科科天氣筆記

Understanding Kalman Filters Part 1: Why Use Kalman Filters? 為什麼要用卡爾曼濾波器?  濾波器不是咖啡的濾紙喔~哈 主要的目的在於用於估計，無法直接觀測得到的真實值量 (如火箭屁股火溫) 只能夠過旁邊的方法觀測，如貼在外面的溫度計觀測，但這個溫度跟火箭屁股火溫有誤差 這時候該怎麼知道實際的溫度呢? 或是另外一個案例，要知道車子移動到的位置 但是當車子進入隧道時，GPS會因為屏障很變得不準確 只能從不同的角度推測車子的位置，用加速度乘時間計算，或是測量器推估車子位置，再加上有誤差的GPS 而卡爾曼濾波器，就能結合不同儀器的觀測資料，結合出一個最好的解，知道車子最佳位置。 卡爾曼濾波器使用在何時? 1. 當變數無法直接被觀測 2. 可以從不同的觀測儀器觀測，但主要的方式有較多誤差 Part 3: An Optimal State Estimator 計算車子行駛一公里後的位置，當估算的位置準確，但有偏差，或是沒有偏差但有很大的離散 都是不好的結果 但如果要做到無偏差，離散度低的結果，卻是要花很多很多的錢才有辦法做到!!! 卡爾曼濾波器，用在有誤差，有偏差的觀測或預測的系統中，得到一個好的結果 卡爾曼濾波器，就是結合觀測和預報，去找到最佳的估計值 觀測和預報都有誤差，以高斯分佈的標準差為設定(R, Q) Part 4: An Optimal State Estimator Algorithm 分為兩個部分 (此為線性模式) 1. prediction 預報狀態下的x，和預報狀態下的標準差 P 2. update 把上面的x 和 P 拿過來，更新出新的 x 和 P(預報誤差) 用K還極小化 P  當觀測誤差R為零，就會得到觀測 y 為最佳解 相反預報誤差P為零，就會得到預報值 x 為最佳解 要進行下一次預報，不需要所有的資料 只要存下 估計場 x 和 P 矩陣 (covariance matrix) 即可進入循環 亦可增加更多的觀測，加入矩陣得到更好的 最佳解!  Part 5: Nonlinear State E

什麼是海面雜波？        雷達發射的電磁波，受到大氣條件影響，造成低仰角電磁波的旁波(side lobe)打到海面的水，背向散射回雷達產生的雜波。 仰角1.2度，雷達回波觀測，桃園外海大片海面雜波 什麼大氣條件影響？       電磁波從雷達發射出去後，距離越遠會因地球曲率，使得電磁波距離地面的高度越高。但如大氣出現逆溫現象，讓電磁波出現超折射效應，使原本直線前進的路徑往地面偏折，更有機會收到海面雜波。 板橋探空，逆溫層出現在約２公里高度 周邊大氣環境       台灣東部有一康芮颱風，外圍環流影響，台灣北部有強勁的東北風，產生長浪，造成海浪產生表面海浪破碎明顯。 東部海面有颱風康芮，北部受強勁東北影響 雙偏極都卜勒雷達觀測變數 (1) 都卜勒風場：       海面雜波亦能觀測到東北風風場特徵，此觀測到的徑向風非降雨系統的風場，而是海面的資訊，使用上需要小心分辨。 仰角1.2度，徑向風場 (2) 相關係數：       海面雜波的相關係數不高，與大氣中的降水粒子的高相關係數特定非常不同！可能原因是海面因海浪破碎的水滴粒子大小不同，不像大氣中水是經過完整的微物理過程形成，對於電磁波反應特性較為一致。 仰角1.2度，相關係數 (3) 差異反射率(ZDR)：       從此變數來看，量值大的地方表示粒子大小較大，海面雜波的顆粒特性偏大，多出現深紅色的值，且整體皆為如此。 仰角1.2度，差異反射率(ZDR) (4) 差異相位差(PDP) & 比差異相位差(KDP)      在相關係數高的大氣降水區域內，相位變化的累積比較明顯，海面雜波部分並不明顯累積，但仍能看出海面雜波的範圍。而比差異相位差是差異相位差對於距離的微分，海面雜波區域有出現橘色的部分，且有一點一點的特徵，此部分不宜誤用為降雨估計，會有過量錯誤估計。 差異相位差 比差異相位差 總結      海面雜波和大氣中的降水資訊有相當大的差異，受到大氣的逆溫和強勁的風場，使得超折射環境下的雷達旁波打在海面破碎的浪花，得到徑向風資訊，與雙偏極變數的特徵，都與大氣中的降雨系統明顯差異，切記不可勿用於降雨估計，會有過多的錯誤結果。

研究是什麼？想像一下做研究是什麼？在實驗室裏面弄一些好像會爆炸的東西，盯著電腦一直看一直看，出去外面跑來跑去曬太陽，製作很多問題的問卷......? 今天，體悟到無論做什麼研究，化學、數學、物理、大氣、生物、電機、資管，不外乎分成兩個部分：(1)觀測資料　＆　(2)模式模擬 ----------- (1) 觀測資料 以觀測資料為真實，直接做實驗，觀測、養菌、弄化學物、量溫度、填問卷、找個案，這些都是在做觀測資料，直接去接收可能會發生的事情。 (2) 模式模擬 透過電腦的公式和數字的計算，提出假設模擬計算出理想的狀態，可以拿來比對理想假設和觀測數據是否符合，也能透過模式提出預測狀態，提出新的理論和看法。 -------- 最後將這兩項作互相比對，不斷地提出新的理論，新的驗證，讓研究一步一步地進行下去，達到正的循環，這就是研究！

5.8 天氣筆記 天氣筆記 之 來的快去得快轟隆隆 2018.05.08 1. 風向轉變就是鋒面嗎???? --- 神奇的大自然，鋒面是存在多重尺度的系統在內 . 2. 真實記錄，感受預測 1234 --- 可以說是很典型的 squall line 颮線 圖片來源: 中央大學大氣邊界層暨空氣汙染實驗室 ----地面站:   http://pblap.atm.ncu.edu.tw/weather03.asp -雨滴譜儀:   http://pblap.atm.ncu.edu.tw/weather10.asp 鋒面多重尺度觀察 地面觀測，地面壓力也有符合典型squall line 1. 起風; 2. 涼降六度 雨滴譜儀觀測 5/8 累積雨量觀測 典型squall line地面低壓結構，和地面觀測站符合 L >> H >> L 5.7 發布文字 鋒面在西邊，線狀回波在西邊 往東走來 晚上開始雨，明天繼續雨 阿！下雨！閃電！ 感受猜測：起風 --> 涼 --> 大雨滴的雨 --> 小雨滴的雨 initial replot

2018.02.10 鋒面通過，低層暖平流?   冷鋒面通過應該是變冷，理論上要是暖平流 但在雷達徑向風觀測看到正S圖案 (圖1)，風向隨著高度增加而順轉 是我們學過的暖平流特徵 ?! (why) VAD出來的圖案也是這樣沒有錯 地面鋒面是已通過台灣，850 hPa 槽線還未通過 而且是橫躺在台灣北方，使得在2-km高度以下存在東北風 再轉向為西風的暖平流 圖1. NCU-CPOL 雷達觀測徑向風 圖2. NCU-CPOL VAD垂直風場 圖3. 850 hPa 橫槽在台灣北邊，台灣為西南風暖平流 圖片來源: KMA, NCU雷達實驗室