第三章 實驗與資料介紹
3.2 資料介紹
3.2.4 海表溫資料
本研究使用之海表溫資料來自 NOAA 底下的美國國家環境資訊中心(National Centers for Environmental Information, NCEI)，海表溫透過進階極高解析度輻射儀 (Advanced Very High Resolution Radiometer, AVHRR)測得，此輻射儀搭載在一系列 NOAA 繞極衛星上，利用紅外線的波段量測海表溫度，該資料中心整合數個衛星，
並將資料網格化為 0.25° × 0.25°，其時間解析度為 1 天 1 筆(AVHRR, 2017)。本研 究使用 2016 年 6 月 27 日到 10 月 13 日之資料做為海表溫衛星產品之代表。
3.2.5 熱通量資料
本研究使用之熱通量資料來自於伍茲霍爾海洋研究所(Woods Hole Oceanographic Institution, WHOI) 底下的客觀分析海氣通量計畫(Objectively Analyzed air-sea Fluxes , OAFlux)，該計畫提供之熱通量產品包含潛熱通量與可感 熱通量，空間解析度為 1° × 1°；時間解析度有 1 天 1 筆與 1 個月 1 筆兩種。此熱 含量產品是將各衛星產品提供之氣象資料透放入 TOGA COARE 第 2.6a 版的計算 套件中求得，而放入的氣象資料包含來自多個衛星或模式的產品，包含：SSM/I、
Quick Scatterometer (QuikSCAT)、AVHRR、TMI、AMSR-E、European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF)、the 40-year ECMWF Re-Analysis (ERA-40)、NCEP 再分析資料等(OAFlux, 2017)。本研究在 2015 年 6 月 9 日到 9 月 2 日與 2016 年 6 月 27 日期間，使用每日一筆的 OAFlux 資料，用於比較實測推估 與遙測推估之熱通量差異。此外，選用西元 1958 年到 2016 年的每月一筆的 OAFlux 資料，來了解聖嬰與反聖嬰年在 NTU1 站這位置上，熱通量之變化。
圖 3-1、(a) 聖嬰年期間颱風途經次數分布圖。(b) 強聖嬰年(ONI>1.0)後 1 年，且為反聖 嬰年之 6 到 10 月的颱風途經次數分布圖。
表 3-1、2015 年實驗所使用的儀器列表
8/24 21:13:28 109913
50 6/9 07:00:28 ~
8/31 03:42:27 119323
200 6/9 07:00:00 ~
8/31 03:42:27 119323
250 6/9 07:02:27 ~
8/31 18:48:00 120229
900 6/9 07:00:00 ~
8/31 14:28:00 119969
1400 落海遺失 落海遺失
1900 落海遺失 落海遺失
3000 落海遺失 落海遺失
*水面上之探針
表 3-2、2016 年 NTU1 站實驗所使用的儀器列表
深度(公尺) 儀器 採樣頻率 採樣時間 資料筆數
*
溫、溼度計6 分鐘
6/27 08:20:19 ~ 10/13 10:41:39
25901 10/13 10:41:39
25901
*
淨輻射儀 25901*
雨量計 X X0 表水溫度計 6 分鐘 6/27 08:20:19 ~
10/13 10:41:39 25901 5 溫深鹽儀 1 分鐘 6/27 10:00:16 ~
10/13 17:29:43 54771 25 單點流速計 10 分鐘 6/27 08:12:00 ~
7/4 08:32:00 1968 50 溫深鹽儀 1 分鐘 6/27 10:00:16 ~
10/13 17:29:43 54772 75 單點流速計 10 分鐘 6/27 07:07:00 ~
10/13 09:37:00 15568 100
溫深鹽儀
1 分鐘
6/28 10:24:01 ~
10/13 17:29:43 53309 125 6/27 10:00:16 ~
10/13 16:17:43 54747 150
溫深儀(IM)
6/27 10:00:17 ~
10/13 17:29:43 54774 200 6/27 10:00:17 ~
10/13 17:29:43 54774 250 6/27 10:00:26 ~
10/13 17:29:47 54773 300 6/27 10:00:26 ~
10/13 17:29:47 54773 500 6/27 10:00:26 ~
10/13 17:29:47 59962 700
溫深儀
6/27 10:00:00 ~
9/22 10:04:00 125285 900 6/27 10:00:00 ~
9/14 11:07:00 113828
*水面上之探針
表 3-3、2016 年 NTU2 站實驗所使用的儀器列表
深度(公尺) 儀器 採樣頻率 採樣時間 資料筆數
*
溫、溼度計6 分鐘
6/26 07:30:23 ~
10/14 11:24:17 13877
*
氣壓計 6/26 07:30:23 ~10/14 11:24:17 26347
*
螺旋槳式風向風速計 6/26 07:30:23 ~10/14 11:24:17 26347
*
超音波式風向風速計 6/26 07:30:23 ~10/14 11:24:17 19563
*
短波輻射儀 6/26 07:30:23 ~10/14 11:24:17 26347
*
淨輻射儀 6/26 07:30:23 ~10/14 11:24:17 26347
*
雨量計 X X0 表水溫度計 6 分鐘 6/26 07:30:23 ~
10/14 11:24:17 26347 5 溫深鹽儀 1 分鐘 6/26 10:10:20 ~
10/14 19:22:44 63940 25 單點流速計 10 分鐘 6/26 03:30:00 ~
8/4 11:10:07 3619 50 溫深鹽儀 1 分鐘 6/26 10:10:20 ~
10/14 19:22:44 63940 75 單點流速計 10 分鐘 6/26 03:40:00 ~
10/14 09:51:13 14943 100
溫深鹽儀
1 分鐘
6/26 10:10:20 ~
10/14 19:22:44 90923 125 6/26 10:10:20 ~
10/14 19:22:44 63940 150
溫深儀(IM)
6/26 10:10:21 ~
10/14 19:22:45 90914 200 6/26 10:10:21 ~
10/14 19:22:41 63930 250 6/28 13:02:10 ~
10/14 19:22:50 87856 300 6/26 10:10:54 ~
10/14 19:24:54 158955 500 6/26 10:13:46 ~
10/14 19:24:10 37255 700
溫深儀
6/26 10:10:00 ~
9/21 02:35:00 124826 900 8/25 20:00:00 ~
10/14 19:25:00 71966
*水面上之探針
表 3-4、採用之衛星與模式產品彙整表
衛星產品 採用時間 空間解析 時間解析
AVISO 表面高度異常值 2015/06/09 ~ 2015/09/02、
2016/06/27 ~ 2016/10/13 0.25° × 0.25° 7 天 NCEP 氣象資料 2015/06/09 ~ 2015/09/02、
2016/06/27 ~ 2016/10/13 0.25° × 0.25° 1 天 AVHRR 海表溫 2016/06/27 ~ 2016/10/13 0.25° × 0.25° 1 天
OAFlux 熱通量
2015/06/09 ~ 2015/09/02(daily)
1° × 1°
1 天 1958 ~ 2016 (monthly) 1 個月
第四章 資料分析
日 6 時，整體而言，影響時期都接近 24 小時，以上 9 個颱風的特性整理請見表 4-1
到莫蘭蒂、馬勒卡、梅姬接連出現，使暖水層中的水溫下降，但厚度增加。而圖
圖 4-1、2015 年經過浮標附近之颱風路徑圖，圖中星號為 NTU1 站浮標；圓形代表蓮花颱 風；正三角形為昌鴻颱風；正方形為蘇迪勒颱風；菱形為天鵝颱風。而圖形中填滿的色彩 代表颱風等級，紫色是熱帶氣旋；第 1 等級到第 5 等級分別是藍色、綠色、黃色、橘色、
紅色。
Chan-Hom Soudelor
Goni
Linfa
圖 4-2、2016 年經過浮標附近之颱風路徑圖。圖中星號為 NTU1(右)與 NTU2(左)站浮標；
圓形代表尼伯特颱風；正三角形為馬勒卡颱風；正方形為莫蘭蒂颱風；菱形為梅姬颱風；
倒三角形為艾利颱風。而圖形中填滿的色彩代表颱風等級，紫色是熱帶氣旋；第 1 等級到 第 5 等級分別是藍色、綠色、黃色、橘色、紅色。
Malakas Aere
Nepartak Megi
Meranti
圖 4-3、2015 年在 NTU1 站氣象觀測資料，由上往下分別為溫度(藍)和相對溼度(綠)、風 向(藍)和風速(綠)、氣壓、太陽輻射量。
圖 4-4、2015 年在 NTU1 站海洋上層 500 公尺溫度剖面圖，圖中黑線為 26°C 等溫線。
圖 4-5、由左至右為 2015 年 6 月 9 日到 6 月 15 日、6 月 17 日到 6 月 23 日、7 月 1 日到 7 月 7 日三段時間之海表高度異常值，綠色星號分別為 NTU1 站(右)與 NTU2 站(左)站點位 置。
圖 4-6、2016 年在 NTU1 站氣象觀測資料，由上往下分別為溫度(藍)和相對溼度(綠)、風 向(藍)和風速(綠)、氣壓、太陽輻射量(藍)和淨輻射量(綠)。
圖 4-7、2016 年在 NTU2 站氣象觀測資料，由上往下分別為溫度(藍)和相對溼度(綠)、風 向(藍)和風速(綠)、氣壓、太陽輻射量(藍)和淨輻射量(綠)。
圖 4-8、2016 年在 NTU1 站海洋上層 500 公尺溫度剖面圖，圖中黑線為 26°C 等溫線。
圖 4-9、2016 年在 NTU2 站海洋上層 500 公尺溫度剖面圖，圖中黑線為 26°C 等溫線。
圖 4-10、由上而下為 2016 年在 NTU1 站水深 25 與 75 公尺、NTU2 站水深 25 與 75 公尺 的流速資料。
25 m
75 m
75 m 25 m
圖 4-11、2015 年在 NTU1 站之氣象觀測資料與 NCEP 資料之時間序列，圖中黑線為浮標 觀測資料；紅線為 NCEP 資料，由上往下分別為氣壓、相對溼度、溫度、風速、風向。
NCEP
NCEP
(a) (b)
(c) (d)
(e)
圖 4-12、2015 年在 NTU1 站之氣象觀測資料與 NCEP 資料散佈圖，圖中橫軸為浮標資料 縱軸為 NCEP 資料。(a)氣壓 (b)相對溼度 (c)溫度 (d)風速 (e)風向。
圖 4-13、2016 年之海表溫觀測資料與 AVHRR 之時間序列，圖中黑線為浮標觀測資料；
紅線為 AVHRR 資料，上圖為 NTU1 站之比較；下圖為 NTU2 站之比較。
圖 4-14、2016 年海表溫觀測資料與 AVHRR 資料之散佈圖，圖中橫軸為 AVHRR 資料縱 軸為浮標資料，左圖是 NTU1 站之比較；右圖為 NTU2 站之比較。
表 4-1、2015 年颱風特性彙整表
Saffir-Simpson scale
(最靠近浮標時之強度) TS 3 3 3
Saffir-Simpson scale
(最靠近浮標時之強度) 5 5 4 3 TD
4.2 上層海洋熱含量與海氣熱通量之分析
4.2.1 上層海洋熱含量
本研究中所使用之上層海洋熱含量(Upper Ocean Heat Content, UOHC)估算公 式是由 Leipper and Volgenau. (1972)所提出，熱含量公式如下：
UOHC = ∫ 𝜌𝐶𝑝𝑇𝑖+1+ 𝑇𝑖 重要性，Chia (2006)提到一般對於海氣熱通量估算的方法有耗散法(dissipation method)、渦流相關法(eddy correlation method)、剖面法(profile method)、衛星遙測 推估、整體參數法(bulk-parameterization method)等方法，並將這 5 種方法分為兩類，
分別是直接量測與間接求得，其中渦流相關法為直接量測變數，而其餘 4 種皆為 間接求得，接著再比較各方法之差異。耗散法由觀測變數擾動量的波譜，根據紊 流慣性次範圍(inertial subrange)具有-5/3 斜率的性質，估計耗散率(dissipation rate)，
進而估算通量值(Fairall and Larsen, 1986)。渦流相關法須精確的測量水平與垂直的 風速擾動量(u’, w’)、水氣擾動量(q’)、溫度擾動量(T’)再計算其互變異數而得到渦 流通量(Bradley et al., 1991)。剖面法則由相似理論，找出溫度尺度、濕度尺度和摩 擦風速，再推估通量。整體參數法是屬於間接、半經驗的渦流通量推估。前述的 5 種推估方法中，渦流相關法與耗散法量測海氣通量之準確度，會受到觀測平台的
運動、環境條件和氣流的擾動等因素的影響，因本研究使用浮標觀測，浮標的移 動會造成許多誤差，且此浮標無垂直風的觀測，因此不能使用此二法。而剖面法 一般需要觀測儀器在邊界層內(一般定義約 10 公尺)量測各層的觀測資料進而推估，
但本實驗為單點觀測因此也不能使用此方法。雖然整體參數法會因為係數選擇不 同而造成海氣通量估算之差異(Blanc, 1987；Zeng et al., 1998)，且量測海溫的深度、
降雨造成的鹽度效應、海表皮海溫(skin temperature)等亦會影響通量的估算(Fairall et al., 2003)，但整合前段之分析，適合本研究的估算方法乃為目前被廣泛用於全球 模式的整體參數法。
海氣熱量通量(𝐻𝑛𝑒𝑡)包含 4 個要素，分別是淨短波輻射量(𝑆𝑤)、淨長波輻射量 (𝐿𝑤)、可感熱通量(𝐻𝑠)與潛熱通量(𝐻𝑙)，
𝐻𝑛𝑒𝑡 = 𝑆𝑤 − 𝐿𝑤− 𝐻𝑠− 𝐻𝑙 【3】
淨短波輻射量參考 Payne (1972)的公式並考慮海水反照率，將淨短波輻射量表 示如下式：
𝑆𝑤 = 𝑅𝑠−𝑖𝑛(1 − 𝑟𝑠) 【4】
其中𝑅𝑠−𝑖𝑛是量測到的太陽輻射量；𝑟𝑠為海水反照率(0.07)。
淨長波輻射量利用 Berliand and Berliand (1952)、Fung et al.(1984)的方法來估計 海面長波輻射通量即：
𝐻𝑠 = 𝜌𝐶𝑝𝐶ℎ𝑈(𝑇𝑠 − 𝜃𝑎) 【7】
並不同，因此在熱通量的估算上仍有差異，而對於可感熱通量之差異，除了風速 資料的不同外，因衛星對於海表溫變化的掌握不如觀測的準確，亦會產生誤差。
衛星資料推衍的海氣通量廣為大氣及海洋模式所使用，在颱風時期與實測的差異 量對模式造成之影響，值得未來進一步探究。
圖 4-15、2015 年在 NTU1 站上層海洋熱含量。
圖 4-16、2016 年在 NTU1 站上層海洋熱含量。
圖 4-17、2016 年在 NTU2 站上層海洋熱含量。
圖 4-18、2015 年於 NTU1 站之熱含量時間序列。黑線為短波輻射量；藍線為長波輻射量；
綠線為潛熱通量；青線為可感熱通量；紅線為淨熱通量。
圖 4-19、蓮花與昌鴻颱風影響期間之熱含量時間序列。黑線為短波輻射量；藍線為長波 輻射量；綠線為潛熱通量；青線為可感熱通量；紅線為淨熱通量。
圖 4-20、蘇迪勒颱風影響期間之熱含量時間序列。黑線為短波輻射量；藍線為長波輻射 量；綠線為潛熱通量；青線為可感熱通量；紅線為淨熱通量。
圖 4-21、天鵝颱風影響期間之熱含量時間序列。黑線為短波輻射量；藍線為長波輻射量；
綠線為潛熱通量；青線為可感熱通量；紅線為淨熱通量。
圖 4-22、2015 年觀測期間由浮標料推估之潛熱通量(上)與可感熱通量(下)和 OAFlux 產品 之比較。黑線為浮標推估的值；紅線為 OAFlux 產品。
圖 4-23、蓮花與昌鴻颱風靠近浮標期間由浮標料推估之潛熱通量(上)與可感熱通量(下)和 OAFlux 產品之比較。黑線為浮標推估的值；紅線為 OAFlux 產品。
圖 4-24、蘇迪勒颱風靠近浮標期間由浮標料推估之潛熱通量(上)與可感熱通量(下)和 OAFlux 產品之比較。黑線為浮標推估的值；紅線為 OAFlux 產品。
圖 4-25、天鵝颱風靠近浮標期間由浮標料推估之潛熱通量(上)與可感熱通量(下)和 OAFlux 產品之比較。黑線為浮標推估的值；紅線為 OAFlux 產品。
4.3 颱風造成之慣性運動
運用旋轉能譜分析 2016 年兩站浮標中位於水深 75 m 每 10 分鐘一筆的流速資 料。其中 NTU1 站與 NTU2 站資料筆數分別為 15568 筆和 14943 筆，取基礎頻率 (fundamental frequency)為 6.25 × 10-6 cpm 經快速傅立葉轉換後，再經卷積 (convolution)平均後，其自由度(degree of freedom)為 13，分析結果如圖 4-26 與圖 4-27 所示。從圖中看到在順時鐘的分量上有 3 個極值，頻率由小到大分別是近慣 用 T-Tide 調和分析程式套件(Pawlowicz et al., 2002)進行潮汐訊號濾除，從這四張 圖皆可看到，流向是隨著時間增加而呈線性遞增的，因為濾波的頻段本就只有順 時鐘的分量，所以流向必為隨時間遞增的，但因為這裡的運動僅受慣性運動主導，
因此流向變化呈線性遞增。此外，在圖中可以發現慣性運動在颱風逐漸靠近就開 始成長，而非 Geisler (1970)所提及的慣性流在半個慣性週期(Inertial Period, IP)後才 生成。
在慣性週期的估算部分，因為流向角度的改變量除以時間的改變量代表頻率，
而2π除以頻率就是週期，因此只要求出圖 4-32 到圖 4-35 中最下方的直線之斜率，
進而可求得慣性週期。在求該線之斜率時，為了避免流速較小時，流向變化的誤
差轉移到週期估算之上，因此設定了閾值避免此現象的發生，在尼伯特颱風影響
(Progressive Vector Diagram, PVD)，根據慣性運動之解析解，流的路徑應該是正圓，
然而有些的 PVD 接近正圓而有些卻不是，這是因為慣性流速不是常數所致。
圖 4-26、NTU1 站 75 公尺流速資料之旋轉能譜圖。藍線是順時鐘的旋轉能譜；綠線則是
圖 4-26、NTU1 站 75 公尺流速資料之旋轉能譜圖。藍線是順時鐘的旋轉能譜；綠線則是