尋找高空下沉氣流天文觀測者所追求的完美天空
關於觀星的好地點
案例一 獅子座流星雨來臨，下班坐飛機去高雄躲東北季風，半夜高層雲覆滿天空，清晨又坐飛機回來上班。
案例二 在合歡山武嶺觀星一晚，清晨氣溫降到三度，清晨還看到玉山，整夜鏡頭沒結半滴露水。
案例三 在合歡山武嶺看獅子座流星暴一晚，看到不想數了，清晨發現山下谷地蓋一層白雲。
以上三個都是筆者遇到的真實案例 若您扛了大批器材，休息了一整天調時差，聯絡了一堆人么喝去看星星 跑了大老遠 結果遇到案例一的天氣 會不會很XXX?
關於觀星地點的選擇，很多人會選擇墾丁阿里山梨山合歡山等，但對於天文攝影者或對觀星品質要求較嚴格的人常會上山避開平地光害。台灣山區天氣變化跟平地有著不同的邏輯，在平地上無法目測確知遙遠的山上天氣如何，等到山上的人說天氣好再上山又太慢…因此很多觀星者都是抱著 "上山賭一賭，互相連絡看看；帶東西上山煮，天氣不好就交流一下"的無奈心情上山。但上山一趟是長遠的路程加上一堆裝備的準備工作，也難怪一般觀測者常會因此沮喪而感到無力，也常會讓一家大小上山敗性而歸，久了只好自己孤獨一人上山。
氣象報告一般是針對大眾需求所發布的。阿里山預報晴天，對從事一般活動的人來講是很合用而且預報完全無誤，陽光普照呀!但這資訊對適不適合觀測星象而言卻還不足夠。天空如果有少許卷雲，也算是晴天，可是星星就是會被卷雲覆蓋了，這也是我們需要預測天文專用的氣象原因。
天文氣象預報這種特殊目的的預報需求並不大，所以不可能勞民傷財請氣象單位做預報，因此我們觀星者要自己學習一套自己的氣象判斷法，才能合乎我們的應用。國內天文跟氣象的環境跟資源都很貧脊，所以國內的觀星者真的很孤單很辛苦，兩種知識都要自己摸索。
本文主要目的在介紹一些針對天文觀測者所需的的氣象知識，以及如何自己用電腦上網來判斷天氣好壞，上山尋找高空下沉氣流，進入其覆蓋範圍，上到比逆溫層高的高山，才能確保一夜好星星避免槓龜。
筆者因為在航空業有受過航空氣象訓練，工作上也會接觸到一些一般人在國內不易接觸到的資訊，可以就一般人比較不知道氣象原理提出觀點，幫助研判觀星天氣，減少跑了老遠又做虛功的機會。
本文不準備討論一般氣象，僅就天文觀星所需要的天氣做事先研判做經驗談，否則範圍太大，我又非專業，寫起來可能有錯誤或不太正確反而誤人子弟。
一般氣象報告不會報的高空沉降氣流
本文標題是觀測者所追求的完美"天空"，不是"天氣"，因為我們要求的也不多，在我所在地肉眼可及的天空，自地平線附近到天頂360度範圍都是乾淨無雲無水氣無擾動的空氣狀況，管他高雄起霧花蓮下雨都不干我的事，對吧!
大氣干擾對天文觀測的不良影響有
一：雲，無水不成雲。
二：結露，空氣的水氣量太多則夜間降溫時會飽和結露。
三：光害，空氣中塵埃雜質太多會有光害，塵埃雜質大部分都是來自過度發展而且人口密度全球屬一數二的台灣平地擾動。
四：對流，地面海面有溫差，白天晚上溫度特性又不一樣，造成空氣密度不一樣，又經由熱對流干擾到高空空氣密度分佈不均勻，造成星像晃動，影像不銳利。
五：風，日夜的山風谷風造成器材搖晃。
分析這些因素可以發現，直接的干擾源頭都是來自地面，所以我們要尋找高空下沉氣流的原因也在此。高空下沉氣流都經過上升 低溫成雲脫水，進入高空循環氣流，再下沉的過程，因此含水量都很少，塵埃雜質也比台灣平地帶起的空氣少太多了。我們觀測地點就要選擇在高空下沉氣流的範圍內才會有良好穩定的天候，，這也是為何筆者建議，選擇觀測地點要盡量往高山走，進入高空沉降氣流的勢力範圍。
逆溫層：地面干擾的高度上限，下沉氣流的下限
先簡單介紹熱力學的最基本觀念
1. 熱空氣密度低會上升。
2. 地面空氣上升過程會減壓降溫。
3. 高空空氣下降過程會升壓升溫。
逆溫層基本定義是：大氣溫度隨高度增加而升高。一般而言，對流層內高度越高溫度越低，每上升 一千公尺 約降六度。但在有些地方會有逆溫現象存在，也就是，隨著高度上升 溫度下降率變緩或變為升溫。最典型的地方是對流層頂，其高度在 一萬公尺 以上。對流層頂以上屬於平流層，這裡空氣裡受紫外線加熱而升溫，溫度比地面對流上來的空氣還熱，因此地面加熱所引起的對流現象到此為止上不去 。
為何逆溫現象對天文觀測這麼重要呢？我們要好的觀測條件一定要擺脫地面干擾，而其最好的方法就是把地面對流壓住。要判斷地面對流干擾的上限，就要找出低空逆溫現象的所在。地面空氣熱對流上升後，本身會降溫，對流範圍，就取決於本身上升膨脹降溫後跟周圍空氣的溫度。當上升降溫到跟周圍大氣溫度一樣時，對流就會停止，對我們而言，就是地面干擾至此停止。
在一些大氣穩定的地方 常會發現白天晴朗無雲 到了晚上開始變冷後 薄薄一層雲出現了 這種雲在地上觀測就是擋住視線的那一層薄雲 在山上就會看到雲海 在谷地跟沙漠等空氣靜止不動的地方很容易出現這種雲 這種夜間才出現的雲就常常在逆溫層附近以層雲的形式出現，也就是本文一開頭的案例一所遇到的雲。上到比逆溫層高的高山，才能確保一夜好星星。
在一些天候條件下，逆溫層會在兩三千公尺低空出現：地面降溫跟高空增溫
l 地面降溫
地面受強烈冷氣團快速侵入，這在台灣冬天最明顯。當大陸冷高壓中心快到達台灣附近海面時，低空溫度會降低甚至有寒流。冷氣團中心的低溫比平日台灣周圍天氣系統的溫度冷太多了，即使受太陽加熱後，低空相對高空仍屬於低溫狀態(低空層雲也有反射陽光加熱的作用)，因而型成逆溫現象，當冷氣團越強烈時 此逆溫層就會越低，最低會到 一千五百公尺 左右。
l 高空增溫
高空有強烈下沉氣流壓制，這在台灣夏天最明顯。高空下沉氣流溫度常常較高的原因如下，根據熱力學及能量守衡，空氣上升降溫後再回到原有高度，位能熱能互換之後溫度是不變的。但如果上升過程水氣凝結成雨，水就會釋放出蒸氣熱來給空氣自己掉下去下雨。所以空氣回到原高度時除了位能熱能互換外，又多了一份水的蒸氣熱(539卡/g)，因此已經比原來上升前還熱，這就是高空下沉氣流會比較熱的原因了 (，類似焚風型成的原因，)，如此上熱下冷，就是形成逆溫現象。夏天時，台灣地面常會被太平洋高氣壓攏罩，而高空伴隨而來的就是馬緯無風帶的現象，這是地球大環流裡面一股很強的下沉力量，所到之處除了海洋西側陸地會有午後雷雨外，幾乎片草不生，造成非洲，中東，美國南加州到德州一帶的沙漠氣候。這股高空氣流是起源於熱帶地區，暖濕空氣在熱帶下雨後進入高空環流北移，來到馬緯無風帶後下沉， 形成高空溫度較一般高的現象。配合上低空溫度受海水影響溫度較低(水溫不超過26度)，因此型成輕微逆溫現象。
如何尋找逆溫層的高度
2009年1月16日清晨民航局航空氣象服務網發布的探空氣球預報。左側垂直座標是氣壓值、中間藍色線是溫度、紅色線是露點溫度線、最右側藍色箭尾狀是風向風力。根據本圖我們預測逆溫層在850百帕的高度，也就是約1500公尺左右。
天氣再怎麼預測都比不上實際去看一看最準。人上不去時，叫氣球上去看不就得了！所以探空氣球就應運而生了。尋找逆溫層最好的工具是探空氣球。探空氣球在上升過程會不斷紀錄下溫度溼度風向風力。判斷逆溫層存在高度主要依據是逆溫層的一些基本特性：溫度下降率變緩、溼度變低、風向轉變。我們以上圖為例
1. 溫度下降率變緩：在逆溫層附近隨著高度變高，溫度下降率會變遲緩或變成升溫。例如上圖中，藍色溫度線在1.號紅框處就有升溫現象。
2. 溼度變低：先介紹露點溫度(dew point)的觀念，相對溼度是會隨氣溫變化的。同樣的空氣經冷卻後相對溼度會變高，空氣降溫至露點溫度時相對溼度會變100%而使水氣飽和凝結成露，露點溫度就是結露現象開始的溫度，因此露點溫度越低，代表空氣中水氣含量越少。氣溫和露點溫度差越多時，相對溼度也越低，濕球溫溼度計就是利用這樣的原理。逆溫層上方的空氣弱經高空低溫脫水會很乾燥，所以到逆溫層以上時會有露點溫度急速下降的現象。例如上圖中，紅色露點溫度線在2.號藍框處就有急速向左轉的現象 代表此++處水氣含量急速下降。
所以到逆溫層以上時會有露點溫度急速下降的現象，夜間才出現的雲就常常在逆溫層附近以層雲的形式出現，也就是本文一開頭的案例一所遇到的雲。
3. 風向轉變：冬季時特別明顯，高空都是西風帶，低空常受寒冷東北季風影響，而這兩道勢力的交會點就是逆溫層的所在。上圖中右下側3.號紅線橫線處就是風向轉變處 紅線以下高度受東北季風影響吹東風 紅色以上高度進入地球高空西風帶。
如何知道下沉氣流的範圍
接下來我們就來介紹一些氣象資料的分析法來分析高空下沉氣流的影響範圍。
l 衛星雲圖
高空雲會出現在紅外線雲圖中，高度越高的雲溫度越低，在雲圖中會以比較白的雲來顯示。夏天我們主要找的是馬緯無風帶，會在台灣附近的緯度附近徘徊。馬緯無風帶在雲圖上會出現一條接近橫向的無雲黑帶，他跟太平洋高氣壓也是好兄弟，而一大片黑色無雲地帶通常也是高氣壓的勢力範圍。如下圖所示 台灣東方太平洋上空即受馬緯無風帶下沉氣流影響而呈現幾乎無雲狀態。
看衛星雲圖示要注意日夜連續變化。夏日常有西北雨，這種雲傍晚就會被下沉氣流吹乾，所以白天因對流出現雲是正常的。但是如果晚上的紅外線雲圖還看的到雲的話，這就是高度很高的雲了，比任何高山都高，閃不掉。
傍晚六點桃園跟台中上空都有對流雲胞
半夜兩點雲就全散了
冬天的雲一般都長不高，所以一旦紅外線雲圖看的到雲的話，那一定是鋒面來臨或下沉氣流不強。這種冬天高雲很難散掉的，也不用去仔細分析了。
l 地面天氣圖
高氣壓跟高空下沉氣流共伴而生，如果地面圖顯示附近有低氣壓或鋒面，準備回家睡覺吧，雲就在附近。最好的天氣是一大片範圍廣大的高壓中心籠罩在台灣附近，因為這代表下沉氣流核心在附近，而且不會有什麼上下熱對流。
l upper level divergency 高空輻散
upper level divergency 如果是負號的話，代表高空空氣是 convergency聚集的, 那聚集了之後自然無處消散，當然就擠向地面造成沉降氣流。
l Webcam網路即時畫面
現在台灣很多地方政府都裝了Webcam，不彷直接看Webcam。半夜只能看來往車燈來判定水氣狀況。最準的是清晨，因為此時地面熱對流尚未開始，可以判斷逆溫層的高度。當看到遠方的天空萬無雲時，好天氣啦，有時候鏡頭角度或曝光控制不是很適合時，判斷不太容易 這時訣竅在於天空應該是藍的，地物應該有很清楚的影子。
目前合歡山小風口，玉山，阿里山，鹿林山，奧萬大，梨山，都裝有Webcam，注意一下這些不同海拔的天氣變化，當下午從玉山到奧萬大都晴空萬里時，逆溫層已經很低了，天氣將很好。
l 機場天氣報告(METAR)及預測(TAF)
目前網上可以查到的台灣機場有RCTP RCSS RCKH(桃園，松山，小港)，機場天氣報告包含了風向、能見度、雲密度、雲高、溫度/露點溫度(可看出溼度)，重點在雲高。如果強烈高壓籠罩時，雲的密度最多只有few到scatter, 而且高度都不超過四五千呎，(一千呎大約是 三百公尺)，依此換算，當你看到一萬呎以上的雲時，回家睡覺吧，合歡山武嶺也才一萬呎！
舉例說明
METAR text: RCTP 172330Z 25003KT 1200 R23/P1500 R24/P1500 BR FEW012 12/10 Q1021 TEMPO 0800 FG
網站自動翻譯結果
Clouds: few clouds at 1200 feet AGL
可知只有一千兩百呎有疏雲，也就是又一個適合看星星的天氣了。
其實各大小機場都有天氣觀測，http://aoaws.caa.gov.tw/。只是台灣其他機場的資料政府單位並未全面自由開放，一般人在這網站看到的都不是詳細的資料，無雲幕部代表沒有疏雲。
l 高空風場變化
，地球高空通常是西風帶，當下沉氣流出現時，會有西風順流速度越來越慢的情形，就向水管鑽一個洞讓水往下漏時，過洞後的水流速度會變慢一樣，通常可以觀察300mb(高度約 一萬公尺)的風場。
l 實地觀察逆溫層
若你站在山上，發現下方有一層灰灰褐黃色的空氣層，而上方幾乎無雲空氣乾淨，恭喜你！進入了逆溫層上方，冬天高壓中心籠罩時，逆溫層高度最低大概在 兩千公尺 左右，也就是雲海容易出現的位置，所以當你見到雲海時，恭喜你，進入了逆溫層上方。
2007年11月28日台中天文學會星空派對當天天亮後所見逆溫層現象：伴隨薄層雲海，可見逆溫層下方為汙染層，其上方為乾燥乾淨之觀星好天氣。
l 雷達
雷達主要測水氣回波大小，對天文幫助不大，等雷達回波看到雲時，天候早已令人不能忍受了，但是和衛星雲圖一樣，白天的午後對流雲是不必太擔心的。
l 道聽塗說法
用儀器測不如自己去看最準，怎麼看，開個飛機上去看雲高，不然去認識個國內線的飛行員，每天在台灣上空上上下下，每天都在觀測天象，問他們最即時，不然就認識個空姐，叫她們去問駕駛。不好意思，本人跑國際線，時效跟頻率都不一定每次幫上忙。
結論
最後，天氣預報判斷是一門很深的學問，十多年前超級電腦很罕見時，氣象局就用了Cray-1超級電腦來做預報 在國內當時是數一數二的電腦，其原因就在於做預報時需要收集大量精細的資料做或然率的計算，而有很多資料又是無法全面性很精確的得到。以海水溫度為例，其對天氣影響又巨大而深遠，但就是無法就整個海洋三度空間上全部密集的收集，儀器也會有誤差，所以原本天氣預報就含有許多不確定性在其中，就連同一颱風路徑跟降雨量都出現不同國家不同預報的結果。
天文氣象也一樣，我們手上能拿到的資料有限，不能只針對其中一個數據就做結論，必須綜合所有數據做判斷，例如高空西風驟減可能是颱風在東邊要來了，上升氣流所引發的排擠效應，當然經驗是天氣很好，問題是敢上山嗎？外圍雲層什麼時候到，風力影響如何，都是必須考慮的。所以這裡也只能提供一個guideline，真正研判還是平日得多加培養經驗。而且適合天文觀測的天氣也不僅侷限而下沉氣流強烈時，如果逆溫不明顯但是夠低時，即使高空風只是平流，但是夠乾淨的話也是適合觀測的。天氣系統的動向，前一兩天天氣對大地溫濕的影響，海水溫度等等因素在在都會影響天氣的綜合判斷，因此平日可多上上網查查資料，再去webcam比對一下實際狀況，接觸久了自然會有新領悟。
還有一點需要提醒，目前台灣法律規定不得私自預報天氣，尤其是不得發布災害性天氣，以免引起社會不安及勞民傷財，之前只有中央氣象局可以預報，現在民間組織只要提出申請審核過，也可以發布預報，所以若是有自告奮勇者自願設網站提供資料者，這一點要稍微注意一下公告預測的技巧。
2009年02月01日 08:38:13
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