第1章　大氣層的物理化學結構

大氣層是包圍在地表之上的一個主要為氣體的物理個體，地表大約由29.2%的陸地及70.8%的海洋面積組成，而直接覆蓋其上的就是大氣層。大氣層的主要成分是空氣，但也還有其他一些比例非常小的非空氣的成分。人類所居住的地方，就是在大氣層的最底部。大氣層所發生的一切，都直接影響人們的生活福祉。空氣品質的良否、天氣氣候的動盪，在在攸關人類的生死存亡，因此我們有必要對大氣層的各種物理化學特性及長短期天氣氣候過程（例如風霜雨雪、颱風雷暴、洪澇乾旱等）詳細研究了解，方能應付大氣變化所造成對人類生活環境的衝擊。

對生物來說，天空原來是屬於有翅膀的鳥類的。許多鳥類天生就很會利用大氣的物理特性，在天空中飄浮或飛翔。但人類自從飛行器發明之後，天空也變成了人類的「地盤」，為了要大加利用，於是乎人類也需要學習許多關於大氣的知識，使得天生沒有翅膀的我們可以安全舒適地優游於天空中，因此就有了「航空氣象學」這門學問。人類在更早的時候就掌握了航海的技術，也很早就體會了「風」與「浪」的關聯，而這也就是航海氣象學的起源。總而言之，不但是發生於陸地上的天氣現象，我們對於發生在海上的天氣及發生在天空中的一些大氣運動及物理化學過程也都需要充分了解。

1.1　地球大氣的物理與化學結構

1.1.1.　大氣化學組成

我們一般把大氣主要的組成氣體稱為「空氣」，但是空氣並不是一種單一的化學分子，而是由不同的氣體分子混合而成的。空氣的化學組成比例也不是非常固定，在不同地點、不同高度都會有些差異。本節所指出的成分，僅僅代表大致的平均狀態，至於各層次的特異化學組成，則留待在討論該氣層時說明。除了氣體之外，大氣中也有一些凝態物質—液滴及固體粒子，它們也長期存於大氣之中，也應算是大氣成分的一部分。

所謂乾空氣，就是把空氣中的水分（包含水氣和凝態水）完全排除的空氣。氮和氧的體積分別占了約78%及21%，只有剩下約1%為其他乾氣體的總和。第三濃度的氣體是氬氣，是一種惰性氣體，大約0.9%左右，再來是二氧化碳，只占了0.04%（但是上升率卻很可觀，在全球暖化議題上起主導角色，在討論氣候變遷時將會討論）；其餘的氣體占比都很小，而沒有列在表上的更是稀少。這些乾空氣氣體大致分布均勻，在同一高度，他們的濃度都差不多，占比也相近。

水氣也是空氣中的稀少氣體，但卻是地球大氣中十分重要的氣體，舉凡雲雨霧露、冰霜雪雹，都是來自水氣。水氣的總質量占大氣總質量的0.25%，但是分布很不均勻，有的地方幾近於0（例如沙漠地帶），而有的地方則水氣豐沛（例如熱帶海洋上空）。以體積濃度而言，水氣占比可從0到4%。氣象學中有很大的一部分是在研究水氣在大氣中的物理及動力過程。我們在第4章會更詳細地談到水氣的物理。

1.1.2.　永久成分與可變成分

如果從氣體在大氣中的駐留時間（residence time）而言，則我們可以將大氣成分分成：（1）永久成分（permanent constituents）、（2）可變成分（variable constituents）。駐留時間指的是某個化學分子（或原子）進入大氣後能夠存留的時間。例如一個水氣分子，它的來源是地面上的水面（液態水或冰）蒸發。一個被蒸發的水分子進入大氣中，大約7-10天就可能會形成凝結物（雨水或雪花冰粒子等）而落回到地面，所以它的駐留時間大約7-10天。一個氦分子經由放射性同位素蛻變過程產生而進入大氣中，大約要100萬年才能被從大氣中移除（主要是逸出地球大氣之外），所以它的駐留時間就是100萬年左右。

顧名思義，永久成分就是駐留時間很長的成分，例如表1.1中的氮、氧及所有的惰性氣體。而可變成分就是駐留時間短的分子，例如水氣。但這裡「長」和「短」的認定卻是視場合而定。二氧化碳及甲烷以氣象學的角度而言幾乎是永久氣體，因為天氣週期大約一個星期左右，而季節變化也就是幾個月，在此期間內，它們幾乎沒有什麼變化。但是以大氣化學角度視之，在考慮氣體的年際變化時，它們的變化就能顯現出來，因此也就可視為是可變成分了。以上的討論主要著重於低層的大氣狀況，大致是低於80 km高度的大氣層。在80 km之上大氣成分會逐漸變化，其組成成分和比例會隨著高度而不同，稍後會討論。

第1章　大氣層的物理化學結構

大氣層是包圍在地表之上的一個主要為氣體的物理個體，地表大約由29.2%的陸地及70.8%的海洋面積組成，而直接覆蓋其上的就是大氣層。大氣層的主要成分是空氣，但也還有其他一些比例非常小的非空氣的成分。人類所居住的地方，就是在大氣層的最底部。大氣層所發生的一切，都直接影響人們的生活福祉。空氣品質的良否、天氣氣候的動盪，在在攸關人類的生死存亡，因此我們有必要對大氣層的各種物理化學特性及長短期天氣氣候過程（例如風霜雨雪、颱風雷暴、洪澇乾旱等）詳細研究了解，方能應付大氣變化所造成對人類生...

序言
作者簡
第一篇　大氣科學基礎
第1章　大氣層的物理化學結構
1.1. 地球大氣的物理與化學結構
1.1.1. 大氣化學組成
1.1.2. 永久成分與可變成分
1.2. 垂直氣壓與密度分布
1.3. 大氣的垂直分層
1.3.1. 以溫度結構來分層
1.3.2. 以電離結構來分層
1.3.3. 以電動力學特性來分層
1.4. 領空與卡門線
第2章　氣象要素的基礎物理及觀測
2.1 溫度
2.2 溫度的物理意義
2.3 高層大氣溫度的意義
2.4 氣壓
2.5 氣壓計原理
2.6 高度表
2.7 濕度
2.7.1 絕對濕度
2.7.2 相對濕度
2.7.3 露點溫度
2.7.4 霜點溫度
2.7.5 濕度的量測
2.8 風
2.8.1 風向
2.8.2 風速
2.8.3 風的觀測
2.9 高空觀測
2.10 GPS 掩星探空
2.11 填圖符號
2.12 天氣圖
2.12.1 熱力圖
2.12.2 地面天氣圖
2.12.3 高空天氣圖
第3章　地球—大氣系統的能量平衡與天氣過程
3.1. 太陽輻射——地表活動的總能量來源
3.2. 電磁波波譜
3.3. 黑體輻射
3.4. 地表溫度的緯度及季節變化
3.5. 太陽與地球的黑體輻射
3.6. 地球系統之輻射平衡
3.7. 地球之差異加熱與天氣現象
3.8. 熱量傳輸的物理機制
3.8.1. 傳導
3.8.2. 對流
3.8.3. 輻射
第4章　大氣中的水分
4.1 水分的相變化
4.2 過冷水
4.3 潛熱
4.4 水分的相變化圖
4.5 水文循環
4.6 水分對天氣的影響舉例
4.6.1 水分對晝夜溫差的影響
4.6.2 可感熱之傳送與熱泡現象
第5章　風的生成與風系
5.1 風的生成
5.1.1 氣壓梯度力
5.1.2 科氏力
5.1.3 摩擦力
5.2 全球環流
5.2.1 哈德里胞
5.2.2 費羅爾胞
5.2.3 極胞
5.3 噴流
5.4 局地風
5.4.1 海風
5.4.2 海風鋒面
5.4.3 海風雷暴
5.4.4 陸風
5.4.5 湖風
5.4.6 谷風
5.4.7 山地—平原風系
5.4.8 山風
第6章　氣團、鋒面與波氣旋
6.1 氣團
6.1.1 氣團的分類
6.2 鋒面
6.3 極鋒學說
6.3.1 初始期
6.3.2 形成期
6.3.3 成熟期
6.3.4 囚錮期
6.3.5 消散期
6.3.6 滯留鋒
第7章　垂直運動與穩定度
7.1 空氣垂直上升的後果
7.2 溫度遞減率與大氣靜態穩定度
7.3 飽和氣塊
7.4 穩定度與雲的形成
7.5 舉升指數與對流可用位能
7.5.1 舉升指數
7.5.2 對流可用位能
7.6 條件性不穩定
第8章　雲及降水
8.1 雲的分類法
8.2 高雲族
8.2.1 卷雲
8.2.2 卷積雲
8.2.3 卷層雲
8.3 中雲族
8.3.1 高積雲
8.3.2 高層雲
8.4 低雲族
8.4.1 層雲
8.4.2 雨層雲
8.4.3 層積雲
8.5 直展雲族
8.5.1 積雲
8.5.2 積雨雲
8.6 其他雲舉例
8.6.1 莢狀雲
8.6.2 捲筒雲
8.7 降水
8.8 降水粒子增長機制
8.8.1 擴散增長
8.8.2 碰撞與合併
8.9 降水與氣溫垂直結構
8.9.1 降雪溫度環境
8.9.2 降冰珠
8.9.3 凍雨
8.9.4 降雨
第二篇　航空天氣進階
第9章　危害飛航的風況及低能見度天氣狀況
9.1 危害性風況
9.1.1 側風
9.1.2 陣風
9.1.3 尾風
9.1.4 風向不定／風向突變
9.1.5 風切
9.2 衝擊能見度的一些天氣情況
9.2.1 霧
第10章　亂流與積冰
10.1 簡介
10.2 亂流的起因
10.2.1 對流性亂流
10.2.2 機械性亂流
10.2.3. 山岳波
10.2.4 風切亂流
• 逆溫層與風切亂流
10.2.5 晴空亂流
10.3 積冰
10.3.1 過冷水滴
10.4 結構積冰
10.4.1 霧凇積冰
10.4.2 雨凇積冰
10.4.3 混合積冰
10.5 影響積冰的因素
10.6 不同雲型對積冰的影響
10.6.1 層狀雲內之積冰
10.6.2 積狀雲內之積冰
10.7 鋒面對積冰的影響
10.8 山岳對積冰的影響
10.9 積冰的危害
10.10 引擎積冰
• 化油器積冰
• 高冰水含量
第11章　雷暴
11.1 簡介
11.2 雷雨胞的生命週期
11.2.1 濃積雲期
11.2.2 成熟期
11.2.3 消散期
11.3 雷暴型態
11.3.1 單胞雷暴
11.3.2 多胞雷暴
11.3.3 超大胞雷暴
11.4 雷暴的移動
11.5 雷暴的危害
11.5.1 閃電
11.5.2 有害風況
11.5.3 下爆流
11.5.4 亂流
11.5.5 積冰
11.5.6 冰雹
11.5.7 雷暴模式
11.5.8 高度計急變
11.5.9 靜電
11.5.10 龍捲風
第12章　氣象雷達
12.1 簡介
12.2 氣象雷達原理
12.2.1 雷達天線
12.2.2 回散射能量
12.2.3 雷達輸出功率
12.2.4 波長
12.2.5 雷達波的衰減
12.2.6 降水強度
12.3 雙偏極化雷達
第三篇　全球氣候概況
第13章　熱帶天氣
13.1 熱帶環流
13.2 副熱帶高壓帶
13.2.1 大陸地區天氣
13.2.2 開闊海域天氣
13.2.3 島嶼天氣
13.3 信風帶
13.3.1 大陸地區天氣
13.3.2 開闊海域天氣
13.3.3 島嶼天氣
13.3.4 間熱帶輻合區天氣
13.3.5 季風區天氣
13.3.6 夏季（或濕季）季風天氣
13.3.7 冬季季風天氣
13.3.8 其他季風區
13.3.9 季風區的飛航天氣
13.4 暫態系統
13.4.1 風切線
13.4.2 熱帶對流層上部槽
13.4.3 熱帶波動
13.4.4 西非擾動線
13.4.5 熱帶氣旋
第14章　北極天氣
14.1 簡介
14.2 北極的氣候、氣團與鋒面
14.2.1 漫長的白晝、夜晚和曙暮光
14.2.2 水陸分布
14.2.3 溫度
14.2.4 雲及降水
14.2.5 風
14.2.6 冬季氣團
14.2.7 夏季氣團
14.2.8 鋒面
14.3 北極特殊現象
14.3.1 逆溫層效應
14.3.2 冰雪覆蓋地表對光的反射
14.3.3 天體的光線
14.4 天氣危害
14.4.1 霧及冰霧
14.4.2 吹雪及低吹雪
14.4.3 霜
14.4.4 白濛天
第15章　太空天氣
15.1 簡介
15.2 太陽的能量輸出和變率
15.3 太陽風
15.4 太陽的爆發性活動
15.5 近地太空
15.6 銀河宇宙輻射
15.7 磁暴
15.8 太陽輻射風暴
15.9 電離層風暴
15.10 閃焰無線電中斷
15.11 太空天氣對航空器運行的影響
15.11.1 通訊
15.11.2 導航及全球定位系統
15.11.3 機組人員與乘客的輻射曝露風險
15.11.4 輻射對航空電子的作用
參考文獻

序言
作者簡
第一篇　大氣科學基礎
第1章　大氣層的物理化學結構
1.1. 地球大氣的物理與化學結構
1.1.1. 大氣化學組成
1.1.2. 永久成分與可變成分
1.2. 垂直氣壓與密度分布
1.3. 大氣的垂直分層
1.3.1. 以溫度結構來分層
1.3.2. 以電離結構來分層
1.3.3. 以電動力學特性來分層
1.4. 領空與卡門線
第2章　氣象要素的基礎物理及觀測
2.1 溫度
2.2 溫度的物理意義
2.3 高層大氣溫度的意義
2.4 氣壓
2.5 氣壓計原理
2.6 高度表
2.7 濕度
2.7.1 絕對濕度
2.7.2 相對濕度
2.7.3 露點溫度
2.7.4 霜點溫度
2.7.5 濕度的...