###### tags: `資料分析`
# 大氣資料與分析

## 熱力過程
### 氣壓梯度力
#### 熱力作用
* 溫度差、空氣體積與壓力變化，溫度升高氣體上升
* 空氣柱地表以上的高度，溫度高空氣柱壓力較大，壓力差推動空氣流動
* 熱能轉為動能，熱空氣往冷空氣移動
* 熱力作用可解釋：
* 海陸風
* 山谷風
>接近夜晚時轉為山風，大氣沉降，形成雲海或晚上開天
* 季風
#### 暖心高壓/太平洋高壓（沉降作用）
* 赤道地區受熱空氣上升，氣體上升至平流層頂
* 氣體向南北移動，約30度時質量累積使氣體沉降輻散
* 非氣壓梯度力促使
* 對流層高層壓力較低層大，可能仍為高壓，但低層氣壓較冷高壓低，約1020hPa

#### 冷心高壓/蒙古高壓（熱力作用）
* 氣體冷卻，體積縮小，質量累積於五公里以下，低層大氣壓力增加
* 對流層高層密度減少，轉為低壓
* 強度較強，約1050hPa以上

#### 空氣流動
* 沿著等壓面流動，非沿同一高度移動
* 高空天氣圖多以同一氣壓(等壓面)、等高線呈現
### 海陸風
* 海陸日夜氣壓梯度變化導致，台灣西半部較東半部變化明顯
* 10:00通常是陸風轉海風的交界/22:00海風轉陸風
* 海陸風的風相嚴格定義上需垂直海岸線
* 台灣5~8月夏季時，海陸風較明顯(西部)

#### 台北地區午後雷陣雨(和海陸風有關)
* 淡水、基隆河口吹海風，西北、東北風帶入水氣（水氣通量）
* 大漢溪河谷西南風可能同時帶入水氣(較少)
* 水氣匯集於台北盆地，受熱對流抬升後形成午後雷雨(於臺北盆地南側輻合，此時台北盆地的風相約為西北，風又將加熱後的空氣向東南方推，因此午後雷雨最強的區域約在台北盆地南側)
* 都市熱島效應使溫度增加，加強午後雷雨
#### 可由淡水、基隆、台北風場預測午後雷陣雨
* 風速越快，總水氣輻合較高，下雷雨機率較高
Chen et al.(2007)

## 降雨
* 台灣最多降雨：高雄山區（午後雷陣雨、颱風、西南氣流）、宜蘭（東北季風、少雷雨）
* 午後雷陣雨經地形抬升(雲底高度約500-1000m)

### 雷達(Radio Detection and Ranging)
* 主動式遙測
* 發射電磁波，偵測水相粒子(雲滴、水滴、冰粒...)的散射(nonselective scattering) :arrow_right: 回波強度
* 發射電磁波，偵測水相粒子移動的都卜勒效應 :arrow_right:徑向速度
* 波長
* S, $f$=2-4GHz, $\lambda$=15-8cm(代表10cm) :arrow_right: 看降雨
* C, $f$=4-8GHz, $\lambda$=8-4cm(代表5cm)
* X, $f$=8-12GHz , $\lambda$=4-2.5cm(代表3cm)
>波長長，能量衰減越小/波長短，能量衰減快(故較無法穿透物體)
### 回波強度單位
1. dBZ：dB為分貝，Z為反射率(由偵測得的數值轉換，由不同雷達偵測的同一個雲的dBZ應相同)
2. dBZ= ${10log_{10}} {Z \over Z_0}$
3. $Z=mm^6/m^3$ (單位體積內水滴直徑的6次方)
4. $Z_0=1mm^6/m^3$ (作為標準，將單位除掉，使括號內無因次)
* 取log意義：使數值呈現的scale不會太大
* 乘十意義：比較大比較好看
* 函數中數值絕對無因次
* e.g.水滴個數不變，直徑2倍，多約18dB/水滴個數2倍，直徑不變，多約3dB。故使水滴變大，對回波強度較有關係。
* If dBZ < 0，表示收到的回波 < 參考值(回波很弱)
* 參考值：毛毛雨（15dBZ），大雷雨（50dB）
* 雷達觀測上的亮帶：0度存在的地方
5. $Z_{DR}$ = ${10log_{10}} {Z_h \over Z_v}$，為水平回波與垂直回波的差異，可表示雨滴形狀

### 天線形狀
* 圓的：垂直水平識別度好
* 橢圓的：水平識別度差、垂直好
* 海軍的：垂直識別度差、水平好

### 電磁波
* 司乃爾定律
* 轉彎幅度與大氣折射率在垂直方向變化有關（dn/dz）
* 一般大氣情況：$dn\over dz$ $=-0.04/km$

### 大氣折射率
$N=$${77.6\over T}$$(P+4810\frac{e}{T})-4.03*10^7\frac{N_e}{f^2}$
$N=(n-1)*10^6$
* 與大氣壓力P、水氣壓e、電子密度$N_e$正相關($N_e$影響較小)
* 與大氣溫度T、電磁波頻率$f^2$負相關
#### 掩星觀測
* 測量大氣折射率N值，推導大氣環境
* 氣壓與溫度藉由數值模式推導，藉由掩星觀測得N，求出水氣壓，有助於颱風預報

## 大氣穩定度
* 起因：地球大氣的熱力不平衡，大氣趨於平衡時連帶發生天氣作用
* 極端氣候：人為影響天氣系統更趨於不平衡，需要更劇烈的天氣回到平衡

### 遞減率
* 絕對穩定、條件性不穩定、絕對不穩定

* 趨於穩定的條件：高空變暖（暖平流、沉降逆溫：上層空氣下降較多，增溫較高；下層空氣下降少，增溫少，使下層空氣比上層冷）、低層大氣變冷（輻射冷卻、冷平流）
> 濕空氣較乾空氣輕(平均分子量低)

### 垂直混合
* 將下層空氣帶至上層(上層冷卻)；上層空氣帶至下層(下層空氣增暖)，使大氣變不穩定
* 混合層頂，通常會形成一個逆溫層。
## 探空資料
### 探空氣球
* 探空儀：氣壓、溫度、濕度、GPS、風向、風速、上升速度、無線電發報天線
* 上升速度多控制在5~6m/s
* 要跟民航局申請

### 探空站
* 彭佳嶼(NEW!!)
* 板橋
* 花蓮
* 東沙島
* 馬公
* 屏東
* 綠島

### 斜溫圖
* 等溫度線和X軸成$45^。$交角
* **能量圖**：一單位面積代表能量大小，相同面積具相同能量
* 氣塊逐漸上升至飽和，達濕絕熱與乾絕熱線平行時，氣快下降溫度增加，為氣塊理論
* **虛溫**：將溼空氣轉換為乾空氣質量，並算出其假設的溫度
* **露點溫度**：可表示空氣中所含的水氣，從地面起露點溫度沿等混合比線上升，與溫度沿著乾絕熱遞減上升的交點，為 **LCL** (因太陽輻射加熱地表，故氣塊從地表開始抬升)、(氣塊飽和混和比與露點溫度飽和混和比相同時，水蒸氣開始凝結)
* **CCL**：地表氣壓與露點交線隨飽和混合比線上升至與環境溫度相交，代表其上升至露點溫度與溫度相同，呈飽和狀態成雲。(通常較LCL高)
* **LFC & EL**：LFC以上，環境溫度較濕絕熱線低，因此氣塊會持續抬升至環境溫度較濕絕熱線高，此點稱為EL。
* **CAPE**(對流可用位能)=${1 \over 2}w^2$，能量為正。 w=上升速度，LFC與EL之間環境溫度與濕絕熱線間的面積。
* **$T_C$**：對流溫度，從CCL沿著乾絕熱線下降至地表，表示地表一旦超過該溫度，就能藉由對流自然發展成雲(不須耗能)。
* **MCL**（混合均勻高度）：由於混合達到飽和，於混合層上，飽和後沿濕絕熱線上升。
#### 應用
* 沉降逆溫（溫度上升，濕度下降）：下沉(密度增加)，上層增溫比下層多
* 鋒面逆溫（溫度上升，濕度潮濕）
* 輻射逆溫

## 均勻混合層
* 位溫接近定值：探空圖上溫度線平行乾絕熱線
>位溫意義：空氣中所含的能量，定義為氣塊在1000hPa的溫度
* 水氣接近定值：露點線平行等混合比線
* 相對濕度隨高度呈線性增加（直到飽和）
* 相當位溫接近定值

## AQI
### 空污來源
* 境外移入：高層傳送、中低層傳送，常伴隨高壓出海
* 本土：局部地區產生，大氣垂直擴散能力差，伴隨高壓沉降，大氣穩定度高（逆溫層）
## 資料庫
* [大氣水文研究資料庫](https://dbar.pccu.edu.tw/)
* [文化大學氣象資料](http://140.137.32.27/www/)
* [中央氣象局探空圖](http://140.137.32.27/www/rawsnd/)
* [台灣氣象測站-map](https://www.google.com/maps/d/u/0/viewer?hl=en_US&ll=24.335608485149066%2C121.33311387858551&mid=1R_bp6jQg8PJACRINBwa-mK0TRUE&z=9)
* [台灣氣象測站-list](https://e-service.cwb.gov.tw/wdps/obs/state.htm#existing_station)
* [空氣品質指標](https://airtw.epa.gov.tw/CHT/EnvMonitoring/Central/DailyAQI.aspx)
* [氣象站探空資料(效期不知道到什麼時候)](https://dbar.pccu.edu.tw/IESO2022_Down.aspx)
* [大氣水文資料庫(比較多data版本)](http://140.137.32.27/www/)