天氣學 申論題歷屆試題與參考架構
高考三級，民國 102～115 年共 14 份試卷、72 題，其中 71 題附參考答題架構。考這一科的類科：氣象。本頁列出歷年全部題目，參考架構只列開頭的「破題」，完整的答題架構、關鍵字與作答提醒請到站內查看。
115 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
在與外圍環境沒有熱量交換的情況下，空氣塊隨著氣流從迎風面近地表處爬升，到某一高度開始飽和凝結，伴隨雲的發展並有降水，之後空氣塊隨著氣流爬升，翻過山頂，並在背風面下降。說明此空氣塊在爬山與過山沉降過程中，位溫、露點、混合比、水氣壓、相對濕度的變化並說明其原因。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題探討空氣塊越山過程中的熱力學變化與焚風形成機制，核心在於區分迎風面未飽和乾絕熱抬升、飽和濕絕熱降水（假絕熱過程），以及背風面未飽和乾絕熱沉降三個階段，並系統性推導位溫、露點、混合比、水氣壓及相對濕度的物理量轉變。
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- 2
蒙古高壓與太平洋高壓都會影響臺灣的天氣，試述這兩種高壓的垂直結構與逆溫層特性之差異。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題旨在比較影響臺灣天氣的兩大高壓系統之本質差異。蒙古高壓為熱力驅動的淺薄冷性高壓，以低層輻射逆溫為特徵；太平洋高壓則為動力驅動的深厚暖性高壓，以中低層沉降逆溫為核心特徵，兩者在生成機制、垂直結構與天氣效應上截然不同。
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- 3
鋒區附近除了明顯的溫度與風的變化之外，也經常伴隨明顯之雲雨發展與降水。試述主要決定鋒面上雲雨型態與強度之物理機制以及其影響因子。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
鋒面雲雨的形成是由斜壓大氣中的動力量迫（非地轉次級環流、鋒生作用）與熱力不穩定（水氣輸送、條件不穩定度釋放）共同決定。答題應從基本動力方程出發，系統性闡述決定鋒面降水形態（對流性或層狀）與降水強度的關鍵物理機制及其環境影響因子。
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- 4
噴流之出現不僅風速變大，而且也會伴隨強烈之風切，對天氣之演變或對流之發展會有很大之影響。比較說明極鋒噴流、副熱帶噴流、東風噴流等三種噴流之特性與形成之機制。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
高空噴流（急流）是大氣環流中動量與能量傳輸的高度集中帶。極鋒噴流、副熱帶噴流與東風噴流在發生緯度、高度、季節性、動力維持機制（熱力風平衡與角動量守恆）及伴隨之天氣系統上存在顯著差異，需綜合動力學原理進行對比。
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- 5
對流可用位能（CAPE）可以用來判斷對流發展的可能性以及對流之特性。一般清晨的探空，易有近地面之逆溫層存在。試述有那些過程或作用可以減少對流抑制（CIN convection inhibition）或增加對流可用位能以增加對流之機會？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題探討大氣熱力條件從清晨逆溫穩定態轉化為午後強對流的物理途徑。核心在於分析大氣熱力與動力過程如何降低對流抑制能量（CIN）以打破逆溫層，並如何改變大氣層結以擴大對流可用位能（CAPE），從而促進深對流爆發。
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114 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
靜力穩定度對於溫帶氣旋的旋生過程有重要影響，假設大氣低層增暖而高層冷卻的情況之下，靜力穩定度大小會如何變化？並利用 Petterssen 方程來說明此變化是否有利於旋生？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題探討大氣熱力層結對溫帶氣旋發生的動力調控作用。大氣低層增暖而高層冷卻會導致環境溫度直減率變陡、靜力穩定度減小；利用彼得森（Petterssen）地面旋生方程分析，可證明靜力穩定度降低將大幅減弱上升運動造成的絕熱冷卻抵消效應，顯著有利於地面氣旋的生成與加深。
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- 2
假設中緯度某地的探空觀測資料顯示在近地面層為南風，850-hPa 氣壓層高度為東南風，而 700-hPa 氣壓層高度轉成東風。試問在熱力風原理與準地轉趨勢方程的理論下，此風向隨高度的轉變所隱含的意義為何？而對於 500-hPa 氣壓層槽線強度的影響為何？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題運用熱力風原理與準地轉傾向方程（趨勢方程），分析中緯度風向隨高度逆時針轉變的熱力平流意義，並推導低層冷平流對對流層中層五百百帕槽線發展與加深的動力機制。
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- 3
對於二維（x-z）不可壓縮的流體而言，假設大氣邊界層的厚度為 500 公尺且盛行著西風，在邊界層 A 點量測到風速為 10 m s-1，B 點位於 A 點的正東邊 10 公里處，所量測到的風速為 5 m s-1，試依據這些資訊並利用運動學法來計算邊界層頂的垂直速度大小。 （20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題運用大氣動力學中的運動學法，依據二維不可壓縮流體之連續方程式，透過邊界層內水平風速的空間梯度計算水平輻散度，進而垂直積分求解邊界層頂的垂直速度大小。
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- 4
試述下列專有名詞或現象：（每小題 5 分，共 20 分）
（一）熱帶氣旋外圍雨帶
（二）窄冷鋒雨帶
（三）對流不穩定
（四）熱力渦度
（20 分）
參考架構・破題
本題考核四個天氣學核心專有名詞，涵蓋熱帶對流系統、中緯度鋒面中尺度結構、大氣熱力不穩定度指標及動力渦度理論。答題應精準給出物理定義、生成機制及其伴隨之重要天氣特徵。
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- 5
當颱風靠近或登陸臺灣時，常會造成局部致災豪雨，請說明為何臺灣陸地的降雨分布與颱風路徑密切相關。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
臺灣地狹山高，南北縱走的中央山脈平均高度超過兩千公尺，對大氣氣流形成強大的動力屏障。颱風環流為非對稱的氣旋式旋轉風場，颱風中心路徑的微小偏差會導致臺灣各地迎風面與背風面徹底對調，進而主導降雨分布與致災熱區。
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113 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
臺灣地區於五、六月時經常有中尺度對流系統（Mesoscale Convective System, MCS）發生，伴隨著閃電、雷擊、強陣風、及豪大雨等劇烈天氣現象。MCS 的降水區域，可以分為對流（Convective）降水區域與層狀（Stratiform）降水區域兩類。請就雷達回波特徵、空氣垂直速度之垂直結構、主要雲微物理過程、及水平風場輻散度之垂直結構等，說明 MCS 的對流降水區域與層狀降水區域之差異為何？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
中尺度對流系統（MCS）為臺灣梅雨季強降水與劇烈天氣的核心製造者。MCS 內部成熟時通常由對流降水區與層狀降水區共同構成，兩者在雷達特徵、垂直運動、雲微物理轉化及水平散度結構上展現出鮮明對比的動力與熱力配置。
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- 2
天氣現象包含各種空間尺度（由奈米到行星尺度）與時間尺度（由微秒到幾萬年），還有複雜的非線性交互作，所以可預報度（predictability）往 往 是 有 限 的 。 可 預 報 度 可 以 分 為 「 本 質 可 預 報 度 」（ intrinsic predictability）與「實際可預報度」 （practical predictability）兩種，請說明這兩種可預報度的差異？並說明我們可以用那些方法來估計「本質可預報度」？應用人工智慧（Artificial Intelligence, AI）技術，可以延長那種可預報度及其原因為何？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
大氣系統具有高度非線性與多尺度交互作用的混沌特性，使得天氣預報存在不可逾越的理論邊界。本題剖析本質與實際可預報度的核心區別、本質可預報度的科學估計途徑，並闡明人工智慧技術延展實際可預報度的物理與計算機制。
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- 3
何謂囚錮鋒（occluded front）？因為囚錮鋒兩側氣團的來源不同，可分成暖鋒囚錮（warm-type occlusion）與冷鋒囚錮（cold-type occlusion）兩類。請畫出這兩類囚錮鋒的典型垂直結構與水平結構為何？在臺灣所處的東亞地區，那一類囚錮鋒較多並說明其原因？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
囚錮鋒是溫帶氣旋演化至成熟衰退階段的重要產物。由於氣旋後方冷空氣與前方冷空氣的熱力性質與密度差異，分為冷鋒囚錮與暖鋒囚錮。答題需詳述其三維空間結構特徵，並結合東亞地理環境論證東亞地區冷鋒囚錮占絕對優勢的成因。
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- 4
請說明氣團的定義為何？說明 Bergeron 提出的三種主要的氣團分類方式為何？夏季影響臺灣天氣的主要氣團為何（需寫出其英文代碼）？在這氣團影響下，臺灣的天氣變化為何？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
氣團是宏觀天氣分析的基本單元。本題涵蓋氣團之嚴謹物理定義、挪威學派貝傑龍（Bergeron）提出的三維度分類體系，以及夏季主導臺灣天氣的海洋熱帶與海洋赤道氣團之特性與其引發的天氣變化歷程。
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- 5
近年來許多侵臺颱風如燦樹（2021）颱風、杜蘇芮（2023）颱風及卡努（2023）颱風等，在其生命期中都經歷過眼牆置換（eyewall replacement）過程，皆呈現過雙眼牆（double eyewalls）的結構特徵。請畫出在軸對稱的條件下，雙眼牆颱風（double-eyewall typhoon）的典型垂直結構，其中包含颱風眼、內／舊眼牆、外／新眼牆、雨帶、垂直速度及徑向速度等次環流特徵。並請說明次環流應如何變化，使得外／新眼牆可以取代內／舊眼牆，以完成整個眼牆置換過程。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
強烈熱帶氣旋生命期中常經歷同心雙眼牆與眼牆置換週期（ERC），造成強度與結構的劇烈脈動。答題應在軸對稱架構下建立雙眼牆次級環流物理模型，並以角動量傳輸阻斷、護城河下沉抑制與外眼牆向內收縮為核心，闡釋外眼牆取代內眼牆的完整置換機制。
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112 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
副熱帶高壓與南亞高壓都會影響臺灣的天氣，說明這兩種高壓的生成機制與特性之差異。（20分）
（20 分）
參考架構・破題
副熱帶高壓與南亞高壓是主導夏季東亞與臺灣天氣的兩大高壓巨擘。兩者在形成本質上展現出動力強迫與熱力強迫的根本區別，垂直結構分別為對流層中低層深厚暖高壓與對流層高層南亞暖高壓，對臺灣天氣帶來截然不同的調控效應。
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- 2
如果A與B探空所量測到之對流可用位能（CAPE）大約相同，而且CAPE值不小，垂直之分布也類似。A探空850 hPa至300 hPa之中層大氣較潮濕，但B探空之中層大氣較乾燥。假設C與D探空所量測到之對流可用位能（CAPE）大約相同，而且CAPE值不小，C探空的CAPE集中在850 hPa至350 hPa，D探空的CAPE則均勻分布在850 hPa至200 hPa之間。說明A與B兩個探空發生對流時之特性差異；並說明C與D兩個探空發生對流時之特性差異。（20分）
（20 分）
參考架構・破題
對流風暴的發展形態不僅受對流可用位能（CAPE）總量的約束，更強烈取決於環境濕度剖面（捲入效應）以及 CAPE 在垂直方向上的幾何分布形態（浮力加速度與垂直延伸度）。答題應分別針對濕度差異與浮力垂直分布差異進行深入動力診斷。
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- 3
什麼是等變壓風（isallobaric wind）？等變壓風如何造成地轉偏差風（ageostrophic wind）？梅雨季西南氣流之天氣型態，如何產生等變壓風？等變壓風如何增強低層噴流？（20分）
（20 分）
參考架構・破題
等變壓風是壓力場局地時間變化所引發的大氣非平衡響應，本質為地轉偏差風的局地時間加速度分量。在梅雨季西南氣流中，中尺度對流系統潛熱釋放製造強烈局地減壓，激發指向減壓區的等變壓風，並透過科氏力偏轉與正反饋機制顯著增強低層噴流。
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- 4
逆溫發生時對大氣穩定度有很大影響，說明輻射逆溫、鋒面逆溫與沉降逆溫發生時的探空特徵與伴隨之天氣條件。（20分）
（20 分）
參考架構・破題
逆溫是大氣垂直溫度遞減率的反常現象，逆溫層內極大的靜力穩定度會徹底封鎖大氣垂直對流與擴散。本題系統性梳理輻射逆溫、鋒面逆溫與沉降逆溫在探空曲線上的特徵形態、大氣邊界條件及伴隨之典型天氣現象。
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- 5
鋒生方程式可以表示如下：d d u v w ( y ) ( ) ( x y z ) dt y dt y y y A B C D其中 是位溫，而 x 、 y 、 z 分別代表位溫對x、y、z的微分，u、v、w是風速的三個分量。說明此方程式之物理意義及右邊這幾項如何影響鋒生。（20分）
（20 分）
參考架構・破題
此式是二維（y 方向）的拉格朗日鋒生函數：左邊 d(θy)/dt 表示跟著空氣塊移動時，南北向位溫梯度隨時間的變化。北半球冷空氣在北，θy＜0，若 |θy| 隨時間增大即為鋒生（d(θy)/dt＜0），反之為鋒消。作答要逐項說明 A～D 四項的物理過程與正負號判斷。
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111 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
在熱帶氣旋發展與增強的過程中，羅士比變形半徑（）是一個重要的參數，試回答以下問題：（每小題 10 分，共 20 分）
（一）試說明羅士比變形半徑的定義及其物理意義。
（二）試說明羅士比變形半徑的重要性及其如何影響熱帶氣旋的發展？
（20 分）
參考架構・破題
羅士比變形半徑 L_R 是旋轉效應與層結（重力）效應同等重要的水平尺度。熱帶氣旋的發展取決於加熱能否被「留住」形成平衡的暖心渦旋，而這正由加熱尺度與 L_R 的相對大小決定。
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- 2
觀測顯示，北半球中緯度高層（高對流層）鋒面南側的暖區具有較高的對流層頂與較冷的低平流層，而高層鋒面北側的冷區則相反，具有低對流層頂與較暖的低平流層。試說明造成此種鋒面兩側，在對流層與低平流層冷、暖區域反轉配置的主要原因為何？（10 分）
（10 分）
參考架構・破題
中緯度高層鋒面與急流區兩側，在對流層與低平流層出現冷暖配置奇異反轉（南側對流層暖但平流層冷；北側對流層冷但平流層暖）。此現象是高空急流熱力風平衡約束、南北半球大尺度對流層頂高度階躍，以及高層鋒生次級環流動力垂直運動三者共同作用的必然物理結果。
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- 3
何謂阻塞（blocking）？試說明之。又在氣候上，北半球的阻塞較常發生在冬季的西歐與東北太平洋一帶，試說明這些季節與地點的有利條件為何？（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
本題測驗中高緯度大尺度環流異常與動力維持機制。作答應先精確定義阻塞高壓之時間尺度與空間特徵，隨後結合大尺度地形動力強迫、海陸熱力對比及天氣尺度渦旋與平均流交互作用，系統性論述冬季西歐與東北太平洋好發阻塞的有利物理條件。
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- 4
試回答下列關於正壓、斜壓及相當正壓大氣的問題：
（一）試分別定義何謂正壓大氣與斜壓大氣？（5 分）
（二）試說明在正壓、斜壓及相當正壓大氣中，地轉風與熱力風之間的關係有何差異？（5 分）
（三）試繪圖簡要說明，為何斜壓大氣會產生力管環流？（10 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題聚焦大氣熱力與動力狀態的經典分類及其環流效應。作答應以狀態方程式切入定義正壓與斜壓，再由熱力風關係式剖析三種大氣狀態下地轉風與熱力風的幾何與物理關聯，最後運用力管項與環流定理，輔以垂直剖面架構說明斜壓力管環流的驅動機制。
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- 5
大氣之垂直速度一般無直接觀測而需間接求取，而運動學法（kinematic method）為一常用方法。設採用 p 座標，試說明：（每小題 10 分，共 20 分）
（一）運動學法之原理與基本方法為何？
（二）試討論運動學法之優缺點及修正誤差之方法為何？
（20 分）
參考架構・破題
本題探討天氣分析中推算大氣垂直速度的經典運動學方法。作答應以氣壓坐標系之連續方程式切入闡述其質量守恆物理基礎與垂直積分程序，進而分析風場觀測誤差對散度計算的敏感性，並深入說明消除累積誤差的邊界修正技術。
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- 6
試回答下列有關鋒面之問題：
（一）試繪垂直剖面圖，說明冷鋒囚錮的結構及此現象如何發生？（5 分）
（二）觀測中所見之鋒面，隨高度向上均向冷空氣側傾斜。試說明造成此現象的理由有那些？又為何鋒面常在低層與高層較強，而在中對流層則較弱？（10 分）
（15 分）
參考架構・破題
本題測驗溫帶氣旋鋒面演變結構與鋒面動力學核心特徵。作答應以冷鋒移動快於暖鋒之經典機制繪析冷鋒囚錮結構，並結合流體靜力平衡、熱力風關係論證鋒面向冷區傾斜的力學必然性，最後從邊界層形變、對流層頂折疊與垂直運動反饋解釋鋒面垂直強度的三層分佈。
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110 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
說明高空噴流入區與出區的地轉偏差風、二次環流以及輻合、輻散區的分布，解釋其成因，並說明其對天氣的影響。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題測驗高空急流噴流核之非地轉動力學與天氣影響。作答應依序從氣塊加速度激發地轉偏差風的力學平衡切入，推導急流出入區四象限之散度場與橫向次級環流，並具體連結其對地面氣旋生成、垂直運動及天氣現象之調控作用。
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- 2
說明什麼是 Petterssen 發展方程。該方程顯示控制低層旋生的機制有 A和 B 兩種類型。說明此兩種類型之旋生機制。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題測驗溫帶氣旋旋生理論中的經典診斷工具——佩特森（Petterssen）發展方程式及其旋生分類。作答應先闡明該方程結合非輻散層渦度與厚度熱力強迫之推導原理，接著清晰對比自下而上發展的A型旋生與由高空強迫驅動的B型旋生機制。
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- 3
熱帶氣旋在形成過程中，需要從溫暖的洋面吸收大量的潛熱與可感熱，說明低層強風會引起那些負回饋作用，影響熱帶氣旋之生成與發展？（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題測驗熱帶氣旋發展過程中的海氣交互作用與非線性限制機制。熱帶氣旋雖藉由強風引發表面熱通量交換獲得正回饋，但低層強風同時會在海表激發顯著的海洋冷卻、摩擦耗散、飛沫蒸發及乾空氣捲入等負回饋，構成限制氣旋無限發展的自然屏障。
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- 4
比較影響臺灣之冬季鋒面和梅雨鋒面特性的差異，並論述影響鋒面斜率的因素有那些。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題測驗影響臺灣之兩大關鍵過境鋒面系統的氣候動力差異，以及鋒面斜率的經典動力學控制機制。作答應以多維度指標對比冬季冷鋒與梅雨鋒面的氣團特性、動力風切與降水機制，隨後以馬古列斯（Margules）公式為骨幹深入剖析決定鋒面傾斜角度的各項動力與熱力因子。
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- 5
下圖為北半球冬季某時刻，上對流層之氣流線（細黑色實線）及鋒面（粗黑色虛線，附近有噴流）示意圖。今有三個小空氣塊，A 在暖區，B 和C 在冷區。請以水平投影及垂直剖面圖，分別描繪這三個小氣塊之移動路徑應為何？要說明其理由。圖中 I 及 II 分別代表本層之槽後與槽前的區域。試以渦度方程來論述這兩個區域之輻散度分布。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
上對流層西風帶有槽脊波動，鋒面（等位溫面密集帶）隨波動起伏且振幅大於流線。空氣塊在絕熱下沿等位溫面運動，風速快於波動移速，穿越槽脊時會升降。再以渦度方程說明槽後（I）輻合、槽前（II）輻散。
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109 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
請試述下列名詞之意涵：（每小題5分，共15分）
（一）乾絕熱中性（dry neutral）
（二）過冷水（supercooled water）
（三）動力對流層頂（dynamical tropopause）
（15 分）
- 2
試繪圖表示熱力風向量與地轉溫度平流之間的關係，並說明之。（10分）
（10 分）
參考架構・破題
熱力風是兩層地轉風之差，其方向平行於厚度線（平均溫度線）、北半球冷區在左；由地轉風隨高度的轉向即可判斷冷暖平流。本題重點在畫圖並說清楚順轉與逆轉的意義。
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- 3
試回答下列有關鋒面（front）的問題：
（一）鋒面為何向上向冷區傾斜？（5分）
（二）位於中緯度高對流層的鋒面，有那些常見機制，可造成高層鋒面鋒生，而令其生成或增強？（10分）
（三）高對流層之典型冷鋒，若延伸至平流層內，其性質與結構會有那些主要改變？試繪垂直剖面圖說明，並解釋造成這些變化的主要物理原因為何？（10分）
（四）試述何謂對流層頂折疊（tropopause folding）？而此現象與高層鋒面鋒生之間的關係為何？（5分）
（30 分）
- 4
試回答下列關於中緯度斜壓波的問題：
（一）試說明發展中之中緯度斜壓系統，其高層與低層波動具有何種垂直結構特徵？（5分）
（二）承上小題，試繪垂直剖面圖並由垂直次環流的能量轉換觀點，討論為何此種結構會導致斜壓波的發展？（10分）
（三）若僅考慮高層的影響，試討論當西風噴流條移至高層脊的頂部時，其所伴隨的輻合／輻散分布為何？（10分）
（25 分）
- 5
試回答下列有關溫帶氣旋與熱帶氣旋之比較問題：
（一）請就外觀、垂直結構、發展環境、能量來源、尺度大小等面向，說明此兩類天氣系統之異同。（10分）
（二）試由非絕熱準地轉重力位傾向方程（diabatic QG tendency equation）的觀念，說明此兩者發展方式的異同，以及各為那一項（或那些項）為主要的貢獻項？（10分）
（20 分）
參考架構・破題
溫帶氣旋為斜壓系統，靠水平溫度梯度的有效位能發展；熱帶氣旋為暖心正壓系統，靠海洋潛熱釋放。由準地轉重力位傾向方程看，前者主要靠渦度平流與差異溫度平流，後者主要靠差異非絕熱加熱。
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108 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
中緯度地區經常有溫帶氣旋（Extratropical cyclone）發生發展，伴隨冷暖 鋒 面 帶 來 顯 著 天 氣 。 試 利 用 準 地 轉 位 渦 方 程 （ Quasi-Geostrophic Potential Vorticity Equation）說明溫帶氣旋的發展過程。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
以位渦思考（PV thinking）說明溫帶氣旋：準地轉位渦在絕熱無摩擦下沿地轉風守恆，且具可逆性；高層位渦異常與地面溫度（邊界位渦）異常相互誘發、相位鎖定，即為氣旋發展。
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- 2
臺灣在春末夏初經常有豪大雨及強陣風劇烈天氣現象的發生。這些現象和中尺度對流系統（Mesoscale Convective Systems, MCSs）有關。（每小題 10 分，共 20 分）
（一）試說明有利中尺度對流系統發生的大氣環境條件有那些？
（二）試說明發生特大豪雨和發生特強陣風的中尺度對流系統兩者間的基本差異。
（20 分）
參考架構・破題
中尺度對流系統的生成需水氣、不穩定、舉升三要素，組織化則與垂直風切有關；豪雨型與強風型的差別在於系統的移動與停滯、降水效率，以及中層乾空氣與下衝流強度。
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- 3
臺灣夏季除了颱風天氣的影響外，午後雷暴（afternoon thunderstorm）是最顯著的天氣現象。而午後雷暴的發生常和局部環流（local circulation）有密切關聯。試說明臺灣夏季盛行的局部環流有那些，其形成的原因以及結構特徵為何？（20 分）
（20 分）
- 4
近年來中央氣象局在全臺布設多部雙偏極化雷達（Polarimetric radar），其目的是為了提升並改善對於颱風豪雨天氣系統的監測與預報準確度。試說明雙偏極化雷達的探測原理，以及如何改善對劇烈天氣的監測與預報能力。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
雙偏極化雷達同時發射並接收水平與垂直偏振電磁波，藉由兩個方向回波的差異得知降水粒子的形狀、相態與大小分布，克服傳統單偏極化雷達只靠回波強度估算降雨與判斷粒子的限制。
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- 5
近年來颱風路徑預報有長足的進步，但是強度的預報卻仍然有很大的改進空間。試說明造成此種現象的可能原因。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
颱風路徑主要由大尺度駛流決定，數值模式對大尺度場掌握已大幅改善；強度卻取決於內核小尺度對流、海洋與環境多重交互作用，觀測不足、模式解析度與物理參數化限制，使預報進步有限。
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107 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
試說明下列各氣象名詞的意義（試輔以數學表示式或圖示協助說明） ：（每小題 5 分，共 20 分）
（一）對流不穩定（convective instability）
（二）風切變形（shearing deformation）
（三）熱力渦度（thermal vorticity）
（四）絕對角動量（absolute angular momentum）
（20 分）
- 2
試回答下列有關鋒面（front）的問題：
（一）鋒面的定義為何？（5 分）
（二）鋒面可分為活躍鋒與不活躍鋒，試問此兩者如何區分？（5 分）dz f T Δu g
（三）已知控制鋒面斜率之「馬古列斯」 （Margules）公式可表為： tan φ = ≈ ( ) dy g ΔT試說明式中各參數，並應用此式，比較典型中緯度冬季冷鋒與臺灣梅雨季滯留鋒面的特徵與斜率差異為何？（5 分）
（四）觀測所見之中緯度地面鋒面，其鋒面特徵可集中於一極窄之窄帶。試由鋒生與地轉調整觀點，說明導致此鋒面窄化之原因與過程為何？（10 分）
（25 分）
參考架構・破題
鋒面是兩氣團間溫度（密度）梯度集中的過渡帶；依鋒面上暖空氣升降分為活躍與不活躍鋒；Margules 公式說明鋒面斜率由溫差與風切決定；地面鋒面極窄則由鋒生過程中非地轉次環流的正回饋解釋。
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- 3
試回答下列關於等熵位渦（isentropic potential vorticity）之問題：
（一）何謂等熵位渦？試寫出其數學式並加以說明。 （5 分）
（二）試應用等熵位渦的平流概念並繪圖說明，中緯度西風帶內長波向西移行之機制為何？（5 分）
（三）試由等熵位渦之觀點，繪圖解釋（說明）中緯度溫帶氣旋的自我發展過程。 （10 分）
（20 分）
參考架構・破題
等熵位渦（IPV）結合絕對渦度與靜力穩定度，在絕熱無摩擦下守恆且具可逆性，是解釋羅士培波傳播與溫帶氣旋發展的核心工具。作答先寫定義式，再用「PV 平流」與「PV 異常誘生環流」兩個概念串起後兩小題。
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- 4
試回答下列有關絕對渦度守恆（conservation of absolute vorticity）與其應用之問題：
（一）何謂絕對渦度守恆？（5 分）
（二）大氣的垂直速度一般並無直接觀測而需要間接求取。試應用絕對渦度守恆概念，推導出求取氣壓坐標中垂直速度（ω = dp/dt）的方法為何？（10 分）
（三）請說明上述方法之優缺點，及其在使用上的限制為何？（5 分）
（20 分）
參考架構・破題
絕對渦度守恆是正壓、水平無輻散大氣的渦度方程特例；把實際渦度變化與守恆值的差歸因於輻散，再用連續方程向上積分，即可間接求得 ω，此即運動學法中的渦度法。
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- 5
何謂爆發性旋生？試比較此類旋生與一般溫帶氣旋在發生區域（北半球）、季節、結構特徵、以及在旋生過程上的主要差異為何？（15 分）
（15 分）
106 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
K指數定義為 (T850 − T500 ) + (Td 850 ) − (T − Td ) 700 ，試說明每一項的意義和採用此項的物理原因。再者，說明如何應用K指數於天氣診斷分析及應用K指數之優缺點。（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
K 指數以三個層次的溫度與露點組合，同時反映中低層溫度直減率、低層水氣與中層水氣，是常用的雷雨（氣團雷雨）潛勢指標。作答逐項解釋物理意義，再談應用與優缺點。
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- 2
試說明正壓數值模式所預報之槽線移速的系統性誤差，並說明原因。（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
正壓（無輻散）模式只考慮絕對渦度平流，其羅士培波相速公式顯示長波會過度向西退行，造成槽線移速的系統性誤差。作答由理論波速切入，說明誤差方向、原因與改進方式。
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- 3
試說明氣團的三種分類方式與代碼，並指出何者為冬季影響臺灣的主要氣團？在此氣團影響下，影響臺灣天氣變化的主要因素為何？試說明其中之原因。（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
氣團分類以源地緯度、源地地表性質及氣團與下墊面的冷暖關係三種方式組合代碼；臺灣冬季主要受變性的大陸極地氣團影響，天氣變化取決於氣團在海上的變性與臺灣地形。
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- 4
說明何謂 CLIPER 和其重要應用，其與 MOS（Model Output Statistics）有何關係？試說明之。（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
CLIPER 是氣候持續法統計預報，主要作為颱風路徑與強度預報技術的基準；MOS 則以數值模式輸出作為統計預報因子。兩者同屬統計預報，關係在於 CLIPER 是評估 MOS 及各種模式技術的參考基準，且可與模式資料結合成統計動力方法。
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- 5
臺灣地區冬季鋒面伴隨的雲系常位在鋒後，但梅雨季之鋒面上和鋒前則易有雲雨現象出現，說明造成此差異之原因。此外，梅雨鋒前可能出現線狀對流系統而導致強降水，說明此線狀對流系統出現的重要環境條件和原因。（20 分）
（20 分）
- 6
成熟熱帶氣旋的最重要結構特徵是中心的眼，試以圖示說明眼的結構特徵，並論述眼的形成在熱帶氣旋發展過程中所扮演的角色。（20 分）
（20 分）
105 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
試回答下列有關動力不穩定的問題：
（一）何謂慣性不穩定（inertial instability）？其條件為何？（5 分）
（二）何謂正壓不穩定（barotropic instability）？其條件為何？（10 分）
（三）何謂斜壓不穩定（baroclinic instability）並繪南北向垂直剖面圖說明？又，試簡述其為何存在一最大不穩定波長、及其在冬季中緯度的大略數值為何？（10 分）
（25 分）
參考架構・破題
動力不穩定依能量來源分為三類：慣性不穩定來自水平方向的慣性擾動、正壓不穩定取自基本流的水平風切動能、斜壓不穩定取自垂直風切所對應的有效位能。作答逐一寫出定義與判別條件，最後說明最大不穩定波長。
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- 2
已知 Q 向量形式之準地轉（quasi-geostrophic, QG）omega 方程可寫為：2 ∂ 2 r r (σ ∇ + f 0 ) ω = −2∇ ⋅ Q 而 Q = Q1 ˆi + Q2 ˆj ∂p 2 R ⎡ ∂u g ∂T ∂v g ∂T ⎤且已知 Q1 之定義為： Q1 = − + p ⎢⎣ ∂x ∂x ∂x ∂y ⎥⎦其中，σ = −α (dln θ /dp)= R(Γ − γ )/p 為靜力穩定度參數，而 Γ 與 γ 分別為 p 坐標中之氣塊絕熱率與環境溫度垂直變率，其餘符號均一般慣用者。
（一）試寫出 Q2 之定義為何？（5 分）
（二）試應用 Q 向量形式之 QG omega 方程，繪圖簡要討論北半球中緯度低層高低壓波列所伴隨垂直運動之分布形式為何？（10 分）
（三）試簡要說明 Q 向量形式之 QG omega 方程，較傳統之 QG omega 方程有那些優點？（5 分）
（20 分）
參考架構・破題
Q 向量把傳統 QG omega 方程中渦度平流與溫度平流兩個強迫項合為單一項，Q 向量輻合處上升、輻散處下沉，且可從單層資料直接判讀。作答先補完 Q2，再以低層高低壓波列繪圖討論，最後比較優點。
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- 3
試回答下列關於厄特爾位渦（Ertel’s potential vorticity）之問題：
（一）試寫出厄特爾位渦之定義為何？（5 分）
（二）試應用此定義，說明低對流層的正位溫擾動，將伴隨何種風場擾動？（5 分）
（三）試說明在天氣學上，厄特爾位渦的重要特性與應用有那些？（10 分）
（20 分）
參考架構・破題
厄特爾位渦結合三維絕對渦度與位溫梯度，在絕熱無摩擦下守恆，並具可逆性：已知位渦分布與邊界位溫，即可在平衡條件下反推風場與溫度場，是現代天氣學的核心診斷量。
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- 4
解釋下列各氣象名詞：（每小題 5 分，共 20 分）
（一）氣團（air mass）
（二）逸入作用（entrainment）
（三）自我抑制（self-limiting）
（四）眼牆置換（eye-wall replacement）
（20 分）
- 5
何謂風徑圖（hodograph）？又，試討論風徑圖在天氣分析與預報上（含劇烈天氣）有那些重要應用？（15 分）
（15 分）
參考架構・破題
風徑圖是把探空各高度的風向量起點置於同一原點、連接各向量終點所得的曲線，本質上是垂直風切的圖示；作答要先講畫法，再分「熱力平流診斷」「對流型態與劇烈天氣」兩大應用。
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104 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
（一）說明何謂即時預報（nowcasting），並說明其重要性與常採用的預報方法（需說明其中之原因）。（10 分）
（二）說明何謂風徑圖（hodograph），並說明如何應用風徑圖進行天氣診斷分析。（10 分）
（20 分）
- 2
以斜溫圖為例，說明圖上的面積可用以代表能量（含正能區與負能區的意義），並說明正、負能區與對流的出現及對流的強弱間之關係。（20 分）
（20 分）
- 3
令 y 軸指向鋒生過程後的冷區，則鋒生方程可寫成：d ⎛ ∂θ ⎞ − ∂ ⎛ dQ ⎞ ⎛ ∂u ⎞⎛ ∂θ ⎞ ⎛ ∂v ⎞⎛ ∂θ ⎞ ⎛ ∂w ⎞⎛ ∂θ ⎞ ⎜− ⎟= ⎜C ⋅ ⎟ + ⎜ ⎟⎜ ⎟ + ⎜ ⎟⎜ ⎟ + ⎜ ⎟⎜ ⎟ dt ⎝⎜ ∂y ⎟⎠ ∂y ⎝ dt ⎠ ⎜⎝ ∂y ⎟⎠⎝ ∂x ⎠ ⎜⎝ ∂y ⎠⎟⎝⎜ ∂y ⎠⎟ ⎜⎝ ∂y ⎠⎟⎝⎜ ∂p ⎟⎠說明上式中每一項的物理意義，並說明採用此方程之優缺點；此外指出何者常為導致冷鋒形成的過程，並探討冷鋒形成時所伴隨的次環流特徵及此次環流的作用。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題是二維鋒生函數（Petterssen 形式），以 −∂θ/∂y 的隨體變化為鋒生量；作答要逐項說明非絕熱、水平切變、匯合（伸展變形）、傾斜項，再談冷鋒形成主因與 Sawyer-Eliassen 次環流。
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- 4
圖示並說明一典型發展中溫帶氣旋之 1000 hPa（實線）與 500 hPa（虛線）等高線及 1000-500 hPa 等厚度線（點線）；利用所繪之圖，說明可導致旋生的重要機制，並說明何謂 Petterssen 旋生定則。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題要先畫出發展中溫帶氣旋的典型垂直結構（上層槽落後地面低壓、厚度脊在暖區），再由準地轉觀點說明渦度平流與溫度平流如何造成旋生，最後連結 Petterssen 旋生定則。
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- 5
詳細說明地球旋轉所導致的非線性作用、如何影響颱風之運動；此外，比較並說明駛流、颱風強度及颱風暴風半徑對颱風運動之影響程度。（20 分）
（20 分）
103 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
試回答下列有關熱力學第二定律之問題：何謂熱力學第二定律？寫出其數學式並說明。（10 分）試證明等熵過程亦為乾絕熱過程，其位溫( )為保守。（10 分）
（20 分）
- 2
大氣的穩定度與對流降雨的發生關係密切，試討論：有那些主要過程可使大氣的穩定度發生改變？（10 分）又以上各過程，對穩定度的作用為何（使其上升或下降）？（10 分）
（20 分）
- 3
臺灣梅雨季內，西部地區常發生豪（大）雨，但其位置有時位於內陸山區，而有時位於沿海平地，在預報上仍有一定的挑戰性。試討論：，而各機制作用下的主要發生位置為何？（10 分）弱綜觀（鋒面遠離且盛行氣流減弱）情況下，又有那些導致豪大雨發生之主要機制，而各機制作用下的主要發生位置為何？（10 分）
（20 分）
參考架構・破題
本題題目文字有缺漏，依前後文第一小題應為「強綜觀（鋒面與西南氣流影響）情況下」的豪雨機制與位置，第二小題為弱綜觀情況；作答以「綜觀強弱 → 機制 → 降雨落點」對照來寫。
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- 4
觀測中常見北半球中緯度地面（海平面）之移行性高氣壓系統，試討論：此類高壓系統多向東南方移動，試由準地轉理論觀點，討論有那些機制可促使其向東南方移動？（10 分）試述各類非絕熱作用（輻射、可感熱、潛熱）對此類高壓系統強度與移動之影響，並舉例說明。（10 分）
（20 分）
- 5
試回答下列有關颱風運動之問題：不考慮地形之作用下，試依重要性，列舉影響颱風運動之因素有那些？並分別說明其作用為何？（12 分）當颱風靠近臺灣時，試說明臺灣之中尺度高聳地形，可能對颱風運動產生那些影響？（8 分）
（20 分）
102 年（考試時間 120 分鐘） 原卷 PDF
- 1
何謂 MCL（Mixing Condensation Level）和 CCL（Convective Condensation Level），說明其重要意義；（10 分）並分別說明其在天氣診斷分析之重要性或應用價值。（10 分）
（20 分）
參考架構・破題
MCL 與 CCL 都是探空圖上的凝結高度，差別在於前者假設低層混合、後者假設地面加熱引起對流；作答先定義與求法，再說明其在雲底高度、對流預報與最高溫估計上的應用。
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- 2
試說明伴隨鋒生之次環流特徵，並就地轉調整觀點，說明此次環流所扮演之角色；（12 分）其次，就緯度變化，說明此調整過程之差異。（8 分）∂ζ 1
（20 分）
參考架構・破題
鋒生過程中，地轉變形場加強水平溫度梯度，破壞熱力風平衡，大氣必須以垂直於鋒面的非地轉次環流來恢復平衡；作答要把「鋒生→失衡→次環流→恢復平衡」這條因果鏈講清楚，再用羅士比變形半徑說明緯度差異。
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- 3
Petterssen 發展方程可寫為： = Aζ 500 − K∇ 2 ( AT + S + H ) ，此外 Petterssen 亦將旋∂t生分為 Type A 和 Type B 兩類；試利用上式，分別探討導致 A、B 兩類旋生之可能重要強迫機制（需分別說明式中各項的可能角色）。（20 分）
（20 分）
參考架構・破題
Petterssen 發展方程把地面（低層）渦度的局地變化拆成高層 500 hPa 渦度平流，以及厚度變化（溫度平流 AT、絕熱項 S、非絕熱加熱 H）的拉普拉斯項；Type A 與 Type B 的差別在於哪一項先主導旋生，作答要逐項解釋再對應兩類。
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- 4
熱帶地區低層大範圍輻合作用會形成尺度達數百公里之雲簇；在某些特定情況下，少數雲簇會發展成熱帶氣旋，但平均每兩個熱帶氣旋中即有超過一個可發展至颱風強度（最大風速 33 m/sec）。試說明有利熱帶氣旋形成的環境條件；（12 分）並就地轉調整觀點，說明為何熱帶氣旋有很高的機會可發展至颱風強度？（8 分）
（20 分）
參考架構・破題
熱帶氣旋生成需要熱力與動力條件同時具備，多數雲簇因條件不足而消散；但一旦形成具組織性的閉合環流，渦旋內慣性穩定度大增，有效變形半徑縮小，對流加熱轉為平衡風場的效率大幅提高，因此容易持續增強到颱風。
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- 5
說明如何利用以下資料發展預報技術以預報臺灣各主要都市未來的天氣，並說明採用此預報技術的原因；（10 分）此外說明此預報技術之優點、應用時應注意之處及此預報技術的極限。（10 分）相關資料如下：
（一）一個穩定運作超過 5 年的三層巢狀網格數值天氣預報模式，網格解析度為 5、15和 45 公里。
（二）臺灣各主要都市過去 5 年的氣象觀測資料。
（20 分）
參考架構・破題
具有長期穩定運作的數值模式與多年在地觀測，最適合的就是模式輸出統計（MOS）：以模式預報值為預報因子、以都市測站觀測為預報對象建立統計關係，修正模式系統性偏差並把網格預報轉為站點預報。
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