颱風對表層流場的影響

5-1 颱風造成的表層強流

溫暖的海洋是強烈熱帶風暴(在大西洋稱颶風hurricane，在太平

洋稱颱風typhoon)發展的必要條件之一，因為海洋有大的儲藏熱量的

容積，也能釋放能量，Emaruel(2005a)指出由於北大西洋African

easterly jet的不穩定而產生的African easterly waves將形成所謂

的 ”seedling” 循環，這種循環對熱帶氣旋 的發展有很重要的影響

(Burpee, 1972)。接近85%的強烈颶風或颱風它們的起因正是由

easterly waves發展而形成(Landsea, 1993)，除了以上幾個發展熱帶

氣旋的條件以外，前述溫暖的表面海溫以及足夠的水深都是提供風暴

形成的重要因素。颱風侵襲時的海洋直接觀測是相當罕見的，造成想

要利用模式去準確預報海洋的流動與變化是相當困難的，因此更多颱

風的海洋觀測資料取得變得相當重要。台灣附近海域的夏季流場經常

會受到颱風的影響，在2005年7~9月期間，中央氣象局有發佈颱風警

報的共有7個颱風，其中的海棠(Haitang)颱風侵台期間正好有掃過兩

個位於台灣海峽的浮標，2006年7~9月也有6個颱風發佈了颱風警

報 ， 其 中 的 碧 利 斯 (Billis) 、 凱 米 (Kaime) 、 桑 美 (Saomai) 與 珊 珊

(Shanshan)颱風通過太平洋海面或通過台灣上空時正好有4個浮標

在附近漂流，本節將分析浮標的時序資料以探討颱風對表面流況與水

溫的影響。

圖 5-1 為 2005 年 7~8 月編號 41260(紅色)與 56416(藍色)浮標 與強烈颱風海棠(Haitang,綠色)軌跡圖，7 月 16~18 日浮標軌跡受到 海棠颱風影響而轉向，海棠颱風中心最大風速 55 m/s。圖 5-2 為 2005 年 7 月 13~22 日中央氣象局馬祖測站的風速、U、V 以及浮標 41260 與 56416 流速、U、V、SST 時間序列圖，其中風資料是由當地時間 改成格林威治標準時間(UTC)以便和浮標資料作比對，海棠颱風影響 到台灣海峽時間為 7 月 17~19 日，時間序列顯示最大浮標流速達到 1.7 m/s，而水溫也在短時間降低了 3~4 度，Lin et al.(2003)利用遙測 衛星資料觀測颱風造成的海表溫冷卻效應也指出，颱風造成海表溫度 比周圍海域低約 6℃。浮標流速與中央氣象局馬祖測站的每小時平均 風速關係良好，最大平均風速 15 m/s 與最大浮標流速 1.7 m/s 皆出 現在 7 月 18 日，風速開始增加的時間與浮標流速開始增加的時間幾 乎沒有時間差。藍色浮標 56416 開始轉向的時間 17 日 0 時(UTC)也 就是紅色浮標 41260 流速開始增強的時間，當時馬祖的每小時平均 風速從 12 小時前的 3 m/s 增強到 5 m/s。浮標上的 SST 也是在 17 日 0 時開始下降，17 日 0 時，颱風中心距離浮標海域約 700 km 遠。

圖 5-3 是 QSCAT 衛星 7 月 18 日 UTC 10 點零 4 分時台灣海峽的瞬

間風速，最大瞬間風速超過 40 m/s，當天的浮標漂流流速為藍色箭

頭，海峽內向南流速達到最快的 1.7 m/s，流向大約在風向的右方 20~40 度，與艾克曼理論值大致吻合。

本研究在 2006 年 6~10 月自行施放的浮標有四顆分別於 7 月 12~16 日、7 月 23~26 日以及 9 月 14~16 日剛好受到碧利斯(Billis)、

凱米(Kaemi)、珊珊(ShanShan)颱風的影響，碧利斯(Billis)與凱米 (Kaemi)是從太平洋幾乎以直線的路徑由東向西經過台灣，珊珊 (Shanshan)颱風路徑較為曲折，由南向北直接侵襲沖繩群島。圖 5-4 為 2006 年 6~10 月四顆(63097、63098、63099 與 63101)受到碧利 斯(Billis)、凱米(Kaemi)、珊珊(ShanShan)颱風影響的浮標軌跡，圖 中的顏色方塊為該颱風經過時影響浮標較明顯的範圍，例如紅色框框 為珊珊(Shanshan)颱風影響的浮標軌跡範圍，圖 5-5~5-7 分別為碧利 斯(Billis)、凱米(Kaemi)與珊珊(Shanshan)颱風形成前後 10 天的浮標 流速、U、V 與 SST 時間序列變化，碧利斯(Billis)颱風期間在 7 月 12 日有浮標最大流速 1.7 m/s，但是該浮標隔天水溫才下降了 4°C。

Lin et al. (2003)利用 QSCAT 衛星風速與衛星 SST 資料分析颱風資

料顯示颱風風速變化與當地 SST 變化值相關性良好，當颱風風速變

化 1 m/s，則 SST 變化 1°C，因此可由 SST 的變化值推估風速的變

化。凱米(Kaemi)颱風時，觀測到的最大流速較小，約為 1.1 m/s，珊

珊(Shanshan)颱風時觀測到的浮標最大流速達 2.0 m/s，另外，從颱

風通過後的浮標流速、U、V 的序列資料皆可看到略大於一日週期的 震盪。圖 5-8 為 2006 年珊珊(Shanshan)颱風通過後浮標 63097 的 10 天流速時間序列變化與頻譜分析結果，當時浮標所在緯度為 23.5°N，慣性週期約為 30.1 小時。圖 5-9 同樣是珊珊(Shanshan)颱 風通過後浮標 63101 的流速時間序列變化與頻譜分析結果，當時浮 標所在緯度為 21°N，慣性週期約為 33.5 小時;從速度時間序列圖即 可看出有明顯大於一天的震盪週期，頻譜分析結果顯示能量密度較高 值出現在在半日頻率與慣性頻率，此資料顯示珊珊(Shanshan)颱風 過後約 10 天期間內主要由半日潮與慣性力主導。

圖 5-10~5-12 分 別 為 碧 利 斯 (Billis) 、 凱 米 (Kaemi) 、 珊 珊 (Shanshan)颱風經過浮標當時浮標的流速與當時的 QSCAT 瞬間風 速，風速與流速的夾角ㄧ般都符合 Ekman 理論，北半球表層流向約 在風向右方 45 度的位置，而當時 QSCAT 的浮標海域的瞬間風速分 別為 15、18 與 37 m/s，而當時浮標的流速約為 1.7、1.1 與 2.0 m/s。

為了瞭解颱風風力改變對於表層流速變化的影響，本研究分析了海棠 颱風通過台灣海峽北部附近三天的氣象局馬祖測站每小時平均風速 變化平方與浮標編號 41260 海流變化之間的相關性，由於風應力

2 wind Dv ρC

τ =

， 其 中 ρ 為 空 氣 密 度 ( 約 為 1.3 kg/m

³

) ， C

D

為 drag

coefficient，v

_wind

為離海面 10 公尺的風速，因此本研究分析風速變化

的平方 δv

wind

2

與流速變化絕對值

δv_current

之間的相關性。圖 5-13a 為 氣象站風速變化平方 δv

wind

2

與浮標流速變化絕對值

δv_current

之間的相 關係數對延遲時間的關係圖，結果顯示 δv

wind

2

與

δv_current

在沒有延遲時

相關係數是最好的，相關係數(Correlation coefficients, R)為 0.85。

圖 5-13b 是 time lag 等於 0 hr 時， δv

wind

2

與

δv_current

的資料散佈圖，對

於颱風期間稀少的觀測流速而言，是相當不錯的結果，此迴歸線顯示 馬祖氣象站在颱風侵襲期間每小時平均風速增加 3 m/s (風速平方增 加 9 m

²

/s

²

)，浮標觀測流速約增加 0.52 m/s。

5-2 夏季因颱風造成黑潮入侵東海陸棚的現象

黑潮在東海陸棚上的入侵現象已被許多研究確定(Hsueh et al.,

1992; Tang and Yang, 1993; Chuang and Liang, 1994)。Chuang

and Liang (1994)指出當九月中旬東北季風增強後的一個月，入侵現

象開始發生，除了東北季風以外還有幾個原因是造成冬季黑潮入侵的

可能原因，包括風場的時間與空間變化、海洋熱量的損失、台灣海峽

出流(outflow)的強度(Liu et al., 1992)等因素，而夏季黑潮入侵的原因

被認為與颱風過境有關，Chern et al (1990)也指出水文探測資料發現

在颱風過境後黑潮水漫延在東海陸棚上。圖 5-14 是本研究施放的三

顆浮標(63098、63088、63090)從黑潮流域入侵到東海陸棚上的漂流

日與 2006 年 8 月 9~11 日通過東海陸棚附近。當碧利斯(Billis)颱風 於 7 月 13 日到達台灣附近時，浮標 63098 剛好位於台灣東北角外 海，圖 5-15a 是 7 月 13 日浮標流速與 QSCAT 風速分布圖，很清楚 看到當時碧利斯(Billis)颱風的風速在浮標海域約 20 m/s，風向為北北 西，浮標流向約在風向右方 45 度，流速約 1.1 m/s，意味當時黑潮水 正快速入侵到東海陸棚。另外兩個黑潮入侵到東海陸棚的事件是發生 在 2006 年 8 月 9~11 日桑美(Saomai)颱風過境東海陸棚時，浮標 63090 與浮標 63088 的漂流流向在 2006 年 8 月 9 日都是往向陸棚流 動的，浮標 63090 當時所在的海域風速約 15 m/s，因此浮標的流速 也較小，約只有 0.6 m/s(圖 5-15b)。浮標 63088 流速也約只有 0.4~0.5 m/s，而浮標所在海域當時剛好沒有 QSCAT 風速資料，因為 QSCAT 為繞極軌道衛星，風速測量軌道寬度無法涵蓋全球，因此每天有某些 海域會是無資料的。本研究觀測到三次因為夏季颱風通過所造成黑潮 海水入侵東海陸棚的事件，颱風通過的路徑都是在浮標軌跡的南方，

正因為颱風的風向在北半球是逆時針轉，因此颱風中心通過黑潮時，

在颱風中心北方的黑潮水才能快速入侵到東海陸棚上，因此颱風的通

過路徑也直接影響著哪一海域的水將入侵到東海陸棚，本研究有助更

進一步了解夏季因颱風造成黑潮入侵東海陸棚的過程。

圖 5-1 2005 年 7~8 月編號 41260(紅色)、56416(藍色)浮標與強烈颱

風海棠(Haitang,綠色)軌跡圖，7 月 17~19 日的浮標軌跡受到颱風影

響而完全改變先前浮標的走向

圖 5-2 2005 年 7 月 13~22 日中央氣象局馬祖風速測站的風速、U、

V 以及浮標 41260 與 56416 的流速、U、V、SST 時間序列圖

圖 5-3 2005 年 7 月 18 日 QSCAT 風速(黑色箭頭、顏色和白色 contour)

與浮標流速(藍色箭頭)

圖 5-4 2006 年 6~10 月四顆受到碧利斯(Billis, 06/07/12~16)、凱米

(Kaemi, 06/07/23~26)、珊珊(ShanShan, 06/09/14~16)颱風影響的浮

標軌跡，圖中的顏色方塊為該颱風經過時所影響的浮標軌跡，例如紅

色框框為珊珊颱風影響的浮標軌跡範圍

圖 5-5 四顆浮標在 2006 年 7 月 9~19 日的(a)流速、(b)U、(c)V 與

(d)SST 時間序列變化，(Billis, 06/07/12~13)

圖 5-6 四顆浮標在 2006 年 7 月 19~29 日的(a)流速、(b)U、(b)V 與

(d)SST 時間序列變化，(Kaemi, 06/07/23~26)

圖 5-7 四顆浮標在 2006 年 9 月 12~22 日的(a)流速、(b)U、(c)V 與

(d)SST 時間序列變化，(ShanShan, 06/09/15~16)

圖 5-8 2006 年珊珊(Shanshan)颱風通過後浮標 63097 的 10 天頻譜

分析結果

圖 5-9 2006 年珊珊(Shanshan)颱風通過後浮標 63101 的 15 天頻譜

分析結果

圖 5-10 2006 年 7 月 12 日(碧利斯颱風, Billis)浮標流速(紅色箭頭)與

QSCAT 風速(黑色箭頭、顏色和白色 contour)

圖 5-11 2006 年 7 月 23 日(凱米颱風, Kaemi)浮標流速(紅色箭頭)與

QSCAT 風速(黑色箭頭、顏色和白色 contour)

圖 5-12 2006 年 9 月 15 日(珊珊颱風, Shanshan)浮標流速(紅色箭頭)

與 QSCAT 風速(黑色箭頭、顏色和白色 contour)

圖 5-13 (a)氣象站風速變化平方 δv

wind

2

與浮標流速變化絕對值

δv_current

延遲時間 time lag 之間相關圖，(b) δv

wind

2

與

δv_current

之間的相關(time

lag=0 hr)

圖 5-14 2006 年 7~9 月三顆浮標受碧利斯(Billis)與桑美(Saomai)颱風

影響的浮標軌跡

圖 5-15 2006 年(a) 7 月 13 日(碧利斯颱風, Billis)與(b) 8 月 9 日(桑美

颱風, Saomai)浮標流速(紅色箭頭)與 QSCAT 風速(黑色箭頭、顏色

和白色 contour)

第六章 台灣海峽流場與流量之觀測-三船聯合觀測

6-1 相位平均法應用與誤差估算

台灣海峽流場的三船聯合觀測研究是利用 Sb-ADCP 直接觀測流 速，並利用相位平均法來移除潮流分量。過去，相位平均法已經常常 被海洋學者使用來當成濾除潮流分量的工具，為了要檢驗相位平均法 的準確性與估算此方法所產生的誤差，本研究做了以下的數值計算，

將相位平均法應用於一組合成的潮流資料。計算結果所得到的剩餘流 速，也可代表相位平均法的估算偏差(estimation bias)，V

EB

，可以用 以下的數學式表示

∑ ∑

⁻

= =

Φ

− Δ +

=

¹

0 1

)]

) (

cos(

1

^N

[

i M

q

q q

q

EB

C t ti

V N ω , (8)

C

_q

, ω

_q

和 Φ

_q

分別是第 q 個分潮流的振幅、角頻率和相位 ， q 表示第 q 個分潮流, M 是使用分潮流的總數, t 是時間，

Δt

是同一個觀測點觀 測的時間間隔, N 表示有 N 趟觀測(N = 2, 3, 4, 5 分別代表 2, 3, 4, 5 相位平均法)， i 表示第 i 趟觀測，理論上定點海域的 C

q

和 Φ

_q

值 是定 值，而 ω

_q

也是定值，唯一可以改變的變數是

Δt

值，因此相位平均法 可以利用控制

Δt

來獲得較小的 V

EB

值。圖 6-1 是在不同 form ratio (F

= 0 ~3，F = (K

₁

+O

₁

)/(M

₂

+S

₂

)，亦即為主要全日分潮的振幅和與主要

半日分潮振幅和的比例)潮型水域，應用各種相位平均法後的平均未

移除潮流與當時使用觀測間隔的關係圖，在我們的計算裡假設 M

2

和 S

₂

的振幅是相同的， K

1

和 O

₁

也有相同的振幅，四個分潮的總合是 100 cm/s。針對四種不同潮型做計算,F = 0 (半日潮, K

₁

= O

₁

= 0, M

₂

= S

₂

= 50 cm/s), F = 1, (混合潮偏向半日潮, K

₁

= O

₁

= M

₂

= S

₂

= 25 cm/s)，F = 2 (混合潮偏向全日潮, K

₁

= O

₁

= 33 cm/s, M

₂

= S

₂

= 16.5 cm/s) and F = 3 (全日潮, K

₁

= O

₁

= 37.5 cm/s, M

₂

= S

₂

= 12.5 cm/s)。

圖中 x 軸是時間間隔

Δt

，y 軸是未移除的潮流 V

EB

，兩相位平均 法除了在 F=0 的海域濾潮效果良好之外，當 F>1 之後，未濾除潮流 皆大於 10 cm/s。另外 3, 4, 5 相位平均法只要使用特定的觀測間隔，

不管在哪種潮型皆有不錯的濾潮效果，例如 3 相位平均法在大約 8 小時觀測間隔，平均未移除的潮流流速約只剩下 2 cm/s。4 相位平均 法的觀測間隔落在 6 小時附近，5 相位平均法的觀測間隔落在 5 小時 附近，平均未移除的潮流皆小於 2 cm/s。除了 V

EB

的第一個最小值以 外，3, 4, 5 相位平均法的 V

EB

第二個最小值分別出現在間隔為 16, 12 和 10 小時附近。也就是說如果測線過長，無法在 V

EB

第一個最小值 的觀測時間做重複觀測時則可以考慮 V

EB

第二個最小值的觀測時 間，甚至考慮第三個最小值的觀測時間。

圖 6-2 是利用澎湖水道的五個主要分潮之調和常數經過再合成

之後的潮流時間序列，與不同相位平均法未能濾除的潮流速度。此海

流資料為錨碇於澎湖水道 1996 年 6 月 22 日~11 月 19 日的 ADCP 觀測資料(台大海洋所唐存勇教授提供)，資料長度約 5 個月，觀測深 度為 30 ~ 290 m，垂直間距為 10 m。表 6-1 為底碇式 ADCP 30 m 深度的南北向海流調和分析的結果。結果顯示 2 phase、3 phase、4 phase 與 5 phase 未能濾除的潮流平均流速分別為 4.55、1.25、0.31 和 0.25 cm/s，所對應的澎湖水道流量誤差分別為± 0.13、± 0.04、±

0.008 和± 0.007 Sv。其中以 2 phase 平均法的誤差最大，誤差的變

化也最大，如果選在小潮(neap tide)的時候跑 2 phase 平均法，濾潮 效果較好，因為小潮時的潮流相當接近半日潮流。大潮時使用 2 phase 平均法則誤差較大，約有 20 %的潮流無法濾除。其他方法就比較沒 有選擇時間的限制，濾潮效果都相當顯著。

本研究利用 B 測線(澎湖水道)三個航次的 Sb-ADCP 資料來驗證 相位平均法的適用性， 2003 年 9 月 15~18 日的 B 測線共測試了 3、

5 和 2 相位平均法，沿著 B 測線總共做了來回 10 趟的監測，測線上

任一點都有 20 點的時間序列的觀測資料，因此 B 測線除了做相位平

均法的分析，也做了最小平方法分析(Simpson et al. 1990)，圖 6-3a,

b, c 和 d 分別為 2003 年 9 月 15~18 日利用三相位、五相位、兩相位

平均法和 S90 分析(Simpson et al., 1990)的平均流速分佈結果。除了

2 相位平均法流速偏大外(>1 m/s)，其餘 3、5 相位平均法與 S90 分 析流速分佈都相當類似，最大流速介於 0.8 m/s 與 1 m/s 之間。

2004 年 3 月 29~31 日 B 測線的實驗，我們在 24 小時 50 分完 成四個來回的測線監測(4R 相位平均法)，每一趟監測費時 3.06 小 時，因此有六個兩相位平均法的結果，另外有一次 4R 相位平均法的 結果，另外也利用 S90 最小平方法分析迴歸 M

2

與 K

1

函數。

表 6-1 澎湖水道 1996 年 6~11 月底碇式 ADCP 30 m 深度的南北向 海流之調和常數

NO. NAME FREQ. (c.p.h) A (m/s) G (degree) 1 M

₂

0.08051140 0.2367 242.66 2 O

₁

0.03873065 0.0866 87.15 3 K

1

0.04178075 0.0582 136.63 4 S

2

0.08333334 0.0559 282.08 5 N

2

0.07899925 0.0392 227.60

圖 6-4 為 PHC 2004 年 3 月 29~31 日 4R 相位平均法、六個 2 相位平均法與 S90 分析結果。所有的流速最大值都很類似，澎湖水 道中央最大的表層流速約為 0.6 m/s。當時仍然吹著 6 m/s 的東北風，

因此使得 PHC 的流速減弱。4R 相位平均結果與 S90 分析結果的流

速分佈相當吻合。2004 年 7 月 27~30 日的實驗共沿著 PHC 測線完

成 11 個來回的監測，前六個來回監測設計去跑 5 相位平均法，後五

個來回監測設計去跑 3 相位平均法，額外多跑幾趟的監測可以增加更

多的相位平均法結果來互相比對。此航次每個測線位置皆有 22 點時 間序列的觀測資料，除了使用 S90 最小平方法分析外，另外也增加 了 W04 最小平方法的分析(Wang et al., 2004)。圖 6-5 為 PHC 2004 年 7 月 27~30 日各種相位平均法、S90 與 W04 分析的結果，所有的 結果都顯示在澎湖水道中央有一個大約 1 m/s 的流速最大值。

6-2 三船聯合觀測

本研究一共完成了三次聯合探測，每次探測都收集了台灣海峽北 部和南部兩條斷面的 Sb-ADCP 資料，經過相位平均處理過程以後，

圖 6-6 為台灣海峽 2002 年 8 月 7~9 日垂直與平行於測線 A, B 和 C 分量的淨流速(相位平均法後移除潮流分量後的流速)。垂直測線的流 速分量比平行測線的分量大的多，垂直測線 A(台灣海峽北部)分量的 流速在海峽東西兩側各有一個流速核心，流速約為 0.6 m/s，此結果 與林(2005)所述西南季風時期台灣海峽內存在兩股北上的海流相 似。垂直測線 B (澎湖水道) 分量的最大流速達到 1.5 m/s，流速核心 位於水道中央，流速向兩側與底部遞減。垂直測線 C(澎湖以西到金 門)的最大流速分布於測線表層中央，最大流速約為 0.4 m/s。圖 6-7 為 2003 年 9 月 15~17 日垂直與平行測線 A, B 和 C 分量的淨流速。

這個航次海研二號的 ADCP 故障，因此測線 A 的資料空白。垂直測

速為 0.8 m/s，較 2002 年 8 月的 1.4 m/s 小。不過流速核心仍然位於 澎湖水道中央，流速也向兩側與底部遞減。另一方面，垂直測線 C 的流速則較 2002 年 8 月大，最大流速超過 0.4 m/s。

圖 6-8 為 2004 年 3 月 29~31 日垂直與平行測線 A, B 和 C 分量 的淨流速。垂直測線 A 的分量流速核心靠近台灣，流速約為 0.6 m/s，

流速往大陸方向遞減。垂直測線 B 的最大流速 0.6 m/s，流速核心位 於水道中央，流速向兩側與底部遞減。此航次的垂直測線 C 流速最 小，平均只有約 0.2 m/s，這個航次是在初春時節東北季風勢力仍然 籠罩台灣海峽時所完成的，因此流速較小。圖 6-9 左邊 3 張圖是三個 航次水深 16 m 的淨流速與流量圖。三個航次的流量都是向北傳遞，

海峽南邊的流量分別為 3.4、3.6 與 2.8 Sv，與海峽北邊的流量相比

數值幾乎都相同，因此體積守恆(conservation of volume)的定理也得

到證實。2002 年 8 月澎湖水道較澎湖以西的流量大 0.4 Sv，2003

年 9 月澎湖水道較澎湖以西的流量略小 0.2 Sv，2004 年 3 月兩者流

量都是 1.4 Sv，可見澎湖水道的寬度雖然僅佔了整個台灣海峽的 1/4

左右，但是因為流速大而且水較深，因此其流量佔了整體流量的一半

左右。根據 S1~S6 測站(圖 1)的錨碇海流資料，估算三條測線當時採

用的相位平均法未濾除潮流的流速皆小於±0.02 m/s，流量的誤差小

於±0.1 Sv。圖 6-9 右邊 3 張圖為三個航次期間 QSCAT 衛星所測量

在文檔中 台灣海峽及附近海域之流場觀測分析 (頁 68-110)