關係：傳統雷達只量回波強度；都卜勒雷達再利用頻率（相位）變化量取徑向速度；雙偏極化雷達同時發射接收水平與垂直偏振波，取得粒子形狀與相態資訊。觀測項目越多，對降水與風場的分析能力越強。

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兩種衛星的差別源於軌道：地球同步衛星位於赤道上空約 35,800 公里，與地球自轉同步，能連續監看同一區域；繞極衛星位於數百至約一千公里的低軌道，經過南北極附近，隨地球自轉逐軌掃過全球。兩者互補。

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本題考自動測報系統（自動氣象站）各觀測要素的感測規格。作答先說明「量測範圍、解析度、精確度」三個名詞的定義，再依要素逐項列出規格，最好用表格式條列，讓閱卷者一眼看到完整性。

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霧、霾、煙都是使能見度降低的大氣視程障礙現象，差別在於組成粒子（水滴或乾性微粒）、相對濕度與成因。作答須分別寫出定義、判別條件與天氣符號，並做比較。

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參考架構・破題

雨量筒周圍的障礙物會改變氣流、造成雨滴偏移或遮蔽，使雨量量測偏低或偏高。WMO 以「障礙物與雨量筒的距離相對於其高度（或以仰角表示）」來分級設置環境。作答先說明遮蔽影響原理，再列出分級內容。

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參考架構・破題

雷暴發生需要不穩定大氣、充足水汽與舉升機制。氣象單位藉探空觀測取得溫濕垂直剖面，計算各種穩定度指數來評估對流潛勢；第二小題則說明不穩定度與雷暴生成、強度之間的物理關聯。

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參考架構・破題

本題要從雨滴粒徑分布推導降雨率的物理意義：降雨率是單位時間通過單位面積的雨水體積，由各粒徑雨滴的數量、體積與落速積分而成。再延伸到氣象雷達以回波估計雨量（Z-R 關係）的應用與誤差議題。

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