Ch3 千變萬化的天氣

探究式學習學習講義

本講義的目的是引導你主動思考與科學推理，而非死記課本。請仔細閱讀每個情境與提示，動腦寫下答案！

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活動一：大氣的組成與結構

我們每天都呼吸著空氣，卻很少思考它的奧秘。讓我們從日常生活經驗出發，逐步探究大氣的真相。

Part A：大氣的組成

探究情境 A： 小明在露營時點燃營火。他發現燃燒需要周遭空氣；然而營火熄滅後，帳篷裡的空氣總量看起來似乎沒有減少。

Q1. 燃燒需要空氣中的哪種氣體？這種氣體約佔大氣總體積的多少比例？

Q2. 如果營火燃燒只消耗氧氣，為什麼帳篷裡的空氣「體積看起來幾乎沒有改變」？

提示：想想大氣中佔比最高的氣體是什麼？它大約佔多少比例？

Q3. 除了氮氣和氧氣外，大氣中還有微量但非常關鍵的氣體。請依據線索寫出它們的名稱：

• 線索 A：它的含量在 0~4% 之間隨時空劇烈變化，與雲雨等天氣現象最密切相關：

• 線索 B：它是植物光合作用的原料，近年因燃燒化石燃料增加，是溫室效應的主角：

• 線索 C：它多集中在平流層，能吸收紫外線，保護地表生物免受輻射傷害：

Q4. 上述三種氣體含量會隨時間和地點改變，統稱為「變動氣體」；相對地，氮氣和氧氣等比例長期穩定的氣體稱為。

Part B：大氣的垂直分層

探究情境 B： 當你搭乘民航客機前往國外時，飛機通常會攀升到約 10 公里的高空。此時飛行員常說高空「天氣非常穩定，幾乎沒有對流亂流」，但我們在地面上卻時常經歷風雨雷電。

Q5. 飛機飛行的區域和我們生活的區域，分別屬於大氣的哪一層？為什麼其中一層天氣多變，另一層卻晴朗無風？

提示：想想「對流」的意思——熱空氣上升、冷空氣下沉。這兩層的溫度隨高度變化如何？

Q6. 地表大氣的熱源主要來自「太陽輻射加熱地面、地表再釋放紅外線」。根據此線索，你能推測為什麼「對流層」內越高的地方溫度越低嗎？

Q7. 大氣依據溫度垂直變化共分為四層。請依據線索，由低到高（由地表往高空）依序整理下表：

大約高度範圍	溫度隨高度變化	重要天氣或物理特徵
0 ~ 10-12 km	隨高度增加而遞減	對流旺盛、水氣集中，所有天氣現象發生於此
10-12 ~ 50 km	隨高度增加而遞增	臭氧層集中在此，大氣穩定無雲，適合飛機航行
50 ~ 80-90 km	隨高度增加而遞減	大氣溫度最低的一層（層頂可達 -90°C）
80-90 km 以上	隨高度增加而遞增	空氣極稀薄，能吸收大量短波輻射，極光發生在此

Q8. 延伸思考：地觀觀測發現，赤道的對流層頂高度可達 17 公里，但極地卻只有約 8 公里。請用空氣受熱膨脹的原理推測其原因。

活動二：氣壓、風與天氣圖

風是我們天天感受到的自然現象，但風到底是怎麼來的？等壓線和高低壓又是如何決定風的強弱？

Part A：氣壓與風的基本概念

探究情境 C： 想像你打開一瓶氣泡汽水，瓶蓋扭開的瞬間，氣體會發出「嘶」的一聲從瓶內衝出瓶外。

Q1. 空氣與汽水中的氣體流動原理相同：它會從氣壓的地方流向氣壓的地方，這種空氣水平方向的流動就是。

Q2. 氣壓的科學定義是「單位面積上」。在氣象學上，氣壓的常用單位是百帕（hPa），一大氣壓約為 hPa。

Q3. 在相同高度下，一根「冷空氣柱」和一根「暖空氣柱」相比，冷空氣密度大還是暖空氣密度大？哪一個產生的地面氣壓會比較高？請簡述你的物理推理過程。

Q4. 生活應用：當我們搭快速電梯直達台北101觀景台，或者開車上高山時，耳朵常會產生悶脹、甚至稍微不舒服的感覺，這是為什麼？

Part B：繪製等壓線與高低壓中心

Q5. 等壓線動手畫：氣象局在天氣圖上會將同一時間各測站觀測到氣壓相同的地點用曲線連起來，稱為等壓線（相鄰間距通常為 4 百帕）。

請在下方畫布中，嘗試將數值相同的點連線，畫出 1008、1012、1016 三條等壓線（等壓線不可交叉），並在中心寫上高壓 (H) 或低壓 (L)。

[圖中參考位置：左上 1018 | 左下 1016 | 中央 1010 | 中央偏左 1014 | 右下 1006 ]

Q6. 觀察上述完成的等壓線圖：

(a) 氣壓數字差越多、等壓線越密集的地方，代表氣壓梯度越，此時吹的風速會越。

(b) 風吹的方向大致是從高壓區指向低壓區。依此原理，空氣會從哪裡吹向哪裡？。

Part C：認識天氣圖符號

Q7. 常見氣象系統符號配對與手繪：請在對應格子的畫布中畫出該系統在天氣圖上的代表符號。

天氣要素	物理意義說明	請用滑鼠/手指在下方畫出符號
高氣壓中心 (H)	等壓線閉合，氣壓向中心遞增的區域。
低氣壓中心 (L)	等壓線閉合，氣壓向中心遞減的區域。
冷鋒 (Cold Front)	冷空氣推向暖空氣的邊界。藍色三角形指向移動方向。
滯留鋒 (Stationary Front)	冷暖空氣勢力相當，鋒面在原地徘徊。紅藍相間符號。

Part D：高低氣壓的天氣型態

Q8. 高壓中心與天氣：請按照氣流運行邏輯，完成高氣壓下的天氣推理鏈：

高壓中心空氣向四周水平流出 → 高空上方空氣被迫進行補給 → 形成氣流 → 空氣下沉時壓縮，溫度 → 飽和水氣蒸發，水氣凝結成雲 → 地面天氣通常表現為。

Q9. 低壓中心與天氣：請依據上述相同邏輯，反向推理低氣壓下的降雨鏈：

低壓中心空氣在地面匯聚 → 受到擠壓被迫向高空 → 形成旺盛的氣流 → 隨著高度攀升，溫度 → 水氣過飽和，凝結成雲雨 → 容易產生天氣。

Part E：地球自轉與風向偏轉 (科氏力)

Q10. 在地球上，大範圍移動的空氣會受到自轉產生的「科氏力」影響。科氏力在北半球會使運動方向往偏，南半球往偏。請據此推理兩半球地面風向：

半球別	高氣壓 (地面輻散流出)	低氣壓 (地面輻合流入)
北半球	呈時鐘方向往外流出	呈時鐘方向向內旋入
南半球	呈時鐘方向往外流出	呈時鐘方向向內旋入

Q11. 請在下方畫布中，畫出【北半球地面】高壓與低壓中心的空氣偏轉流動方向（用箭頭表示流向）：

[ 請在左側畫出高壓輻散 H，右側畫出低壓輻合 L 的偏向氣流 ]

活動三：全球大氣環流 — Windy 探索

全球大氣並不只是混亂無序的吹風，而是有規律的行星環流。現在，讓我們用氣象探測利器 Windy，在線上親自觀察風的秘密！

Part A：Windy 地面風場觀測

觀測任務： 請打開 Windy.com（或其 App），選擇「風速/風向」圖層，並將地圖縮放到可以看到整個北半球的行星尺度。

Q1. 觀察赤道附近至副熱帶地區（0°N ~ 30°N）地面的風向，風力大致是從哪一個方位吹來？

Q2. 觀察中緯度地區（30°N ~ 60°N）的風，風向主要從哪一個方位吹向哪裡？

Part B：高空風場與噴射氣流

Q3. 在 Windy 右下角的高度滑桿中，將高度從「地面」向上切換到高空「250 hPa (約十公里高空)」。

(a) 與地面風相比，高空的風速明顯變。

(b) 在北半球中緯度高空，有一條呈東西向、風速極強的窄風帶，這被稱為。

Part C：行星三圈環流推理

Q4. 行星三圈環流是地球受熱不均與自轉偏向力共同作用的結果。請完成下列推理：

• 哈德里環流圈 (Hadley Cell)：赤道接受太陽輻射最多，空氣受熱密度變小而，在地面形成赤道壓帶。空氣至高空往北流動，在 30°N 附近受冷下沉，在地面形成副熱帶壓帶。下沉氣流向赤道回流，偏轉形成東北信風。
• 極地環流圈 (Polar Cell)：極地長年酷寒，空氣冷縮下沉，在地面形成極地高壓帶。空氣向南外流，偏轉形成。
• 費雷爾環流圈 (Ferrel Cell)：介於 30°N 與 60°N 之間，副熱帶高壓下沉氣流向北流動，偏轉形成中緯度。在 60°N 與極地冷空氣相遇並被抬升，形成地面極鋒（副極地低壓帶）。

Q5. 三圈環流示意圖手繪：請在下方畫布中，畫出北半球三圈環流剖面與地面風帶（標出赤道、30°N、60°N，以及 Hadley、Ferrel、Polar 環流圈的位置）：

活動四：氣團、鋒面與季風

大氣中性質相近的大範圍空氣稱為氣團，當兩股冷熱不同的軍隊（氣團）相遇時，交界處的天氣劇烈震盪，這就是鋒面。

Part A：氣團與鋒面的本質

Q1. 影響台灣與東亞天氣的兩大氣團性質各具特色。請完成下表的比較：

氣團名稱	溫度性質 (冷/暖)	濕度性質 (乾/濕)	主要發源地	主要影響台灣的季節
西伯利亞/蒙古氣團	冷	乾	西伯利亞陸地	冬季
太平洋氣團	暖	濕	太平洋洋面	夏季

Part B：冷鋒、暖鋒與滯留鋒的天氣變遷

Q2. 冷鋒過境：當移動快速的冷氣團推向暖氣團時，冷空氣密度大，會強行「切入」暖空氣下方，將其猛烈抬升，常伴隨狂風暴雨。請推理：

(a) 冷鋒過境「後」，地面的氣溫會。

(b) 冷鋒過境「後」，由於冷高壓推近，地面氣壓會。

Q3. 當冷暖氣團勢力旗鼓相當，鋒面在原定徘徊不前，會形成。台灣在每年五、六月面臨的，就是受到此鋒面帶來的連續性降雨影響。

Q4. 請在下方畫布中，繪製【冷鋒】與【暖鋒】的垂直剖面示意圖（標出冷氣團、暖氣團、鋒面坡度，以及哪一方氣流被抬升、降雨區的位置）：

[ 提示：冷鋒交界面較陡峭，降雨多在鋒後；暖鋒交界面較平緩，降雨多在鋒前 ]

Part C：台灣的季風與地形效應

Q5. 台灣冬天吹東北季風，夏天吹西南季風。冬天時，東北季風挾帶水氣撞上南北走向的中央山脈，這會導致台灣南北天氣有何劇烈差異？

活動五：颱風立體完全解析

颱風是熱帶洋面上形成的強烈低氣壓。為了全面理解颱風的結構，我們必須從三個不同的空間視角來進行解剖。

Part A：颱風的形成

Q1. 颱風是水氣凝結釋放「潛熱」作為燃料的熱帶氣旋，所以必須在海水溫度高於 26.5°C 的溫暖洋面才能存活。此外，颱風必須藉由科氏力引導空氣旋轉，因此附近（科氏力為零）不可能有颱風生成。

Part B：颱風三空間維度剖析

Q2. 【視角一：地面俯視圖】北半球颱風是一個逆時鐘向內旋入的低氣壓。

(a) 颱風最核心、風雨極微弱的無雲區稱為。

(b) 緊鄰眼區外圍，是積雨雲最厚、風雨最狂暴的螺旋狀雲牆，稱為。

Q3. 請在下方畫布中，畫出【颱風地面俯視圖】與【颱風垂直剖面圖】的氣流立體構造（標示旋入氣流、眼區的下沉氣流、眼牆的猛烈上升氣流，以及高空順時鐘流出氣流）：

活動六：台灣氣象災害偵探

台灣特殊的地理位置讓我們同時面臨多種氣象考驗。請結合本單元所學，探究天然災害的物理成因。

Q1. 災變天氣病理配對：請完成下表的成因分析：

災害名稱	主要發生季節	影響的天氣系統	主要氣象特徵與災害成因
梅雨	5 ~ 6 月	滯留鋒面	冷暖氣團交界面徘徊，帶來連續陰雨與局部豪雨，易釀淹水
寒害	12 ~ 3 月	強烈大陸冷高壓	西伯利亞冷空氣大舉南下，氣溫驟降至10°C以下，農漁業損失重
颱風	7 ~ 9 月	熱帶氣旋 (颱風)	強風、暴雨與海水倒灌（暴潮），在中南部山區引發嚴重地質災害

Q2. 大雨過後，山區極易引發土石流與山崩。請寫出大雨如何改變土石的物理性質（重量與摩擦力），進而觸發地質崩塌？

Q3. 反思題：台灣年降雨量高達 2500 毫米，是全球平均的三倍。但聯合國卻將台灣列為「全球缺水國家」之一，請至少列出兩個核心地理或氣候因素解釋這個矛盾。