地球環境的監測 第三章 多變天氣 3-1 氣象觀測 3-2 氣象預報 3-3 成雲致雨 3-4 大氣運動

<<教材內容>>固體地球的探測主要為地殼的探測，目前對於地殼的探測大致可以分成直接探測、間接地表探測及遙測等三種方式。 科學家利用地震波資料將地球內部區分為地殼、地函及地核三個部分。「薄薄」的地殼，是與人類生活最為接近且密切的部分，它提供了人類生活所需的各式資源及空間，然而地殼的形狀與物理、化學性質會因外力作用而改變，這些改變將造成地形阻隔及各種地質災害，而人類的發展對於現今地球環境也有多方衝擊。 惟有進一步了解地殼，人類才能趨吉避凶，保障生命及財產安全。目前的地面探測技術包含了陸地地殼鑽探、槽溝、震波探測、精密水準測量、潛變儀等方式，就讓我們來看看這些技術如何幫助人類了解深部地層。 1

地表地層探測 地表地層探測：有野外地質調查觀察岩性、化石及構造，量測地層走向與傾角，或開挖槽溝等。 竹山溝槽▲ 斷層面

地表地層探測-地層走向與傾角 走向：岩層層面與水平面的交線方向。 傾角：岩層層面與水平面的交角。 層面位態以符號 表示於地質圖上 。長線代表走向，與長線垂直的短線代表傾角方向並以數值(65º)表示傾斜角度。 走向 傾角方向

地表潛變監測 地表潛變監測：利用潛變儀監測斷層活動帶或地表破裂帶的地表潛變(移)狀況，可掌握斷層或岩層等地表的變形量及速率，並瞭解其肇因。

探測地球內部的主要方法 (1)地下鑽探－直接探測，可知淺層地殼性質，大陸地區最深約達12公里、海洋約2公里。 (2)震波探測－可得知地球結構、岩層密度、構造分布、厚度及組成。 (3)重力探測－可推測淺層岩層的密度或起伏狀況。 (4)磁力探測－可瞭解地球磁場的變化或磁性物質的分布並推算岩性。重力探測結合地熱流量的變化可推知地殼厚度。

地下鑽探~~蘇聯的可拉超深鑽井 <<教材內容>>在大陸地殼鑽探中，目前全世界最深的鑽孔為前蘇聯的可拉超深鑽井（Kola Super-Deep Borehole，KSDB）（圖2-9），這個鑽井位於歐洲 可拉半島，鑽探工程自1970年開始至1994年為止，最深的一口井鑽探深度達12261公尺，雖然較大陸地殼平均厚度35公里只達三分之一，但該鑽井鑽探出27億年前古老的岩石，並且發現地面以下5～10公里處岩石的孔隙間，富含來自更深處礦物所脫出的水分，這些都能協助科學家了解深處地殼的性質。 圖片來源: http://englishrussia.com/index.php/2009/07/22/the-kola-superdeep-borehole/ 6

震波探測 在近地表處使用人為的方式產生地震波，利用地震波在地層或地層界面間，因傳播速度的改變，形成 折射、反射等 現象(通常一 次人工地震， 可以測得約六 千公尺深的反 射層）。

重力探測 量測地表各測點重力值的改變，經由潮汐、緯度、高度、地形等修正後，若仍和理論值有差異，即表示地下岩性或構造有異常狀況，可推測地下岩層密度、厚度及構造。

重力探測 應用實例：如配合地質及震測資料，尋找具有蘊藏石油和天然氣潛力的背斜構造。

重力探測 因地層內重物（例如：金屬礦）萬有引力的吸引，造成與地心方向不同的偏移情形。

大地遙測 (1)航空遙測－地表高解析度照相、雷達探測、雷射測距掃描。 (2)地球資源衛星－地表多波段照相、雷達探測。 (3)全球衛星定位系統－監測地表變形。 全球衛星定位系統(GPS)精確度可高達毫米級，是研究小區域地殼變動量的良好工具。 其餘重點請見復習PPT~~高二[遙測]單元

海洋觀測

溫鹽深儀(CTD)與採水瓶 溫鹽深儀(CTD)：觀測海水的溫度、鹽度與深度的儀器。溫度多用電子式溫度計測量，鹽度是由海水導電度換算，水深則由水壓換算(水深每增加10公尺約增加1大氣壓)。 輪盤式採水瓶可採集不同深度的海水，進行海水化學成分的分析。 輪盤式採水器 溫鹽深儀 （攝影：黃玫琪）

海流觀測 海流觀測：以旋葉式或音響式等海流儀定點觀測(都卜勒流剖儀可觀測不同深度海流)，或以人造衛星定位的漂流浮標觀測。

波浪與潮汐觀測 波浪與潮汐觀測：傳統波浪觀測以海面下固定深度設置壓力計、或在海面定點佈放浮球進行，最新可利用衛星雷達遙測海面浪高；潮位觀測常用壓力式或音波式潮位儀，安置在穩定井內進行。 ▲潮位儀

海底地形探測 主要利用聲波測深儀(聲納SONAR)，發出聲波並接收由海床反射回波，聲波在水中傳播的速度(U)乘上聲波在水中往返的時間(T)除以2，求得水深(S)。欲得到精確的海底地形，測深同時需利用GPS定出測點位置。 ▲聲納亦可用於魚群的掃描

海洋鑽探 籍由工具從海面伸至數千公尺的海底鑽取岩心　 　

國際海洋鑽探計畫簡表 臺灣於1997 年與澳洲、加拿大和南韓共同組成 太平洋周遭海洋鑽探聯合會，成為「海洋鑽探計畫」的國際夥伴之一。

地球號介紹影片 http://www.youtube.com/watch?v=bqmuwHQGo1k 海洋鑽探船：地球號 地球號 海洋鑽探 目標: 鑽至莫荷面 地球號介紹影片 http://www.youtube.com/watch?v=bqmuwHQGo1k

近代海洋鑽探的貢獻 (1)增進對海洋沉積層及海洋地殼的組成與結構的瞭解， (2)證實海底擴張(中洋脊兩側地磁倒轉紀錄的對稱分布)及板塊構造學說， (3)提供侏羅紀以來的古環境、古氣候、古海洋變遷和地球資(能)源等資訊。(目前尚未鑽透莫氏不連續面)。

氣象觀測 高空觀測 遙測 遙測 海面觀測 地面觀測

地面觀測 觀測坪一般設置在地勢平坦、空曠、鋪種淺草的地面。離建築物一定距離，避免受建築物影響。 每天觀測四次（國際標準時0時　、6時、12時、18時）。

地面觀測~百葉箱 百葉箱的箱底離地約 1.5 公尺，避免受地表輻射影響。 北半球，百葉箱門開在朝北方向，以避免日光直接射入箱內。 百葉箱通常設在觀測坪的北側角落，以免影子遮住其他儀器。 南 西 東 北 （攝影：黃玫琪）

百葉箱內 各式氣溫計和溼度計置放在百葉箱內 乾溼球溫度計 最高最低溫度計 自記式毛髮溫度溼度計 （攝影：黃玫琪）

地面觀測--溼度觀測 乾溼球溫度計量測相對溼度 利用乾球、溼球兩溫度計的溫差 ，查表可得大氣的相對溼度。 溫差越大，相對溼度越小。 置於百葉箱中。 大氣中水氣含量的多寡，還有用水 氣壓、絕對溼度、露點等來表示( 詳見高一PPT)。

地面觀測--風的觀測 地面僅觀測水平風的風向和風速。 利用風向風速計所觀測的是離地平面往上約10公尺高度、10分鐘平均的風速。 架設於不受附近建物影響的位置。

地面觀測--風的觀測 儀器有風向計、風杯風速計、螺旋槳風向 風速儀等。 儀器有風向計、風杯風速計、螺旋槳風向 風速儀等。 測風向：利用一不對稱的物體，其對空 氣阻力較大的一端會移動到下風處，因 此由另一端指出風向。測風速：是利用 水平旋轉的風杯或旋轉扇葉量測，風愈 大時，風杯或扇葉就轉得愈快。 測定某一時間內之最多風向及平均風速 。

地面觀測~~降水觀測 在無蒸發、流失或滲透等情況下，一定時間內降水儲積在單位平面上的深度即為降水量，常以毫米為單位來表示。 傾斗式雨量器

地面觀測~其他觀測 日照計 其他觀測：測蒸發量、太陽輻射、紫外線強度…等。 蒸發皿

我國的地面觀測 交通部 中央氣象局負責。依照國際標準的觀測時間之外，增加了一天四次的輔助觀測，即每三個小時觀測一次。

地面觀測~天空狀況 天空狀況如天氣現象、能見度以及雲等項目，仍須由觀測員(人工觀測)在戶外空曠處親自目測。 雲的觀測項目包括雲狀、雲量和雲高，雲狀的變化可作為天氣變化的徵兆。 雲量：國際上常以八分量(另有十分量)表示，八分量即以視野的天空分為八等分，觀測雲層所遮蔽的部分占天空多少比例。

雲的分類

地面天氣圖與氣象觀測資料 以海平面為基準，將地面觀測的氣象資料填在地圖上，包括：風向、風速、溫度、溼度、氣壓、天氣及雲量等。可以作為判定與分析高氣壓、低氣壓、鋒面等天氣系統之依據。 中央氣象局 http://www.cwb.gov.tw/V7/forecast/fcst/I04.htm

認識天氣符號

氣象觀測資料整合 世界氣象組織（WMO）負責整合與分享全球一百多個國家、近萬個地面氣象站參與氣象觀測的氣象資料。 每天一律在世界時的 0 時、6 時、12 時、18 時（臺灣時間分別是 8 時、14 時、20 時、02 時）進行四次的氣象觀測。 各國的氣象中心和觀測站都有線路連接，組成一 個全球電信系統，有美國 華盛頓、俄羅斯 莫斯科與澳洲 墨爾本等三個世界氣象中心以及26個區域氣象中心。

高空氣象觀測 高空氣象觀測可以獲取大氣層中，距離地面0～30公里高空的氣象要素垂直分布。 載具包括：氣球、風箏、飛機、衛星等 探空氣球是每天例行性的觀測。 我國負責執行「追風計畫」的飛機。 （攝影：黃玫琪）

高空氣象觀測~無線電探空儀(雷送) 充填氦氣的探空氣球加掛無 線電探空儀，以每分鐘約350公尺的速度上升。 充填氦氣的探空氣球加掛無 線電探空儀，以每分鐘約350公尺的速度上升。 測得的數據，透過無線電發 射器傳回地面的接收系統。 測量項目 氣壓：可推算高度 溫度 溼度

高空氣象觀測~無線電探空儀

高空氣象觀測~雷文送 可測量風向、風速的探空儀。 原理：追蹤氣球的位置變化加以計算求得。 追蹤方式： 追蹤探空氣球的仰角與方向角的變化。 在探空儀內加裝全球衛星定位系統（GPS）的接收器。 無線電探空儀觀測時間：世界時0時和12時觀測兩次，即臺灣地方時8時和20時。 目前臺灣共有臺北 板橋、花蓮、臺東 綠島、臺南 永康、屏東、馬公、東沙島以及南沙島等高 空氣象觀測站。

氣象遙測 有地面氣象雷達與人造衛星等兩種方式 氣象雷達 氣象衛星可分地球同步衛星和繞極軌道衛星。 其餘重點請見復習PPT~~高二[遙測]單元 利用天線發射電磁波，當電磁波碰到雲雨中的水滴後會反射回來，雷達再利用天線接收回波，依據回波的時間和強度，可判斷降水的空間分布以及強度。 氣象雷達可觀測風暴內部雲雨及降水分布、結構和運動，並推估風速及氣流結構。 氣象衛星可分地球同步衛星和繞極軌道衛星。 其餘重點請見復習PPT~~高二[遙測]單元

天氣預報的過程

天氣預報 步驟：氣象觀測→繪製天氣圖→進行數值天氣預報→綜合討論、研判→作成預報。 數值天氣預報的準確度和觀測資料的完整與否(高山及海洋較欠缺)及數值分析方法有關。 天氣預報準確性會隨預報時間的延後而降低。空間尺度較大的系統，可預報期限較長；空間尺度較小的系統，可預報期限較短。短期預報準確度較高，一週以上的預報參考價值較低。

氣象預報的限制 觀測資料缺乏 理論尚未完整 數值近似解 氣象預報起始時間所需的觀測資料仍然不夠完整。 特別是廣大海洋上的觀測資料相當缺乏。 有許多物理變化過程，仍無法適切處理，只能以處理的參數來近似這些過程。 數值近似解 大氣運動相關的物理定律數學方程式的性質是非線性的，只能用數值方法求得近似解，而且對初始條件很敏感，即所謂的「混沌」特性。

天氣預報~即時預報 雷雨、龍捲風等類型天氣系統，因空間尺度小、形成快、生命期短，難掌握，天氣預報能力十分有限。 此類短暫區域性的劇烈天氣常造成嚴重災害。 這一類較小尺度天氣系統所產生的天氣變化，目前是以即時的觀測資料作為基礎，特別是氣象衛星與氣象雷達的觀測資料，依據氣象學理與經驗，作 0～12 小時的即時天氣預報。