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環境氣象學

Environmental Meteorology

作　　者：陳康興
出版社別：五南
出版日期：2020/02/18(1版1刷)
ＩＳＢＮ：978-957-763-859-5
書　　號：5U08
頁　　數：308
開　　數：16K
定　　價：550元
優惠價格：495元

無雲不成雨，無風不起浪。水氣在大氣中所占的成分不多，但是露、霧、雲、雨、雪皆生之於水，又歸於水，這是如何演變及影響天氣？而大氣穩定度及大氣邊界層如何影響雲的發展及天氣？風又是因何而生？高空風和地面風有何不同，在天氣圖中是如何呈現的？
氣象的源頭是什麼？大氣環流如何影響全球的氣候？信風、季風和局部風有何異同？低壓氣旋和高壓反氣旋是如何生成的，如何影響天氣和空氣品質？
主控全球及區域的氣團和鋒面，如何隨季節的變化而消長並影響天氣？又與雷雨、龍捲風、中緯度氣旋及颱風有何關聯？
天氣和氣候有甚麼不同，如何劃分全球的氣候帶？
本書以平易通順的文詞，科學的解說，搭配精美的插圖，闡述這些原因和機制，最後一章解說氣象因子如何影響空氣品質。

陳康興 
民國64年獲得臺灣大學機械工程系學士學位，72年獲得美國柏克萊加州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。73年返國任教於高雄市中山大學機械系，80年擔任中山大學環境工程研究所第一任所長及教授，直至107年退休。研究領域包括大氣運動模擬、氣狀及粒狀空氣污染物特徵調查和來源解析、焚化技術及清潔能源等。已發表百餘篇SCI期刊論文，曾獲6次國科會優等研究獎、9次甲等研究獎、「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。現為中山大學約聘及兼任教授，並於廣州華南理工大學環境與能源學院短期授課。

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，因在水面有無數微小的浮游植物將二氧化碳固定在其細胞內。
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%。
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。
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。
1.5　氣象學簡史
氣象學（Meteorology）是探討大氣及其現象的一門科學，包括天氣及氣候的規律、變化、異常和極端事件。
在公元前340年，希臘哲學家亞理斯多德（Aristotle）寫了一本Meteorologica，書的內容總括當時對天氣及氣候的知識，也涉獵一些天文、地理及化學的材料。在當時，希臘字「meteoros」的意思是「high in the air」，如今meteoros是指來自外太空的「流星」。在Meteorologica一書中，亞理斯多德嘗試以哲學及臆測的方式解釋大氣中的現象。儘管許多臆測是錯誤的，但是有將近二百年之久，眾人深信他的說詞（Ahrens, 2012）。
事實上，早期的氣象學不是一門自然科學，一直要到氣象儀器的發明後始誕生，如16世紀末的溫度計（thermometer），西元1643年的壓力計（barometer）及1700s晚期的溼度計（hygrometer）等。此後藉助儀器的觀測，發展出以科學實驗及物理定律去解釋某些觀察到的天候現象，遂成為科學的一支。
到了十九世紀，更多精良的儀器問世。例如，1804年，人們首次用氣球收集大氣的溫度及溼度（到達7000 m高度）。在1843年發明電報機（telegraph），開啟了氣象觀測數據可常規性的傳送時代。1846年發明了轉杯風速計（cup anemometer），已經成為今日大多數氣象站測量風速的工具。而人們對風及風暴的移動也開始有更清楚的認知，並在1869年繪出簡略的天氣圖。
在1920年代，挪威氣象學家有系統的描述出氣團、鋒面的概念，奠定中緯度氣旋發展的理論。同樣在那時期，氣象人員第一次用氫氣球攜帶無線電探空儀（radiosonde）向地面傳回高度、溫度、氣壓及溼度等數據。到了1940年代，釋放探空氣球（sounding balloon）已成為全世界氣象站每日兩次的例行工作（間隔12小時），擴展了人們對大氣三度空間的了解。而兩次世界大戰中發明的軍用雷達（radar），日後也應用在降雨、下雪的追蹤上（Moran, et al., 2013）。
在二十世紀50年代之後，電腦高速運算能力突飛猛進，開啟了數值模式解析複雜大氣運動及天氣預測的里程碑。1960年4月1日第一顆氣象衛星泰洛斯-I （TIROS-I）發射升空，從此開啟太空氣象觀測的新紀元。

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