# 大氣測計學
> 大氣系大一必修（阿我怎麼在這裡
> 林博雄 教授

## Week 1 : introduction
> 大氣系的老師們都很贊同大測的架構：）
> 大氣資料具有即時性跟全球性，其他都沒有：）
>

### Network
:::info
global, regional, national, microscale等等的結構
* the features of spatial-time scales in atmospheric sciences
:::

> 
> 大氣測計學講的是data怎麼來的問題
> 量測的標準、品質是好是壞，了解資料的quality is the most important thing you have to do in the course.
> how to get access to the infomation?
> the differences between remote sensing and ground observations?

#### ECMWF 全球氣象觀測網密度（geographical coverage）
* 以UTC+0為主，00Z+12Z為基準，送觀測資料到ECMWF
* 民航機在巡航高度的觀測資料也在ECMWF
* 地球同步軌道資料、太陽同步軌道（海平面高度變化）
* ＲＯ（掩星資料）

#### NCAR 做觀測很強ㄉ

### 全球氣象資料網聯交換
* GTS(global telecommunication system)
* 有全世界的中心（莫斯科、華盛頓特區、墨爾本）
* 還有區域的中心（亞洲：東京、北京（負責跟東京做資料交接）、新德里）
* 台灣的氣象資料送到東京去做整理
> 以前沒有網路的時候，會把氣象資料壓縮成電碼（a kind of code to compress the information in order to transfer the data quickly）
> 電碼由WMO規定
* 現在用GISC(global information system centers)，改成用網路傳了
* 每個地方的氣象站都有自己的代碼
* 46(taiwan)692(台北站)

* 航空氣象站特別看重能見度、風場、雲等的觀測
> 無線氣象資訊台（console）

* 台灣的地面自動氣象站是用ARMTS(台灣自動雨量及氣象遙測系統)
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## Week 2 : Basics on measurement and instrumentation

### the origin of the meteorological data
* Early instrument development
* 

> 毛髮濕度計（1783, hair hygrometer）
> 利用暴露在空氣中的頭髮，在濕度變化的時候會改變長度，藉此測量環境中的濕度

* 1787 年，道爾頓寫下第一篇氣象觀測紀錄
* History od Meteorology (期刊)
* 孔明借東風是真是假（？
* 諾曼第登陸（？
* 美軍炸原子彈在長崎（？
* 天氣預報報的準不準跟歷史還有軍事行動大有關聯
* 氣象儀器發展歷史：去找thoughtco.com(the history of weather instruments)

### data in the past time
* 地景的變化、量測方法的演進導致過去的資料我們無法確定是否可以相信。
* 從奏摺資料，歷史文獻看氣候變遷（王寶貫、張德二）
> 賈寶玉的老爸是氣象間諜（？

* 在設置氣象站的時候有一些選址要求，否則會造成溫度上有額外的不確定度
* class 1, class 4...
* 

* 在使用過去的氣象資料跟現在的氣象資料要注意資料來源跟他們是否可信？
*
> 例如，海上的資料從何而來？當時怎麼去計算海上資料，因此
資料是否可信？

### Recent Advances (automatically)
* PC
* Data logger
* new sensor (transducer) with precise measurement
* in meteorology : radar, radiosonde, rocket, satellite, wind profiler, wind lidar...

### old and new compared
* old instruments lack of accuracy
* what's the relationship between old and new instruments? 把新舊儀器擺在同個地點同個時間量測，做校正（intercomparison)
* 

* e.g. 夏威夷大島上的二氧化碳量測可以被認為是背景值

### General points concerning of instruments and measurements

* analogue vs. digital
* instantaneous vs. integrating
* direct vs. indirect
* in-situ vs. remote sensing
* online vs. offline
* active vs. passive

### definition of terms used in measurement

1. range(範圍)
2. resolution(解析度)：可解析的最小尺度
3. accuracy（精確度）：不確定度是正負多少個尺度
4. uncertanty(不確定度)
5. error（誤差）
6. standards(標準)
7. time constant(時間常數)：當儀器訊號改變了1-(1/e)的比例，約63.2%的時候，所需的時間稱為時間常數。與指數衰減的現象有關
9. hystreresis(滯後)：訊號的變化不是呈現線性而是稍微晚了一點變化的感覺

11. drift(飄移)：每一次在量測的時候，數值都會有點跳動，稱為飄移現象

### standards : a quality of known accuacy
* types:
1. primary
2. secondary
3. reference
4. working
5. national
6. regional
7. interntational

* 產品的規格具有可回溯性（traceable）, ISO有一套標準可以參考。
> 儀器的標準會根據需求去符合特定的規格，每個地方有不同的標準，因此標準不同跟設計需求有關聯

### 氣象觀測儀器檢校
* 在森林量測與在城市量測的雨量一樣？
* 美國的20度跟台灣一樣？
* 離岸風電：高鹽度高風速（很快就壞掉ㄌ）
* 在戶外放雨量桶要放樟腦丸（？避免蟲蟲入侵
* 雨量計接觸點可能遭污染
* 要做比較校正，透過跟標準品比較來調整回去（時間序列上的調整）

### Using data of unknown quality
* 什麼感測器？資料性質如何？多久校驗一次都是需要在使用一個未知儀器的時候要注意的事情（參考metadata）
* 氣象觀測坪需要平整的土地，周遭環境在一定距離內勁量不要有地形起伏如建築物等
> 透過相機的魚眼鏡頭，得出環境周遭的建築物，遮蔽物的邊緣距離氣象站的仰角為幾度？進而計算出遮蔽度，評估氣象站的設置是否符合標準？是否夠空曠？

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## Week 3 : Solar & Terrestrial Radiation

### Solar Constant
* 太陽常數(total solar irradiance)：約1361 W/m^2(外大氣層所接收到的總輻射量)，會依據太陽活動周期而有約11年為周期的變化
* 海平面附近接收到的總輻射量約為1000W/m^2，若加上擴散的散射量則為約1120W/m^2
* solar radiation vs. terrestrial radiation
* 
> 太陽輻射進來，能夠被海洋與陸地吸收的比例只有51%

* Global energy flows
> incoming solar radiation 341 W/m^2為日夜平均
> 老熟寶了

* total solar irradiance observational composite（TSI）
> 太陽活動的變化標準差大約是0.24
> 太陽活動的強度大約每十年增加0.05%

* 土地利用改變會影響地表的返照率
> what if 在地表裝超級大的太陽能板？

* Spectro composition
> 放大來看的話，地表附近的terrestrial radiation

* unit and terms
* radiant flux
* radiant flux density
* irradiance vs. emittance
* insolation

* measured terms and instruments:
* solar radiation(0.3-3微米
* ＰＡＲ（photosynthetically active radiation）(0.4-0.7微米)
* UVA(90%會到達地表), UVB(只有6%到達地表，其他被臭氧層吸收), UVC(幾乎全部被臭氧層吸收)
* terrestrial radiation (3-100微米)
* global hemispheric radiation(直射＋散射加起來的結果)

### Radiometers
* pyrheliometer (direct solar radiation)
> 可以在地面量測AOD(Aerosol optical depth)
> 
> 儀器透過計算直接找到太陽做測量

* diffused solar radiation measurement
> 擋住太陽本人，量測太陽照射地球時的散射分量(已知太陽軌跡的情況)
> 

* Pyranometer (global solar radiation)
> 裡面有的抽風系統防止灰塵殘留在表面影響觀測
> 

每天的日照計數據，呈現完美的正弦波形，且中間數值掉下來的部分是雲遮蔽影響

* first order pyranometer
> 透過照到太陽時，加熱的溫度與自身溫度做對比得知（？）。使用雙層玻璃，放乾燥劑避免起霧，
> 

* second order pyranometer
> 改用光敏感的電極體，減少用熱學方式量測的不方便
> 

* photometric vs. photon units
> 

* sunshine recorder (日照時間記錄器)
* campbell-stokes recorder
* jordan recorder
* electrical recorders

* campbell-recorders
> 外面是凸透鏡，聚焦陽光之後燒掉後面的紙，看痕跡多長判斷日照時間
> 要換紙很麻煩：（
> 

* Jordan sunshine recorder
> 在儀器裡面放圖了化學材料的紙，一樣放凸透鏡對著太陽，聚焦後會在紙上留下深色痕跡

* electical ssunshine sensor
> 有兩個solar cell

### 地表太陽輻射通量（SW）跟日照時間長度（SD）的異同
* 一個是瞬間的陽光通量，一個是持續多久。以大於120W /m^2判斷為有陽光的標準

> in 南竿氣象站，把日照計們南北方向排在一起，因為只有天頂角的不同，所以可以南北巷排，且量測到的陽光不會受到其他感測器的遮擋影響。

### New issues
* world climate research program
* baseline surface radiation network (BSRN):
* 符合ＷＭＯ標準的輻射量測站，台灣有蘭嶼、玉山、南部氣象站

* 2002年：1963年開始台灣地區的太陽輻射時數開始減少？為什麼？儀器更新能產生誤差

* global diming
> 雲量減少，使地球吸收較多的能量，加上人類製造出了許多懸浮微粒，把部分陽光反射回去，又促進雲的行程，反射更多太陽光，使地球接收到的總能量減少，

* CReSS simulation
*

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## week 4 : temperature measurement
### solar radiation and air temperature
* 太陽輻射進到地表 -> sensible heat flux -> 近地表的空氣溫度改變
* 虛溫（virtual temperature）${T_v} = {T(1+0.609*q)}$
* 位溫（potential temperature）${\theta} = {T(1000/P)^{2 \over 7}}$
> ${T = air temperature}，{q = specific humidity}，{P = air pressure}$

* energy budget of top layer soils :
* 
* G很難量：（
* 當土壤很乾燥的時候，以可感熱通量為主；若土壤濕度較濕，潛熱通量變多（whilting point）
* critical soil moisture : 當濕度大到可以把可感熱通量忽略不計的時間點

### temperature scales and reference points
* ITS-90 : 量測不同材質的溫度標準。例如：量測水的冰點為0.01攝氏度，若儀器測出不為此數值則表示不精準

### mechenical thermometers
#### liquid in glass
* liquid : mercury or alcohal
* 主要的誤差為讀值的主觀意見及水銀柱內可能產生空氣，使膨脹係數改變，不為線性。
* time constant太大，無法馬上表示當時的溫度
> 

> 台北氣象站的百年變化：
> 

#### max and min temperature
> 
* 最高溫度計：溫度上升，內部液體膨脹，表面壓力差使液面為凸出去，把球球推出去紀錄最高溫度
* 最低溫度計：溫度下降，內部液體收縮，表面張力差使得液面向內凹，球球放在裡面故可紀錄最低溫度
> 

* 使用完要復度（最高溫度計大約在下午五點的時候，因最高峰已過所以把他復原；最低溫度計大約在早上五點）
> six's thermometer :
> 
> why farmers care about the 最高、最低溫？
> 度日（degree-days）
> 積溫 : 有效溫度累積到一定數值時即可完成發育的溫度
> 

#### bimetallic thermographs (雙金屬溫度計)
> 
* 不同金屬的膨脹係數不一樣，所以把兩個不同膨脹係數的金鼠年再一起，當溫度有變化得時候會產生不同的彎曲度，再搭配自計式記錄儀，可以得到一整天的溫度變化
* 缺點：記錄紙跟筆要人工更換
> how to digitalize?

#### electrical thermometer
* resistance thermometer
> 
> 白金電阻線

* semi-conductor temperature sensors (thermistor)
* 電阻的改變與溫度會呈正相關（PTC）或負相關（NTC）
* 沒辦法量太高溫或太低溫的東西

* thermocouples （熱電偶）
* 利用兩種不同金屬在不同環境溫度下會產生不同的電位差來測量溫度
> 

* thermo-capacitor (熱電容
> 

* 

* 不同孔徑的光纖：單模與多模光纖，打光出去的時候，會產生拉曼散射，影響反射回來的光的變化，藉此得知溫度的變化
* ＤＴＳ
* 

### exposure of thermometer
* 百葉箱裡面把各種溫度計放在裡面，避免陽光直射，或做成圓圓的殼，把白金電阻線或溫度碳棒包起來
> 
> 

> 有遮罩的話溫度變化比較小，沒遮罩比較大。而大遮罩又比小遮罩來的穩定

> 一個標準的百葉箱要檜木做的！一個四十萬：（
> 離地120公分是為了方便觀測人員平視觀測溫度

* 遮罩形狀與通風效率有差！
* 要設計成太陽無法直射但必須通風才可。設計成螺旋狀的樣子較能助於儀器量測，有導流，也不會卡灰塵（？

* 溫度計的誤差會干擾觀測值，所以需要做各種的比對與校正
> 

### ground soil temperature
* 挖洞把溫度計放下去：）
* 溫度變化的極大值，越往深處越會延遲。地面下一公分的溫度極大值遠大於氣溫（因為太陽照射地表，直接加溫導致），但是越往深變化越緩
> 

* 鐵管溫度計（放線線到地底下！）

### 地表附近的日夜溫度變化
* 百葉箱之所以不能放在距離地表太近的地方是因為距離地面太近，溫度變化太大（熱通量較大）。

* 土壤濕度對於溫度的變化？
* 
* 在地表附近做能量收支必須要考慮地表特性，以及土壤分層參數特性對於環境的影響？

> toy model of energy budget
> 

* 土壤的熱傳導率：與土壤表面植被有大關聯，因此近地表的土壤溫度變化率會有所延遲，而越深的地方變化越小
* 

---
## week 4 Humidity Measurement
### Hyfrological budget
* water cycle
> 好熟悉啊ＮＡＳＡ
> 海水表面蒸發量在整個水循環中佔的量是最大的（413）
> 海表面降水是第二大（373），陸地表面只有（113）
> 陸地表蒸發散大概只有73

* 簡化版
> 
> 在各個層圈中的水體含量：海洋>陸地>大氣（很少）

### 濕度的名詞與單位
1. 混合比（mixing ratio）: 水氣質量/乾空氣質量
${r = {{m_v} \over {m_a}}$
2. 比濕（specific humidity）: 水氣質量/溼空氣質量
${q = {{m_v} \over {{m_v} + {m_a}}}}$, 通常用（g/kg）
> r ~= q (${m_v} << {m_a}$)
3. 水氣濃度（密度，即為絕對濕度，absolute humidity）
${}$
4. 水氣壓（vapor pressure）
${e = p*{r \over {0.62198+r}}}$
> p : 溼空氣的壓力，r : 混合比
5. 熱力學露點溫度（thermodynamic dew-point temperature）：
定壓下，將為飽和的濕空氣降溫以達飽和的溫度
6. 熱力學濕球溫度（wet-bulb temperature）
在定壓Ｐ下，純水蒸發進入濕空氣並保持絕熱狀態直到飽和時，濕空氣的溫度。
${T - T_w} = {{{(r_w - r)} * {L_v} * {T_w}} \over {C_p + r{C_{pv}}}$
> ${r_w}$為當壓力Ｐ，溫度${T_w}$時的飽和濕空氣混合比，

#### 濕度計算


### 一些儀器
* psychrometer（乾濕球溫度計）
> 
> 濕球溫度<乾球溫度
> portable psychrometer(可攜式乾濕球溫度計)：下面裝了一個風扇以通風，讓溫度計放在室外時可以模擬放在百葉箱裡的狀態。
> 早晚的時候要把它拿出來通風校正（？

> 阿斯曼乾濕球溫度計 : 具有定速的風扇協助氣流流通，因此可以較為準確的量測乾求溫度與濕球溫度，藉此推算出相對濕度，也比較好做校正。因此被認定為一個標準儀器

* 全新的白金電阻是乾濕球溫度計
> 

* hair hygrometer (毛髮濕度計)
* 利用毛髮對空氣中的濕度變化會有長度變化的特性，作為量測濕度的東西
* 

* 
> 在探空氣球裡面的溫濕度儀（thin-film humidity sensors）：
> sensor上面碰到水的話，會改變儀器內ＡＢ間的電容，藉此量測相對濕度
> 探頭上可能會結冰，因此每隔30秒做交互觀測，藉機加熱除冰以繼續使用。
> 

* ion-exchange sensor
* 高分子聚合物塗料，表面含有可電離的離子團（？，濕度改變之後會改變電阻

* dew-point hygrometer:
* 打光束到鏡面反射，若鏡面凝結出露水，則光束反射的強度與速度都會改變，藉此量測露點溫度（chilled mirror hygrometers）
* 

* Radiation-absorption hygrometer
* 裝有超音波風速計，可以量測風向風速
* 可以藉由量測紅外線輻射量反推水蒸氣的通量，藉此推得環境濕度
* 

* 全部的比較
* 

* 當高度超過300hPa(about 9km)，在以前假設相對濕度為0%(錯誤判斷，雖然以前量測不到但還是有水氣)
* 全球暖化之下，${CO_2}$增加，但水氣也是溫室氣體，所以也要看水氣對溫室效應的貢獻
* 積雨雲上有一層薄薄的水氣層（砧狀雲擴散出來的高空卷層雲，所含的水氣量有多少？）

### calibration of humidity sensor
* 
* 這些溶液具有穩定的飽和水氣壓，把濕度計泡在溶液裡面即可做校正。

### evaporation and evapotranspiration measurement
* 單位為mm，和雨量一樣
* 
如何量測跑掉的水？

* evaporation pan
* 口徑和雨量筒一樣，可以正確量測蒸發散效率對比降水量
* Ａ型蒸發皿
* 
> 在邊邊放標尺來量測水位
> 若有風會影響讀值，所以用個連通管，把尺包起來避免風影響（穩定井）。利用轉動小勾勾在穩定井內上升下降，當勾勾尖端恰接觸水面時即可讀值。
> 也可透過量測水壓的方式記錄水位（電子式水位計）。
* 蒸發量與溫度、輻射量（日照時數）、風速（加速蒸發）有很大的關聯
* 每個國家量蒸發量的方式有所不同，穩定性有差。

* atmometer (自記式蒸發皿)
* 蒸發多，水位降低，指針便會做紀錄。
* 

* piche evaporation
* 裝水之後倒轉，
* 

* Lysimeter (測滲儀)
* 看土地、植物的水入滲量有多少？把土挖開，挖地道再下面放一個配重器，量測重量即可知道入滲量有多少

* 量水蒸氣的通量：
* 
* 

---
## week 5 Precipitation measurement
> 大氣系系歌：讓我們看雲去！

### units and definitions of the precipitation

* precipitation : rain, snow, drizzle, hail, 但不包含dew, fog, hoar, frost, rime(無法用漾水方法觀測露水等)
* 降水總量：所有液體和固體降水量的總和
* 單位：mm/inch

### 降水觀測儀器

* manual gauge (人工手動紀錄)
* 把雨量桶的水倒到量杯裡面測量
* 
* 缺點：量測時若正在下雨，會導致少量到了一段時間的雨量造成紀錄錯誤

* float-operated gauge (浮筒式(虹吸式)雨量桶)
* 當水位累積到快要滿的時候，下面的虹吸裝置會將浮筒內的水排出，並綁一支筆記錄以連續觀測
* 
* 缺點：自計紙跟筆快沒有生產了：（

* weight-operated gauge (秤重式雨量桶)
* 水下進去桶子裡面，改變重量，因而在自計紙上紀錄
* 
* 可改變水桶孔徑（量測冰雹等大顆粒的東西），但需要一段時間後人為將水桶裡的水到乾淨
* 對於高緯度國家，雪的量測很重要，所以可以使用較大的桶子觀測降雪

* tipping bucket raingauge (傾斜式雨量筒)
* 水裝在傾斗上，當重量達到設計的時候會往下倒，並撞擊感測器。以紀錄感測器所量測得的撞擊次數判斷雨量有多少
* 
* 量測誤差蠻大的，所以在把水倒掉的時候，要把水收集起來做校正

* optical raingauge (光學式雨量筒)
* 放在船上量測雨量之用（不能用傾斗式因為船會晃）
* 打微波雷射看水滴經過時吸收掉或反射掉的比例，可以推算水滴的粒徑及速度
* 
> parsivel :
> 

* precipitation detector (雨滴感知器)
* 開始接收到下雨訊號的時候傳出訊號。
* 

* 撞擊式雨量計
* 表面有一的感測器，當水滴降到感測器上面的時候，可以藉由雨滴落下的動量及下面的電路，透過感知不同的雨滴撞擊，推算出累積雨量
* []

> distrometer : 二維的雨滴撞擊感測器，可以對雨滴紀錄影像，得知雨滴形狀。也有對三維空間紀錄雨滴形狀的儀器
> 

> 

### Factors affecting all conventionaln raingauges accuracy
1. diameter
* 口徑大小不同會影響到總體積
2. constructionaal materials and evaporative loss
3. depth of the collector
4. leveling
* 擺放水平和擺放傾斜會對量測到的數據產生誤差
5. precision of collector dimensions
* 若最小單位不夠小，會有一些誤差（使用0.5mm的傾斗式雨量桶會比0.1mm好？？？）
6. siting of gauges

> 地井：在地上挖個洞，雨滴降下來要達到地面才會被量測到，可作為雨量桶量測的參考值。

* wind effect()
* 若放在地面上，如果有風，會把掉進去雨量桶的水吹走(在雨量筒的邊邊形成渦流把水吹走)，造成誤差
* 

* 
* 
* 如何解決？建立wind shield (環狀的擾流板，或單片但隨風擺動)，尤其在下雪的時候會很重要，因為風更容易把雪吹走。
* 

* 雨量桶儀器顯露度
* 避免雨量桶被樹遮住，所以需要在空曠的地方架設雨量桶

### 雨量桶資料校正
* 若出現雨量數據異常，比較大的可能是雨量桶出狀況：（
* 雨量筒的擺放位置、觀測方式、架設高度都會大大影響量測到的雨量觀測值。
* 

---
## week 6 Barometric pressure measurement
### 早期的氣壓計
* 托里切利實驗

* Fortin Barometer (福丁式氣壓計)
將水銀用羊的皮革裝，因為羊革可以讓空氣流通，又不會被水銀腐蝕。當氣壓改變的時候，水銀的高度會改變，調整象牙指針以碰觸水銀表面，讀數即為氣壓

* Aneroid barometer

* Wheel barometer

* Barographs (空盒氣壓表)

* Vibrating cylinder/silicon barometer


> 氣壓計絕對不會放在觀測坪裡面！要放在氣壓室裡面

### 氣壓的校正

要做溫度、緯度、高度的修正，藉由壓高公式換算出海平面氣壓，使得所有測站達到同一標準

> QNH : 海平面氣壓 （Q code of nautical height），高度表撥定值以當地海平面氣壓為基準者
> QFE : 測站氣壓 （Q code of field elevation）
> 

* 國際標準大氣ＩＳＡ

> 藍色線：標準大氣降溫率

> 在轉換高度以下，使用ＱＮＨ當作高度的標準，高於轉換高度，使用標準大氣（轉換高度大約一萬英尺）

> 飛機落地得時候要進行高度表撥定（把氣壓計重設，根據機場當地的測站氣壓直修正為當地的海平面氣壓，飛機要把機場當地的海平面氣壓調整歸零，以便進行著陸）

## Wind Measurement
* Beaufort scale
* 有時候環保署的資料會用「風的去向（ＥＰＡ）」
* ＷＭＯ要求要在離地10公尺的地方上架設風速計
* 氣象局使用10分鐘平均作為平均風速，民航局用2分鐘平均，因風具有陣性，風向風速會很凌亂
* 風向為一向量，所以風場是一個向量場
* damping ratio : 風標在指風向的時候，會受到風的陣性影響，尾巴會有所擺動，稱damping ratio
* 
> 風杯的杯子直徑與和中心點連接的軸的長度比最好為2:1
> 杯子做成三角形會比較好看

### types of anenometer
* 放在核電廠附近的，需要有強風與弱風計


* 現在使用的
> 螺旋槳前面有一顆固定螺絲，風太大得時候，螺絲鬆掉然後風速計就飛走了：（

* pressure anenometer （皮托管）
風吹進管子的時候會在管子裡面形成低壓，空氣流動帶動壓力的改變

* vortex anenometer (渦流風速計)
看風流過一根柱子的時候，會在柱子後方產生如何的渦流來推斷風速

* thermal anenometer (熱風速計)
風吹過，熱線裡面的熱會被風帶走，藉由降溫幅度推論風速大小

* sonic anenometer（超音速風速計）
互相打電磁波到另一端，若風穿過儀器得話，會使訊號產生都卜勒效應，藉由量測時間差來算風速

#### exposure of wind sensor ()
* 離地面太低量測風速的話會受到建築物的影響而有誤，所以要放在十公尺高的地方量測

> 風的剖面圖，在地表分類不同的情況下，會有不同的粗糙度，影響風的穩定性以及

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## week 8 cloud measurement

### 雲的分類
> 就不多說什麼ㄌ:)

> 雲高
> 大致上可用旁邊的建築物、樹高、山高判斷雲高

> 酷東西

### 雲量
> 還是用0-8表示，但分母變為10
> 看雲量的方式會用一台相機由上往下拍凸面鏡反射出的雲況(下往上會受到太陽眩光的影響，導致判斷不標準)

> 左下角的相機由下往上拍，為避免陽光直射，在上面架設一個輻射帶，阻止陽光直射，所以拍出來的照片會有一條黑黑的東西

#### Total sky imager
一樣也是往下拍反射出來的雲況，通常可以是判斷接收進來的光，他的散射情形為何。因為若是雲會呈現米氏散射，晴天則是瑞利散射

> 裡面放一台電腦，可以進行遠端連線並分析計算(蠻好用的
> 也可以透過調整不同的光圈大小，調節入光量，藉此判斷厚雲或是薄雲

### 雲底(cloud base)


機場要精密量測雲底高度，知道距離、仰角，便可得知雲底高度

* celiometer(雲高計) (by laser)
打一個雷射波上去，可以收回波，藉此看雲的深度

> 松山機場風向很穩定:) 跑道上的數字10/28表示10號跑到端，當風向吹偏東北的時候從10號降落

* 雲密儀

### cloud effects : 能量與水文收支平衡

* 
> 占了46%的短波輻射吸收/83%的長波輻射吸收

* 人類的活動行為到底有哪些會對地球造成暖化? 那些冷化?

#### 懸浮微粒-雲-氣候的直接與間接效應

> 工業排放廢氣如裡面的硫酸鹽的物質是很好的凝結核，而因這些活動形成的雲減緩了地球暖化。凝結尾對於地球暖化與冷化是好還是不好?

> 要著重在哪種雲，多少的雲量，大氣中懸浮微粒的組成比例會對地球暖化有什麼影響?
> global dimming : complete sky coverage from persistent jet contrails

* vonnegut convection :
* vonnegut 這個人提出了運用撒碘化銀製造人造雲的方法，之後便造成硝酸銀與碘化鉀在大氣中的傳播
* 噴灑碘化銀的飛機在製造人造雲的時候，通常噴灑的高度都蠻高的(接近平流層)，也因此平流層的雲通常都是飛機所造成的。平流層的雲較難消散，沉降速度緩慢。
* 碘化銀+飛機廢氣助於快速形成雲，形成雲之後溫度變低，氣壓降低，使周圍氣流流入然後形成更大的雲雨風暴

### 閃電量測 lightening measurements

* IC:雲間閃電(90%)，GC:對地閃電(10%)，對空閃電很少

通常雲的上半部帶正電，雲底會帶負電，距離地面太近感應出地面帶正電，產生電位差之後便有了閃電

> flash rate?
> number of strokes?


* temperature levels of negative-charge of lightening

#### lightening detection

1. ATD(arrival time difference)
用VHF(超高頻的電磁波)跟LF(低頻的電磁波)記錄到的時間差來判斷閃電距離我們多遠


由不同測站記錄到的時間差，找交點定位閃電的位置

> [WWLLN](https://wwlln.net/#home)可以找閃電定位資料!
> 
> 全年閃電分布位置

> LIS(NASA lightening imaging sensor)
> TRMM-LIS
> 
> 跟WWLLN量到的差很多! 這顆衛星看到的閃電在陸地上有99%，海上1%，WWLLN看到大約陸地90%，海面10%，因此產生爭議

* 台灣午後對流發展所形成的閃電位置分布:
> 台灣南部高屏地區觀測閃電有一些錯誤(有雷達站的訊號干擾(回波頻率接近所致，如下圖台灣東邊的直線)
> 

2. TOA
中央氣象署再用，可涵蓋全台灣!

### 能見度 Visibility measurement

* 比爾-朗博定律

當一個標準光源經過一坨東西的時候，光強度衰減的比率與穿透的介質特性有關

:::warning

**必考!!**
* 大氣中那些東西會影響能見度?

* T = I / ${I_0}$
* MOR : 已知sigma(大氣中一大堆影響能見度的因子加總)，當T = 0.05時，透過比爾朗博定律，可以得知MOR，即可表示能見度。


:::

* 
* 三種不同的散射，若粒徑小，散射的方向性會比較對稱

* RVR 跑到視程



> 只看小範圍內的大氣懸浮微粒濃度

* preveiling visibility(盛行能見度)

把360度切成不同方位來看，每個方位的能見度可能都不一樣，所以把每個地方的能見度由大排到小，進行加權平均。若由大到小先計算的時候，遇到加權平均>=90，就停止計算，紀錄最後一個算到的能見度數值。

> WMO 定義 : 能見度小於1000m，相對濕度~=100%
>

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## week 9 放氣球!

### 歷史
* 一開始先是測風氣球(很古老了，只能測量風向風速)
* 現在變成探空氣球，可以掛溫濕度計跟其他儀器，量測高空氣象
* 也可以用光達(??? 看高空氣象資訊，但要如何校正? 放探空上去看? 或...?

> 目前探空儀都是採用vaisala的標準(他太大了所以大家都拿他的儀器當作標準，但沒人知道他測出來的到底跟實際符不符合???)

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## week 10 高空觀測 (氣球)
> 我請假ㄏㄏ

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## week 11 高空觀測 (飛行器)

### 亂流
1. convective turbulance (對流性亂流)
> 熱力對流產生的不穩定亂流胞(氣象雷達看不到:()
>

2. Turbulence over and around mountainous regions (地形亂流)

3. 垂直風切造成的對流
> 1. 上下層速度不一樣，產生擾動(高積雲)。
> 2. 若速度差越大，波峰往前傾，形成KH波

4. 晴空亂流(CAT)
容易發生在沒有水氣，但垂直風切大的地方。像是jet stream的位置

> 噴流預報圖
> 
> 紅色圈圈為對流旺盛，三角形(黃色圈圈)為火山爆發影響

5. 近地面的亂流 (建築物所產生)

6. 飛機本人產生的尾流與亂流
> 加翼尖帆減少尾流

### 雷雨

* 雷雨的發展進程:
先是有上升氣流，上升氣流變強之後後方開始產生下沉的氣流，最後底部全部變成下沉氣流(?，之後消散

> 下沉之後，冷空氣往外擴散(microbust)，外圍的熱空氣被捲入

:::warning
**必考!!**

* LLWAS 低空風切警報系統
* 

> 民航局在離地20公尺坐進地面的風切觀測，每三個點的觀測值連成一個三角形，判斷是輻合、輻散，判斷危險區域


:::

#### 飛機積冰

* 進地表溫度小於0度，
* 在機翼底部設置加熱管，使機翼膨脹，把結冰敲碎，除冰
* 或者是噴除棟劑、防凍劑防止飛機結冰(不環保:()

#### RVR (觀測機場能見度)

* AMDAR
* 

* 使用AMDAR係收集飛機觀測到的數據，並進行預處理
* 飛機氣象數據中繼是由世界氣象組織發起的一項計劃。AMDAR用於通過商用飛機在全球範圍內收集氣象數據。數據由飛機導航系統和機載標準溫度和靜壓探頭收集。然後對數據進行預處理，然後通過VHF通訊將其連接到地面 或通過衛星鏈接ASDAR

#### 飛行載具在大氣上的研究
> EOL的可愛飛機們

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## week 12 雷達 (Radar)
> ground-based remote sensing (地面雷達)

* 電磁波譜

> 大氣中的particle對SHF波段以後的電磁波應該不會太有干擾(還是有ㄏㄏ)

* 雷達波段:人為主動發射波源


* ITU國際電信聯盟會統一分配可使用的電磁波頻率，避免互相干擾

### 氣象雷達常用的波長
1. S-band : 10公分，長程雲雨監測
2. C-band : 5公分，機場用，負責飛航安全(還有降水觀測)
3. X-band : 3公分，可放在移動平台，做研究用
==4. Ka-band、W-band : 波長很短，適合看雲(因為雲低很小)，但無法看降水!==

### 一、常用雷達
1. 傳統雷達

> dBZ定義：
> 回波強度與水滴粒徑的６次方成正比

#### 掃描模式
* PPI (plan position indicator) : 固定仰角(抬高1度)，轉方位角360度掃描
* RHI (range height indicator) : 固定方位角，轉仰角，可以看垂直的剖面結構
* 先用PPI掃描，看哪個方向有感興趣的東西，再用RHI垂直掃描觀察

#### radar beam
* 因為地球有曲率，所以雷達束會彎曲，如下

* CAPPI : 把雷達迴波轉成同一個高度的雷達迴波

2. 都卜勒雷達
> 藍色是靠近，紅色是遠離

3. 雙篇極化雷達
4. 雙偏極化氣象雷達
* 可發射水平、垂直偏極化方向的電波進行觀測，
* 分辨出雨滴形狀，計算出雨滴數目隨形狀的變化，進而準確估計出降雨量。
* 同時可分類降水型態，如雨滴、冰晶、雪花、冰雹、過冷水等

> 水平除垂直，算出雨滴形狀、數量、判斷降水強度、降水量、降水型態
> particle ID已經幫忙分類好不同的Z_DR對應到哪一種降水型態
> 

> 美國中西部都卜勒雷達蠻密集ㄉ，因為要觀測龍捲風

### 移動型雷達
* container-base radar
> NCAR S-pol
> 

* car-bone radar
> Team R (X-band)
> 

* ELDORA、P3 airborne radar(其他的機載雷達)
* APAR
> 陣列天線，可以節省掃描時間(不需改變天線角度)
> 
> 

* 船載雷達

### QPE/QPF 定量降水估計/預報
* 拿雨量筒的資料+雷達迴波不斷做校正，得出相關係ㄥ數

### 台大自己的 FURUNO radar

> 放在綜合的屋頂(沒人知道:()
> 可以看台北盆地的迴波(3公里內會有bug)
> 
> 高樓會有雜訊:(
> 又拿去放在宜蘭，然後就壞掉了:(

### 光達 Lidar
* 

* 

* 
* 
> 要量散射係數的變化(微波被吸收)，透過偏極化的參數判斷大氣中有什麼粒子

> 雲密儀是一種光達!

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## week 14 衛星遙測 (remote sensing)

> 古老的天氣傳真機wefax
> 
> 

### NASA EOS系列衛星
> 地球觀測衛星們

> 

* Earth care

### 被動式遙測衛星要接收輻射訊號時
* 
1. scanning radiometer

2. 衛星常見專有名詞
> 星下點:衛星經過時，以自身姿態向正下方看的經緯度座標

3. GOES系列地球靜止軌道衛星

4. A-train (afternoon train)
同個軌道，通過時間大約都在下午1點半，大家向火車一樣排排站經過

5. NASA TRMM (Tropical Rainfall Measurement Mission)
6. NASA GPM (global precipitation measurement )
> 低軌衛星一起串聯!

7. 福衛3號
* 用cosmic (Constellation Observation System for Meteorology, Ionosphere and Climate)系統
* GPS radio occultation (掩星!)
* 福衛7號搭cosmic-2

8. VIIRS 氣膠衛星觀測儀器(Visible Infrared Imaging Radiometer Suite)
* 有夜視功能，可以看停電等災害
* 還有各項環境監測，如火災、風雪、植被等等的變遷

9. 可以拿衛星資料與數值模擬資料做比對與校驗。

10. MAIA 看全球的懸浮微粒分布

### 衛星通訊

* 向日葵8/9號的參數更新

* 參數設定與用途