緒論

第一章　緒論

全球暖化現象引起天氣型態諸多變化，特別是破壞性強大的颱風 及暴風雨層出不窮，位於北太平洋西部的台灣，因地理環境特殊之 故，夏秋兩季常受颱風侵襲，尤以台灣東部最為嚴重。依據內政部的 統計民國四十七年至九十四年間臺閩地區天然災害共發生232 次，以 颱風173 次最多，水災 34 次居次，地震 18 次再次之，其他天然災害 7 次。民國前 15 年至民國 94 年颱風侵台計 394 次，平均每年 3.6 次，

近三十年來（六十三年至九十三年）颱風災害每五年平均發生次數由 六十一年至六十五年的年平均2.2 次逐年上升至八十六年至九十年的 年平均4.6 次，顯示颱風侵襲臺灣機率逐漸增加。

颱風強烈的暴風吹襲海面會產生長週期且大波高的波浪。產生的 颱風波浪具有相當大的能量，經由近岸地形的淺化效應使波高增加的 結果，不僅影響漁撈、航運及道路交通，且常使沿岸結構物及動、植 物遭受損害，海岸低窪區域溢淹與人員的傷亡。台灣颱風災害以五十 年波密拉颱風(Pamela)；五十二年葛樂禮颱風(Gloria)造成人員傷亡、

經 濟 損 失 最 為 嚴 重 。 近 幾 年 ， 包 括 九 十 年 直 撲 花 蓮 的 桃 芝 颱 風 (Toraji)；九十年納莉颱風(Nari) ；九十三年艾利颱風(Aere)等造成全 台沿岸低窪嚴重溢淹及多人傷亡，重創台灣民生、經濟。

探討颱風風場與颱風波浪傳遞的機制，發展颱風波浪推算、預報 模式的研究工作對在海岸設施防護、低窪溢淹區域預警與船隻航運安 全相當重要。藉由颱風波浪模式的推算可以提供即時颱風波浪狀以警 告在颱風附近航運船隻的避險、或提供漁業設施、海工結構物的設計 規範以及危險區域人員疏散等防災計畫等，以達到保護沿岸人民身家 財產之安全與減輕國土環境的災害。水利署在 92 年底海岸防護工程 築有禦潮防浪之硬體設施已有：堤防369,838 公尺、海岸保護工 62,735 公尺、防潮閘門250 公尺等，以維護國土安全。由中央氣象局發佈颱 風預報，並透過颱風波浪推算，提出颱風波浪到達時間及大小，達到

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降低災害損失的目標。目前颱風風場波浪推算預報的方法採用示性波 參數經驗模式，以及採用能量平衡方程式為基礎的數值運算進行較大 區域的波浪推算，如WAM、SWAN、NWW3 等方法。

經驗公式推算法所需時間短，然而，台灣因有高山阻隔，東、西 及南、北的水深地形特性不同，特別是台灣東、西岸地理及海象的環 境相差甚大，在台灣東部海岸有地形變化劇烈的大陸棚，在沒有屏障 的環境下海象特性惡劣，而西部海岸地形較為平緩，且颱風因中央山 脈阻隔，導致颱風波浪較東部的颱風波浪小。因地形複雜，且東西岸 海象的差異，若以經驗公式、數值方法建立一個能適用於全台灣各地 的颱風波浪推算模式並不容易。

經驗公式推算法通常不考慮颱風時變的特性所以忽略颱風路徑 及風場連續的變化與波浪間的關係，因此經驗公式推算應用時往往需 要校正模式之係數而較局限於區域。至於數值波浪推算法因為電腦計 算能力及計算技巧提升，且有多點實測海氣象資料的輔助校正模式，

目前已發展至第三代模式且提高推算波浪的準確性。但是數值模式所 需計算範圍相當大，計算網格相當多，以致於計算一場颱風的波浪的 計算時間相當久，而無法符合快速計算的預警需求。此外，兩種方法 對於模式的校正皆有相當複雜的修正流程，不論是單點觀測站波浪推 算的調教修正，甚至於陸地影響颱風波浪的修正，對模式操作者而言 都是相當困難。

颱風波浪推算數值模式WAM、SWAN、NWW3 配合氣象模式的 計算結果較適合大、中尺度的應用，台灣沿岸海域波浪推算在數值模 式計算的規模是屬於中小尺度或小尺度，因此，颱風波浪推算數值模 式計算結果不全然適用於台灣附近海域。在台灣海岸每年有颱風侵襲 而且需降低海岸之颱風波浪災害的需求下，本研究希望能滿足小尺度 的應用環境，建立一個可以快速計算並精準推算颱風波浪到達時間及 其大小之模式。本模式在颱風期間可提供海岸災害預警系統資訊之颱 風波浪資料參考，或在平時可模擬某重要區域歷年颱風造成颱風波浪 歷時，做為該點長期波浪極值(extreme value)特性之分析。

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1-2 研究背景與文獻回顧：

目前對於颱風風場波浪推算的方法有採用以統計回歸分析的技 巧來建立波浪推算經驗公式的方法，如 Bretschneider (1976)、2002 Coastal Engineering Manual(CEM, 2002)、Young（1988b）、Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting (Bureau of Meteorology Research Centre)、Powell (1991;1996 ;1998)。以風浪能量平衡方程式為基礎，

整合外在影響條件，利用數值方法建立推算預測模式，通常應用於較 大區域的波浪推算或預報，如 SWAMP (1985) 、WAMDIG 模式

（1988 ）、 WAM (1988) 、 Young (1988a) 、 SWAN (Booij 等 人 ， 1996;1999)、NWW3（Tolman，1997;1999），等。國內外波浪預報系 統模式的比較如表1-1 所示。

表1-1 國內外波浪預報系統模式的比較 國家 波浪預報模式 說明

台灣 面積風域法 NWW3 WAM SWAM

中央氣象局海象測報中心根據數 值天氣預報所預測之海面風場，代 入二種模式：一是面積風域法；另 一種是波譜數值模式。目前以美國 氣象局 NWW3 波浪模式、WAM 模式及SWAN 模式並行測試。

日本 MRI-III

Coastal Wave Model

日本氣象JMA 配合全球大氣模式 發展波浪預報模式 MRI-III，對於 近岸的波浪計算則採用MRI-III 模 式 混 和 經 驗 公 式 而 成 的 Coastal Wave Model。

韓國 ReWAN 韓國氣象中心 KMA 以大氣模式 MM5 配 合 韓 國 區 域 特 性 修 改 WAN 波浪預報模式為 Regional

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WAN ( ReWAN )

美國 NWW3 美國氣象局使用由 NCEP 所發展 的 NWW3，此模式為第三代風浪 預報模式WAM 的修正模式。

英國 WAN SWAN

英國氣象局（UKMO）使用全球數 值氣候預報模式（NWP）預報風 場與 ECMWF 氣象預報模式，波 浪的預報使用 SWAN 波浪模式，

並持續修正更新SWAN。ECMWF 使用 WAM 波浪模式做為預報波 浪的工具。

挪威 WAM 挪威氣象中心 DNMI 氣象資料由

HIRLAM 及 ECMWF 氣象預報模 式 提 供 ， 波 浪 預 報 的 部 分 使 用 WAM 波浪模式做為預報波浪的 工具。

荷蘭 NEDWAM 荷蘭皇家氣象研究所 KNMI 波浪 預 報 部 分 目 前 使 用 由 第 三 代 WAM 修 改 的 局 部 區 域 模 式 － NEDWAM 做為波浪預報的工具。

比利時 WAM SWAN

比利時國家研究院發展的第二代 風浪模式HYPAS 預報波浪，配合 波浪浮標監測記錄及衛星 ERS-1 波 高 計 的 資 料 進 行 模 式 線 上 校 正，目前以 WAM 結合 SWAN 的 近海波浪模式系統做上線預報。

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1-2-1 經驗公式

早期Bretshneider (1976)發展出簡潔的滯留颱風波浪模式為

c

另外，當颱風緩慢移動時，根據美國 Shore protection manual (SPM，1984)，風域內最大示性波高及其週期，與能量指標R_maxΔp

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最新的美國海岸工程手冊Coastal engineering manual(CEM, 2002) 除了利用Young (1988)的半經驗公式外，配合模擬緩慢移動風場的波 浪分佈圖表，即可獲得風域內波浪分佈。此外對於不需高準確度的颱 風波浪估算，美國海岸工程手冊也提供不同氣象事件估算波高的表 格，以Saffir Simpson (SS)標準區分颱風規模，推估示性波高與週期。

如下表

另外 Global Guide to Tropical Cyclone Forecasting (Bureau of Meteorology Research Centre)以簡單的公式估算颱風最大風速的最大 示性波高為：

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c

s p

H _,max = 200. Δ 　(1-9) Powell (1991,1996,1998)探討颱風結構與陸地的交互影響，分析 陸地對颱風風場與行為的變化，並將波浪視為表面糙度（surface roughness），在海面形成一個邊界層，這個邊界層內的颱風波浪依經 驗式表示為

8 . 0 0

0( )

1 .

0 C z x z

h_i = ⋅ （1-10）

其中x為颱風到陸地的距離，h_i為颱風風場內波浪表面糙度，C為無 因次參數，其值介於 0.28 與 0.75 之間，z₀為海面起始表面糙度。若 颱風在距離海岸1～3km 時，海面起始表面糙度 0.03m 時，風場內所 產生的表面糙度高度將大於 10m。由 Powell 統計觀察的結果發現，

颱風對於波浪的作用多變且複雜，所以在建立颱風推算模式必須配合 實測資料才能將許多的非線性的影響因素反應在波浪推算模式內。

參數颱風波浪推算模式是以統計及經驗法為基礎，擁有快速、簡 便的推算能力及效果。建立參數型式的推算模式大致可分為兩類方 法，一是利用直接量測的波浪及氣象資料，對各個影響因素進行統計 分析，建立影響因素與波浪的迴歸參數式。第二種是利用數值模式計 算的結果，整理主要參數的關係並化簡成參數式。通常利用經驗公式 建構的颱風波浪推算模式不適合做大區海域的推算，而且操作運算上 僅適合特定區域。有區域限制的參數模式在推算結果的表現上，有時 較數值模式更能夠呈現並反應當地的氣象、波浪及地理環境特性，也 能解決該區域內波浪複雜的現象。然而，參數式採用的函數與選用的 參數通常不能太複雜，因此，對於非線性的資料描述能力就受到極大 的限制。參數颱風波浪推算模式對於海域地形及水深特性差異大或可 獲得的實側或計算資料缺少時，此類模式須仰賴經驗或嘗試錯誤的方 式調整係數方能正確地推算區域性波浪，這使得模式必須依賴專家的 修正。此外，經驗公式並不考慮颱風的移動特性，因此以經驗公式來 推算不同移動方式及行進路徑的颱風時相當容易產生誤差。

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1-2-2 數值模式

對於大區域的深海波浪數值推算模式，目前較完整的推算風浪模 式有：WAMDIG 模式（1988），SWAN 模式（1996;1999），WAVEWATCH III 模式(1997)等，基於能量守恆原理，在風場作用下的二維波譜 風風場參數模型包括有Rankine-Vortex model、SLOSH (Sea, Lake and Overland Surge from Hurricane )wind model 及 Holland wind model (1980)，事實上颱風的風場相當的複雜且多變，在沒有完整即時的颱 Model，美國國家環境預報中心 NCEP 與美國國家大氣科學研究中心