日間大氣層結構之觀測 與分析

為完整探討邊界層垂直結構與發展，本研究選

定 2017 年 8 月 29 日密集觀測個案資料進行分析，

試圖解析在弱綜觀天氣條件下，雙北都會區夏季邊 界層及空氣污染物晝夜變化趨勢。當日天氣及環境 條件顯示(圖 7)，白天地表受太陽短波輻射持續加 熱作用影響，地表溫度上升及相對溼度下降，地表 輻射加熱作用同時加強大氣不穩定度，造成底層大 氣擾動增加，並強化地面風場。圖 8 為當日板橋測 站全天空影像儀觀測資料，全天空影像顯示早上 6 點至 9 點期間晴空無雲(雲量：0/8)，10 點至 11 點 期間雲量增加(雲量：1/8)，且太陽受雲層遮蔽，地 表短波輻射略為下降，12 至 17 點期間仍有部分雲 層(雲量：1/8)，但並未遮蔽太陽，此結果造成地表 向下短波輻射大致呈現鐘形分布。若將此地表輻射 加熱作用機制與板橋及鄰近地面測站污染物(PM2.5

濃度)觀測比較，則可發現污染物受邊界層內大氣 擾動影響，於日間持續增加，直至日落(17:00)才逐 漸下降。

圖 5 (a) 2017 年 11 月 9 日白天 8 點與(b) 2017 年 11 月 27 日夜間 8 點 Windsond 與 RS41 平行比對結 果

圖 6 (a) 2017 年 8 月 22 日早上 8 點、(b)2017 年 8 月 25 日早上 11 點期間，UAV Windsond(紅色)與板 橋 RS41 探空(藍色)平行比對探空圖，圖中風標為 RS41 探空之風向風速

圖 7 密集觀測期間各地面測站監測資料。(a) 板橋 測站風向及風速；(b) 板橋測站溫度濕度；(c) 板橋測站地表向下短波輻射；(d) 土城、板橋、

新莊及林口測站 PM2.5質量濃度

圖 9 為 2017 年 08 年 29 日整合無人機、板橋 探空、光達及地面測站之觀測結果。為方便比對 光達及位溫剖面資料，圖 9 中位溫剖面經標準化 之前處理後，再繪製於相對時間點上，以達視覺 上符合各觀測資料點對應邊界層結構變化一致。

因當日為弱綜觀天氣條件，各位溫垂直剖面顯示 高層大氣為穩定型態( > 0)，而邊界層內大氣受 地表輻射加熱作用影響，大氣均勻混和為中性狀 態( = 0)，故可將穩定大氣( > 0)及中性大氣 ( = 0)之交界處視為邊界層頂高度。

清晨期間，位溫垂直剖面(5:50、7:16、7:38) 顯示邊界層頂高度約為 0.5 km，日出後受太陽輻 射影響地表產生紊流，於邊界層內均勻混，且紊 流隨時間向上傳遞，09:42 及 10:21 位溫垂直剖面 顯示邊界層高度達到 1 km，於正中午(11:26)位溫 垂直剖面顯示邊界層發展至最高(約 1.5 km)，其後 因太陽短波輻射作用減弱，進而削弱邊界層之發 展，直到日落後(19:21) 邊界層高度再次回到 0.5 km。此個案單由密集的無人飛機與氣球垂直探空 觀測，即可完整描繪出夏天日間邊界層的發展結 構，此觀測結果有助於氣象模式或邊界層理論模 型的驗證。

圖 8 2017 年 8 月 29 日板橋測站全天空影像儀觀測資料

圖 9 密集觀測期間板橋測站光達消偏振比、UAV(淺紫色)及探空氣球(深紫色)標準化位溫垂直剖面時序 圖，位溫剖面之時間標註為該筆觀測之起始時間。橘色實線為光達消偏振比推估之邊界層高度

圖 9 中光達消偏振比於地表附近有一層形狀 較不規則之氣膠，其光達消偏振比約 1-5%，Baars et al. (2016)其針對不同氣膠種類進行光達監測，

並整理出各類氣膠消偏振率，其中都市污染源消 偏振比為 4±4%；生質燃燒氣膠消偏振比為 5±1%，

此結果與本實驗觀測一致，而近地表層氣膠會隨 大氣邊界層高度變化，因紊流影響均勻分布於大 氣邊界層內。若以無人機及探空氣球垂直剖面作

為參照，便可得到簡易經驗式，設消偏振比 1.3%

為門檻值，則可約略估計大氣邊界層高度(圖 9 橘 色實線)。個案當日夜間大氣邊界層高度約為 0.5 km，早上 8 點後受地面輻射加熱作用影響邊界層 高度開始上升，早上 11 點邊界層高度達到最高(約 1.5km)，並開始下降，於下午 16 點邊界層高度出 現第二峰值，18 點之後邊界層高度回到夜間高度 (約 0.5 km)，整體而言，光達的消偏振比所估算出

邊界層高度與無人機及探空結果一致，對於未來 連續性的大氣邊界層觀測(如光達觀測)提供一個 很好的驗證方式。