4-1 大氣的運動 4-2 海水的運動 4-3 大氣與海洋的交互作用 第四章 大氣與海洋的變動 4-1 大氣的運動 4-2 海水的運動 4-3 大氣與海洋的交互作用 《時間分配》 本章共分4小節，教學需5小時，含實習活動1小時 《教材內容》 星球間的引力使地球每年繞行太陽一圈，地球每天還要自轉一周，四十多億年來沒有停過。不僅如此，地球上的物質無時無刻不在運動當中：風起雲湧的大氣、洋流周游的海洋、岩漿湧動的地函都時時刻刻在變動著。推動這些變動的能量分別是來自地球內部的熱能和太陽的輻射能。 本章介紹大氣與海水的運動，以及大氣與海洋的交互作用，這其中，水的循環扮演了重要的角色。 網路資源：中央氣象局全球資訊網

4-1 大氣的運動 飽和與相變 風 天氣系統 水的相變與天氣現象 飽和空氣與相對溼度 雲的形成 空氣的水平與垂直運動 高氣壓中心與低氣壓中心 天氣圖和雲圖上的天氣系統 氣團 鋒面 《教學建議》 本節可說是過去版本的基礎地科中，所有大氣科學部份的總整理。雖然學生以前學過，但是現在談的已經不只是表面的天氣現象，還要更進一步探究內在的起因與變化的過程。要在短短的一兩小時內，將這些看來與日常生活息息相關，但在學理卻不易理解的內容傳達給學生，需要更多的教學準備。 本節有一實作活動「溼度的觀測」，這不僅讓同學能動手操作，其實驗結果的應用與討論，更能讓他們在日常生活中體會到天氣現象的變化與溼度間密切的關係。 探討天氣變化的主角-水氣時，可用許多生活實例引導學生思考大氣中水氣如何變化及水氣含量的意義。在此節所提的飽和水氣壓對他們來說，只是熟悉「飽和」一詞，而未必深入瞭解飽和水氣壓隨溫度變動之概念，所以第一個重點便可放在飽和水氣壓隨溫度變化的曲線圖(圖4-3)，其次是相對溼度的概念。章後作業部分，提供習題讓同學復習飽和的概念並做簡易的計算。 討論大氣的運動時，可將其分成水平運動與垂直運動兩方面探討。在垂直運動方面則可延續水氣如何達飽和的概念發展，較深入去討論上升運動的種類及天氣變化情形。水平運動的部份，則可利用水壓高低造成水的流動之概念切入讓學生瞭解高、低氣壓的概念，並能清楚空氣輻合、輻散與氣壓之關係，也就是重點在於圖4-6。 本節的天氣系統只討論氣團與鋒面，颱風則在第六章天然災害討論。氣團與鋒面對學生是耳熟能詳，所有的名詞與符號都已經在國中學習過，在高中教學，可利用實例是地面天氣圖、衛星雲圖..等資料，讓學生將過去所學習的各類名詞應用在實際分析，而能將課本概念與日常現象做連結，這樣可能讓學生有較強的學習動機。在章後作業部分，也提供部分習題讓同學熟悉天氣圖與衛星雲圖之結合。 可至氣象局網站(http://www.cwb.gov.tw)蒐集各類氣象資訊，讓學生仿效新聞氣象主播做模擬預報或氣象分析，這樣亦可刺激學生學習。近幾年的大學學測自然科地科氣象試題也可發現有分析日常氣象資訊的趨勢，所以老師可能要多花時間準備各類氣象的資訊，如：地面天氣分析圖、衛星雲圖、雷達回波圖與雨量統計圖是比較基本的氣象資訊，尤其是有颱風、冷鋒、豪雨..等特殊天氣現象出現時，均可下載上述資訊作為課程補充資料。

水的相變與天氣現象 水蒸發為水氣時，會吸收熱量；當水氣凝結成水時，又將熱量釋放回大氣中。如此的反覆循環，伴隨熱量的全球輸送與分布，造成各式各樣的天氣與氣候 日常生活中經常可以看到大氣中的水氣凝結為水滴的現象，例如冷氣機滴水，走出冷氣房時眼鏡片上出現霧氣，清晨植物上出現露珠，甚至於結霜，都是水氣凝結的現象。隨著海拔高度的增加，水氣在不同的條件下凝結，形成不同高度的雲，例如卷雲是高雲，高積雲為中雲，層雲為低雲 《教材內容》 水在蒸發為水氣時，會吸收熱量；當水氣凝結成水時，又將熱量釋放回大氣中。如此的反覆循環，伴隨熱量的全球輸送與分布，造成各式各樣的天氣與氣候。 日常生活中經常可以看到大氣中的水氣凝結為水滴的現象，例如冷氣機滴水，走出冷氣房時眼鏡片上出現霧氣，清晨植物上出現露珠（圖4-1A），甚至於結霜（圖4-1B），都是水氣凝結的現象。隨著海拔高度的增加，水氣在不同的條件下凝結，形成不同高度的雲，例如卷雲是高雲（圖4-2A），高積雲為中雲（圖4-2B），層雲則為低雲（圖4-2C）。 圖4-1 圖4-2

飽和空氣與相對溼度 溼度―大氣中水氣的含量 飽和水氣壓―空氣飽和時的水氣壓力 相對溼度―實際的水氣壓與飽和水氣壓的比值 飽和水氣壓隨溫度上升而遞增 若空氣比較乾燥，水氣沒有飽和，水就容易蒸發到空氣中；若空氣達到飽和或過飽和，水氣就可能凝結成水滴 相對溼度―實際的水氣壓與飽和水氣壓的比值 通常以百分比(%)表示 水氣飽和時的相對溼度為100% 《教材內容》 大氣中水氣的含量稱為溼度。 定溫下，空氣中所能含有的最大水分子數量是固定的，此時水分子所具有的壓力就稱為飽和水氣壓。飽和水氣壓隨溫度上升而遞增（圖4-3）。若空氣比較乾燥，水氣沒有飽和，水就容易蒸發到空氣中；若空氣達到飽和或過飽和，水氣就可能會凝結成水滴。 日常生活常用相對溼度表示大氣中水氣的含量，也就是實際的水氣壓與飽和水氣壓的比值再乘以100%，即相對溼度=(實際水氣壓 / 飽和水氣壓)100%。所以水氣飽和時的相對溼度為100%。 圖4-3

雲的形成 空氣不是一達到飽和狀態就能凝結成水滴或冰晶，通常必須附著在地表物體上，或者空氣中的氣懸粒子上 大氣上升運動使水氣飽和凝結成雲 大氣中最常見的是由於氣溫變低，使水氣過飽和而凝結 由於氣壓隨高度而遞減，空氣只要向上運動，外界壓力變小，空氣即因膨脹而冷卻。如果達到飽和狀態，水氣就可能凝結而形成雲 地面加熱形成的對流作用、地形抬升、低層空氣輻合產生的推抬作用及鋒面抬升都是造成大氣上升的因素 《教材內容》 空氣中的水氣不是一達到飽和狀態就能凝結成水滴或冰晶，通常必須附著在地表物體上，或者空氣中的氣懸粒子上。因此，當地面附近相對溼度太大時，常常感覺地板是潮溼的。雲、霧是水氣在空氣中凝結成水滴或冰晶所造成的效果。 在大氣中有哪些狀況會造成水氣凝結呢？最常見的是由於氣溫變低，使水氣過飽和而凝結。由於氣壓隨高度而遞減，空氣只要向上運動，外界壓力變小，空氣即因膨脹而冷卻（圖4-4）。如果達到飽和狀態，水氣就可能凝結而形成雲。因此，大氣上升運動是水氣飽和凝結的重要原因。 地面加熱形成的對流作用（圖4-5A）、地形抬升（圖4-5B）、低層空氣輻合產生的推抬作用（圖4-5C，圖4-6）及鋒面抬升（圖4-5D）都是造成大氣上升的因素。 圖4-4 圖4-5

空氣的水平與垂直運動 風是空氣受外力而產生的流動，方向可以是水平或垂直 空氣的流動，通常水平流動遠大於垂直流動 日常的氣象觀測只測量空氣的水平運動，就是平常所說的風 垂直方向的氣壓由下往上遞減，因此下層空氣對上層空氣有一股推力。這個推力大致與重力互相平衡，所以一般大氣不太容易作劇烈的垂直運動 在雲的形成或劇烈天氣時，空氣的垂直流動便是很重要的條件 《短片內容》 空氣的對流運動(1分35秒) 公共電視自然公園認識大氣影片剪輯 《教材內容》 風是空氣受外力，例如氣壓梯度力而產生流動，方向可以是水平或垂直。一般而言，大氣的水平運動速度約每秒數公尺，遠大於約每秒數公分的垂直運動速度。日常的氣象觀測只測量空氣的水平運動，就是平常所說的風。但是劇烈天氣系統內空氣的垂直速度也很強，例如雷雨胞內的垂直速度甚至可達每秒數十公尺。 第三章曾介紹垂直方向的氣壓是由下往上遞減的（圖3-3），因此下層空氣對上層空氣有一股推力。在大氣中，這個推力大致與重力（也就是空氣的重量）互相平衡，所以一般大氣不太容易作劇烈的垂直運動。不過在雲的形成或劇烈天氣時，空氣的垂直流動便是很重要的條件。

高氣壓中心與低氣壓中心 氣流的流動雖因氣壓梯度所引起，但對於數千公里的高、低氣壓大尺度運動系統，其運動還受到地球自轉和地面摩擦作用的影響，接近地面的空氣流動方向並非垂直於等壓線，也不會平行於等壓線，而是與等壓線有一交角 在北半球，高氣壓中心空氣下沉，以順時針方向旋轉而輻散向外流出，多晴朗的天氣；低氣壓地區內的氣流以反時針方向旋轉而輻合向內流入，至中心附近開始上升，多成雲雨的天氣 《教材內容》 在同一高度的平面上，把氣壓相同的地方連線繪出，稱為等壓線。一些等壓線圍成一個氣壓數值相對較高的中心，就是高氣壓中心，反之則為低氣壓中心（圖4-6）。空氣會從氣壓高的地區向氣壓低的地區流動。 氣流的流動雖因氣壓梯度所引起，但對於數千公里的高、低氣壓大尺度運動系統，其運動還受到地球自轉和地面摩擦作用的影響，接近地面的空氣流動方向並非垂直於等壓線，也不會平行於等壓線，而是與等壓線有一交角。在北半球，高氣壓空氣下沉，以順時針方向旋轉而輻散向外流出；反之，低氣壓地區內的氣流以反時針方向旋轉而輻合向內流入，至中心附近開始上升（圖4-6）。低壓中心的空氣輻合上升成多雲雨的天氣，高氣壓中心空氣則輻散下沉為多晴朗的天氣。 圖4-6

天氣圖和雲圖上的天氣系統 天氣圖展現各種天氣系統，以92年7月22日8時的地面天氣圖為例，可看到兩個颱風，一個在菲律賓呂宋島東方，一個在海南島西方。圖中也有許多高氣壓中心（H）和低氣壓中心（L） 當天的衛星雲圖亦可看到這兩個颱風的螺旋雲系和沿著鋒面帶發展的其他雲系 《短片內容》 天氣預報流程(1分08秒) 公共電視自然公園氣象觀察影片剪輯 《教材內容》 天氣圖展現各種天氣系統，以民國92年7月22日8時的地面天氣圖為例（圖4-7A），可看到兩個颱風，一個在菲律賓呂宋島東方，一個在海南島西方。圖中也有許多高氣壓中心（藍色的H）和低氣壓中心（紅色的L）。 從當天的衛星雲圖（圖4-7B）亦可看到這兩個颱風的螺旋雲系和沿著鋒面帶發展的其他雲系。 圖4-7

氣團 氣團是溫度、溼度與密度相近而聚集在一起的一大團空氣，所盤據尺度可廣達數千公里 氣團的種類： 海洋上的氣團水氣含量較高而較潮溼 冬季高緯度大陸上的氣團較寒冷乾燥 當溫度與溼度不同的兩個氣團相遇時，並不會輕易地混合 《短片內容》 氣團與鋒面(3分46秒) 公共電視自然公園氣象觀察影片剪輯 《教材內容》 氣團是溫度、溼度與密度相近而聚集在一起的一大團空氣，所尺度可廣達數千公里。舉例言之，海洋上的氣團水氣含量較高而比較潮溼，高緯度大陸上的氣團則比較寒冷乾燥。 當溫度與溼度不同的兩個氣團相遇時，並不會輕易地混合。

鋒面 在氣團的交界面上會有垂直方向的空氣運動，產生濃密的雲層和降水，這個交界面稱為鋒面 鋒面有冷鋒、暖鋒、滯留鋒和囚錮鋒 冷鋒是冷空氣推著暖空氣前進的交界面，暖鋒則相反，是暖空氣前進、冷空氣後退 每年初秋到來年初春之間，常有冷鋒由西伯利亞、蒙古進入中國大陸西北地區，然後續繼南下，到達華南、臺灣 春末夏初，因冷暖氣團勢力相當，鋒面形成滯留或徘徊，暖空氣沿著鋒面上升，陰雨連綿。是為臺灣的「梅雨季」，這時的滯留鋒也被稱為梅雨鋒 《教材內容》 在氣團的交界面上會有垂直方向的空氣運動，產生濃密的雲層和降水，這個交界面稱為鋒面。 鋒面有一定的寬度，從數百公尺到數公里不等。常見的鋒面有冷鋒、暖鋒、滯留鋒和囚錮鋒（圖4-7A）。冷鋒是冷空氣推著暖空氣前進的交界面，暖鋒則正好相反，是暖空氣前進、冷空氣後退。每年初秋到來年初春之間，常有冷鋒由西伯利亞、蒙古進入中國大陸西北地區，然後續繼南下，到達華南、臺灣。有時冷鋒到達南部巴士海峽之後，後繼無力，停滯在巴士海峽附近，成為滯留鋒（圖4-8）。當冷鋒追及暖鋒會形成囚錮鋒。 春末夏初，大陸冷氣團南下，鋒面推進到臺灣附近時，常因大陸冷氣團和熱帶海洋氣團勢力相當，鋒面形成滯留或徘徊（圖4-9），暖空氣沿著鋒面上升，陰雨連綿。是為臺灣的「梅雨季」，這時的滯留鋒也被稱為梅雨鋒。 小百科：囚錮鋒 當冷鋒的移動速度較快，追及暖鋒後所形成的鋒面。 延伸閱讀 圖4-8 圖4-9

4-2 海水的運動 海流 波浪 潮汐 潮汐成因 潮汐相關名詞 潮汐的週期 潮間帶 《教學建議》 建議老師可播放『藍色星球第一輯』，其中有談論到洋流的熱輸送、波浪、潮汐等現象，影片以中以海洋生物的眼光來探討，讓學生能夠了解整個水圈、氣圈與生物圈的互動過程，也明瞭生生不息的海洋運動。若無影片可播放，老師可從學生的日常生活經驗談起海洋，例如巴拿馬輪船油污事件來討論整個海洋環境及參觀國立海洋生物博物館的心得等等，激發學生喜愛海洋與愛護地球之情。 講解洋流前，老師們可先說明行星風系，然後帶入全球的洋流循環，並且以學生較為熟悉的北太平洋洋流為例。 說明北太平洋洋流循環方向後讓學生觀看圖4-11的大西洋的狀況與循環方向，詢問學生是否有一致性呢？南北半球洋流循環的差異性？ 由洋流從低緯到高緯的輸送過程，並以高緯到低緯的洋流為例，引入洋流對於熱能傳輸與氣候影響是很大的概念，搭配3-2 節全球表面溫度圖解析溫度曲線，學習效果佳。 以臺灣冬季烏魚為例，說明臺灣附近的黑潮與中國沿岸流，是溫暖交替的下的產物。 潮汐雖然在國中課程中已經說明過，但整體的學生理解程度仍不足，多數學生仍有許多的潮汐迷思概念。首先說明「潮汐」產生的因素，由日、月萬有引力與地球自轉下的「引潮力」作用所產生。再者，結合農曆月相關係，導入大潮小潮概念。

海流 大洋環流被地球表面大氣環流驅動 洋流影響地區氣候及生態 太平洋環流的熱交換之旅―低緯度東風驅動向西的赤道洋流→從菲律賓向北到日本的黑潮運送暖水→西風推動從日本向東的北太平洋洋流→沿北美洲西岸往南的加利福尼亞洋流運送冷水→回到赤道東部 北半球大洋環流順時針方向旋轉，南半球逆時針旋轉 洋流影響地區氣候及生態 圖4-10(A) 《短片內容》 表面洋流(1分03秒) 公共電視自然公園海洋影片剪輯 《教材內容》 地球表面經常存在的大氣環流（圖4-10），會持續吹拂海洋表面，帶動海水流動所形成的表面水平環流，稱為風吹環流（圖4-11）。 低緯度的東風驅動了向西流動的赤道洋流。在太平洋上，赤道洋流從東向西延綿一萬多公里，海水在熱帶的陽光下吸收大量熱能，將熱水堆積在西太平洋一帶，形成地球上高溫海水區域最大的地方。 北赤道洋流向西到達菲律賓後，便往北邊沿著呂宋島、臺灣東岸向日本流去（圖4-11）。由於科氏力的影響及風系的各種複雜作用，這股水流變得狹窄，因此必須加深且流速加快，才能有效運送赤道流傳輸過來的巨量海水。這就是全球海洋中最強勁洋流之一的黑潮，它有一百多公里寬，七、八百公尺深，每秒一、兩公尺的流速。因為運送的是暖水，所以圖3-9 顯示西太平洋高溫的等溫線從臺灣向日本一帶凸出。 黑潮到達日本後轉東，正好是西風帶的緯度（圖4-11），便往東流向加拿大西岸，稱為北太平洋洋流。因為流經高緯度海域，原來的暖水不斷散熱而逐漸變冷。這股冷流到達北美洲西岸後，便往南方流動，稱為加利福尼亞洋流，就是為什麼北太平洋東側的海面等溫線向南凸出（圖3-9）的原因。以上描述的就是北太平洋環流的熱量傳輸之旅。其實，各大洋在南、北半球均有類似的環流系統，只不過北半球都是順時針方向旋轉，在南半球則相反。 大洋環流輸送熱能，不僅調和高、低緯度間的溫度差異，也影響海洋的資源分布、海上的運輸及先民的遷徙。以黑潮為例，溫暖的熱帶海水流經臺灣東方，不僅使臺灣的氣候比同一緯度的大陸地區溫暖，亦造成適合熱帶淺海生存的珊瑚沿著臺灣東岸向北延伸，一直分布到沖繩群島及日本九州南岸。不僅如此，日本曾報導在九州南岸海域發現許多可以辨識是臺灣漂去的垃圾，若是破壞環境更甚的原油汙染因海流而傳輸擴散，將引發國際間重大的法律賠償事件。菲律賓、臺灣及沖繩群島原住民在血緣與語言方面的相似性顯示了他們的祖先可能曾利用黑潮遷徙移民。 臺灣海峽冬、夏兩季流況不同（圖4-13），夏季在西南季風下是南海北上的暖水流，冬季在東北季風下改為東海南下的冷水流，水溫因海流而異，深深影響迴游性魚類（例如臺灣的重要漁產―烏魚）的遷移方式。 圖4-10(B) 圖4-11 圖4-12

波浪 風浪的波高可達十幾到二十幾公尺，是海上航行關心的數字 風浪的波長約數公尺到一百多公尺左右。波浪行近岸邊時，波高因水深變淺而增加，有時因而破碎。遠方海面風暴形成大浪，長距離傳遞後變成波長很長的湧浪 一般岸邊所的波浪週期在十秒以內 《短片內容》 波浪(1分03秒) 公共電視自然公園海洋影片剪輯 《教材內容》 風驅動了海（洋）流，也將水面吹出波浪。海上的波浪大多成列前進，稱為波動，並有不同的形狀（圖4-13）。波動的最高點叫波峰，最低點叫波谷。波峰到波谷的高度叫波高，相鄰的兩個波峰（或波谷）之間的距離叫波長。一個波長的波通過一地點所需要的時間叫週期。一般風浪的波長從數公尺到一百多公尺左右；強勁風力下，波高可達十幾到二十幾公尺，是波浪能量大小的指標，也是海上航行的人最關心的數字。週期多半以秒為單位，一般岸邊所見到的波浪週期在十秒以內。 波動中，水分子其實只是進行垂直向的圓形或橢圓形運動（圖4-14），繞了一圈以後，又回到原處。所以波動雖然前進，水分子並不前進，與海流中的水分子一直前進是不同的。可是海水有摩擦阻力，會消耗向下傳遞的振盪能量，所以深度越深，水分子運動的圓周越小。在深水的海域，這個圓形振盪未達海底便已消逝，意謂海底地形不會影響波浪的前進。可是當波動向岸邊推進，水深逐漸變淺，水分子的圓形振盪碰觸到海底時，因受限制而扁化成橢圓形振盪。甚至在貼近海底的部分，水分子幾乎等於水平地前後摩擦海底，一方面將海底物質（如漂沙）向岸邊或離岸方向搬動，另方面波動也因此受到阻力，產生煞車效果。於是波長縮短，波峰便堆高了起來。最後波峰翻捲，破碎而形成白花浪頭，是衝浪運動玩家的最愛，也常是破壞海岸設施的災害或海岸變遷的推手。（參見本書7-2 節） 大海中的波浪常常並非整齊地排列前進，而是從不同方向來的各種波動縱橫交錯。當兩個波峰交疊，波峰變得更高；若波峰碰上波谷，便彼此互相抵銷。因此大海或遠洋的海面看起來是到處此起彼落。不過，大海中又常有另一種狀如大片丘陵地形的起伏晃動，那是遠方風暴（如颱風）產生的巨大海浪在長距離傳送後，波高大幅衰減，令波長拉長至數百公尺，稱為湧浪。航行其上，輕搖慢擺，令一般不習慣的人頭暈目眩，很不舒服。 圖4-13 圖4-14 延伸閱讀

潮汐成因 地球上的海水便受到「月球的萬有引力」和「地球與月球間旋轉的離心作用」共同推動出海水面的升降形成潮汐 動畫：潮汐週期 地球上的海水便受到「月球的萬有引力」和「地球與月球間旋轉的離心作用」共同推動出海水面的升降形成潮汐 地球受到的萬有引力主要來自太陽和月球。萬有引力的大小跟物體質量成正比，但和距離平方成反比。太陽質量雖為月球的180萬倍，可是距離地球太遠，使太陽引潮力只有月球的四成多，所以地球上的潮汐多半引自月球的作用 《教材內容》 凡星球之間都有萬有引力，但不因萬有引力的吸引而相撞，也這是因為它們相互繞著兩者的質量中心旋轉，旋轉的離心作用剛好和萬有引力相互抵銷，維持住兩者在太空中的相對位置。以地球和月球兩個星球而言，地球上的海水便受到「月球的萬有引力」和「地球與月球間旋轉的離心作用」共同推動出海水面的升降形成潮汐〈圖4-15〉。這兩股力量的合力就叫月球的引潮力，也就是引出潮汐的力量。 地球受到的萬有引力主要來自太陽和月球。萬有引力的大小跟物體的質量成正比，但和距離的平方成反比。太陽的質量雖為月球的180萬倍，可是距離地球太遠，使太陽的引潮力只有月球的四成多，所以地球上的潮汐多半引自月球的作用。 圖4-15

潮汐相關名詞 高潮和低潮 潮差 潮位上升到最高水位時，稱為高潮或滿潮 潮位下降到最低水位時，稱為低潮或乾潮 高潮與低潮間水位差稱為潮差或潮高 世界最大的潮差有十多公尺，馬祖也達七公尺，臺灣本島則以臺中的四公尺最高，其他多半在一、兩公尺左右 《教材內容》 地球每日自轉一周，等於月球和太陽在地球上空每日移轉通過一次，潮汐的波動便相對地移動前進，是各地輪流出現高、低潮汐的原因。當每次潮汐上升到最高水位時，稱為高潮或滿潮；降到最低時，叫低潮或乾潮（圖4-16）。高潮與低潮間的水位差，叫潮差或潮高。世界最大的潮差有十多公尺（圖4-17），馬祖也達七公尺，臺灣本島則以臺中的四公尺最高，其他多半在一、兩公尺左右（圖4-18）。 延伸閱讀：地球兩側的對應潮汐 由於引潮力是萬有引力和離心作用兩者不同角度的向量結合，它在面向月球（或太陽）的地方出現最大的引潮力，理論上恰巧在地球另一邊的地方也出現最大的引潮力。如果地球是一個表面全是海洋的水球，當某處發生高（低）潮的時候，那裡對應的地球另一邊也發生高（低）潮，地球看起來就像一個橄欖球。當然，地表有大陸，實際情形就更複雜了。 圖4-16 圖4-17 圖4-18

潮汐的週期 全日潮和半日潮 大潮和小潮 每日發生一次高潮和低潮，稱全日潮 一般每日大約發生兩次高、低潮的水位變化，稱為半日潮 在「太陽-月亮-地球」相對位置改變下，發生日、月引潮力加乘或削減 日、月的引潮力在農曆月份中的朔（新月）或望（滿月）之時潮差達最大，稱為大潮；反之，在上弦月或下弦月時，海水面降到最低，叫小潮 《教材內容》 在若干地方，每日只發生一次高潮和低潮的潮汐，稱為全日潮；其他一般每日大約發生兩次高、低潮的水位變化，稱為半日潮，其週期大約為12小時。 雖然月亮的引潮力是太陽的兩倍多，在「太陽-月亮-地球」三者的相對位置每日物換星移之下，便會發生日、月引潮力加乘或削減。圖4-15顯示日、月的引潮力在農曆月份中的朔（新月）或望（滿月）之時令潮差達最大，稱為大潮；反之，在上弦月或下弦月時，海水面降到最低，叫小潮。 大潮時，海面升到最高。若正好碰到颱風過境，強大的低壓將海面「吸」得更高，再出現強風朝向海岸吹來，稱為暴潮。暴潮的大浪將海水翻上岸來，造成低窪及沿海地區嚴重水患。 延伸閱讀：潮汐推動潮流 潮汐的波動前進時，因為波長很長，水便從高潮點往低潮點滑下去，形成了漲、退潮流。與風吹造成的洋流或海流不同，潮流隨漲、退潮而有來回往復的特性，也就是潮流會逐漸加快，然後減速到停止，再反方向從靜止、加速到停止，如此周而復始。所以潮流可以送走沿岸的污染物，也可能不請自回。在沙質海岸，更是漂沙輸送的重要機制，是近岸海域環境狀況很重要的評估依據。 圖4-15 小百科

潮間帶 位於高潮與低潮間的海岸地區，受潮汐漲落所影響的範圍稱為潮間帶 海岸溼地及潟湖等常成為生態保育的重點區域，例如臺灣紅樹林和黑面琵鷺過境七席的溼地，其生態則受西海岸高潮差的影響 《短片內容》 潮間帶(0分39秒) 公共電視自然公園海洋影片剪輯 《教材內容》 位於高潮與低潮間的海岸地區，受潮汐漲落所影響的範圍稱為潮間帶，那些地方的環境常常自成一格。 另外，海岸溼地及潟湖等常成為生態保育的重點區域，例如臺灣紅樹林和黑面琵鷺過境七席的溼地，其生態則受西海岸高潮差的影響。

4-3 大氣與海洋的交互作用 水循環 碳循環 聖嬰現象 《教學建議》 此一小節為近年科學界熱門的研究課題，原因是它是跨領域的研究，另外則是此一主題與人類的生存息息相關。而地球系統科學的精神，亦可在各層圈的交互作用表現出來，也就是在面對看似單一研究領域的自然現象時，往往在深入了解時，會發現有許多跨領域的科學研究基礎隱身在背後，而這些科學研究又亟需要整合，這也就是「全球變遷」此一研究課題方興未艾的原因。有關此部分的探討請詳見補充資料的「氣候變遷的科學本質」。 由於我們目前所得有限的科學研究資料，並無法讓我們對這些交互作用有整體性的科學暸解，所以在此一小節的教學過程中，建議以解說當前面臨的自然界的變動為主體，對變動的過程輔以科學性的推論，儘可能不要強調某一些推論的必然性，而讓學生能自行發展能力對未來可能面臨的狀況進行思考、辯論。 如何讓學生了解碳循環的重要性，主要透過溫室效應的影響，但學生心中對上世紀地球大氣增溫幅度的認定遠超過實際觀測所得，這是教學過程中可提醒注意的。而介紹溫室效應必先認識圖4-20，也就是19世紀來大氣中二氧化碳濃度增加情形。經由此觀測結果，再介紹大氣中二氧化碳的「源」（source）與「匯」（sink），也就是二氧化碳經由哪些作用進入大氣與離開大氣，而大氣也只是其中非常小的儲存庫，海洋才是其大者。要理解海洋對二氧化碳的吸收與儲存過程，對高一學生會是有點吃力，但是對此些過程的定性描述仍是應強調。同時也應讓學生知道海洋與大氣的微小變動，可能會對長期氣候產生重大影響，以便為第七章全球變遷做準備。 聖嬰現象的介紹則可由漁獲的改變與氣壓的起伏變動談起，進而介紹大氣環流、海水表面溫度與海流的變化，從而讓學生建立圖4-24的概念。最後可輔以全球氣候異常的資料。另外在網路上亦有許多有關聖嬰現象的教學資料、模組可供利用。此一單元也是4-2水循環之外，另一個海氣交互作用的範例。

水循環 水在地球上各儲存庫的分布，約97%存在海洋中 地球表面能量、物質交換的重要作用 天然的淡水製造過程，調節氣候 圖4-19 《教材內容》 地球上的水量共約14億立方公里（＝1.4×106兆公噸），其中約97.4%以液態的海水型態儲存在海洋中，約2%以固態的冰儲存在地球兩極的冰層中，剩下的0.6%則以湖水、地下水及河水或大氣中水蒸氣的氣態方式儲存。 大氣中的水氣主要來自海洋。海水受熱蒸發成水氣進入大氣，達到飽和後，就有機會形成水滴或冰晶，成雲致雨回到海洋或陸地。降到陸地的一部分成為地下水，一部分流到河裡，再回到海洋，完成圖4-19所示的水循環過程。 圖4-19中黑色數字是水在各儲存庫之間的交換量，可見海洋的蒸發量大於降水量；陸地上則相反，降水量大於蒸發量。所以水循環作用是一種天然的淡水製造過程，藉太陽能蒸發和水氣遇冷凝結的作用將海水中的鹽分去除，提供陸上萬物使用。 水循環對地球表面能量的再分配有重要意義。不同緯度的地面吸收太陽輻射的程度不同，在赤道地區較多，高緯度地區較低。水在流向大海的途中，部分吸收太陽能而直接蒸發，部分則被植物吸收後由葉面蒸散回到大氣。海洋中的洋流則負責縮小地球南北的溫差，也影響許多局部地區的氣候。 圖4-19

碳循環 大氣除碳過程的地球史 碳在地球上各儲存庫的分布 地圈―最大的碳儲藏庫；氣圈―最小的碳儲藏庫 各儲存庫間的通量→各圈的碳濃度應達穩定狀態 工業革命後，人類大量燃燒煤和石油，砍伐森林→破壞穩定的碳分布，大氣二氧化碳濃度劇增→溫室效應，影響氣候，衝擊生態 《教材內容》 在地球形成之初，大氣是充滿二氧化碳的。激烈的地殼變動下，火山不斷地噴發碳元素到大氣中，使大氣中二氧化碳的濃度甚高，是數十億年後工業革命前的20倍，可見大氣的除碳過程必定已經歷了長期的地質和生物演化作用。 地殼中大量的岩石被風化侵蝕，提供海洋裡的鈣離子，將溶於海水中的碳酸根離子化合成碳酸鈣沉澱下來，埋藏於海底，達到除碳效果。另外，行光合作用的生物將空氣中的二氧化碳轉換為有機碳，死亡後埋藏在地下，也是一種除碳作用。 雖然地球一直進行著除碳作用，二十世紀末的科學家卻發現在過去的一百多年中，大氣層的二氧化碳濃度與時劇增（圖4-20），認為可能因此造成全球暖化的現象，從而推斷人類大量使用石化燃料和砍伐森林將擾動原本的碳元素分布規律，直接影響氣候，衝擊生態。 圖4-21顯示分布在地球各圈的碳儲藏量，箭頭線則是各圈之間的碳交換通量估計值（通量就是在單位時間內，從一個儲存庫流通到另一個儲存庫的淨流量）。很明顯的，絕大多數的碳是以煤、石油、碳酸鹽岩等穩定形式儲藏在地下。海洋則涵容了全球總碳的0.35%，是第二大碳儲藏庫。再其次是陸上的森林、土壤及生物。大氣中二氧化碳的碳量只占0.007%，為最小的儲藏庫。而碳在各圈之間的進出通量完全相等，意謂各圈內的碳濃度已達穩定狀態。 然而十八世紀工業革命以來，人類大量開發並燃燒煤和石油，大幅增加大氣中二氧化碳的濃度。工業發達又導致人口劇增，需要更多生存空間，於是大量砍伐森林，減少了光合作用的除碳效果，如此一來，等於延長二氧化碳在大氣中的駐留時間。圖4-22顯示人類每年將55億公噸的碳送進大氣層，其中約20公億噸會被海洋與大氣交互作用後吸收（920億公噸－900億公噸），剩下的就是大氣層內二氧化碳濃度增加的來源。原本穩定的碳分布狀態於是被干擾破壞了。 近年來國際組織已積極訂定保護地球環境的各種協議，期能有效抑制二氧化碳排放量的方法，降低大氣層二氧化碳濃度增加的速率，並防範溫室效應持續惡化。 圖4-20 圖4-21

聖嬰現象 正常狀況―赤道太平洋東邊深海水湧升，降低海面水溫，提供營養鹽，形成大漁場 聖嬰狀況―湧升被抑制，東赤道海面溫度上升，全球天氣異常，漁獲大減，影響人類經濟和生命財物 發生年代不固定，但在該年聖誕節左右開始，故稱聖嬰現象 科學家尚未十分理解它的機制：何時發生，為期多長 《教材內容》 太平洋赤道東邊的海域是中南美洲漁民的傳統漁場，但是他們早已知道，每隔無法預知的數年，將會發生魚群突然大量減少、同時天氣丕變、影響生計的反常現象。由於開始發生的時日多在年底的聖誕節前後，當地居民稱之為聖嬰現象。直到八○年代，科學家才瞭解聖嬰現象原來是大氣和海洋互動的結果，並已證實它會直接造成全球性海象和氣象的許多異常與災害現象。 圖4-22是赤道太平洋海面溫度分別在正常狀況和聖嬰狀況下的對比。於正常狀況下，赤道海域盛行東風（圖4-10），推動出的赤道流將表層海水向西傳送。東赤道海域表層的海水向西傳送的水量由深層海水湧升彌補（圖4-23A）。聖嬰現象發生時，東太平洋表面的冷水區域顯然縮小了。深海的水溫度較冷，湧升後不僅降低了太平洋東邊表層海水的溫度，也把那裡的斜溫層深度（圖3-10）提升到海面，造成橫跨太平洋赤道區的斜溫層界面由東往西向深處傾斜（圖4-23A）。深海的水又富含營養鹽，湧升後提供了表層浮游生物所需的養料，提高海洋生物生產力，是那裡成為大漁場的緣由。 當聖嬰現象發生時，東赤道太平洋的盛行東風減弱，同時間湧升現象衰減，甚至消失，令整個赤道太平洋都被暖水覆蓋（圖4-22B 中赤道上的暗紅色），也把橫跨太平洋赤道區的斜溫層界面傾斜角度變小（圖4-23B），因為太平洋西邊的暖水混合層變薄，東邊的則增厚，湧升現象減弱或消失，對表層水的營養鹽供應減少，生物生產力急遽降低，漁場盛況因而不再，需等聖嬰消逝，才能恢復常態。 正常狀況下，西太平洋赤道區水溫高，蒸發強，大氣的對流因而旺盛（圖4-23A）。可是聖嬰狀況時，旺盛的對流區向東位移（圖4-23B），牽動了全球原有的天氣結構分布和型態，造成全球天氣異常。例如南美洲國家變得水災橫行，印尼、泰國等國原本多雨的東南亞地區則飽受乾旱之苦。天氣異常打亂了農林漁牧的作業步調，影響人類經濟和生命財物至鉅。 聖嬰現象何年發生？為期多長？其實並無一定的規律。至今為止，科學家還不十分理解它的機制。近代有可靠的海洋觀測紀錄以來，最顯著的聖嬰事件是1982〜1983和1997〜1998兩次（圖4-24）。下一次將在何時發生，強度與規模如何，是許多大氣與海洋科學家正通力合作的研究目標，其成果必有利於各界參考運用，好像颱風預報一樣，以達到避險減災的目的。 圖4-22&23 圖4-24