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Weather System. 天氣系統. 一個地方的天氣變化，是由於其中一個個移動的大大小小的系統（高壓、低壓等）引起的，這些系統稱為天氣系統。氣象衛星觀測資料顯示這些不同大小的天氣系統是相互交織、相互作用著、在大氣運動過程中演變著。最大的天氣系統範圍可達 2,000 公里以上，最小的還不到 1 公里。尺度越大的系統，生命史越長；尺度越小的系統，生命史越短，較小系統往往是在較大尺度系統的孕育下形成、發展起來的，而較小系統的發展、壯大以後，又給較大系統以反作用，彼此相互聯繫，相互制約，關係錯綜複雜。
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天氣系統 一個地方的天氣變化，是由於其中一個個移動的大大小小的系統（高壓、低壓等）引起的，這些系統稱為天氣系統。氣象衛星觀測資料顯示這些不同大小的天氣系統是相互交織、相互作用著、在大氣運動過程中演變著。最大的天氣系統範圍可達2,000公里以上，最小的還不到1公里。尺度越大的系統，生命史越長；尺度越小的系統，生命史越短，較小系統往往是在較大尺度系統的孕育下形成、發展起來的，而較小系統的發展、壯大以後，又給較大系統以反作用，彼此相互聯繫，相互制約，關係錯綜複雜。 氣象學家常按照所涵蓋的水平尺度和持續時間的長短將天氣的現象分為四種等級：微尺度(microscale)、中尺度(mesoscale)、綜觀尺度(synoptic scale)和全球尺度等。
綜觀尺度 綜觀尺度所涵蓋的範圍有幾千公里，其環流持續幾天到幾星期，在天圖上所看到的氣團(air mass) 、高壓、低壓、和鋒面(front)運動都是屬於此一尺度。
氣團(Air mass) 指一廣大之空氣體，在地球表面某一特殊地區（即氣團源地），停留一段相當的時間，其整個水平方向，在同一高度各點，空氣之溫度、濕度等物理性質均頗為一致，則稱此一廣大空氣體為氣團。 氣團可依其源地緯度之高低，為大陸或海洋而分類，例如極地大陸性氣團，熱帶海洋性氣團，又可視其離開源地後，與所經地面之熱力交換情形而分為冷氣團和暖氣團。氣團本身冷於所經之地面者稱為冷氣團，例如冬季源自西伯利亞之氣團，即為大陸性冷氣團。當其南移至台灣之後，往往使台灣在短短24－48小時內氣溫驟降，變成嚴寒天氣。 Source: http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me010.htm
氣旋 (低壓) 氣旋(Cyclone)也就是一般所稱的低壓，是中心氣壓比四周低的水平渦漩(vortex)。在北半球，氣旋以逆時鐘方向繞著低壓中心旋轉，在地面為向中心輻合(converge)的氣流系統，在南半球則相反，氣旋是以順時針方向旋轉的。氣流從四面八方向低壓中心相匯，然後產生上升運動，氣流升至高空又向四周流出。在氣旋中心是垂直上升氣流，如果大氣中水汽含量較大，氣流上升時會不斷膨脹冷卻，裏面蘊含的水汽就容易凝結，產生雲雨。所以每當低氣壓（或氣旋）移到本區時，雲量就會增多，甚至出現陰天降雨的天氣。 低氣壓控制的天氣，由於氣流上升，風速較大，大氣處於中性或不穩定狀態，有利於大氣污染物的稀釋擴散，伴隨著氣旋的降雨則會產升水洗(scavenged)和沉降，將污染物由大氣中去除，除了酸雨外，低壓系統大致上不會產生空氣污染問題。
反氣旋(高壓) 反氣旋(Anti-cyclone)也稱為高壓，為中心氣壓高四周氣壓低的水平渦漩。在北半球，反氣旋以順時鐘方向繞著高壓中心旋轉，並且在地面附近向外輻散(diverge)。所以在高壓中心必然有下沉氣流，以補充向四周外流的空氣。由於高壓中心是下沉氣流，不利於雲雨的形成，因此在反氣旋控制下的天氣一般是晴朗無雲。 滯留或近似滯流的高壓系統雖然天氣晴朗，但卻容易產生嚴重的空氣污染事件。因為高壓系統籠罩之下，地面風速微弱，不利污染物的稀釋，同時下沉的氣流和沉降性的逆溫層更抑制了污染物的垂直擴散，在低緯度地區，雲量少日照強烈，容易產生光化學反應。台灣地區過去許多嚴重的空氣污染事件都和滯留的高壓氣團有關。
鋒面 (Front) 性質不同之冷暖兩氣團相遇時，其交界處為一不連續面，稱為鋒面。在鋒面兩側空氣性質，諸如溫度、濕度、風、天氣等通常均有明顯的差異。實際上鋒面為過渡地帶，其寬度通常有數公里以至數十公里不等，而鋒面與地面相交之地帶稱為鋒。 當冷空氣前進，迫使暖空氣後退而取代暖空氣原有位置，則此時之鋒面稱為冷鋒，反之則稱為暖鋒。當冷暖氣團勢均力敵以致使鋒面呈滯留狀態，此時之鋒面稱為滯留鋒。 ( http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me011.htm ) 當冷暖兩種不同性質之氣團相遇時，其交界面即稱為鋒面，而鋒面通常朝冷空氣方向傾斜，當暖空氣向冷空氣推移，使其交界面 (鋒面) 通過地區發生暖空氣取代冷空氣現象時，此鋒面即是暖鋒，反之，若是發生冷空氣取代暖空氣時即是冷鋒。由於暖空氣均比冷空氣為輕，因此要暖空氣去推走冷空氣，必須要有較廣之水平推動力才行，台灣位於副熱帶，緯度較低，空氣垂直運動較頻繁，溫度亦較中緯度空氣為高，暖空氣很容易就被舉升起來，在地面上要取代冷空氣十分困難，故極少有暖鋒現象發生。但在中緯度地區之低氣壓系統則常伴隨有冷鋒及暖鋒並存的現象。 ( http://www.cwb.gov.tw/V7/knowledge/encyclopedia/me020.htm )
暖鋒 (Warm front) 冷鋒 (Cold front)
季風(monsoon) • 季風是因為海洋與陸地溫度差異所產生的現象，冬季海洋比陸地溫度高，因此陸地上的氣壓會比海洋高些，海陸之間發生氣壓差異，空氣就會從氣壓高的地方向氣壓低的地方流動，在冬季季風由陸地吹向海洋。到了夏天，輻射差額變為正值，地面比熱較小，所以溫度上升比海洋快，陸地溫度高，季風由海洋吹向陸地，這就是季風形成的原因。
海陸風(sea-land breeze) 白天，陸地上空氣增溫迅速，而海面上氣溫變化很小。所以，陸上空氣溫度較海面高，重量比較輕，所以在下層海面氣壓高於陸地，因此風由海上吹向陸地；在陸地因為對流作用所以陸地上的空氣會上升，到達一定高度後，陸地上空的氣壓比海面上空氣壓要高，所以上層風從陸地流向海洋；在海洋上空，空氣下沉，到達海面後，轉而流向陸地，構成一個環流(circulation)。白天常常有風從海上吹向陸地，稱為「海風」(sea-breeze)，入晚之後，情形正好相反，於是風自陸地吹向海洋，稱為「陸風」(land breeze)。
海陸風對空氣污染的影響 • 通常海陸風發生在盛行風速微弱而且晴朗的天氣，因為風速微弱本就不利於污染物的擴散， • 而且海陸風容易因風向日夜變化而造成污染物累積；白天低層氣流把污染物向內陸傳送一定距離後，晚上變成陸風，污染物又從高空或地面返回到原地，使原地的污染濃度增高。有時陸風帶走的污染物隔天又被海風帶回，也使空氣中的污染物濃度增高。 • 此外，海風吹向內陸時會產生鋒面逆溫，海岸地區混合層較低，影響垂直擴散， 但持續時間很短。
山谷風(mountain-valley wind) 在山邊，白天風從山谷吹向山坡，稱為谷風；到夜晚，風從山坡吹向山谷，稱為山風。山風和谷風與海陸風一樣，都是因為熱效應所產生的環流。 在白天山坡由於受太陽照射，溫度升高，山坡附近的空氣增溫較多，而山谷上空，同高度上的空氣因離地較遠，增溫較少，n於是山坡上的暖空氣不斷上升，並在上層從山坡流向谷地，谷底的空氣則沿山坡向山頂補充，這樣便在山坡與山谷之間形成一個熱力環流，空氣由山谷沿山坡爬昇，稱為谷風。到晚上，山坡地帶因輻射冷卻影響，散熱較快，於是氣溫迅速降低，而同樣高度但在山谷上空的空氣散熱較慢，因此冷空氣自山頂沿山坡下降，流入谷內，谷底的空氣因匯合而上升，並向山頂上空流去，產生與白天相反的熱力環流，形成山風。
山谷風(mountain-valley wind) 在晚上山谷上方往往有逆溫層存在，如此將造成山谷裏的污染物不易擴散，有許多嚴重的空氣污染事件都發生在逆溫層籠罩的山谷，台灣很多都市和鄉鎮都位在山谷或盆地內，這些地方應避免有大型的污染源。
都市熱島效應 (Urban Heat Island) • 都市因為 • 水泥及柏油地面比熱較低，受熱後溫度容易上升， • 地面反照率較低，吸收較多太陽輻射； • 缺少透水表面(如: 池塘、濕地、農田)等，水份蒸發量低，地表吸熱後溫度容易上升； • 使用大量的能源，排放大量的熱氣； • 立體而高聳的人為建築在白天儲熱，晚上再放熱； • 所以溫度往往比周圍的郊區要高，稱為熱島效應(heat-island)。 • 此外 • 都市粗糙度比較大，所以地面風速會減弱。 • 都市氣膠比較多，容易下小雨。
在市區和郊區之間往往存在著顯著的溫度梯度，如果大尺度的梯度風速較小，就容易因為熱差異而產生環流。市中心的氣流因為比較熱而上升，周圍的冷空氣則補進來，形成一個環流，郊區排放的污染物會向市中心匯集，受到環流的影響都市和郊區所產生的污染物不易擴散出去，會產生較高的懸浮微粒，導致空氣混濁，由遠處觀看其形狀類似巨蛋體育館，所以有dust dome之稱。在白天此一環流可以延伸到最低混合層的底部，在中心區混合層最高，往兩邊減少。
From: Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, 1988, P611, Fig. 14.22
前面所提到的海陸風、山谷風和都市熱島效應等都是因為熱的差異所產生的環流，下面我們要介紹不規則的地形所產生的機械力對氣流的影響。前面所提到的海陸風、山谷風和都市熱島效應等都是因為熱的差異所產生的環流，下面我們要介紹不規則的地形所產生的機械力對氣流的影響。 氣流通過山脈河谷時受到不規則的地形影響，大尺度的氣流會產生各種不同的變化，所產生的效應包括分流、局部加速、局部滯流等，氣流會產生變化所造成的現象包括上波風和下波風(upslope and downslope wind)、背風坡尾流(wake)和背風波(lee wave)等。 Speed up effect
氣流通過山嶺時會受到穩定度的影響，圖(a)為穩定大氣時氣流不易上升，因此會由山的兩旁分離繞過，有點類似常見的雲海，因為混合層低，污染物的垂直擴散受到抑制，常常會產生較高的地面濃度。圖(e)為中性穩定或不穩定情況氣流通過山頭的情形。在迎風面氣流會沿著山坡爬升，翻過山頭，在背風面則產生下沉的氣流，如果山坡較陡或風速較大時，在背風坡氣流會和地面分離，到相當遠處再回到地面，在分離流區會產生一個渦穴區(cavity)，在渦穴區內靠近地面處氣流與上層的風向相反，在山腳處氣流會略為上升，在較高處再下降，成為一個環流，在此種地形如果煙囪高度太低，污染物將沒法上升，隨著背風的下降氣流下降，有時甚至捲入渦穴區，產生很高的地面濃度，此種現象稱為地形性下洗(terrain downwash)。 From: Stull, An Introduction to Boundary Layer Meteorology, 1988,
上面所談到的分離流區有時會涵蓋很大的範圍，例如台灣因為有中央山脈的存在，吹東北季風時，台灣中部和南部常處於低壓的尾流區內，這種背風面所產生的低壓伴有下沉運動，所以天氣晴朗不會下雨，同時因為分離區內環流的關係，所以下午海風增強，沿海都市所排放的污染物往內陸傳輸，而且不易往高處擴散，因此往往產生高臭氧事件，因為台灣特殊的地形，所以有時到了晚秋南部地區還是常常有嚴重的光化學污染。上面所談到的分離流區有時會涵蓋很大的範圍，例如台灣因為有中央山脈的存在，吹東北季風時，台灣中部和南部常處於低壓的尾流區內，這種背風面所產生的低壓伴有下沉運動，所以天氣晴朗不會下雨，同時因為分離區內環流的關係，所以下午海風增強，沿海都市所排放的污染物往內陸傳輸，而且不易往高處擴散，因此往往產生高臭氧事件，因為台灣特殊的地形，所以有時到了晚秋南部地區還是常常有嚴重的光化學污染。 事實上地形對氣流和污染物傳輸的影響往往非常複雜，例如河谷對氣流具有導引作用，產生所謂的渠道效應(channeling effect)，在河谷內氣流多沿河谷之方向運動，以台灣北部地區之基隆河谷為例，在冬季東北風盛行時，因為基隆河谷進入台北盆地為東西向，所以風都轉為東西向，基隆市所排出的污染物可能隨氣流進入台北盆地，另因為山脈的阻擋，台北盆地內的風速較東北角海岸或其他沿海地區的風速都低。
微氣象學(Micrometeorology) • 大氣邊界層(atmospheric boundary layer, ABL)或稱行星邊界層(planetary boundary layer, PBL)，是指大氣最接近地球表面的部分，直接受到地表影響，其厚度約為一、二公里。大氣與地表之間，經由大氣邊界層進行動量、熱量和水氣的交換，進而影響天氣、氣候的變化。 • 大氣邊界層也是人類日常活動的地方，它的特性和變化常常左右我們的生活作息。大氣邊界層的性質控制大氣污染物的傳送和擴散。 • 微氣象學(micrometeorology)主要在探討大氣邊層內的氣象現象。
亂流擴散(turbulent diffusion) • 大氣邊界層內的大氣運動，受到地表摩擦和熱力作用，除了貼近地表幾毫米的厚度之外，幾乎都是高度不規則的亂流(turbulence)。大氣亂流為大氣中不規則的、三維的小尺度運動。亂流特性須經過統計處理才能預報和描述。 • 在香煙的煙霧或煙囪排放的煙流都可看到氣流中粒子的速度和運動方向隨著時間和空間位置的不同呈現隨機(random)變化，這就是亂流所造成的。 • 大氣亂流會造成動量、熱能、水氣和其他物質濃度的再分配，高濃度區域的物質會被亂流帶到低濃度區域，讓濃度分佈更均勻，這種擴散現象稱為亂流擴散(turbulent diffusion)，亂流擴散會將污染物分散到較廣的區域，同時其濃度會逐漸減低，大氣邊界層內亂流擴散是分子擴散的103至106倍，是決定污染濃度分佈的重要因素。 • 污染物在近場(near field)的傳輸和擴散與微尺度的天氣和亂流有關。
大氣亂流(atmospheric turbulence) • 大氣亂流的形成和它的強度受兩種因素決定： • 機械亂流(mechanical turbulence)：機械的或者動力的作用引起的亂流。機械亂流主要決定於風速分佈和地面粗糙度，當空氣流過粗糙的地表面時，將隨地面的起伏而擡升或下沈，於是産生不規則的渦流，地面粗糙度越大，機械亂流越強。 • 熱亂流(thermal turbulence)：是熱力因素所產生的亂流。 熱亂流與大氣垂直穩定度有關，當大氣不穩定，垂直對流旺盛，熱亂流就很強烈；相反地，如果大氣非常穩定，垂直向的擾動受到抑制，熱亂流就不會存在。 • 通常機械亂流在地表附近較為重要，高空通常由熱亂流所主宰；白天熱亂流強烈，熱亂流決定了混合層高度；但晚上地面附近產生逆溫層，污染物的擴散只能依賴機械亂流。
煙流上升(plume rise) 通常污染物由煙囪排放進入大氣，不但受到微尺度風場和亂流的影響，煙流本身的條件也會影響其擴散行為。一般煙囪所排放的煙流具有垂直動量，而且溫度比外界溫度高，所以受到浮力的作用，會繼續往上升，此種現象稱為煙流上升(plume rise)，有時煙流上升高度比煙囪實際高度(hs )還高出好幾倍。我們將實際煙囪高度加上煙流上升高度，稱為有效煙囪高度(effective stack height，H)，H是一個重要的參數，因為地面最高濃度大約和有效煙囪高度的平方成反比，如果H增加一倍地面濃度就會降低為原來的四分之一。
下洗(Downwash) 煙流上升可以降低地面濃度，但如果煙囪位置不當或設計不良，會產生所謂的下洗(downwash)的現象，造成煙囪附近產生高濃度，因此必須避免產生此種現象。前面我們提過地形性下洗，除此之外還有煙囪頂下洗(stack tip downwash)和建築物下洗(building downwash) 。
Building downwash 我們考慮近地氣流通過一座正方形障礙物的流況，氣流受到障礙物的阻擋首先在障礙物上游開始向上偏移，準備翻越建築體，自建築體的前緣開始至建築體的背風區產生一個迴流，稱為渦穴區，渦穴區的特徵為氣流自原流線分離形成一渦旋，自渦穴區以後原氣流線逐漸恢復，在恢復前稱為尾流區，在渦穴區內壓力較低，如果如果煙囪高度不夠，煙流就會被吸入渦穴區，要避免產生此一現象煙囪高度應比附進建築物高1.5倍。 建築物下洗的影響範圍與建築物形狀和風向都有關
Stack tip downwash 對氣流而言，煙囪也是一個障礙物，所以在煙囪後面也會因為流線分離而產生分離流區，如果煙囪出口排氣速度不夠，就有可能被吸入此一低壓區，這就是煙囪頂下洗，要避免煙囪頂下洗煙囪出口速度應大於外界風速的1.6倍。
