關於最近缺水兩三事

前陣子有師大的助理教授提到梅雨鋒面北抬的趨勢，就讓我想到學妹上次問我在warming scenario下Hadley Circulation擴張的特徵，不過同樣是全球尺度的warming，聖嬰現象卻是反向的趨勢。

這裡要討論到幾個概念 (2,3先富堅，等想法完備之後再聊)

(1)熱力直接環流

(2)有效的beta effect

(3)variation of vertical structure

熱力直接環流結構是否改變了?

為了遵循熱力學第二定律 (maximum entropy)，能量註定有個趨勢要做均勻的分布，而這點Hadley Circulation很盡責的做了跨緯度的能量傳輸。 而傳輸的對象熱力學第零定律告訴我們，高的往低的傳。這其實隱含著ITCZ數學解 transverse circulation中很重要的一項：南北向的forcing gradient 

(可參考project10的第18式 或者是project4的第10式 https://sites.google.com/site/q1q2dynamic/project ) ，間單來說，如果某處的空氣比周遭的更暖更輕，那他就會獲得向上的浮力，但根據流體的連續特質，這裡向上的空氣，也連動的其他地區往下的補充的空氣。

在這個簡單的基礎上，我們可以開始想 "Hadley Circulation為什麼擴張了?"

最直觀的就是maximum thermal gradient 的位置變了。梯度最大的區域伴隨著最強的能量傳輸，以最簡單的Hadley Circulation數學模型來看(Project10的最後一張圖)，紅色區域是個const heating source，而在這數學解中，真正決定stream function存不存在的是thermal gradient 存不存在，也就是圖中是否有紅底和白底的交界。而global warming 做了些甚麼事? 在global warming下，雖然稱做global，每個緯度增加的potential energy卻不相同(像是最有名的polar amplification<--極區的正回饋所造成增溫效應遠大於低緯度)。上述的一切都還只是建立在zonal mean的狀況下，如果再看regional的變化，包括不同區域的cloud variation和desert 的dust albedo或者是是anthropogenic deforestation...等都有助於thermal gradient位置的變化。而下面的故事就不是三兩篇paper能說清楚的了。

這篇只是想告訴那天問我問題的學弟妹，如果之後做研究需要的話，或許可以畫個thermal gradient 的分布 (<---雖然我覺得pattern會很亂就是)

社會和科學閒聊

趁著今天吃飽撐著 (感謝 李澤軒XDD)，就來借著這影片談談統計學或者是物理學裡面常有的一個概念 "自由度" (degree of freedom)。常常有人說，選舉是一人一票，票票等值，但這在實際的自然現象或者是社會中通常都是無稽之談XD。 (主要是看到鄉長候選人的影片中裡面有好幾個讚，讓我突然想聊聊這塊大自然與人類神奇的共通點)。

一樣先從最簡單的概念出發：

今天假設我們有個 10*10的矩陣，那最大可以擁有多少自由度呢？答案就是10*10。
舉個簡單的例子，這10*10的矩陣就像是我們氣象中常用的網格點一樣，而每個點"各自"震盪，"互不干擾" (這是自由度的重要前提)。那我們要完整且一點不漏地表示這個地圖，最直觀的方式就是每個點都是獨立的"mode" ，如同線性代數，有n個維度，就至少要有n組向量來表示，借此n組互不平行的向量就能構成完整的空間。

問題來了，"人在江湖身不由己" (<--有點粗淺的統計學概念就會覺得他是至理名言了XDD)。假設今天我們這組地圖，有個行星尺度的波動通過，那波動所到之處，每個點都聞之起舞，在同組波動裡的各點，看似各自震盪，實際上卻是被波動綁定了。最簡單的例子就像是球場玩的波浪舞，假設這組波浪舞波速固定，每次對面最高點的時候，我們所坐的這側剛好是最低點，我們就可以預期當對面是最低點時，就輪到我們是最高點了，而這就是所謂"mode"的概念，當"mode"所涵蓋的範圍越大，隨時間的振幅明顯，那這個系統的可預報度就越高。


上面講了這麼多話，想要說些什麼呢？"其實，我們都不是那麼的自由"。我們所處的空間其實被許多"giant mode"綁定了。例如：今天台北市選市長，有柯P和連勝文，今天羅淑蕾攻擊柯P，而不會去攻擊連勝文，其實就是"連勝文mode"綁定的結果。他的自由度侷限于"站台連勝文"與"攻擊柯P"，所以我們只要知道柯Ｐ和連勝文接下來的動向，就能預報羅淑蕾的反應，可預報度之高，絕對遠勝大氣流體！(同理也可以用在蔡正元身上XD)。 所以我們能幫羅淑蕾蔡正元個別算一個自由度嗎？答案是否定的。

人類社會跟自然一樣，一人一票，票票雖然等值，但只有少數人決定了這個值何去何從，少數人決定了整個社會的變異度。(PS：我相信馬英九應該是聖嬰現象)

How to read DYNAMO sounding data Part1

當資料越原始，他就越難處理。這裡要介紹資料中的大魔王--sounding，之後更進一步延伸到Yanai (1973)的傳奇工作，如何用探空計算出積雲對流的做功(這是part2才會討論的東西)。

DYNAMO sounding 網站 http://data.eol.ucar.edu/master_list/?project=DYNAMO


首先手頭上需要三個東西

(1)sounding資料 cls檔的格式--->這當然是廢話啦XD
(2)Matlab  ---> 好處是讀資料和畫圖可以一起用
(3)工作站


一開始資料會長這樣，最前面的是所謂的head(也就是說明測站的部份)。通常一個cls檔會有1~9個不等的head，但為什麼會數量不一呢？所謂人有失足馬有失蹄，放氣球總會失敗，而那該死多放幾次的東西就會變成資料處理的夢魘...除此之外，氣球飛行的速度也不一樣，所以不用期望他每天會有相同的資料量= =+

所以我們的第一步就是把他所有head找出來(這邊很幸運的，資料總是在16行head之後出現，這部份是很固定的)，所以我們需要一個工作站和一支shell大量處理cls檔。

Step1：先把所有cls放到工作站的同個資料夾內

Step2：執行下面這之shell檔

#!bin/sh

ls > list.txt

for i in $(cat list.txt)

do

grep -n "Data"  ./${i} > test2.txt

awk 'NR==1;NR==2;NR==3;NR==4;NR==5;NR==6;NR==7;NR==8;' test2.txt | cut -f 1 -d : > ${i}.txt

done

簡單介紹一下幾個關鍵指令 grep是找尋字元(而我們這次要找的就是上面圖中第一行的Ｄata這個字)，但如果今天我們要知道字元在哪行，就要加上-n這個附屬性質，
他會回傳
1：Data
2：Data
之類的東西。後面的awk則是去掉數字以外的部份，這樣一來我們就可以只留下行數，而不留下"Data"這個字。(反正看不懂的話就執行這支檔案就懂了XDDD)

有了所有的cls檔的head所在位置之後，便可以把他和cls檔一起載下來，而我檔名命名的習慣
就是在原來的cls之後直接加上.txt
例如:Colombo20111001.cls 對應的head行數檔就是 Colombo20111001.cls.txt



Step3：使用Matlab

這邊提供我使用的程式總共三支
main：https://www.dropbox.com/s/xrn2az7aweb2txj/read2.m
水氣：https://www.dropbox.com/s/0mk8b0s9913s9hf/saturate_q.m
標準層(每25hPafitting)：https://www.dropbox.com/s/7gtyo23j94a9ncd/inteptest.m

主要是第一支，另外兩支則是function。簡單講解概念如下，因為matlab從cls檔讀出之後全部都是字串，所以必須轉成數字，但我們只需要轉有數字的部份，這也是為什麼Step1 & Step2的地方要先把所有有英文字的位置先找出來。

然後這邊主要要改的有三個
(1)第十行的start time (2)第十二行的endtime (3)底下的一堆的32

(1)(2)的部份要對照剛剛從工作站下載下來的其中一個檔案list.txt，看自己的第一個cls是從哪邊開始，如下圖。如果想作10/01~10/15那就放starttime=2 endtime=16

(3)而這一堆的32是指垂直有32層，如果欲求不滿，想要來個威猛200層也是不反對(通常sounding資料都可以超過 2000層)，那就要先去修改inteptest這支function，這支function設定每25hPa做一次fitting，如果想要改細，那就在inteptest的倒數第二行"aa=aa-25"的地方把25改小，然後把回圈loop次數調高就可以了。(目前設定是讓回圈跑到200hPa)


Step4：執行Matlab主程式，他就會自動吐出一天四筆且內插過的測站資料，如果有人白爛少放了一次氣球，沒關係防爆功能也已經做好了，該次就會整個column顯示nan(但一天只放一顆或兩顆的目前還沒把防爆功能寫入，3~8顆的都可以順利讀入，如果數量過多或過少則一天四筆都會顯示nan)。而目前設定輸出 RH H U V W qv T等變數。