課程大綱

課程資訊

課程名稱	大氣輻射學 Atmospheric Radiation
開課學期	108-2
授課對象	理學院大氣科學系
授課教師	陳正達
課號	AtmSci2017
課程識別碼	209 49500
班次
學分	2.0
全/半年	半年
必/選修	選修
上課時間	星期二8,9(15:30~17:20)
上課地點	大氣系A100
備註	總人數上限：47人
Ceiba 課程網頁	http://ceiba.ntu.edu.tw/1082AtmSci2017_
課程簡介影片
核心能力關聯	核心能力與課程規劃關聯圖
課程大綱
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課程概述	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侯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。
課程目標	介紹大氣輻射學的基本理論與應用，使學生了解大氣中輻射傳遞的過程，包括氣體、氣膠與雲的吸收、散射與放射的特性，並討論其後續對地球大氣能量收支與分佈的影響，以及在遙測地球大氣狀態的相關應用。
課程要求	待補
預期每週課後學習時數
Office Hours
指定閱讀	待補
參考書目	主要參考用書： Liou, K.N., 2002: An Introduction to Atmospheric Radiation. 2nd edition, Oxford University Press, 583 pp. 總圖1F指定參考書區 SA-6, 總圖4F科技資料區 (QC912.3 L56 2002)。圖書館有紙本與電子檔，有需要的同學可以借閱或下載來閱讀。 Petty, G. W, 2006, A First Course in Atmospheric Radiation, 2nd Ed., Sundog Publishing, 458pp. (website: https://sundogpublishingstore.myshopify.com/products/a-first-course-in-atmospheric-radiation-g-w-petty) 曾忠一，1988，大氣輻射，聯經出版公司，360頁。總圖1F指定參考書區 (SA-6) 圖書館有紙本，有需要的同學可以借閱或下載來閱讀。此外，以下連結是IPCC AR5，提供對氣候變遷的科學背景有興趣的同學參考。 http://www.ipcc.ch/report/ar5/wg1/
評量方式 (僅供參考)

課程進度

週次	日期	單元主題
第1週	03/03	(NOTE: 開學延至03/02) LECTURE: Introduction – 什麼是大氣輻射？為什麼要了解大氣輻射？太陽（短波）輻射、大氣對太陽輻射的影響；地球（長波）輻射、大氣對地球輻射的影響；在大氣科學（天氣與氣候）的應用：氣候系統與全球能量收支、驅動地球氣候系統 Chapter 1-3 of Petty's book was offered by Prof. Petty previously so that student can read them before they receive their ordered book. Also the Errata of Petty's book after published.
第2週	03/10	LECTURE: Introduction – 在大氣科學（天氣與氣候）的應用：大氣中的非絕熱加熱作用、大氣遙測與反演、氣候變遷的輻射驅力
第3週	03/17	LECTURE: 輻射的基本性質 – 電磁波的基本特性與描述方式：單位、波動與粒子相關特性、能量、通量密度、強度
第4週	03/24	LECTURE: 輻射的基本性質 – 電磁波波譜分佈、大氣在不同波譜頻段所扮演的角色。
第5週	03/31	LECTURE: Thermal Emission – Blackbody Radiation: Planck Function Rayleigh-Jean Approximation, Wien’s Law, Stefan-Botzmann Law Emissivity: Kirchhoff’s Law Brightness Temperature
第6週	04/07	LECTURE: Atmospheric Transmission – Beer’s Law, Extinction, Absorption, and Scattering Coefficients, Plane-Parallel Approximation, Optical Depth
第7週	04/14	LECTURE: Atmospheric Transmission – Transmission Spectrum of Atmosphere, Extinction and Scattering by Aerosol and Cloud, Transmittance in an Exponential Atmosphere, Optical Thickness and Transmittance of Cloud 台大 Microsoft Teams 大氣輻射學團隊的連結 https://teams.microsoft.com/l/team/19%3a752dd7b6209e42c3a4b662aa3584c1d8%40thread.tacv2/conversations?groupId=603e8503-bc64-417d-bc3b-e9c7dff6eed8&tenantId=95ce6199-ca36-4820-87c3-d540c860270c
第8週	04/21	期中考
第9週	04/28	LECTURE: Atmospheric Emission – Schwartzchild’s Equation, Radiative Transfer Equation for a non-scattering Atmsophere , Spectrum of Atmospheric Emission
第10週	05/05	LECTURE: Atmospheric Emission and Energy Balance Model Application of Atmospheric Emission on Satellite Temperature Retrieval, Energy Balance Model: from zero dimension to one dimension. One dimensional grey atmosphere model.
第11週	05/12	Radiative Convection Model Assignment 1 (1-D Grey Atmosphere) 第一部分的實作課程主要是運用一維灰色大氣輻射對流模式進行相關的實作練習。關於一維灰色大氣的特性以及數學解析解已在上週的課程中有基本的說明。一維灰色大氣輻射對流模式的 R 程式（grey_1d.R)，以及執行實作練習報告的說明 (grey_1d_2020.pdf）是進行實作練習所需要的。由於所用的一維灰色大氣輻射對流模式是以 R Package 的程式語言寫的，所以需要使用 R Package。R語言是一種自由軟體程式語言與操作環境，主要用於統計分析、繪圖、資料探勘。除了在課程所用的主機上會安裝外，也可以直接在自己所用的桌上或筆記型電腦上安裝。後附的檔案還包括R package的使用簡要說明（r_note_2020.pdf）以及練習所需資料（pldat.dat, taipeiclimdata.txt, randomdata1.txt），以及簡單的R program(dubya.R, steup2D.R)，可以在有空的時候先安裝練習。簡要說明中有兩個練習問題，可以試著完成，並將結果列印後，繳交做為第一次實作練習作業的一部份。一維灰色大氣輻射對流模式的實作練習報告的說明中，1.5, 1.6 以及 1.7 各小節中都有一些問題，透過實作練習後，將相關結果寫成報告，在5月26日以前繳交。
第12週	05/19	LECTURE: Absorption by Atmospheric Gases – Basis for Molecular Absorption/Emission, Absorption/Emission Lines
第13週	05/26	Radiative Convection Model Assignment 2 (1-D Radiative Convection Model) 第二部分的實作課程主要是運用一維大氣輻射對流模式進行在給定太陽常數、地表反照率、設定大氣氣體濃度與雲層分布下，大氣中短波與長波輻射傳遞的計算，以及達成能量平衡的過程。 1D_RCM_instructions_2020.pdf 是關於第二個實作練習的主要相關說明，細節助教會進一步說明除了課程所用的一維輻射對流模式之外，也可以透過MIT線上課程中Kerry Emanual 教授所提供的MIT 一維輻射對流模式網頁進行相關數值模式實驗計算，並與課程所用MacKay所發展的模式結果加以比較。MIT 一維輻射對流模式的使用說明，請參閱MIT12_340S12_Users_Guide檔案所附的論文是以一維輻射對流模式計算出大氣平衡的溫度結構的經典論文（Manabe and Strickler 1964, manabejas64.pdf; Manabe and Witherald 1967, manabe67.pdf ）以及課程所使用模式的原作者所發表關於模式的說明論文（Mackay and Khalil, 1991, 1991OneDimensional-RCMChemosphere.pdf)，課程所使用模式的原作者碩士論文(MacKay_thesis.pdf)，其中對模式的輻射傳遞計算有詳細的說明。Ramathana在Review of Geophysics發表的回顧論文也有很完整的介紹與議題探討（Ramanathan_et_al_1978_Review_of_Geophysics.pdf)。關於一維大氣輻射對流模式還有相當多的參考文獻，可以進一步上網搜尋。
第14週	06/02	LECTURE: Absorption by Atmospheric Gases – Molecular Absorption Lines, Line Shapes Broadband Fluxes and Heating Rates – Line-By-Line Calculations, Band Transmission Models, k-Distribution method
第15週	06/09	LECTURE: Broadband Fluxes and Heating Rates Band Transmission Models, k-Distribution method, Fluxes and Radiative Heating/Cooling
第16週	06/16	LECTURE: Radiative Transfer Equation with Scattering – RTE with Scattering, Scattering Phase Function, Single vs. Multiple scattering Scattering and Absorption by Particles – Atmosphere Particles, Rayleigh Scattering, Mie Scattering, Atmospheric Optics wiscombe-mie-code.zip is a zip file with all the Fortran code needed to make your own Mie-Scattering calculations. Try it if you are interested. But you need to go through Liou 2002 textbook section 5.2 to understand better all the details.
第17週	06/23	LECTURE: Radiative Transfer with Multiple Scattering – Direct and Diffuse Radiation, Two-Stream Approximation, Multiple Layers
第18週	06/30	期末考