大氣系必修課程介紹 Course Introduction

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  Instructor
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  Introduction
• 非本系教師開授之共同必修
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  微積分、普通化學及實驗、普通物理學、通識、全校共同必修等。
  | 詳見台大教務處或台大課程網公告
• 大氣科學概論
  「微課程連結：幫助有興趣自主學習的人了解當代大氣科學的重要觀念。」
  吳俊傑（吳健銘、羅敏輝、陳維婷、黃彥婷合授）
  2
  本課程主要針對大氣科學系大一新生提供整體大氣科學課程、研究及未來發展之完整與前瞻概念，引導及啟發學生在大氣科學領域學習興趣，以利銜接大氣科學系後續之相關課程。透過課堂前後以及課堂上師生問答互動，啟發學生對於大氣科學思考以及尋找與解決問題的能力，並培養日後學習進階課程的基礎。
• 程式與科學計算
  陳維婷
  2
  大氣科學相關研究經常需要撰寫程式進行模擬與分析繪圖。本課程是針對大氣系同學未來在研究、學習上可能遇到的科學運算及繪圖需求而設計。
  選取三種大氣科學常用程式語言及軟體工具 (Fortran, GrADS, Python) ，透過講解、範例與密集上機操作，培養使用工具解決問題的能力、建立清楚的程式架構概念、獲得具體實作的經驗。
• 大氣熱力學
  吳健銘
  3
  本課程將涵蓋對於大氣科學重要的熱力學基本定律和濕過程。
  | 本課程包含以下的主題
  1. 狀態方程
  2. 浮力溫度，能量轉換
  3. 狀態變數 vs. 過程變數
  4. 位溫，壓高公式，乾靜能
  5. 颱風卡諾熱機，效率，颱風強度
  6. 熵，熵增，不可逆過程
  7. 混合層模式，水的相位圖
  8. C-C方程及其應用
  9. 各種溫度及位溫
  10. 垂直結構及濕絕熱過程
  11. 斜溫圖
  12. 溫度遞減率及穩定度
  13. CAPE/CIN及熱力不穩度
  14. 氣塊模式及氣候變遷下的颱風強度變化
• 應用數學一
   
  3
  Applied Mathematics I includes Linear Algebra and Ordinary Differential Equations. It provides basic mathematical training for all science and engineering students.The contents include
  | Linear Algebra
  1. Vectors and Matrices (1.5 weeks)
  2. Matrix Algebra (1)
  3. Vector Spaces (1)
  4. Projections and Linear Transformations (1)
  5. Determinants (1)
  6. Eigenvalues and Eigenvectors, Singular Value Decomposition (1.5)
  | Ordinary Differential Equations
  1. First-order Single Differential Equations (1.5)
  2. Second-order Linear Differential Equations (1.5)
  3. Nonlinear Systems in Two Dimensions (1.5)
  4. Linear Systems with Constant Coefficients (2)
  5. Methods of Laplace Transform (1)
  6. Stability and Bifurcations (1.5)
• 雲物理學
  陳正平
  2
  本課程介紹大氣中雲與降水的形成機制，以及觀測、模擬方法。
  | 主要課題包括
  ● 雲型態、尺度與結構
  ● 雲的基本熱力學
  ● 雲滴的活化與凝結成長
  ● 冰晶的核化、凝結成長與成長習性
  ● 雨滴的碰撞成長
  ● 雪、霰、冰雹的碰撞成長
  ● 雲與降水的遙測
  ● 雲之數值模擬
  ● 強烈對流與雷電過程
  ● 有意、無意的人為影響天氣
  授課方式包括 PowerPoint 幻燈片的口頭講解，以及物理實驗展示。
• 大氣測計學
  林博雄
  3
  本課程首先介紹大氣觀測需求、儀器原理與觀測方法，以及各種量測標準，然後介紹各種地面氣象要素與觀測，再分述各種高空氣象觀測之現況與發展。
• 統計與大氣科學
  羅敏輝（梁禹喬合授）
  2
  Data statistical analysis and artificial intelligence are essential to research and applications in atmospheric/climate sciences. Students of this course will learn step by step various theories and methods of basic data statistical analysis, which usually is applied in atmospheric sciences, including uncertainty estimation, hypothesis testing, and regression analysis. Students will also learn the basic concept of machine and deep learning and be familiar with applying neural networks to geoscience problems.
  | Class Outline
  1. Descriptive Statistics
  2. Population and sample; expectation, variance
  3. Probability; sample variance and sampling
  4. Estimation; Hypothesis testing
  5. Regression
  6. Neural network and Deep Learning
• 大氣動力學一
  吳俊傑
  3
  | 課程內容主要為
  0. 概述
  1. 引言：大氣連續體、物理尺寸、單位、尺度分析、根本力、非慣性參考座標和假想力、靜力大氣的結構
  2. 基本守恆定律：全微分、旋轉座標系中動量方程的垂直形式、球狀座標系中的分項方程、運動方程、連續方程、熱力學能量方程、乾燥大氣的熱力學的尺度分析
  3. 基本方程式的應用：等壓坐標中的基本方程、平衡流場、軌跡和氣流線、熱力風、垂直運動、地表氣壓趨勢
  4. 環流和渦度：環流定理渦度、位渦、渦度方程、正壓 (Rossby) 位渦方程、斜壓 (Ertel) 位渦方程
  5.行星邊界層：大氣紊流、紊流動能、行星邊界層動量方程式、次環流和旋轉減弱
  6. 天氣尺度運動I：準地轉分析、觀測到的溫帶環流結構、準地轉近似、準地轉預測、垂直運動診斷、斜壓擾動的理想模型
• 大氣輻射學
  林依依
  2
  太陽和地球的輻射是地球系統的主要能量源及匯，太陽的短波輻射與地球大氣的長波輻射；當它們在大氣中傳播時與大氣及地面互相作用產生吸收，散射與反射 。另外地面與大氣的輻射能量收支不平衡使地面和空氣的溫度發生變化，形成熱源與冷源推動了大氣的運動和變化。因而研究天氣變化和氣候形成及演變必須要對大氣輻射有充份的了解。再者氣象衛星和遙測技術的開發皆以輻射理論為基礎，因而大氣輻射學為大氣科學系學生所必備的。
• 天氣學一
  楊明仁、陳維婷
  2
  （一）緒論：
  全球天氣監測、天氣、氣象要素、天氣圖和地圖、氣體狀態方程式、靜力平衡和其應用、熱力學第一定律、座標系和全導數
  （二）大氣靜力穩（定）度和其應用：
  靜力穩定度概述、熱力圖、熱力圖分析應用實例、逸入作用之影響、溫度與降溫率之改變和逆溫層、氣團雷雨、穩定度和天氣現象
  （三）空氣之運動及其和氣壓場之關係：
  氣壓分佈之型態辨識、氣壓場之運動學分析、準水平風場之運動學分析、風場和氣壓場之關係、系統隨高度之傾斜變化、實際風和非地轉風、地面摩擦力的影響
  （四）氣團、鋒面、颱風：
  氣團、鋒面、颱風的特徵、鋒面之結構與伴隨的天氣現象、鋒生的運動學分析、伴隨鋒面之地面分析、颱風的之主環流與次環流、颱風伴隨的天氣現象
  （五）從再分析資料、衛星觀測、地面與探空觀測探討影響台灣的主要綜觀天氣型態
  （六）不同綜觀天氣型態下，台灣地形與局地環流及邊界層過程如何影響降水時空分佈
  （七）不同綜觀天氣型態下，長程傳送或台灣地形與局地環流及邊界層過程如何影響污染物時空分佈
• 天氣學實習一
  楊明仁、陳維婷
  1
  本課程之目的在使同學實際利用天氣資料和各類天氣圖（如地面天氣圖、高空天氣圖、探空圖、衛星雲圖、雷達圖等）探討天氣系統的形成、發展與運動；此外，並針對實際發生的天氣現象探討導致該天氣現象發生的物理原因。
  課程會介紹並實際使用再分析資料，與台灣地區觀測資料，進行統計分析與繪圖的實作，透過資料科學的角度探討不同天氣型態下台灣地形對於雲雨發展及污染物傳送的影響。
• 數值分析
  羅敏輝
  2
  This course will introduce common numerical methods as well as their fundamental theories in atmospheric sciences and compare the pros and cons of each method. We would carry out the course by using Python programming language, and cover below 8 topics in this course:
  ● Solving the nonlinear equations
  ● Solving a system of linear equations
  ● Curve fitting
  ● Interpolation
  ● Finite Difference
  ● Ordinary Differential Equation (ODE)
  ● Numerical integration
  ● Advection and diffusion equation
• 應用數學二
   
  3
  Sturm Liouville theory、Fourier 級數、Fourier 變換及應用它們解 Wave equation、Heat equation 及 Laplace equation、了解如何建構無窮維向量空間 C[a,b] 上的基底、如何利用 Fourier series 及 Transform 方法、解偏微分方程。
• 大氣動力學二
  郭鴻基
  3
  課程開始，由大氣波動入手，了解方程式正模，以及大氣之應用，進而討論大氣的不穩度，然後將所學觀念應用於大氣環流與溼對流、熱帶氣象。最後以大氣數值模式為總結。由淺入深地介紹大氣動力，希望藉此能使學生瞭解影響大氣運動之主要物理因子，定性地探討各物理量的影響及作用外，並奠定學生日後從事更深入研究之基礎。
  | 課程內容主要為
  1. 大氣波動：線性化、正模、聲波、浮力波、慣性重力波、Kelvin波、羅士比波、數值頻散波、地轉調節
  2. 大氣不穩定度：條件不穩度、慣性不穩度、對稱不穩度、斜壓不穩度、正壓不穩度
  3. 大氣環流：科學歷史、緯向平均環流、角動量、能量、水氣之收支平衡、Eulerian and Lagrangian circulation、不可加速理論
  4. 溼對流與熱帶氣象：熱帶觀測簡介、颱風、颮線動力簡介
  5. 數值模式：客觀分析、初始化、數值模式、可預報度、資料同化等觀念之簡介
• 天氣學二
  游政谷
  2
  （一）溫帶氣旋：
  溫帶氣旋簡介、由氣壓觀點和渦度觀點看旋生、旋生方程 (Petterssen equation) 、溫帶氣旋的雲雨特徵以及和地形的交互作用
  （二）流體動力方程在天氣分析上之應用：
  準地轉近似與方程組、準地轉趨勢方程的應用、準地轉 Omega 方程的應用、獲取空氣垂直速度之計算方法與觀測
  （三） 熱帶氣旋：
  熱帶氣旋簡介、成熟期的熱帶氣旋結構、熱帶氣旋的發展和運動、颱風環境下之地形降水
• 天氣學實習二
  游政谷
  1
  本課程會配合天氣學二的教學內容針對區域天氣現象進行探討。課程主要分成兩個部分，第一部分為由同學以 2 到 3 人為單位，輪流進行當週的天氣分析小組報告。第二部分會講述天氣分析的技巧並透過練習使用天氣資料整合與即時預報系統 (WINS)，來做天氣現象的分析討論。
• 氣候學
  黃彥婷
  3
  本課程探討地球氣候如何以及為何產生。我們不僅將介紹地球上每個地區的典型天氣狀況，還將介紹氣候的統計數據在整個地球歷史上在地理上甚至在時間上如何變化以及為什麼變化。為了了解氣候系統的工作原理，本課程討論了輻射傳遞，流體動力學和熱力學的概念，重點是概述了對塑造和維持地表氣候至關重要的一些物理平衡：能量平衡及其在氣候變化中的作用，控制溫度；水文循環及其在控制濕度和乾旱中的作用；角動量平衡及其在控制風中的作用。
• 數值天氣預報
  楊明仁
  3
  This course will first introduce the basic concepts of numerical methods, which are the key components for the class of Numerical Weather Prediction (NWP). Then examples of the barotropic vorticity model and primitive equation models used during the early development of the NWP will be discussed and demonstrated in class.
  | Lecture Outline
  1. Numerical approximation, finite differencing
  2. Accuracy, stability, and convergence
  3. Time-differencing
  4. Space-differencing
  5. Combined time- and space-differencing
  6. Spectral and pseudo-spectral methods
  7. Barotropic vorticity model
  8. Primitive equation models
• 大氣化學
  洪惠敏
  3
  1. 簡介和概述主要問題（第 1、2 章）
  1-a.測量大氣成分
  1-b.大氣壓力
  2. 簡單模型（第 3 章）
  3. 平流層化學（第 9、10 章）
  3 -a. 化學動力學
  3-b. 平流層臭氧-查普曼機理
  3-c. 平流層臭氧-極性臭氧損失
  4. 對流層化學（第 11、12、13、8 章）
  4-a. 對流層的氧化能力
  4- b. CO 和 CH4 的氧化作用
  4- c. 臭氧的產生
  4-d. 臭氧污染
  4-e. 氣溶膠和酸雨（第 8 章）
  5. 地球化學循環（第 6 章）
  6. 溫室效應（第 7 章）
  
• 大氣物理化學
  陳正平
  3
  本課程側重於大氣中粒狀物和混態系統的物理化學機制，以及它們在大氣各種過程中的作用。選課需具備熱力學和雲、氣膠物理學的基本知識。
  | 主要內容包括
  1. 大氣凝態系統之介紹：氣溶膠；雲；微量化學物質對氣候的影響。
  2. 化學熱力學：吉布氏自由能及化學位勢；雙（多）組份系統之化學平衡；雙（多）組份系統之相圖；同質、異質核化過程。
  3. 大氣中液滴之熱力平衡：科勒曲線；潮解、脫水、及滯後現象；雲滴之活化。
  4. 液態雲化學：化學反應與化學平衡；亨利氏平衡、水解；液態化學反應；氣/液界面之質量傳遞；雲滴混合之非線性問題。
  5. 冰態雲化學：液/冰界面之質量傳遞；陷入作用；吸附作用；界面化學及相關問題。
  6. 高雲之物理化學：溶質對冰晶成核之影響；極地平流層之雲與臭氧洞。
• 生地化循環與氣候
  洪惠敏、任昊佳、王珮玲
  3
  This course will discuss the interaction between biosphere, chemistry and climate from presentations with some hands-on-experiments.
  | The contents of this course includes
  ● Biogeochemistry Overview
  ● Origins, Chapter 2
  ● Free Energy & Thermodynamics
  ● The Atmosphere, Chapter 3
  ● The Lithosphere, Chapter 4
  ● Carbon Cycle of Terrestrial Ecosystems, Chapter 5
  ● Biogeochemical Cycling on Land, Chapter 6
  ● Biogeochemical in Freshwater, Wetlands and Lakes, Chapter 7
  ● Rivers, Chapter 8
  ● The Oceans, Chapter 9
  ● The Global Water Cycle, Chapter 10
  ● The Global Carbon Cycle, Chapter 11
  ● The Global N and P Cycles, Chapter 12
  ● The Global S Cycle, Chapter 13