氣象學

風吹湖面層層浪 雨打浮萍點點滴
藍天白雲雖美好 斜風細雨飄詩意
風和雨是天氣好壞的兩個指標，它們發生的機制是什麼？對生態環境會造成怎樣的影響？
季節變化的原因是什麼？哪些光學及幾何因素影響日照量？降雨、下雪的機制是什麼？雲層中的電荷如何分布？如何產生瞬變螢光事件？何謂洋流輸送帶？何謂聖嬰南方震盪？
哪些因素造成南亞大陸季風的發生？哪些氣團及鋒面影響東亞沿岸的天氣？中、高緯度氣旋如何影響溫帶地區的天氣？全球氣候帶劃分的依據是什麼？高氣壓及低氣壓如何影響天氣及空氣品質？
本書以平順的文句，科學的解說，搭配精美的照片及插圖，說明這些成因及變化。

陳康興
1975年獲得臺灣大學機械工程系學士學位；1983年獲得美國加州柏克萊大學機械工程系博士學位後，於AT&T貝爾實驗室擔任一年研究員。1984年返國任教於高雄市中山大學機械系，1991年擔任中山大學環境工程研究所第一任所長及教授，直至2018年退休。研究領域包括大氣運動、氣狀及粒狀空氣污染物特徵調查和來源解析、焚化技術及清淨能源等。已發表百餘篇SCI期刊論文，十數次科技部甲等及優等研究獎、中山名人牆、4次中山大學研究績優獎、3次產學績優獎、多項教學優良課程、多次環境工程學會年度論文獎，以及Marquis 「Who’s Who」in the World (2016)等榮譽。現為中山大學兼任教授，並於廣州華南理工大學環境與能源學院短期授課。

序
民以食為天，不同時節植栽不同農作，穿著不同衣物，雖然是農耕時代的生活寫照，但時至今日科技時代，天氣狀況依舊影響人們的生活作息。徐徐微風，固涼爽舒適，狂風暴雨，卻帶來災害，而全球溫升更加劇其影響。因此，了解天氣變化的源頭、成因、規律及變動因素，格外具有意義。
本書開端介紹地球的大氣，繼以天氣變化的源頭「太陽輻射」闡述發生在對流層的萬端氣象，包括大氣水分、凝結（露、霜、霧、雲）、降水（雨、雪）、大氣運動、大氣環流、局部及區域風場、氣團、鋒面、中緯度及高緯度氣旋、雷雨、龍捲風、閃電、颱風、全球氣候等內容；同時說明大氣穩定度、大氣邊界層對天氣的影響，以及氣象因素與空氣品質的關聯。
本書旨在有系統地介紹天氣現象發生的機制、演變及消長過程，除更新修繕之前出版的《環境氣象學》外，並增添許多內容，諸如舒適區、溫溼儀、科氏力及離心力推導、混合層高度估算、寒潮、閃電、高緯度氣旋、天氣類型對空氣品質的影響等。所述內容除可潛化為常識外，有些應用熱力學、流體力學及熱傳遞原理作解說，以達到「知其然，亦知所以然」的目的，並可奠定讀者往後進階修習之基礎。
本書適合大專院校氣象學課程的教科書或參考書籍，倉促付梓，錯誤難免，尚祈各方賢達不吝指正，是為幸甚！本書插圖皆由管琪芬助理精心繪製，本人衷心感謝！

目錄
序
第一章　地球的大氣
1.1　大氣的成分
1.2　大氣的垂直結構
1.2.1　氣壓及密度　
1.2.2　垂直溫度剖面　
1.2.3　成分特性　
1.3　大氣的演化
1.4　天氣及氣候
1.5　氣象學簡史
第二章　溫暖地球及大氣的能量
2.1　基礎熱力學回顧
2.1.1　物性：密度、比容、內能、焓　
2.1.2　熱力學第一定律：能量、功、熱量、溫度、比熱、顯熱、潛熱　
2.1.3　絕熱及非絕熱過程　
2.1.4　吉布士相律及狀態方程　
2.1.5　理想氣體混合物　
2.1.6　熱力學第二定律　
2.2　熱傳遞機制
2.2.1　傳導　
2.2.2　對流　
2.2.3　輻射　
2.3　太陽及地球的輻射
2.4　太陽輻射的衰減
2.5　全球的能量平衡
2.6　溫室效應
第三章　季節、日照量及日常溫度
3.1　季節變化的原因
3.2　影響日照量的因素
3.2.1　晝光時數　
3.2.2　太陽光程及太陽高度對日照量的影響　
3.2.3　年平均淨日照量　
3.3　近地面日常溫度的變化
3.3.1　白天暖、夜晚冷　
3.3.2　溫度控制因子　
3.4　風寒及溼度效應
3.5　舒適區
第四章　大氣水分
4.1　飽和水氣壓
4.2　溼空氣及溼度
4.3　水滴的飽和水氣壓
4.4　溼度、溫度與露點
4.5　溼度、緯度與高度
4.6　溼度量測
4.6.1　乾溼計　
4.6.2　溫溼儀　
4.7　改變溼度的方法
第五章　凝結：露、霜、霧及雲
5.1　凝結核
5.2　露和霜
5.3　霧和霾
5.4　雲及雲的分類
5.5　雲形成原因
5.6　對流雲底高度估算
5.7　雲底高及雲量觀測
5.8　衛星觀測
第六章　大氣穩定度及雲的發展
6.1　乾絕熱及溼絕熱直減率
6.1.1　直減率　
6.1.2　乾絕熱直減率　
6.1.3　溼絕熱直減率　
6.2　大氣穩定度
6.3　熱浮力判斷大氣穩定度
6.4　穩定與不穩定的空氣
6.5　帕吉穩定度分類
6.6　雲的發展
6.6.1　對流雲　
6.6.2　平流雲　
6.7　絕熱圖及高空分析
第七章　降水：雨及雪
7.1　降雨及降雪過程
7.1.1　碰撞合併過程　
7.1.2　冰晶過程　
7.2　人造雨
7.3　降水量測
7.3.1　雨量計　
7.3.2　降雪量測　
7.3.3　雷達回波　
第八章　大氣運動：氣壓、力及風
8.1　地面及高空氣壓圖
8.1.1　等高面圖　
8.1.2　等壓面圖　
8.1.3　勢位高度　
8.2　力與運動方程式
8.2.1　力　
8.2.2　運動方程式　
8.3　高空風
8.3.1　地轉風　
8.3.2　梯度風　
8.4　近地面風
8.5　熱力風
8.6　大氣運動的分類
8.7　風力及風向
第九章　大氣邊界層
9.1　概述
9.2　大氣邊界層的結構及演變
9.2.1　日夜結構　
9.2.2　溫度、位溫、混合比、風速　
9.2.3　艾克曼螺旋　
9.3　利用垂直溫度剖面求混合層高度
9.4　高氣壓及低氣壓的影響
9.5　高氣壓及低氣壓的天氣
第十章　全球大氣環流
10.1　大氣環流的形成及模式
10.1.1　單胞環流
10.1.2　三胞環流　
10.1.3　行星風系　
10.2　實際氣壓場及風場
10.2.1　實際地面氣壓場及風場　
10.2.2　實際高空氣壓場及風場　
10.3　隨季節變動的氣壓帶及風帶
10.4　南北半球中緯度的高空均為西風
10.5　對流層頂噴流
10.6　大氣與海洋的交互作用
10.6.1　海洋的垂直結構　
10.6.2　洋流及洋流輸送帶　
10.6.3　艾克曼螺旋及湧升流　
10.6.4　聖嬰及反聖嬰　
第十一章　局部及區域風場
11.1　局部風
11.1.1　熱環流系統：海風、陸風、山風、谷風　
11.1.2　欽諾克風及焚風　
11.1.3　下坡風　
11.2　季風
11.3　沙漠風
11.4　沙塵暴
第十二章　氣團、鋒面及東亞沿岸概況
12.1　氣團
12.1.1　氣團的形成　
12.1.2　氣團的分類、分布和特徵　
12.1.3　暖氣團　
12.1.4　冷氣團　
12.1.5　氣團的變性　
12.2　鋒面
12.2.1　概述　
12.2.2　滯留鋒　
12.2.3　暖鋒　
12.2.4　冷鋒　
12.2.5　囚錮鋒　
12.3　東亞沿岸的氣團及鋒面
12.4　移動性高氣壓及週期性天氣變化
12.5　梅雨
12.6　寒潮
第十三章　中緯度及高緯度氣旋
13.1　極鋒理論
13.2　壓力系統的空間結構
13.3　溫壓場配置對氣旋與反氣旋發展的影響
13.4　高空長波及高空氣流的角色
13.5　渦度運動學的解說
13.5.1　氣流的相對渦度　
13.5.2　高低空氣流的垂直交互作用　
13.5.3　背風低壓　
13.5.4　高空風呈緯向波狀行進　
13.6　阻塞系統
13.7　高緯度氣旋
13.7.1　極性低壓　
13.7.2　北極振盪　
13.7.3　極地渦旋　
第十四章　雷雨、龍捲風及閃電
14.1　普通雷雨
14.2　劇烈雷雨
14.3　龍捲風
14.3.1　特徵　
14.3.2　強度　
14.3.3　成因　
14.3.4　類型　
14.3.5　發生地區及季節　
14.4　閃電
14.4.1　發生現象及原因　
14.4.2　類型　
14.4.3　放電過程　
14.4.4　發生頻率及全球分布　
14.4.5　瞬變瑩光事件　
14.4.6　避雷　
第十五章　颱風及颶風
15.1　概述
15.2　颱風的結構
15-3　颱風的熱力及動力特性
15.4　颱風的形成及發展
15.5　東亞地區颱風的行進路線
15.6　颱風與中緯度氣旋的比較
第十六章　全球氣候
16.1　氣候形成因素
16.2　全球氣候帶劃分法
16.2.1　氣溫　
16.2.2　降水　
16.2.3　柯本―蓋格氣候分類　
16.3　熱帶氣候
16.3.1　熱帶雨林氣候　
16.3.2　熱帶季風氣候　
16.3.3　熱帶草原氣候　
16.4　乾燥氣候
16.4.1　副熱帶沙漠氣候　
16.4.2　副熱帶草原氣候　
16.4.3　中緯度沙漠氣候　
16.4.4　中緯度草原氣候　
16.5　溫帶氣候
16.5.1　潤溼副熱帶氣候　
16.5.2　地中海氣候　
16.5.3　海洋西岸氣候　
16.6　寒帶氣候
16.6.1　潤溼大陸氣候　
16.6.2　副北極氣候　
16.7　極地氣候
16.7.1　苔原氣候　
16.7.2　冰冠氣候　
16.8　高地氣候
第十七章　空氣污染氣象學
17.1　影響空氣品質的氣象因素
17.1.1　季節及天氣類型　
17.1.2　大氣穩定度　
17.1.3　逆溫　
17.1.4　高氣壓及低氣壓　
17.1.5　雨量　
17.1.6　風向及風速　
17.1.7　日照量　
17.1.8　氣溫　
17.2　其他因素
參考資料
附錄1　標準大氣
附錄2　公制單位
附錄3　絕熱圖
附錄4　天氣符號
附錄5　索引－中文
附錄6　索引－英文縮寫

地球是太陽系中唯一有生命的行星，而所有生命的原動力是源自於太陽的輻射能量。雖然地球的大氣向外太空延伸數百公里之遙，但是從外太空鳥瞰，這層保護地球的外衣卻薄的像香瓜皮（圖1-1）。
1.1　大氣的成分
表1-1列出大氣的成分，以氮氣最多（78.08%），其次是氧氣（20.95%），二者合計99.03%，其餘為氬、氖、氦、氫、氙，這些氣體成分在0～80 km的海拔幾乎不變，稱之永久氣體（permanent gas）。成分微量且會變動的氣體，包括水氣、二氧化碳、甲烷、氧化亞氮、臭氧、氟氯碳化合物、氣懸膠（aerosol/浮游粒子或液滴）等，稱之變動氣體（variable gas）。雖然變動氣體僅占大氣極少部分，但它們對環境及氣候產生巨大的影響。
在近地面，這些氣體恆處在毀滅及生成的動態平衡過程中。例如，土壤中的細菌可經生化反應移除大氣中的氮氣，而動植物的殘骸在腐敗後又釋出氮氣。又如，有機物因氧化生成氧化物，同時自大氣中移除氧氣；而當植物行光合作用（photosynthesis）時，二氧化碳與水可反應生成氧氣。
大氣中的二氧化碳僅占一小部分，約為0.36%，主要來自植物的腐化、火山爆發、動物呼吸、石化燃料燃燒等。而當植物行光合作用時，就消耗二氧化碳以產生葉綠素。海洋就像是一座巨大的二氧化碳儲槽，因在水裡有無數微小的浮游植物將二氧化碳固定在其細胞內。
水氣（vapor）在大氣中的濃度雖極微，但隨地區及緯度而變化很大，且水分子可以固、液、氣三態出現在自然環境中，構成水循環（hydrological cycle），如圖1-2。大氣中的水氣會釋放潛熱，可提供驅動風暴的能量，亦能吸收地面向太空發散的輻射能，也是溫室氣體，因此在氣象及全球熱平衡上扮演重要的角色，且空氣、水氣及熱量是構成天氣的三要素。
二氧化碳濃度在大氣的年平均增率約為0.4%，在2019年的濃度約418 ppm，與甲烷、氧化亞氮、氟氯碳化合物及水氣均是溫室氣體（greenhouse gases）。甲烷主要來自農作物如稻米的腐化、牛胃的反應及貧瘠土壤的溼氧化過程，在大氣中的年增率約為0.5%。氧化亞氮主要源自土壤中細菌及微生物的化學反應，在大氣中的年增率約為0.25%。氟氯碳化合物為人類合成的化學產品，包括冷媒、溶劑及推進劑，在大氣中的年增率約為4%。
近地表大氣中的臭氧是造成光化學煙霧（photochemical smog）的主要成分，它會刺激眼睛及喉嚨，造成不適；但是約97%的臭氧是在平流層，並吸收紫外線。臭氧與氮氧化物、硫氧化物、碳氫化合物、懸浮微粒等均是空氣污染物。
氣懸膠是漂浮於空氣中固相和液相粒子的統稱。大的顆粒較重，無法長時間停留在空氣中，但很小的顆粒可以懸浮相當長的時間。這些粒子的來源有天然的，如海水飛沫、濆發的火山灰、花粉、微生物；也有人類活動產生的，如煙囪排煙、車輛尾氣排放、車行揚塵、營建工地揚塵等。