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航空氣象學 (2022年版)

內容簡介

內容簡介 航空氣象學屬於應用氣象學之範疇，其主要任務在於保障飛航安全，提高飛航效率。 在實務上著重於利用適當的天氣條件，避開惡劣的天氣，使飛機順利完成飛行任務。 本書編修者蒲金標 博士為航空氣象學權威，在民航局實際從事航空氣象工作三十六年，參與民用航空局航空氣象現代化系統計畫，先後架設松山和台灣桃園國際機場低空風切警告系統，並建置航空氣象服務網站。2008年在民航局飛航服務總台副總台長退休後，繼續從事研究以氣壓跳動與機場低空亂流之相關性，並於2017年8月在松山機場架設一套松山機場低空亂流警告系統，對台灣飛航有許多重要貢獻。 本書所有各種天氣報告及天氣預報之內容次序及傳播程序等，均依照世界氣象組織（WMO）國際航空氣象服務（Meteorological Service for International Air Navigation. WMO Technical Regulations Vol.Ⅱ）以及國際民航組織（ICAO）國際民航公約第三號附約（ANNEX 3 to the convention on international civil aviation）之各項共同準則，符合目前航空氣象服務之國際規定。 本書計分三篇，各篇均自成系統，可獨立參考閱讀。第一篇論述飛航氣象基本要素，含物理學之理論研究以及各要素之應用於航空方面；第二篇討論影響飛航安全之天氣，詳細討論可能危害飛航之情況及應付迴避之方法。第三篇敘述航空氣象服務，略述航空氣象機構、業務及工作技術內容等。適用於「航空氣象學」課程，也可當作高考、民航、升職等考試、軍官轉任民航特考與學科項目入門用書。

作者介紹

作者介紹 蕭華原著；蒲金標編修原著：蕭華（1918-2010）1918年生。1943年畢業於國立中央大學地理系氣象學組，1957年取得美國芝加哥大學氣象研究學碩士。曾擔任聯合國派駐沙烏地阿拉伯高級氣象顧問、民航局副台長、飛航服務總台副總台長，並曾任中國文化大學大氣科學系教授，講授普通氣象學及航空氣象學，對國內航空氣象學界貢獻良多。編修：蒲金標1947年生。中國文化大學地學研究所氣象組理學博士，1982年自美國國家大氣研究中心和美國國家氣象局航空氣象專業訓練結業。曾任：海軍基隆氣象台少尉氣象官、中國海專兼任講師、交通部民航局飛航總台副總台長、航管組技正、航管十年計劃小組兼任正工程師、航空氣象現代化系統計畫作業小組兼任執行秘書，並於開南大學空運管理系、中國文化大學大氣科學系、國立台北教育大學自然教育學系等科系兼任副教授，講授航空氣象學；曾任財團法人中華氣象環境研究發展中心副董事長兼執行長、行政院飛安調查委員會飛安管理季刊編輯委員會指導委員。榮獲1999年「中國文化大學傑出校友」、2016年中華航空氣象協會「航空氣象年度傑出貢獻獎」。

產品目錄

產品目錄 【作者簡介】 【原著者 初版自序】／蕭華 【原著者 1983年修訂版自序】／蕭華 【編修者 序】／蒲金標 【緒論】 【第一篇 航空氣象基本要素】 ▍第一章 大氣層（The earth’s atmosphere） 第一節 人類棲息之地球 第二節 大氣之組成 第三節 標準大氣（Standard Atmosphere） ▍第二章 大氣溫度（Atmospheric temperature） 第一節 氣溫單位 第二節 熱力與溫度 第三節 氣溫之變化 第四節 等溫線（Isotherm） 第五節 地球上氣溫之水平分布 第六節 地球上氣溫之垂直分布 ▍第三章 大氣壓力（Atmospheric pressure） 第一節 空氣總重量 第二節 氣壓量測與氣壓單位 第三節 測站氣壓與海平面氣壓（Station pressure and sea level pressure） 第四節 氣壓日變化與季節變化 第五節 氣壓與高度 第六節 高度計（altimeter） 第七節 高度撥定（altimeter setting） 第八節 地面氣壓與高度計 第九節 地面氣溫與高度計 第十節 其他天氣狀況與高度計 第十一節 測高術（Altimetry） 第十二節 等壓線與氣壓系統（Isobar and pressure system） ▍第四章 風（Wind） 第一節 對流作用（Convection） 第二節 氣壓梯度力（Pressure gradient force） 第三節 地轉科氏力（Deflecting force） 第四節 地轉風（Geostrophic wind） 第五節 地面摩擦力（Frictional force） 第六節 梯度風（Gradient wind） 第七節 大氣環流（General circulation） 第八節 區域性大範圍風系 第九節 預報地面風速之經驗法則 第十節 地方性小範圍風系 第十一節 山脈與風 第十二節 跑道側風（Crosswind） ▍第五章 大氣水氣、凝結與降水（moisture condensation and precipitation） 第一節 物態變換（Change of state） 第二節 水氣 第三節 凝結（Condensation）與降水（Precipitation） 第四節 陸地與水域之效應 ▍第六章 大氣穩定度（Stability） 第一節 氣溫垂直遞減率（Lapse rate） 第二節 絕熱過程（Adiabatic processes） 第三節 絕熱圖（Adiabatic chart） 第四節 如何決定大氣穩定度 第五節 大氣穩定與不穩定對航空之影響 ▍第七章 雲（Clouds） 第一節 雲之組成 第二節 雲之種類 第三節 雲之形成與結構 第四節 雲層之穩定與不穩定 第五節 雲中飛行天氣狀況 【第二篇 影響飛航安全之天氣】 ▍第八章 氣團（Air mass） 第一節 氣團形成之主要因素 第二節 氣團源地（Source regions） 第三節 氣團之分類 第四節 變性氣團 第五節 台灣地形與氣候 ▍第九章 鋒面（Front） 第一節 鋒面結構 第二節 極地鋒面（Polar front） 第三節 鋒面之不連續 第四節 影響鋒面天氣之因素 第五節 鋒面之種類 第六節 中高緯度氣旋及無鋒面低氣壓 第七節 高空鋒面（Upper fronts） 第八節 不活動之鋒面（Inactive fronts） 第九節 鋒面生成（Frontogenesis） 第十節 鋒面消失（Frontolysis） ▍第十章 大氣亂流（Air turbulence） 第一節 對流大氣（Convective currents） 第二節 障礙物對於氣流之影響（Obstructions to wind flow） 第三節 風切（Wind shear） 第四節 機尾亂流（Wake turbulence） 第五節 大氣亂流之分類 第六節 大氣亂流強度 第七節 天氣現象及地形對大氣亂流強度之影響 第八節 大氣亂流中飛行 ▍第十一章 雷雨（Thunderstorm） 第一節 雷雨形成之必要條件 第二節 雷雨之結構 第三節 雷雨之危害 第四節 雷雨之分類 第五節 雷達觀測雷雨 第六節 雷雨中飛行問題 ▍第十二章 飛機積冰（Aircraft icing） 第一節 飛機積冰之危害 第二節 飛機積冰之形成 第三節 飛機架構上積冰之形成速率 第四節 飛機結構上積冰之形態 第五節 飛機架構上積冰對於飛機之影響 第六節 飛機架構上積冰強度 第七節 飛機停在地面上之積冰與霜 第八節 飛機架構上積冰之消除與防禦（De-icing and anti-icing） 第九節 飛機進氣及進油系統之積冰（Induction system icing） 第十節 飛機儀表之積冰（Instrument icing） 第十一節 積冰與雲型（Icing and cloud types） 第十二節 飛機積冰之天氣 第十三節 形成飛機積冰之其他因素 第十四節 積冰飛航應注意事項 ▍第十三章 視程障礙與低雲幕 第一節 雲幕與能見度之定義 第二節 霧 第三節 他種視程障礙 第四節 天空不明 第五節 視程障礙與低雲幕形成條件 ▍第十四章 噴射飛機與高高度天氣（Jet plane and high altitude weather） 第一節 對流層頂（Tropopause） 第二節 噴射氣流（Jet stream） 第三節 晴空亂流（Clear air turbulence） 第四節 卷雲（Cirrus clouds） 第五節 凝結尾（Condensation trails） 第六節 高高度霾層（High altitude haze layers） 第七節 座艙罩靜電（Canopy static） 第八節 高高度積冰（High altitude icing） 第九節 雷雨 第十節 噴射機在平流層之飛行天氣 第十一節 超音速噴射機之航空氣象問題 ▍第十五章 熱帶天氣（Tropical weather） 第一節 熱帶天氣變化 第二節 熱帶季風（Tropical monsoon） 第三節 間熱帶輻合區（Intertropical convergence zone; ITCZ） 第四節 熱帶風切線（Shear line） 第五節 熱帶高空槽（Tropical trough aloft） 第六節 東風波（Easterly waves） 第七節 熱帶風暴（Tropical storms） ▍第十六章 北極區天氣（Arctic weather） 第一節 北極區溫度之季節變化 第二節 北極區之氣團 第三節 北極區之鋒面 第四節 北極區之溫度 第五節 北極區之雲層、降水及風 第六節 北極區之視程障礙（Restriction to visibility in Arctic） 第七節 北極區之地面狀況 第八節 北極區之高度計誤差（Altimeter errors） 第九節 北極區之奇特天氣 第十節 北極區之飛行天氣狀況 【第三篇 航空氣象服務】 ▍第十七章 航空氣象機構與任務 第一節 航空氣象台 第二節 航空氣象守視台 ▍第十八章 航空氣象簡易觀測法 第一節 風之觀測 第二節 能見度之觀測 第三節 現在天氣與視程障礙之觀測 第四節 雲、天空遮蔽及雲幕觀測 第五節 溫度及露點之觀測 第六節 氣壓及高度撥定值之觀測 第七節 補充天氣資料──附註欄（Supplementary information） ▍第十九章 航空氣象測報電碼 第一節 機場地面航空氣象測報 ▍第二十章 航空氣象天氣圖表 第一節 天氣圖之應用 第二節 地面天氣圖 第三節 等壓面高空天氣圖 第四節 航空氣象輔助圖表 ▍第二十一章 航空氣象預報電碼及圖表 第一節 機場天氣預報 第二節 航線天氣預報 第三節 飛機降落（或起飛）天氣預報 第四節 顯著危害天氣預報 第五節 航空氣象預報圖表及天氣講解 第六節 航空氣象預報之準確度 【參考資料】 【索引】

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試閱文字

自序 : 【原著者　初版自序】／蕭華

　　人類科學愈進步，科學分工益精細，氣象學源本於物理學，由於自然現象對人類生活起居影響至巨，且各種基本氣象儀器次第發明及有系統之氣象觀測普遍實施，氣象學乃逐漸發展，自立門戶，成立近代嶄新科學之一。經過二次世界大戰後，氣象學應用於航空方面者尤多，加之近代航空科學以及民航業務快速發展，對於航空氣象學之要求日益迫切，復以理論基礎與應用技術之精進，故航空氣象學遂自然形成一獨立學門。

　　發機之飛行於天空受天氣影響與支配者至繁，天氣既可危害飛航安全，亦能增進空運績效。世界各地飛機失事受惡劣天氣影響之例，不勝枚舉。其在我國不幸發生最大之空難，厥唯民國三十五年耶誕前夕三架民航客機在上海龍華機場於極端惡劣天氣之情狀下，冒險降落，接連墜毀，損失慘重，以致造成民航史上難忘之浩劫。至天氣可資航空利用者，諸如選擇順風層或避免逆風層，以節省油料；採擇空氣平穩之高度飛行，使乘客旅途舒適；以及利用跑道逆風，使飛機起飛便捷等等。

　　航空氣象學之內容，近年來隨航空科學與航空事業之發達而不斷充實。歐美各國，為灌輸航空人員之氣象知識，出版各種航空氣象理論與技術之專書。作者有感於國內航空從業人員氣象知識之提高，其對於航空氣象之需求日益殷切與苛嚴，要為國人引導航空氣象學識，實為急務，故不揣譾陋，效野人之獻曝，於公餘之暇，根據平日瀏覽中外書刊，歷年搜集資料，及三十餘年累積之經驗，試撰《航空氣象學》一書，以期對航空界奉獻一項比較新穎而有系統之航空氣象學知識；對氣象界亦提供現代化航空氣象之輪廓。唯因倉促付梓，不無謬誤及遺漏之處，幸祈專家大方，不吝指正，並希讀者鑒諒。

作者蕭華謹序民國五十六年九月於台北
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【原著者　1983年修訂版自序】／蕭華

　　作者從事大氣科學研究工作凡四十餘年，濫竽航空氣象業務研究發展者三十餘年，充數航空氣象教學者亦逾二十載矣。無論國際航空氣象業務、國內飛航業務對航空氣象之需求、以及傳授航空氣象學知識等等日積月累之經驗，幸有相當深度之瞭解。且平日潛心於資料蒐集、新知鑽研與業務改進，對於航空氣象理論之闡微，航空氣象科技之發展以及航空氣象業務之未來趨向，體會與熟稔良多。鑑於近年航空事業之神速發展，同時對航空氣象之苛嚴需求，航空氣象理論與技術亦日就月毀之創新進步。為順應時代之需求，則拙著《航空氣象學》一書，實有修訂更新之必要。

　　民國五十六年，作者嘗試編著《航空氣象學》一書，問世以來，深受航空界之歡迎與採納，飛行人員及地勤人員作為重要飛安參考資料，大學有關氣象科系列為教學參考書籍，迄今巳歷十六年矣！際此期間，國內國外民航運輸業務，已是突飛猛進耳目一新，次音速噴射客機晉級為超音速噴射客機，大型客貨機提升為巨無霸客貨機，空中及地面助航暨導航裝備，逐漸改用電腦自動化，人類施放氣象衛星後，利用衛星雲圖，以提高航空氣象服務品質。近年發現大氣亂流與低空風切，成為飛航安全之重大威脅，而各型偵側低空風切亂流之儀器系統，相繼問世。與此岣一期間──十六年，國內國外民航機因氣象原因而致失事者，時有所聞，其犖犖大者：國內甘五十九年八月中華航空公司YS-11型班機冒台北桃園一帶之大雷雨，在台北市圓山附近之福山墜毀。六十四年七月遠東航空公司VC型班機亦於台北機場大雷暴雨中不幸墜毀。國外者，自1964年至1975年間十二年中，因風切亂流而導致航機失事者，計有25次之多，其最重大者為1975年六月二十四日一次震驚世界之大空難，即美國東方航空公司一架波音727型客機在紐約甘迺迪國際機場因大雷雨低空風切亂流而墜毀。其他各國如1977年四月在大西洋西班牙屬卡納利群島（CanaryIstands）之聖克魯斯（Santa Cruz）機場，泛美世界航空公司與荷蘭航空公司兩架波音747型客機在大霧中（能見度祇有跑道長之1/6）互撞而全毀，死傷人數有576人之多，創世界空難傷亡人數之記錄。同年九月日本航空公司一架波音707型客機在馬來西亞首都吉隆坡附近因大雷雨而致失事。又同年十一月萄葡牙國家航空公司一架波音727型客機在大雨中墜毀於大西洋中葡屬馬德拉群島（Madeira Islands）。今年（1983）六月一架英國航空公司直升飛機在大西洋上遭遇大霧而墜海，死傷乘客二十餘人。由此可知，不論航空機械工程如何精密，助航導航設備如何完整週全，飛航管制設施如何現代化自動化，以及航空通訊如何快捷自動化，仍然無法排除與克服惡劣天氣之威脅與侵害，因此航空氣象知識仍須普及與確認，航空氣象科技仍須進一步研究與發展。

　　際此冗長之十六年中，國際航空氣理論、技術與業務已有重大變革，作者多年來對航空氣象之研究及教學經驗，發現原著《航空氣象學》已明日黃花陳腐過時，缺乏多端，內容必須更新、充實與調整，尤其最熱門之低空風切亂流問題，年來世界各國論述頻繁，其新知識新觀念應予引進。故本修訂版除充實各章節之內容、刪除重複部份與調整章節使之條理分明外，並增添熱帶天氣與北極區天氣兩章，且在適當章節中增加理論性之說明，以適應大學有關氣象學科系之需要，對於低空風切亂流，亦試作新穎而有系統之論述，此外航空氣象學服務篇，關於國際氣象新電碼及航路預測新圖表，均有所更新，以期符合最新規定。

　　古語云：「後之視今，亦猶今之視昔」，翻閱十六年前之原著，自覺簡單膚淺與落後。目前審視本修訂版，雖屬新穎適時，但再經若干年月，亦何能免除陳舊過時之感。

　　本書經大幅度之修訂，得以獲償夙願，但自愧才疏學淺，力不從心，難符讀者期望，且謬誤之處，自亦難免，懇乞不吝指正，以便將來再修訂時，益臻於完美理想之境。

作者蕭華謹序民國七十二年七月於台北
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【編修者　序】／蒲金標

　　航空氣象學屬於應用氣象學之範疇，其主要任務在於保障飛航安全，提高飛航效率。在實務上，著重於利用適當的天氣條件，避開惡劣的天氣，以預防發生意外事故，而使飛機順利完成飛行任務。

　　航空氣象與飛航安全關係密切，因此，台灣國內大學台灣大學、中央大學、台灣師範大學和中國文化大學大氣科學系都有開設「航空氣象學」課程，以奠定學生具備航空氣象之理論基礎；而從事各類航空業務之空勤與地勤人員，如民用航空局新進航空氣象人員和飛航管制人員、航空公司飛行員和簽派員，乃至航空機械人員，都需具備航空氣象知識，在取得職業證照時，必須通過航空氣象學科考試。又如民航人員參加特種考試或升等考試都須測試航空氣象學。

　　筆者在民航局實際從事航空氣象工作有三十六年之久，期間有幸參與民用航空局航空氣象現代化系統計畫，並擔任執行秘書，經歷五年時間，先後架設松山和台灣桃園國際機場低空風切警告系統，並建置了航空氣象服務網站，國內外航空人員在國內外各地機場或其他辦公室或旅館住家都可透過電腦或手機在網站上取得所需氣象資料，非常方便。筆者於2008年在民航局飛航服務總台副總台長退休，退休之後，繼續從事研究以氣壓變動與機場低空亂流之相關性，先後在氣象雜誌發表多篇論文，並於2017年8月在松山機場架設一套松山機場低空亂流警告系統，期望這套系統能推廣架設至國內外大小機場，對飛機起降安全和營運有所貢獻。

　　筆者在中國文化大學大氣科學系兼任副教授，講授航空氣象學，對國內外航空氣象學新知以及國際民航組織和美國航空總署有關航空氣象作業規範文件有所涉獵，航空氣象學理論和實務皆有快速進展，2020-2021年新冠病毒（COVID-19）肆虐，全球自去年截至今年（2021年）八月二十日累計194個國家或地區計2.11億確診病例，其中442萬例死亡。台灣計15,926確診病例，828例死亡，今年五月十一日進入二級警戒，五月十九日升為三級警戒，七月二十七日降為二級警戒。警戒期間很少外出，宅在家編訂本書。

　　本書參考台灣國家運輸安全調查委員會飛安統計資料、國際民航組織低空風切手冊、美國運輸部聯邦安全委員會航空天氣、中央大學大氣科學系洪秀雄教授編著「認識大氣」以及筆者編著《實用航空氣象電碼》，再就蕭華與筆者編著《航空氣象學（四版）》，編訂而成。本書分成三篇，第一篇為航空氣象基本要素，著重與航空科學、飛航安全以及營運績效等直接關係之氣象要素加以論述。第二篇認為天氣變化是影響飛行安全的一大因素，台灣因天氣因素造成飛行事故的比例高居20%，之故，對飛航安全不利影響之天氣因素給予講解。第三篇介紹台灣國內航空氣象業務機構與其提供氣象服務項目。

　　筆者感謝民用航空局飛航服務總台飛航業務室氣象課于守良課長以及台北航空氣象中心主任余曉鵬、副主任余祖華之協助和提供資料。

　　本書雖力求完整，但疏漏之處，在所難免，尚待國內學者專家先進惠賜指教，以期完美。

蒲金標　謹 識
（E-MAIL：pu1947@ms14.hinet.net）
2021年8月23日於台北市和平東路寓所

試閱文字

內文 : 【第一篇　航空氣象基本要素】
▍第一章　大氣層（The earth’s atmosphere）

第一節　人類棲息之地球

　　地球可分為岩石層、流體層和大氣層等三層：
　　（一）岩石層（lithosphere）─岩石層為地球之固體部份，包括岩石及其風化分解之物質如沙土等。
　　（二）流體層（hydrosphere）─流體層為地球液體部份，包括海洋、湖泊及河川。
　　（三）大氣層（atmosphere）─大氣層為地球上空之氣體部份，包括空氣中各種成分，大氣層再向上方發展就是太空。

　　流體層在岩石層上流動，而大氣層則籠罩在岩石與流體二層之上，並且不停地活動著。岩石與流體二層都有其邊緣和極限，而大氣層觸地雖有其極限，但上部則無明顯之邊界可尋。因為空氣自地面向上逐漸稀薄，但並非達某一明顯高度分子即完全絕跡。

　　大氣是一種混合氣體，它包圍著地球，如將地球比做橄欖球，大氣層就可比擬為橄欖球外之包裝紙。大氣層隨地球而旋轉，大氣層與地球表面之間有相對運動，稱之為大氣環流（atmospheric circulation）。

　　大氣層自地面垂直向上伸展，其物理性質有明顯的差異，根據其溫度垂直變化的情況，大氣層分為對流層（troposphere）、平流層（stratosphere）、中氣層（mesosphere）、熱力層（thermosphere）以及外氣層（exosphere）等五層，如圖1-1。

　　對流層為最接近地面的一層，其厚度因時因地而異，自赤道向兩極下降，如圖1-2。在赤道上空，對流層平均厚度約為16,660公尺至19,700公尺（55,000~65,000呎），在兩極上空，對流層平均厚度約為7,600公尺至9,100公尺（25,000~30,000呎）。對流層通常夏季厚於冬季，日間厚於夜間。大氣層主要的天氣現象，如風、雲、雨、雪、霜、露、冰雹、風暴、惡劣氣流、陣風及垂直氣流等，大部份在對流層發生。對流層內大氣的熱量主要來自於地面輻射，地面是它的主要熱源。因此，對流層內溫度隨高度的增高而降低，平均每上升100公尺氣溫下降0.6°C，稱之為氣溫垂直遞減率（temperature lapse rate）。氣溫隨高度而遞減，這是對流層最主要最基本的特徵。對流層和它上面的平流層間，有一個厚度約為1-2公里的過渡層，叫做對流層頂（tropopause），亦即對流層與平流層之中間地帶。對流層頂的主要特徵為氣溫隨高度的增加而降低很少或近似不變，甚至出現隨高度增加而增溫（稱為逆溫）的現象。對流層頂的這種溫度結構對大氣的對流運動有抑制作用。在實際工作中根據氣溫垂直變化的這一特徵，便可以確定對流層頂的位置。對流層頂的平均氣溫在赤道附近約為-83°C；在極地約為-53°C。

　　平流層位在對流層頂之上，由平流層底部向上最初一段，其溫度變化約為等溫變化，上下幾乎一致，此後，高度再垂直向上，溫度微增，且天空絕少雲層變幻。平流層頂點離地高度平均約為42~47公里（138,600~155,100呎），平流層有時也能影響對流層中之天氣。若再垂直向上則為中氣層（mesosphere）、熱力層（thermosphere）及外氣層（exosphere）。

　　本書所討論的範圍僅限於對流層與平流層，其理由為：

　　（一）對流層為地球表面上大氣層最不平穩之氣層，絕大部份能影響航空飛行之天氣，均發生在對流層中。而平流層又為目前噴射飛機活動頻繁之空層。

　　（二）雖然很多太空飛行工具能攜帶人類飛翔，其高度遠超過平流層之上，如太空漫步與登陸月球等等驚人之發展，但是絕大部份飛行活動仍侷限於對流層與平流層中。
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第二節　大氣之組成

　　地球的大氣是多種氣體的機械混合物（mechanical mixture），而非化合物（chemical compound），近地表25km以下，大氣最主要的成分是氮（Nitrogen, N2），約佔大氣總容積的78%；氧（Oxygen, O2），約佔大氣總容積的21%；氬（Argon, Ar）約佔0.9334%；和二氧化碳（Carbon Dioxide, CO2）佔約佔0.033%，這四種氣體佔所有氣體的99.998%。氮是迄今為止最常見的，它可以稀釋氧氣並防止地球表面的快速燃燒。生物需要它來製造蛋白質。氧氣被所有生物使用，對呼吸至關重要。植物利用二氧化碳來製造氧氣。二氧化碳還起到毯子的作用，可以防止熱量逃逸到外太空。此外，近地表大氣成份尚有微量的水氣（Water vapor, H2O）以及臭氧（Ozone, O3）等，大氣所含有水氣的數量從微量到大約4%的體積不等，隨著水氣含量的增加，其他氣體按比例減少。還有一些含量不定的液態和固態等氣懸膠（aerosols），這些懸浮微粒（Particles）有海鹽（sea salt）、微塵（dust）、矽酸鹽（silicate）、有機物質（organic matter）、沙（sand）、煙（smoke）和其他雜質等。懸浮在大氣中的微粒雜質多呈固體或液體的粒子狀態，它在大氣中的含量不定，且因空間和時間而改變。其濃度從小至幾乎不存在，大至足以降低能見度，甚至能見度降低至比霧所造成的低能見度還要低。例如有煙（smoke）或霾（haze）之存在，則空氣能見度降低。有煙霾之天空，遠看目標物，其輪廓模糊不清，在夜晚，則呈現稀薄之藍幕。就空間來講，城市多於農村，低空多於高空；就時間來講，冬季多於夏季。

　　根據探測資料，自地表至80公里的高度範圍內，大氣成分的比例，基本上都是不變的。這是因為大氣的垂直運動、亂流運動和分子擴散作用，使大氣各組成成分充分混合的結果。近地表大氣組成成分如表1-1。

　　大氣中看不見的氣體（Variable gases），水氣（water vapor; H2O），它在大氣中的含量是屬於變動性氣體，在不同時間、地點和高度，大氣中水氣的含量有很大的不同，按容積計算，其變化範圍在0~4%之間。水氣主要源於海洋、湖泊和河川的蒸發以及植物的蒸散（evapotranspiration），水氣主要集中於大氣的低層，越高空其量越少，在1.5~2公里的高度上，僅相當於地面的1/2；在5公里的高度上，僅相當於地面的1/10左右。水氣量在地區分布上差別也很顯著，在高溫潮濕的熱帶洋面上空，大氣所含的水氣可高達大氣成份的4%，而再乾燥寒冷的內陸上空可能接近於零。

　　水氣是大氣中唯一能發生氣態（gas）──液態（liquid）──固態（solid）之間相互轉換的成分。伴隨著水的這種相態變化，發生能量轉換和輸送，造成雲、霧、霜、露、雨、雪、冰雹以及風暴等複雜的天氣現象，使得大氣氣象萬千變換無窮。這些，對自然界和人類都有重大的影響。不同的水氣含量與乾空氣相混合，這個觀點在氣象學上是非常重要的。水氣就像其他氣體一樣，是一種看不見的氣體，但是水氣可以轉換為看得見的較大液體或固體粒子，諸如，雲滴（cloud droplets）和冰晶（ice crystals），這種水氣轉換為液態水之變化，稱為凝結（condensation）；液態水轉換為水氣之過程，稱為蒸發（evaporation）。這種在一定溫度和氣壓下，會凝結成水滴，即在地表上凝結成露水（dew）、在低空凝結成霧（fog）或靄（mist），在高空凝結成雲（cloud）。有時候溫度低於0°C時，可能凝結成冰晶（ice particles），如霜（frost）或卷雲（cirrus）。

　　水氣在大氣中是一種極重要的氣體，它不僅能轉換成液態和固態雲滴，雲滴長大後掉落至地表，稱為降水（precipitation），同時在轉換過程，還會釋放大量的熱量，稱為潛熱（latent heat）。潛熱是大氣能量重要的來源，特別是雷雨（thunderstorm）和颱風（typhoon）能量的來源。水氣更是有效的溫室氣體（greenhouse gas），水氣能強烈吸收地面輻射（earth's outgoing radiant energy），同時它又向地面和周圍大氣釋放長波輻射，所以水氣在地球能量平衡上扮演重要的角色，大氣中水氣含量的多少和變化，對地面和大氣的溫度狀況有直接的影響。

　　大氣另一種變動性氣體，臭氧（ozone），它在高層離地面15~45公里高之平流層大氣，經由光化作用（photo reaction）所產生。臭氧吸收太陽紫外線（ultra-violet radiation），導致該層大氣增溫。臭氧可保護地球表面上動植物的生命，免於遭受到過量紫外線輻射之傷害。

　　大體而言，大氣分子可達960公里（600哩）之高空，其密度自地面向高空漸形稀薄，大氣重量一半以上集中於自地面垂直向上約5.5公里（18,000呎）高度之氣層，其重量之3/4集中於11公里（約36,000呎）以下之氣層，其餘1/4重量之空氣，則散佈於11公里至960公里間之高空。氣象衛星運行高度大概為640~960公里（400~600哩），空氣極稀薄，近似真空。

　　大氣自地表垂直向上至80公里的高度範圍內，氧與氮的比例，基本上都是不變的，因此，大氣在80公里以下任何高度，氧氣壓力為整個大氣壓力的五分之一，所以大氣中含有21%之氧氣。由於氧氣壓力對於飛行員及乘客均極為重要，人肺之吸氣與氧氣壓力有關連，通常多數人生活在近海平面高度，適應於吸收每平方吋三磅之氧氣壓力，約為210hPa氧氣壓力。氧氣壓力因高度增加而減少，民航飛機如果繼續爬高或在相當高度上作長時間飛行，而無供氧設備時，則飛行員與乘客首先感覺疲勞，視力受損，最後失去知覺。所以飛機在3,000公尺（10,000呎；700hPa）以上高空長途飛行，必須有供氧設備。當高空大氣壓力小於每平方吋三磅（約12,000公尺或40,000呎或200hPa高度）時，即使呼吸純氧仍嫌不足，氧總壓力仍小於每平方吋三磅。因此，飛機座艙加壓設備顯然是非常重要，目前許多軍用飛機及民航飛機均設置有壓力艙（pressurization cabin），甚至專業用或私人用飛機亦普遍裝設加壓系統。
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第三節　標準大氣（Standard Atmosphere）

　　地球表面天氣系統隨時隨地都在移動，該氣壓、氣溫和濕度也跟著不停地變動，對工程師和氣象人員造成許多困擾，為了解決這個問題，他們定義了一種標準大氣，它代表了整個大氣中所有緯度、季節和高度的平均條件，作為世界各國所公認之「標準大氣（ICAO standard atmosphere）」參考值。標準大氣是大氣溫度、壓力和密度的假設垂直分佈，根據國際協議，它被視為大氣的代表，用於氣壓高度計校準、飛機性能計算、飛機和導彈設計、彈道表等，與天氣相關的過程通常參考標準大氣。

　　國際民航組織（International Civil Aviation Organization; ICAO）於1952年11月7日公佈此國際民航組織標準大氣參考值，稱之為標準大氣（Standard Atmosphere）。國際民航組織標準大氣所採用一些特定條件之假設參數及有關物理常數，如表1-2和表1-3，標準大氣高度與氣溫之關係、高度與氣壓之關係，高度與密度之關係，如圖1-3和圖1-4。

　　高度計（altimeter）係根據標準大氣來定刻度，唯大氣經常變動，不可能符合標準大氣之條件。如果高度計讀數與實際高度相同時，表示當時當地海平面氣壓與氣溫等於標準大氣所規定之假設氣壓與氣溫，其氣溫遞減率等於標準大氣所規定之假設遞減率，但是一地當時的大氣完全符合標準大氣之參考值，恐怕很難出現。所以想求出高度計讀數與實際高度數字相符時，必須使用高度撥定值（altimeter setting），以施行高度校正，飛行員必須牢記，高度計未經撥定之讀數係基於假定之氣壓與高度關係下之高度，而非實在高度。

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