國立成功大學邁向頂尖大學計畫
學生出國報告書
會議名稱： 2018 美國地球物理協會秋季研討會
American Geophysical Union (AGU) Fall Meeting 2018
發表之研究論文題目：
中文——電離層預報模式重建 2003 年萬聖節超級磁爆效應
英文——Reconstruction the Ionospheric Responses to the October-
November 2003 Halloween Super Storm: A Data Assimilation
Approach
會議時間： 2018/12/10~2018/12/14
出國期間： 2018/12/08~2018/12/17
單位： 國立成功大學 地球科學系
職稱： 大學部四年級學生
姓名： 張瑜珊
聯絡資料：
信箱——a0911679296@gmail.com
電話——0911679296
中文及英文摘要
現今人類的生活愈來愈仰賴太空衛星科技，例如利用衛星傳遞資訊、使用手機的 GPS 定位 與導航功能等，太空領域不再是遙不可及的夢想，或是紙上談兵的理論，而是與我們的日常生 活息息相關。此次參加2018 年美國地球物理協會秋季研討會，於 SPA-Aeronomy section 中的 SA33B: Data Assimilation and Model Validation for the Mesosphere, Thermosphere, Ionosphere, and Magnetosphere–Ionosphere Coupling Posters 以海報的形式發表運用電離層預報模式，重建 2003 年萬聖節超級磁暴效應的成果，並與太陽磁爆、資料同化相關領域的專家進行討論，獲得許多 寶貴的建議與鼓勵。此外，透過於會議中聆聽他人的演講及海報發表，吸收了太空及高層大氣 物理學更多且最新的知識，對於未來的研究無非是莫大的助益。而由於AGU 會議包含的領域 相當廣大，所獲取的新知並不限於太空科學，使我獲益良多。
People depend more deeply on space technology nowadays, for instance, using satellites to transmit lots of information and driving with GPS positioning and navigation built in smart phones.
The field of space is no longer an unreachable dream or empty talk but the thing that closely related to our daily life. The main goal for attending the American Geophysical Union (AGU) 2018 Fall Meeting is to give a poster presentation in the SPA-Aeronomy section (SA33B: Data Assimilation and Model Validation for the Mesosphere, Thermosphere, Ionosphere, and Magnetosphere–Ionosphere Coupling Posters). My research is to reconstruct the ionospheric responses to the 2003 Halloween Super Storm by the data assimilation approach. Having discussions with experts in the fields of solar magnetic storm and data assimilation makes me obtain many valuable suggestions and encouragements. In addition, I have absorbed more and the latest knowledge of space and aeronomy by listening to other people's speeches and posters during the conference. Because the AGU Fall Meeting contains lots of scientific fields, learning from different sections also benefits me a lot.
目次
中文及英文摘要... I 目次
一、 目的... 1 二、 過程
2.1. 出國日程簡表 ... 1 2.2. 與會過程 ... 1~6 三、 心得及建議事項... 6 附件
12/12 當天發表之海報照片 ... 7
一、目的
太空天氣的資料同化技術直至 2000 年代以來才開始逐漸發展，運用於高層大氣的電漿預 測，相較於資料同化應用於天氣預報來說晚了許多，因此透過和他人大量的交流、討論，不僅 能使自己的研究有所突破，也能帶動這套技術更進一步的發展，而全球最大的地球物理會議—
—AGU Fall Meeting 即提供了這樣難得的交流機會，其集結了來自各國地球科學與太空領域的 專家，約有 28000 人的參與，其中與太空天氣資料同化技術直接相關的演講與海報發表共計有 32 場，這些口頭演講、海報發表，能使我聆聽到許多最新、最尖端的研究方法與成果。此外，
當我以海報形式發表自己目前的研究成果時，透過與許多老師們、專家們的討論及交流，使我 對於自己未來的研究方向更明瞭，知道有哪些步驟需要進行修正、哪些資料或模型可以採用，
以及增進自己的報告技巧。
二、過程
2-1 出國日程簡表
日期 地點與簡要工作內容
2018/12/08 由台灣桃園機場搭乘國泰航空 CX 475、CX 866 班機前往美國華盛頓 DC 2018/12/09 參加會議所舉辦的國立航空航太博物館--烏德沃爾哈齊中心
(National Air and Space Museum Udvar-Hazy Center) 學術參訪活動 2018/12/10
~2018/12/14
參加AGU 2018 Fall Meeting，聆聽各領域的演講與海報發表，以及參觀會場內 各式展覽
2018/12/12
於會議中的SPA-Aeronomy section (SA33B: Data Assimilation and Model Validation for the Mesosphere, Thermosphere, Ionosphere, and Magnetosphere–Ionosphere Coupling Posters) 以海報形式發表研究成果「利用電離層預報模式，重建 2003 年 萬聖節超級磁暴效應」(Reconstruction the Ionospheric Responses to the October- November 2003 Halloween Super Storm: A Data Assimilation Approach)
2018/12/16
~2018/12/17
由美國華盛頓 DC 杜勒斯機場搭乘國泰航空CX 861、CX 498 班機返回台灣桃園 機場
2-2 與會過程
AGU Fall Meeting 2018 正式開始的前一天（12/9（日）），參加了會議所舉辦的國立航 空航太博物館--烏德沃爾哈齊中心的學術參訪活動，裏頭大致分為23 個展區，包含不同用
途的飛行器(軍用、商用、個人娛樂等)、不同時期的飛行設備(世界大戰、韓戰、越戰、冷戰 時期等)、不同太空計畫所使用的載具(發現號太空梭、各式火箭、衛星等)，博物館內的展品 琳瑯滿目且講解內容非常詳盡，另外還有一些與民眾互動的小遊戲、科普展示品，為展館添加 了不少趣味。其中最令我印象深刻的即是發現者太空梭，如此近距離的觀賞過去負責各種科學 研究及作為國際太空站計劃支援、曾搭載 252 名太空員、31 枚衛星(包含哈伯望遠鏡)的太空 梭，著實令我內心澎湃不已，滿是感動。
12/10(一) 會議第一天
一早便和老師們以及實驗室學長們至會議舉行地點——Walter E.Washington Convention Center 報到並領取識別證，接著聆聽第一個 SPA-Aeronomy section 的口頭報告，主題為"Global Dynamical Response of the UpperAtmosphere to External Forcing I"，其探討的領域是運用未來的 太空任務如GOLD、ICON 與 COSMIC2，討論中低緯度電離層與熱氣層如何受到來自太空與 低層大氣活動的影響，並結合運用目前已經有的地面與衛星觀測資料如TIMED、DMSP、Swarm 等以及模式，使我們更加了解高層電離層如何受到熱氣層與低層電離層的影響而產生擾動。
第二個口頭報告主題為"Multiscale Ionosphere Structuring Processes and Related Impact on Technology I"，其探討的是劇烈太空天氣造成電離層結構的變化，對於科學儀器例如衛星定位 與傳輸產生哪些影響以及如何影響。Patricia Doherty 博士演講的"Ionospheric TEC Gradient Magnitude Distribution over the Brazilian Airspace" 是我覺得很新穎有趣的題目，該團隊利用來 自巴西 RBMC 網絡的一系列地面 GPS 接收站，研究巴西空域的電離層全電子含量(TEC)的梯 度大小分佈及其在太陽活動第 24 週期的最大相位變化。研究發現 2011-2016 年間該區的夜間 電離層 TEC 梯度分佈遵循一種雙冪律分佈的形式，並有明顯的裂隙，與先前的一些研究結果 一致，還發現了此雙冪律的兩個指數循著太陽活動週期有系統性地規律變化，在太陽黑子數量 較高的年份，TEC 梯度分布之尾部向上飄移，說明了該區出現更頻繁且極端的 TEC 梯度。透 過與太陽黑子數量得出的雙冪律指數的最佳擬合線，對於未來太陽活動性週期進行數值推斷，
將有助於 GBAS / SBAS 在全球各地的建立。此外，由 Jiaen Ren 博士演講的"Statistical
Numerical Models" 是在學校沒有接觸過的新知識，極區斑塊是極區電離層中約 100-1000 公里 的高密度電漿散塊，會引發通訊和導航信號的閃爍。2016 年時，已利用 Resolute Bay Incoherent Scatter Radar - Canada (RISR-C) 觀測到極區斑塊的特性為高電漿密度、低電子溫度、向下的離 子運動等特性，並推測出其可能源自於白天太陽光化游離的電子傳輸到極區，且其電漿濃度在 黃昏時比1200UT 高。
第三個口頭報告主題為NASA ICON 計畫主持人 Thomas Immel 主持的"New Scientific Measurements in near-Earth Space I"。我的指導老師之一——成大林建宏教授也於此主題中發表 研究成果"Multi-instrument Satellite-based Observations of Global Low-Latitude Ionosphere: Toward Forecast"，利用資料同化系統對太空天氣進行預報與研究。
12/11(二) 會議第二天
第二天SPA-Aeronomy section 以海報形式發表為主，因此今天主要來參觀太空領域相關的 海報。昨天於會場中認識了從成大電漿所畢業的吳彥蓉學姊，此次會議她以海報的形式報告
"The error analysis of the MIGHTI neutral wind velocity retrieval with respect to the non-uniformity of the 630.0 nm airglow" 發表於"New Scientific Measurements in near-Earth Space II Posters"。
該研究利用Imager of Sprite and Upper Atmospheric Lightening (ISUAL) onboard Formosat-2 的 630.0 nm 輝光數據來反推風場，並利用「撥洋蔥」的方法與假設，來探討 MIGHTI 如何處理這 些電離層非均勻性以及它們如何影響所收集到的數據品質。除了為我講解海報內容以外，學姊 更熱心地為我說明海報的講解要訣，其重點為能否將目前所做的研究內容清楚地向他人說明，
表達出完整的研究脈絡，如同向他人敘述一個故事一般。有了學姊的提點與鼓勵，使我面對明 天(12/12)的海報發表及學生海報比賽更有頭緒，也緩解了一些緊張的情緒。
12/12(三) 會議第三天
今天我的指導老師之一——陳佳宏老師、實驗室學長周敏揚和我都有海報發表。我的海報 於 會 議 第 三 天 發 表 於 SPA-Aeronomy section 中 的 "SA33B: Data Assimilation and Model Validation for the Mesosphere, Thermosphere, Ionosphere, and Magnetosphere–Ionosphere
Coupling Posters"，報告題目為"Reconstruction the Ionospheric Responses to the October-November 2003 Halloween Super Storm: A Data Assimilation Approach"。在這三個半小時的期間，約略與十 組與會人士進行交流、討論，每一次都有不一樣的收穫，也讓我了解自己有哪些地方不足、哪 些方面須再精進。很多人對於我使用的資料同化方法「ensemble Kalman filter」感到有興趣，
而這部分是我在準備此次海報發表時著墨較少的部分，日後需花更多時間來了解清楚，也很謝 謝當天他們能夠耐心地等待我思考、甚至拿出筆電向他們解釋。而在此次海報發表中，也發現 ensemble Kalman filter 被許多研究採用，更有海報的主題是針對 ensemble Kalman filter 於電離 層資料同化方法進行優點分析。而我所使用的兩個不同高緯度電場經驗模式——Heelis 和 Weimer 之結果比較，在與老師們、專家們的討論下，得到了與我推論大致相符的結論：Heelis 和 Weimer 模式在同化後得到的結果差不多，都能將與觀測資料相比的 RMSE 降低至 10%以 下，然而在預報上(同化前) Weimer 模式會比 Heelis 來得更加準確。此外，在海報發表中印象 最深刻的一句話，是有位日本學者聆聽完我的海報後，詢問我：「未來你還會繼續進行這項研 究嗎?」對我來說，這句話是對於我過去這段時間來研究結果的肯定，也是對於未來我研究生 生涯的鼓舞與期許。
12/13(四) 會議第四天
今天早上聆聽的口頭報告主題為"Progress in Whole Atmosphere Coupling Studies I"，近年來 科學家們逐漸發現，大氣－電離層系統是由來自下方向上傳遞的波動以及來自上方的太空天氣 效應所控制的，兩者息息相關，不能將之視為個別的系統來進行研究，因此這個主題內探究的 是運用不同的方法，來了解高低層大氣間的耦合關係。其中印象較深刻的是Yasunobu Miyoshi
atmosphere model (GAIA) "，利用 GAIA model 模擬重力波在低層大氣的運動，以及 eastward jet 隨時間的變化也會影響到重力波的活動，其減弱和反轉可用來解釋重力波在熱氣層活動的 衰減。Nicholas Pedatella 博士發表的題目為"Whole atmoshpere modeling of the middle and upper atmosphere variability during Sudden Stratosphere Warmings"，該研究利用 DART 資料同化系統 結合 HAO 發展的 Whole Atmosphere Community Climate Model eXtended (WACCMX)，研究 SSW 如何影響中、高層大氣系統，不僅了解了低層大氣的動力與化學變化，也模擬出電離層 在SSW 其間的變異情形。下午的演講主題則是與我目前的研究領域相同"Data Assimilation and Model Validation for the Mesosphere, Thermosphere, Ionosphere, and Magnetosphere–Ionosphere Coupling I"，學習到了許許多多不同的資料同化方法、模式、觀測資料類型，也對於自己所使 用的 DART、TIEGCM 有更深的了解。其中印象最深刻的是由與我們實驗室有密切合作的 Tomoko Matsuo 博士所帶來的演講 "Coupled Thermosphere-Ionosphere Data Assimilation"，雖然 報告的內容是我比較熟悉的，但這場演講同樣讓我收穫很多，教授講解得非常清楚、有條理，
口條清晰且鏗鏘有力，節奏感掌握很好且很有活力，期許自己未來在進行口頭報告時能將今天 所觀察、學習到的優點好好運用。
12/14(五) 會議第五天
五天的會議即將進入尾聲，早上主要在海報展示區參觀，除了在SPA-Aeronomy section 參 觀外，也到SPA-Magnetospheric Physics、SPA-Solar and Heliospheric Physics 等不同領域去學 習。實驗室學長林佳廷的海報發表於 "Progress in Whole Atmosphere Coupling Studies Posters"，
發表題目為"Revisiting the Modulations of Ionospheric Solar and Lunar Migrating Tides during the 2009 Stratospheric Sudden Warming by using Global Ionosphere Specification"，提出了過去因為 SW2 及 M2 週期相近(約只差 0.6 小時)，因此常被混為一談，但此研究發現在 SSW 期間月潮 M2 的影響應進一步被考慮，且證明了在 SSW 期間僅存在 M 2 的強化。在參觀完海報發表後，
我們實驗室一行人把握最後的會議時間，到各展覽攤位參觀，很幸運可以拿到 NASA 的月曆 以及許多不同太空計畫的文宣、宣傳單，也回答了問卷、玩了許多科普小遊戲，為充實的五天 會議行程畫下完美的句點。
三、心得及建議事項
會議的第一天，當我踏入會場的大門以及看到眾多排隊人潮時，感到相當的震撼，霎時間 對於自己能參與此次的會議感到相當地不真實，但隨後取而代之的是振奮的心情，因為此時此 刻在身邊的都是投入地球科學相關研究的學生、學者、專家，這些與會人士投入自己的熱情、
致力於這個領域，讓我感到自己並不孤單。我很喜歡會議手冊第一頁的一句話：We collaborate、
cocreate, debate, experiment, and learn. We commit to our work for the benefit of humanity in small and large ways, but always with care. 這段話喚起我當時選擇就讀地科系的小小初衷，並帶給我 在未來研究生生涯很大的力量。
此次會議是我生平第一次參加國外的學術研討會，第一次單獨完成學術海報的製作，第一 次以英文進行海報的發表並與來自世界各地的專家進行討論，這些對我來說都是莫大的挑戰，
過去的我從來都沒有想像自己能完成這些事。
能夠順利得參與完全程的會議，心中充滿由衷的感謝，謝謝林建宏老師、陳佳宏老師的指 導，謝謝實驗室學長姊林佳廷、朱虹瑄、周敏揚許許多多的幫助、建議與鼓勵，謝謝成功大學 邁向頂尖大學計畫給我這個機會申請到出國的金費補助，使我能無後顧之憂去參加會議，對我 來說意義非凡。
附件
12/12 當天發表之海報照片
