天气与气候 第一章：简介（台大教程）

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第一章 簡介

1-1 什麼是天氣與氣候

天氣是指影響人類生活和活動的大氣狀態(state of atmosphere)。天氣和氣候有別，為大氣短
時間(數分鐘至數天)變化。氣候為大氣-水圈-陸面系統(atmosphere- hydrosphere-land surface
system)緩慢變化的形勢(aspects)，為每日或季節性天氣事件(event)經過長期間的累積。

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1-2 天氣、氣候與人

氣象是一門古老的學問。人類的生活習慣常隨氣候不同而異，氣候和人類活動及文明演
進息息相關，天氣劇變或氣候異常，小者影響人類的日常生活起居，大者往往造成經濟損
失。文明興衰和氣候也有很大的關連，古代文明多發生在年等溫線攝氏20 度附近，例如：
埃及，巴比倫。歷史文化的變遷也與氣候改變有相當多的關係，例如中世紀維京人的興衰。
中國歷代王朝，往往是由於氣候不順，引發災民的革命而傾覆。天氣更往往是決定戰爭勝
敗的重要因素之一，例如三國時期的孔明借東風，拿破崙攻俄國遇嚴寒鍛羽而歸。

人類經由生活經驗的累積，發現天氣變化有一定的軌跡可循，由此經驗歸納出許多的經
驗法則和俗諺，成為現代天氣學和氣候學的先驅。先民通常將天氣的變化與日常生活相連
貫，尤其是與農作物的關係。此種例子表現在許多文獻、建築，例如：

1.中國的24 節氣，每一節氣15 天
立春、雨水、驚蟄、春分、清明、穀雨
立夏、小滿、芒種、夏至、小暑、大暑
立秋、處暑、白露、秋分、寒露、霜降
立冬、小雪、大雪、冬至、小寒、大寒

2.聖經
"暴風出於南宮、寒冷出於北方" (約伯記 37:9)

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1-3 天氣、氣候與各行業

天氣、氣候和各行業常有關係，例如：
生物：動、植物的特徵、習性；打獵；熱帶雨林、水稻田對氣候的影響；古氣候；...
醫學︰情緒；在古代天氣觀測曾是醫學的一部份；氣喘；痛風...
經濟︰GNP；期貨；（如南美國家anchovy 收穫量）；...
政治、歷史：民族特性；歷史事件；古氣候；...
人類學︰人類的出現、遷徙；古氣候；...
化學：大氣化學；臭氧；酸雨；空氣污染；古氣候；...
物理：流體力學；混沌...
工程：風力；石油...
電機：衛星...
地質︰古氣候...
地理、數學...

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1-4 古代氣象學

1. 希臘人meteorologia︰天空中的現象，包括氣象、天文。meteoron︰雨滴、雪花...
泰勤斯(Thales，640 B.C.)：四季的觀念
winter and summer solstices：冬、夏至
vernal and autumn equinoxes︰春、秋分

2. 希波克拉底(Hippocrates (460 B.C.~357 B.C.)︰氣象＋醫學
首先研究氣候對人體健康和生活型態的影響→今日的biometeorology 生物氣象學
3.恩貝多克利斯( Empedocles, 490 B.C.~435 B.C.)

四元素論：宇宙間天地萬物係由四個基本元素(火、空氣、水、土)組成，而這四個元素皆
由四種基本性質(溼、乾、寒、暖)每兩種相組合而成(圖1-1)。
四種基本性質︰熱、冷、乾、濕。例如水由泠、溼組成，火由熱、乾組成。


圖1-1 恩貝多克利斯的四個基本元素。

4.亞里士多德 (Aristotle，382 B.C.~322 B.C.)

亞里士多德的「氣象通典」(Meteorologica) 是最早有系統的氣象學巨著。書中有系統討論
地球上水、土、空氣來源，以及各種天氣現象的成因。書中包括天文(圖1-3)、地理、地質、
氣象、海洋，其影響維持至文藝復興。


圖1-3 亞里士多德的宇宙硯

☉錯誤的觀念︰例如
(1)冰雹︰阿納庫薩哥拉斯(Anaxagoras，490 B.C.~435 B.C.)認為降雹乃由於下部雲層被迫注
入上層大氣凍結的結果 (由對流及水汽凝結產生)，所以冰雹多發生於夏天。亞里士多德推
崇阿納庫薩哥拉斯的理論，但卻評論「上層是乾熱的火焰(以太)所組成，如何能把下層雲
層凍結成雹？」，亞里士多德認為這是錯的。
(2)風︰風是空氣的運動。但是亞里士多德說風是地球的呼吸，雨則是呼吸中的水。
(3)西風較冷︰因為從日落處吹來？東風較熱︰因為從日出處吹來？

☉正確的觀念︰例如
(1)雨的形成︰日光照射→蒸發且上升→熱吸收減少、變冷→凝結成水滴→雲。
(2)露水、霜多發生在風止的夜晚。
(3)彩紅︰正確畫出第一及第二道彩虹的顏色分佈。
(4)月暈︰下雨前的徵兆。因為月暈是由卷雲中的冰晶產生折射所形成。
☉他的觀察大多正確，解釋則經常出錯。


圖1-4 亞里士多德的彩虹描述

5. 阿基米德(Archimedes 287 B.C.)︰
他的發現引導出浮力的觀念→大氣的垂直運動→雲、雨、對流...

6.希臘人的風塔(Tower of the winds)（雅典）
風塔(圖1-5)可能建於西元前二~一世紀，由大理石建造，呈八角形。將風向分為8 個方位，
每個方位各有一個雕像(圖1-6，圖1-7)，由雕塑神像描述該風向盛行時的天氣特徵。


圖1-5 風塔 (圖片來源：網站：http://www.culture.gr/2/21/211/21101n/e211an01.html)

圖1-6 風塔上的神像之一 (圖片來源：McAdie， p. 33，Fig. 5)


圖1-7 風塔上的神像之二 (圖片來源：McAdie， p. 23，Fig. 3)



7.中世紀︰無重大進展，繼續接受亞里士多德的說法。

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8.文藝復興︰了解空氣有重量!!!
亞里士多德︰充滿空氣與洩氣的袋子重量一樣，所以空氣沒有重量。
☉氣壓計的發明[1](圖1-8，圖1-12)︰
Water barometer. Air pressure at sea level can support a column of water approximately 10.4 meters
(34 ft) high.


圖1-8 水氣壓計原理

虹吸現象︰(古人的解釋︰因為大自然討厭真空)

伽利略(Galileo) (圖1-9)︰不管把活塞提多高，水只上昇10 公尺。顯然大自然並“不討厭“真
空!!為什麼？

托里切利(Torricelli, 1608~1647)：因為空氣重量約等於10 公尺的水重；若用水銀則約76 公
分→氣壓計的發明(1643)。

巴斯噶(Pascal，法國)：山上氣壓比山下低。

托里切利：氣壓不僅隨高度變化，也隨時間變化。

Jean Pecquet(1651)，Samuel Pepys：氣壓與天氣現象有關；虎克(Hooke, 1964) 也注意到！

George Sinclair(17 世紀)：將天氣好壞刻在氣壓計上。


圖1-12 氣壓計

☉自然界的氣壓計：
風洞：低氣壓接近，風從洞內吹出。
熱噴泉：黃石公園中有些熱噴泉，只在低氣壓接近時才噴出。
生物：低壓時，蚊子咬得兇，魚吃得少？？

☉溫度計的發明[2]：
--液體加熱膨脹
伽利略：水溫度計
Drebbel：酒精溫度計。
Kircher(1620)：水銀溫度計。


圖1-13 溫度計

☉自然界的溫度計：
響尾蛇尾巴搖動的頻率：0 在32 oF；100 次，在98 o F
樹葉的顏色、形態(圖1-14)...

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8. 開始零星的觀測：

‧笛卡爾(Descartes,1596~1650)(圖1-15)--1641 年在義大利彿羅倫斯建立世界上第一個氣象測
站。
‧波義耳(Boyle, 1626~1691)—1659 年試驗氣體體積和壓力關係；1665 年由燕麥鬚作成吸溼
劑之原理，以測定溼度。
‧虎克(Hooke, 1635~1703)--"Method for making a history of the weather"，十七世紀氣象儀器的
發明大王，包括溫度表、氣壓計、溼度計、風速計、自記氣象鐘。
‧萊布尼玆(Leibriz)—1698 提出空盒氣壓表(Aneroid barometer)的基本觀念。1844 年法國物理
學家佛第(L. Vidie)成功製造空盒氣壓表。
‧法國 "Societas Meteorologica Palative"(1780)整合收集國際觀測資料。
9.化學、物理、數學的進步：
比如：理想氣體的特性，重力的發現，牛頓定律，微積分...
10.潛熱(latent heat)的發現：
例如：水＋冰的液體：只要尚有冰存在，無論加多少熱，溫度不變，因為熱用來溶解冰塊。


圖1-14 樹葉形態隨天氣改變


11.輻射：發現可見光以外的輻射。比如，在黑暗中，溫度計顯示溫度計繼續上升。
12.閃電：希臘、羅馬人企圖防制閃電，富蘭克林(1752)以風箏做實驗。風箏是18 世紀探測低層大氣的主要工具。


圖1-16 希臘、羅馬人企圖防制閃電 (圖片來源：張昭民，p.61，圖二四)

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13.天氣系統會移動！！
十八世紀前，人們認為風暴(storms)當地發生，原地消失。
十八世紀：天氣系統會移動，而且可維持好幾天。
例如，富蘭克林(1743；觀察月蝕；費城︰無，波士頓︰有。)

14.十幾世紀︰開始從觀察資料（如︰氣壓、溫度、風向、風速...）(圖1-18)了解天氣系統的
結構(圖1-19)。比如，低壓中心附近的風場。


圖1-18 高空觀測 (圖片來源：張昭民，p.166，圖六八)


There views of storm circulations in the nineteenth century. Arrows show the direction of air
movement.
圖1-19 十九世紀風暴的觀念

☉天氣圖︰天氣測站(圖1-20)增加，知道同一時間各地天氣狀況。
☉1860︰美國有500 個測站，以電報傳遞觀測資料。
☉1872︰美國開始每天天氣預報。


圖1-20 布拉格氣象台 (圖片來源：張昭民，p.146，圖六二)

15.現代氣象
☉氣旋模式的提出︰挪威學派，Bjerknes；鋒面的觀念：1930's。
☉高空觀測：Radiosondes(無線電操控儀)的發明。
☉電腦的發明(1950's)；數值天氣預報。
☉氣象衛星︰Tiros 1 (1960)
☉雷達。
☉遙測技術。


圖1-20 布拉格氣象台 (圖片來源：張昭民，p.146，圖六二)

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1. 觀天象以判天氣

‧ 魚鱗天，不雨也風顛
魚鱗天指卷積雲，此雲一出現常意謂氣旋就要過境，不下雨也要刮大風。

‧ 天上鯉魚斑，明日晒穀不用翻
鯉魚斑指透光高積雲，往往是高氣壓控制下的徵兆，故短期內天氣仍然晴好。

‧ 天上掃帚雲，三日雨淋淋
掃帚雲指卷雲，乃標準氣旋之先頭部隊，此雲一出現意謂氣旋逼近，兩三天之內就要下雨。

‧ 天上鉤鉤雲，地上雨淋淋
鉤鉤雲即是氣象上的鉤卷雲，鉤卷雲出現後，往往有低壓，或是明顯的槽線移來，要下雨
也。

‧ 雲鉤午後排，風色屬人猜
雲鉤一現，必有天氣系統移來，短其內風雲變色自是意料中事。

‧ 游絲天外飛，久晴便可期
游絲天外飛指毛卷雲，這種雲孤立地出現，一般說明高空比較穩定，如果雲不是系統的增
多變厚，一般預示天氣繼續晴朗。

‧ 砲台雲，雨淋淋
塔狀高積雲或層積雲，往往出現在低壓槽的前面，空氣不穩定，下雨機會很大。

‧ 烏雲接日頭，半夜雨稠稠
太陽下山時，西邊天空的烏雲密佈，接住太陽而且又處西風帶中，如此烏雲隨風自西向東
移動，預示當天夜裡要下雨。

‧ 雲交雲，雨淋淋
雲交雲顯見上下層風向不一致，此種現象通常發生在冷暖空氣交界面附近，固有下雨之徵
兆。

‧ 朝霞不出門，晚霞行千里
早晨出門霞必有雨相，傍晚出現霞，天氣晴朗可期。

‧ 亂雲天頂絞，風雨來不少
亂雲係指天空雲多，絞字乃言雲系很亂，擾動大，則是上下對流旺盛，風雨難免

2. 審風卜雨

‧ 東北風，雨太公。冬季東北季風一來，下雨機會很大。

‧ 南風吹到底，北風來還禮。冬季連吹幾天南風以後，往往又要有一次寒流爆發，北風
增強。

‧ 天晚颳風天明住，天明不住颳倒樹。由於受慣性振盪(inertial Oscillation)之作用以及夜間
輻射逆溫存在之影響，夜間逆溫層頂上風速會加強，但日出後逆溫消失，風速亦將逐漸減
小，假使天明風速仍然不減弱，則可能有天氣系統要來臨矣。

‧ 十月南風兩日半，十一月南風當日轉。夏季過後，北方冷空氣開始活躍，南風吹幾天，
北方冷空氣就要南下，再往後，若再吹南風，冷空氣當天就有可能南下，轉北風了。

3. 聽雷觀霧察霜露

‧ 三朝迷霧發西風，若無西風雨不空。秋冬季節，強冷空氣南下，在天晴風微的早晨連
續出現幾天霧時，顯示此次冷空氣已經變暖變濕了，接著將有新的冷空氣下來而刮西北風
或下雨。

‧ 久晴大霧必陰，久雨大霧必晴。在久晴後出現大霧預示以後天氣將轉陰雨，久雨後出
現大霧則預示未來天氣將轉晴。

‧ 露水重，天氣晴。露乃晴天、風小穩定天氣下之產物，所以露水越重，預示晴天機會
相當大。

‧ 霜後南風連夜雨。春季，早晨出現白霜後，如果轉東南風，那麼天氣很快就要變壞。

‧ 霜夾霧，旱得井也枯。冬季清晨，霜霧同時出現，天氣繼續晴朗。

4.物象測天
‧ 魚跳水有雨來。
‧ 螞蟻築壩陣，雷雨落盈寸。
‧ 貓兒吹青草，雖旱不用禱。
‧ 燕兒低飛，雨後隨。
‧ 地還潮，雨要到。
‧ 豬銜草，寒潮到。
‧ 狗泡水，天將雨。
‧ 鴨宿遲，兆陰雨。
‧ 鴨出籠早，當天雨就到。
‧ 群雁南飛天將冷，群雁北飛天轉暖。
‧ 貓臥房脊，雨也淅瀝。
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[1]附註1：氣壓計及溼度計。托里切利1643 年證明了大氣壓力，氣壓計於是誕生。而第一個真正的溼度計在1780 年左右由瑞士物理學家暨地質學家奧拉斯． 班尼迪克(Horace-Benedict)建立的。
[2]附註2：溫度計。以伽利略在1597 年建立的理論為基礎，首支液體溫度計於1641 年問
世。

第一章：简介 完