氣象學在地球科學中的角色

【摘要】氣象學為地球科學的一個重要學門，主旨在研究地球的大氣現象及其對地面、海洋與生物的效應；其研究成果除了可讓人了解大自然的奧秘外，更可以改進人類的生活環境。

地球科學與氣象學的本質

談氣象學在地球科學的角色之前，需先認識地球科學與氣象學的本質，但在談它們的本質前，更重要的是，先確定什麼是地球科學及氣象學。此兩門學科之概念性意義十分清楚，英文的geosciences及earth sciences均指地球科學，即研究地球及其周圍環境（大氣、太空）的科學；氣象學（meteorology）則為研究大氣現象的科學。顯然，氣象學與地質學、海洋學、天文學、地球物理學、地球化學等均屬地球科學的子題學門，而地理學、地形學、大地測量學、地磁學、水文學、地震學等亦均屬地球科學的內容。

地球科學裡的各學門均具有科學及應用的本質，其科學的本質在於各學門都注重在對地球及其周圍環境的探討與了解；而其應用或實用的本質則更顯而易見，例如：地質學及地球物理學知識的應用於石油探勘，地震學知識的應用於工程建築，氣象學知識的應用於天氣預報與改造。因為地球科學各學門的本質都很相近，所以各學門在地球科學的角色，也就沒有何者較為重要或不重要的區分。但是，若以對我們日常生活的密切及大自然對人類的危害而言，可能氣象學是最引起人們注目的地球科學學門。特別是台灣地區災變天氣（颱風、寒潮、乾旱、梅雨），導致嚴重且發生頻繁的災害，使氣象學更受到普遍的重視。交通部氣象局正在進行的氣象業務全面電腦化的建置工作，及1987年五∼六月國科會推動的大型國際合作計畫「台灣地區中尺度實驗」（Taiwan Area Mesoscale Experiment； TAMEX），就是最好的例子。

氣象學的內容

如前所述，氣象學為研究大氣現象的科學，其目的在於了解大氣的物理、化學與動力性質，包括大氣的狀態、現象與變化，並進而利用這些科學知識以預測、改造及控制大氣。此外，氣象學的內容還包括大氣對地面、海洋及生物的效應，因此在相關科學、人類活動及日常生活上有很廣泛的應用性。在氣象學的內容裡，我們可依據研究方法、研究對象或在人類活動的應用上，將其劃分成很多的學科。諸如：大氣物理學（或物理氣象學）、大氣動力學（或動力氣象學）、大氣學、大氣化學、近地層氣象學（或微氣象學）等較基礎的學科，及航空氣象學、農業氣象學、應用氣象學、水文氣象學、海洋氣象學、生物氣象學、雷達氣象學、衛星氣象學、空氣污染學等較應用的學門。

氣象學的研究對象為大氣現象，因為從物理及數學領域來探討這些現象的形成過程，是相當複雜的，所以氣象學的研究方法非常之多，但約可歸成四大類別：即理論研究、觀測研究、數值模式研究及實驗室研究。對於任何大氣現象的問題，幾乎均需藉助各種不同研究方法，方可探知其真實奧秘。而氣象學又可以其研究性質及其目的劃分成不同階段，彼此銜接。例如氣象預報，即需由上游的基礎研究、中游的應用研究及下游的預報技術發展與預報作業化等階段，來研究與開發，並且相互配合。因此，只要有興趣於大氣現象，幾乎所有具有不同興趣、專長及天賦的人，均可在氣象學的領域裡找到他的對象與歸屬。

氣象學與地球科學各學門的關係

大氣與地面及海洋相接觸，且大氣運動的原始能源為太陽，因此氣象學與地理學、地質學、海洋學、天文學等密切相關。地理學在研究地球表面的各種現象，顯然其中有很多現象主要是由氣象來決定的，例如：氣候分布、植物分布、土地利用等。而地球表面的性質，例如：山脈、地形、不同物理性質（粗糙度、乾濕程度…）等，亦在影響大氣現象及其變化。

地質學與氣象學的關係，在地質年代的時間波譜裡更是密不可分，例如：古氣候學的研究，傳統上均被視為地質學的一支。

海洋學與氣象學之相互關係更為密切，因為大氣與海洋均屬流體，故其間交互作用更是顯而易見。大氣運動對海流的驅動以及海氣間熱量、動量、與水氣的相互傳送交互影響，使氣象學與海洋學之間產生密不可分的關係。

至於天文學與氣象學，乍看之下似無關係，仔細分析則關係亦極顯然。除太陽供給大氣運動的能量外，地球自轉的轉軸傾斜變化與公轉的軌道變化，以及太陽表面輻射能量的變化等，均可影響到長短期的天氣與氣候變化。

台灣地區災變天氣

台灣位於全球最大陸地與最大海洋交界處的副熱帶，各季節的天氣變化十分顯著，天氣與氣候不但有熱帶系統的影響，更有中緯度系統的影響，可說是近乎千變萬化。而其中在不同季節具有能造成重大災害的特殊天氣現象，諸如：颱風、寒潮、乾旱與梅雨等災變天氣，均為大家所關切的氣象問題。因此在台灣地區，這些災變天氣，自然地成為氣象學的研究與預報應用的重要對象。

颱風為一種強烈的熱帶低壓系統，在台灣地區最常發生在七、八及九月的颱風季。其導致的災害可為暴風、暴雨或暴潮。台灣地區颱風災害最嚴重的是其伴隨暴雨或豪雨導致的洪水，最近的例子就是去年十月二十四∼二十五日，台北地區琳恩颱風導致的暴洪，財物損失超過新台幣百億元。然而亦有大部分災害導因於暴風者，例如：1977年七月二十五日登陸高雄之賽洛瑪颱風，其暴風導致的損失竟達新台幣百億元以上。颱風暴潮導致的災害一般發生在西部沿海，例如：1960年八月八日崔絲颱風通過台灣北部近海，導致台灣西部沿海海水暴漲（即暴潮），造成嚴重災害的地區包括新竹到雲林一帶沿海地區。

寒潮俗稱寒流，係指冬季期間較高緯度的強烈冷空氣（冷氣團）潰流到較低緯度地區，造成該地氣溫急速下降的現象，通常伴隨強烈的蒙古（或西伯利亞）高壓發生。寒潮爆發冷氣團抵達台灣地區，除直接影響人們日常活動外，其伴隨的強風與嚴寒，每對冬季作物造成凍害、霜害與冷風害，並導致作物枯死、凋萎與生育不良。對於養殖漁業亦可造成嚴重的損害，例如：1975年十一月二十二日的寒潮，一夜之間即使中南部漁塭損失新台幣三億元以上。

乾旱係指，某地區一段相當長久而不正常的乾燥天氣現象，嚴重影響該地區的需水量供應者。乾旱與乾季不同，乾季是指在氣候上少雨的季節而言，例如：台灣中南部冬季少雨，是為該區乾季。台灣地區的乾旱現象發生，以中南部地區較顯著且頻繁，發生頻率冬季大於夏季且南部大於中部。一般說來，乾旱若發生在春季（三、四月），則其影響與災害較為廣泛且嚴重，因為此時適逢第一期稻作插播或成長之時，需要充分水源灌溉。以1977年三∼四月全省乾旱為例，除對第一期稻作之成長有不良影響及農地缺水未能及時耕作外，工業及民間用水也受到極大限制，甚至影響水力發電而導致限水與限電措施。1980年五∼六月的乾旱，更不得不求救於人造雨。

梅雨為東亞地區獨特的天氣與氣候現象，此主要乃因東亞地區為全球季風最顯著的區域，冬季盛行東北季風，夏季盛行西南季風，在春末夏初的過渡季，由東北風與西南風會合形成近似滯溜的鋒面，導致連續性或間歇性下雨，間或夾帶豪雨，這就是東亞地區的梅雨。在台灣地區梅雨季發生在五月中旬至六月中旬，日本地區發生時間較台灣地區的約落後半個月，長江流域地區則約落後一個月。過去台灣地區梅雨導致的災害主要為農業方面，因為梅雨季適為中北部地區第一期稻作成熟之時，連續性下雨影響收割，導致稻禾倒伏浸水，穀粒脫落發芽，並對其他農作物造成損害。近年來因我國工商業的發達及經濟的快速成長，梅雨期豪雨導致的暴洪災害，已成為梅雨期間的主要災變天氣現象。例如：1981年五月二十八日桃竹地區「五二八水災」、1984年台北地區的「六三水災」及「六一○水災」，每次災變事件導致的財物損失均在新台幣百億元之譜，而這些災害均由梅雨期的豪雨而來。因梅雨期豪雨災害的嚴重性，所以有國科會的「台灣地區中尺度實驗」計畫，有關這個重要計畫的原委將在下節說明。

由上述台灣地區災變天氣現象導致的災害觀點而言，氣象研究的目的除了希望對災變天氣現象增加了解以改進預報，使人們能預先採取適當的防範措施以減小災害損失之外，這種大氣內的奇特現象亦為氣象科學探究大自然奧秘的極佳題材。

台灣地區中尺度實驗

對於「台灣地區中尺度實驗」計畫的各參與者而言，不論大氣科學家或氣象作業專業人員、支援協助單位的非氣象專業人員或採訪記者，這個計畫都將是他一生中的一個重要事件。因為這是有史以來，我國所推動的第一個大型實驗計畫，以大自然做為實驗室，試圖解決我們面臨的一項科學及實際的問題──梅雨季的豪雨。這個動員了中美兩國近百位氣象學者專家，經三年半規劃，並經由中美50位學者專家及一千多位技術人員，在1987年五月一日至六月三十日台灣梅雨季，順利執行實地觀測作業，圓滿完成原訂科學目標的國科會大型國際合作計畫。「台灣地區中尺度實驗」，因為不僅將對未來氣象學術及氣象預報作業有直接且深遠的影響，而且其成功的經驗亦可為我國今後推動整合性大型計畫的參考，所以作者已分別於1987年十二月在國科會出版的「科學發展月刊」，寫了「『台灣地區中尺度實驗計畫』之回顧與展望」，及空軍氣象聯隊出版的「氣象預報與分析」TAMEX專集，寫了「『台灣地區中尺度實驗計畫』之緣起、規劃與實施」兩篇文章，介紹此計畫的來龍去脈，因而在此僅將簡要說明這個計畫的主要目的及使用的重要儀器裝備。

TAMEX計畫的長程目標為透過基礎研究與應用研究，增進對劇烈區域性豪雨之了解，以改進豪雨預報能力，減少豪雨帶來的損失，並增加水資源利用之經濟效益。故TAMEX計畫主要研究目的可分為兩方面：一為基礎研究，另一為應用研究及預報技術發展。在這兩方面的研究重點則包括三項：一、伴隨梅雨鋒面的中尺度環流系統；二、在梅雨鋒面內發展的中尺度對流系統；三、地形對於梅雨鋒面及中尺度對流系統的影響。為了達到這些目的，在1987年五月一日至六月三十日之間，除動用了我國現有的所有氣象儀器設備外，並動員了國科會（海研一號）、農委會（漁訓一號）及海軍（九華號）的三艘研究船，於台灣鄰近海域進行氣象觀測。此外，更有美方支援的一架最完整、最現代化裝備的氣象觀測飛機（美國國家海洋大氣總署／NOAA WP-3D）及兩部都卜勒氣象雷達，總共順利完成13次密集觀測及10次飛機飛行偵測任務。

氣象學為地球科學的一個重要子題學門，主旨在研究地球的大氣現象及其對地面、海洋與生物的效應。這些研究結果除可滿足人類了解大自然奧秘的好奇心之外，更可用來改進人類的生活環境。例如：提高天氣預報準確度，使人類能利用氣象條件以增加經濟效益，或採取防範措施以趨吉避凶減少損失；發展天氣／氣候改造技術，以減少災變天氣損害或增加其經濟效益等，均是最顯著的例子。此外，最近常為大家關切的問題，諸如南極春季的臭氧洞、全球氣候的異常、人為活動對氣候的改變等等，亦均為氣象學上有趣的問題。生長在台灣地區，除了這些全球性氣象問題可能將影響我們之外，更重要的是直接影響我們的天氣與氣候，特別是台灣地區災變天氣：颱風、寒潮、乾旱與梅雨，氣象學除將揭開這些天氣現象的奧秘外，亦將提供我們因應之道。

陳泰然任教於台灣大學大氣科學系，本刊編輯顧問

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