副熱帶反流區的渦漩對東海黑潮傳輸量之影響

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(1)國立臺灣師範大學海洋環境科技研究所碩士論文. 副熱帶反流區的渦漩對東海黑潮傳輸量之影響 The Impact of Subtropical Counter Current Eddies on Kuroshio Transport off East China Sea. 研究生：黃茂城指導教授：張育綾博士. 中華民國一 O 四年六月.

(2) Abstract In this study, 20 years JCOPE2 reanalysis data is used to study the effect of mesoscale eddies on Kuroshio east of East China Sea. These eddies come from Subtropical Counter Current (STCC) region, where is recognized as baroclinically unstable area. In eddy-rich years, the upstream Kuroshio is stronger and deeper. The Kuroshio path also shifts eastward. Generally, the warm eddies increase Kuroshio transport and the cold eddies weaken the Kurshio. However, the exceptions are also observed due to the related location where eddies passed by. According to geostrophic relation, transport is calculated taking the sea surface height difference (ΔSSHA) from two sides of current. Gawarkiewicz et al. (2011) proposed the sea surface height anomaly (SSHA) at (123.2oE,23.9oN) can be the proxy of Kuroshio transport based on the good correlation between the SSHA and 20 months observed Kuroshio transport. We explain their idea and extend the time period using satellite altimeter data. The result shows that the SSHA variability at open ocean side has much greater magnitude than the near-shore side due to the effect of STCC eddies. The Kuroshio transport variation (ΔSSHA of two sides) is mainly influenced by the SSHA on oceanic side, so that the single station can serve as the proxy of Kuroshio transport. We apply this idea along the Kuroshio path. The result shows that single points SSHA variability on the open ocean side can account for the Kuroshio variability in STCC eddy effective area. This results address the importance of eddies on Kuroshio transport.. Keyword: Kuroshio transport, Eddy, STCC. I.

(3) 摘要在本研究中，我們使用 20 年的模式再分析資料來測量當渦漩通過之時，渦漩對黑潮傳輸量的影響。這些渦漩來自於副熱帶反流區，一個斜壓不穩定的區域。在渦漩活躍的時期，上游靠近台灣東部的黑潮較平時還要強，主軸的深度更深，且主軸也較平時往東偏移。研究結果發現，黑潮的傳輸量在暖渦通過時增強，冷渦通過時減弱。此外，在冷渦通過測線的過程中有部分流速及傳輸量增加的情況，而此現象與渦漩穿過測線的位置有關。一般而言，傳輸量的計算須藉由海流兩側的海表面高度差來計算，然而，Gawarkiewicz et al. (2011) 藉由台灣東部外海 (123.2o E,23.9o N) 海表面高度異常值和 20 個月的觀測資料有良好的相關性提出，使用單一點的海表面高度異常值，能夠表示黑潮的傳輸量變化。為了驗證與說明這個想法，我們由海表面高度資料得知，由於副熱帶反流區渦漩的影響，靠大洋側的變化較靠陸地側的還大，因此黑潮傳輸量(兩側高度差的變化)主要被靠近大洋側的海表面變化影響。接著我們延伸此想法，沿著黑潮取了多條側線。結果顯示在副熱帶反流渦漩的影響區域之內，右側單點的海表面高度異常值變化能夠顯著代表黑潮的變化，指出了渦漩對黑潮變化的重要性。. 關鍵字：黑潮傳輸量、渦漩、副熱帶反流. II.

(4) 目錄 Abstract ...........................................................................................................................I 摘要............................................................................................................................... II 目錄.............................................................................................................................. III 圖表目錄....................................................................................................................... V 第一章緒論................................................................................................................ 1 1.1 研究區域........................................................................................................ 1 1.2 文獻回顧........................................................................................................ 6 1.3. 研究動機....................................................................................................... 8. 第二章研究資料與研究方法.................................................................................... 10 2.1. 資料簡介.................................................................................................... 10. 2.1.1 衛星資料.................................................................................................... 10 2.1.2 實測資料.................................................................................................... 10 2.1.3 模式資料.................................................................................................... 11 第三章研究結果........................................................................................................ 14 3.1. 相關性分析................................................................................................. 14. 3.2. Eddy-Rich Year 及 Eddy-Poor Year .......................................................... 17. 3.3. 傳輸量受到強渦漩事件的影響................................................................. 29. 3.3.1 沖繩島東邊的 S3 測線 ............................................................................. 29 3.3.2 沖繩島西邊的 S2 測線 ............................................................................. 38 3.3.3 台灣東方的 S1 測線 ................................................................................. 44 3.3.4 由 AVISO 資料驗證 .................................................................................. 51 第四章討論與結論.................................................................................................... 59 4.1. G0 的傳輸量和 MSLA 高度資料的關係.................................................. 59. 4.2. 結論............................................................................................................. 65 III.

(5) 4.2.1. 相關性分析及 Gawarkiewicz 的論點 .................................................... 65. 4.2.2. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year.................................................................. 66. 4.2.3. 強渦漩事件的影響.................................................................................. 67. 4.3. 未來工作..................................................................................................... 69. 參考文獻...................................................................................................................... 70. IV.

(6) 圖表目錄圖 1-1. 研究區域 ......................................................................................... 3. 圖 1-2. 流場分布圖及研究測線 ................................................................. 4. 圖 1-3. 北太平洋渦漩動能分布圖 ............................................................. 5. 圖 2-1. 溫鹽圖 ........................................................................................... 12. 圖 2-2 JCOPE2 溫度、鹽度時間序列分析 ............................................ 13 圖 3-1. PCM-1 傳輸量及 G0 點 SSHA 時間序列及其相關性 ............... 14. 圖 3-2. G0 點 SSHA 及 IS－KL 時間序列及其相關性 .......................... 16. 圖 3-3. 渦漩動能及流速分布平均圖 ....................................................... 18. 圖 3-4. 渦漩活躍程度時間序列 ............................................................... 19. 圖 3-5. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S1 ...................................... 23. 圖 3-6. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S5 ...................................... 24. 圖 3-7. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S6 ...................................... 25. 圖 3-8. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S2 ...................................... 26. 圖 3-9. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S3 ...................................... 27. 圖 3-10. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S4 .................................... 28. 圖 3-11 S1 至 S3 測線相對位置圖及 Hovmöller diagram ..................... 31 圖 3-12 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島東方的 S3 測線 .................... 33 圖 3-12 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島東方的 S3 測線 .................... 34 圖 3-13. 暖渦流速剖面複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線 ............... 35. 圖 3-13. 冷渦流速剖面複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線 ............... 36. 圖 3-14. 傳輸量複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線 ........................... 37. 圖 3-15 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島西方的 S2 測線 .................... 39 圖 3-15 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島西方的 S2 測線 .................... 40 V.

(7) 圖 3-16. 暖渦流速剖面複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線 ............... 41. 圖 3-16. 冷渦流速剖面複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線 ............... 42. 圖 3-17. 傳輸量複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線 ........................... 43. 圖 3-18 SSHA 複合平均分布圖－台灣東方的 S1 測線 ........................ 46 圖 3-18 SSHA 複合平均分布圖－台灣東方的 S1 測線 ........................ 47 圖 3-19. 暖渦流速剖面複合平均圖－台灣東方的 S1 測線 ................... 48. 圖 3-19. 冷渦流速剖面複合平均圖－台灣東方的 S1 測線 ................... 49. 圖 3-20. 傳輸量複合平均圖－台灣東方的 S1 測線 ............................... 50. 圖 3-21 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線 ....... 53 圖 3-21 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線 ....... 54 圖 3-22. 傳輸量複合平均圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線 .............. 55. 圖 3-23 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線 ........... 56 圖 3-23 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線 ........... 57 圖 3-24. 傳輸量複合平均圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線 .................. 58. 圖 4-1. 測線 S1 兩端 SSHA 差值(ΔSSHA)及 G0 點 SSHA 年際變化 .. 61. 圖 4-2. 測線 S1 右端點及左端點 SSHA 年際變化 ................................. 62. 表 4-1 G0 點的 SSHA 及各測線傳輸量相關係數表 ............................. 63 圖 4-3. 渦漩動能分布及測線 K1 至 K10 指示圖 ................................... 64. VI.

(8) 第一章緒論. 1.1 研究區域. 本研究的研究區域涵蓋西北太平洋( 120 o E-135 o E，20 o N-35 o N ，圖 1-1)。台灣、琉球群島與日本一側連接太平洋，另一側與邊緣海相連，邊緣海包括中國東方的東海及黃海，另外還有日本西方的日本海，大洋的水深比較深，而邊緣海較淺。台灣東方連接太平洋與東海之間的通道稱為台灣東邊通道 ( East Taiwan Channel, ETC )，而在日本南方及琉球群島的北方，連接太平洋與東海的通道則稱為圖克拉海峽 ( Tokara Strait )。琉球群島的西側與東海陸棚交會處為沖繩海槽。在本研究的範圍之內有一股非常強勁的西方邊界洋流：黑潮 ( Kuroshio )。黑潮為北赤道洋流在菲律賓的民答那峨島東方向北流的分支，它向北流會經過呂宋海峽以及台灣，通過台灣東邊通道進入東海。進入東海後沿著沖繩海槽往東北方向流動，然後再由圖克拉海峽離開東海。離開東海後會沿著日本九州及四國往東北方前進，最後在 35 o N 左右的位置形成黑潮尾流或稱為黑潮延伸流 ( KuroshioExtension, KE) (圖 1-2 ) [Qiu et al., 1991]。北半球的熱帶、副熱帶地區，其盛行風為東北信風，而在 40 o N 左右的高緯地區則是西風，因此在大洋上便產生順時針方向的風應力旋度場。遵守 Sverdrup 理論，海水流動的方向和風應力旋度的方向有直接的關聯 [Sverdrup, 1947] 。因此在熱帶、副熱帶區域應為西向的海流，即北赤道洋流 ( North Equatorial Current, NEC )。然而在西北太平洋的 20 o N-25 o N 之間有一股東向的海流：副熱帶反流 ( Subtropical Counter Current, STCC )，因為和 Sverdrup 理論中副熱帶地區的流向相反，所以稱之為反流。. 1.

(9) 副熱帶反流的深度很淺，約 50 至 60 公尺深，流動速度也很慢，平均流速約為 0.2 m/s [Qiu and Chen, 2010]，而在次表層水深深於 100-200 公尺為向西流動的北赤道洋流。垂直方向的速度剪切會造成海水的不穩定，稱為斜壓不穩定 ( Baroclinic Instability )。因為斜壓不穩定而產生渦漩 ( Eddy )，使得副熱帶反流附近的海域具有較高的渦漩動能 ( Eddy Kinetic Energy ,EKE ) [Qiu et al., 2008]，這些區域稱做渦漩活躍帶 ( Eddy rich zone )，此外這些渦漩會依照羅斯比波 ( Rossby Wave ) 的特性持續向西傳遞。副熱帶反流的區域因為斜壓不穩定而產生許多渦漩，使得該區域的渦漩動能形成高值，而另一個具有高渦漩動能的區域是黑潮及黑潮延伸流，也就是日本的東方以及東南方海域且約在 35 o N 的位置 (圖 1-3)。日本東方的黑潮延伸流路徑會出現大幅度的擺盪 (Meander) 現象，並且發現該海域有許多渦漩的存在，而在黑潮延伸流南方的回流 ( Recirculation Gyre ) 則會增加海流本身的傳輸量大小 [Qiu and Chen, 2011]。. 2.

(10) 圖 1-1. 研究區域. 上圖是本研究的研究區域及地理位置，經緯度的範圍分別為 120 o E 至 135 o E， 20 o N 至 35 o N。圖中的 X 及 Y 軸分別為經度和緯度，底圖顏色表示為海水的深度 (單位：公尺) 。. 3.

(11) 圖 1-2. 流場分布圖及研究測線. X 及 Y 軸分別為經度和緯度，底圖顏色表示為海水的深度 (單位：公尺) 。白色實為本研究將要進行分析的測線 S1 到 S6，箭頭代表流速及其方向，藍色箭頭表示其流速大於 0.5 m/s，黑色則是小於 0.5 m/s。. 4.

(12) 圖 1-3. 北太平洋渦漩動能分布圖. 底圖顏色代表為渦漩動能 (單位：m2/s2 )，等值線同樣為渦漩動能，由 0.12 到 0.22，間隔為 0.02，由 AVISO 資料合成。. 5.

(13) 1.2 文獻回顧. 中尺度渦漩 ( Mesoscale Eddy ) 在海洋中的空間尺度為 100 km 到 500 km，而時間尺度則是 50 到 200 天，渦漩對於海洋的變化占有一定的份量 [Robinson , 1983]。渦漩通常被分為兩種類形，一種是依照順時針旋轉的，稱為反氣旋式渦漩 ( Anti-Cyclonic Eddy )，在北半球的反氣旋渦常為暖渦 ( Warm Eddy ) ，暖渦為幅合 ( Convergent ) 的系統，海水會向渦漩中心堆積然後再往下沉，因此等溫線也變得比較深。導致渦漩的溫度較周圍溫暖，並且中心的海水表面高度 ( SSH ) 較高。另外一種則是逆時針旋轉，稱為氣旋式渦漩 ( Cyclonic Eddy )，在北半球通常為冷渦 ( Cold Eddy )，冷渦相反於暖渦，為幅散的系統，海水會流向四面八方，再由較深的海水向上補充，使渦漩的溫度較周圍低，且中心的海水表面高度較低。暖渦在向西傳遞的過程中，會往赤道方向偏移，而冷渦則是相反，向極區的方向偏移 [Chelton et al., 2007]。由於暖渦中心的海水面高度會較平時還高，而冷渦則和暖渦相反，海水面的高度會較平時來得低，所以 SLA ( Sea Level Anomalies ) 或 SSHA ( Sea Surface Height Anomaly ) 常被利用來了解是否有渦漩的存在。而副熱帶反流產生的渦漩，其直徑大小約為 150 km 到 300 km，並且海水面高度異常 (即 SSHA 或 SLA) 的範圍介於 0.1 m 之間 [Chelton et al., 2011]。 [Hwang et al., 2004] 發現抵達台灣東南方海域的中尺度渦漩，其發源地為副熱帶反流並且會沿著 22 o N- 24 o N 向西傳遞。副熱帶反流的渦漩分布由台灣東方一直延伸到國際換日線，且緯度介於 17 o N 到 27 o N 之間 [Chang and Oey, 2014]。 [Hwang et al., 2004] 的文章指出，由 TOPEX/Poseidon 的高度計資料觀察到，在 22 o N 附近的渦漩移動速度約為 8 km/day。此外渦漩的移動方向可能會因為碰到地形或是與其他的渦漩產生互動而改變。27o N 以北的渦漩主要是來自於黑潮延伸流，由於黑潮在 35 o N 的位置向東成為黑潮延伸流之後，不再有陸地依靠做為 6.

(14) 邊界，因此黑潮延伸流非常的不穩定，常會造成蜿蜒或是擺盪 (Meander) 的現象，而形成套流。然而蜿蜒到一定的程度之後，流的路徑會截彎取直，原本為套流的部分會成為暖心渦 ( Warm Core Ring ) 或是冷心渦 ( Cold Core Ring ) 。同樣地，這些渦漩也會向西方傳遞，最後到達日本的東方。黑潮延伸流造成的渦漩，其範圍介於 27oN 到 40oN，155oE 到 180oE 之間。[Chelton et al., 2011] 在經典的理論中認為西方邊界流是遵守 Sverdrup 理論所驅動的，而 Sverdrup 傳輸量是由大尺度的風應力旋度所控制，因此 Sverdrup 理論下驅動的西太平洋副熱帶環流主要為季節性變化 [Chang et al., 2015]。[Chao, 1991] 的研究指出，位在台灣東北方的黑潮會受到季風的影響，由於夏季時吹西南季風，因此產生向東南方的艾克曼傳輸 ( Ekman Transport )，有了向東的分量使黑潮遠離岸邊，在冬季時則相反，西北方向的艾克曼傳是因為吹拂著強勁的東北季風，也因此造成黑潮的主軸往陸地方向靠近。[Ichikawa et al., 2008] 則是利用雷達觀測資料，發現黑潮流速增強(減弱)時，黑潮的主軸容易往離岸(近岸)方向移動。此外他也利用海平面高度觀察到西太平洋的中尺度渦漩會影響黑潮的流速，當反氣旋式(氣旋式)渦漩接觸黑潮的時候，黑潮的流速也會跟著增強(減弱)。 [Chang and Oey, 2011] 利用兩地海面的潮位差異作為黑潮傳輸量的指標，研究發現整體的季節訊號非常不顯著，他們指出台灣東北方的黑潮傳輸量在季節以及年際間的時間尺度為副熱帶反流的渦漩所控制。 [Yang et al., 1999] 的文章指出，氣旋式渦漩及反氣旋式渦漩，這種約 100 天周期的渦漩對於台灣東邊的黑潮傳輸量有顯著的影響，反氣旋式渦漩(即暖渦)使海平面高度增高，同時，台灣東邊黑潮的傳輸量較平時來得強，而氣旋式渦漩(冷渦)則是使海平面高度降低，伴隨較平時還弱的黑潮傳輸量。 [Johns et al., 2001] 以及 [Zhang et al., 2001] 這兩篇文章提到在 PCM-1 的錨定串的實際測量實驗資料中，台灣東邊通道黑潮傳輸量的數據也相同有著 100 天周期的訊號存在。而 [Zhang et al., 2001] 更是進一步指出這個 100 天周期的訊號 7.

(15) 和副熱帶反流的渦漩有關。另外，中尺度渦漩也會對圖克拉海峽上的黑潮造成影響，[Ichikawa, 2001] 的文章提到，在沖繩 (Okinawa) 的南方有著 60 天周期的渦漩訊號存在，並且這個訊號可能由慶良間島群間的空隙 (Kerama Gap) 通過而進入東海，最後傳遞到圖克拉海峽。 1.3 研究動機. 海洋實測資料為測量現場的實際情況，因此可以視為最準確的資料，不過卻因為受限於資源的不足，資料難以涵蓋廣大區域，且測量時間通常較短，較不利於長時間的研究。而衛星資料擁有長時間的資料，且資料範圍幾乎擴及全球，但是其資料僅有海表面的資訊，因此無法得知更深層的海水運動情形。數值模擬資料，相較於衛星資料可以有著更細的解析度以及擁有整個垂直分層的資訊，我們能夠更清楚並且完整地了解渦漩與黑潮之間的作用及關聯。因此本研究將使用衛星大範圍且長時間的觀測資料，結合數值模式再分析資料 JCOPE2 更高解析度且包含垂直剖面的模式資料，進行 20 年的研究分析。前一個章節有許多的文章提到黑潮傳輸量的改變和中尺度渦漩之間有很大的關聯，並且說明當反氣旋式渦漩接觸黑潮的時候，黑潮的流速也會跟著增強，相反地，氣旋式渦漩接觸黑潮的時候，黑潮的流速則會減弱。不過前人的文章卻沒有詳細說明當渦漩和黑潮之間接觸的時候，測線上單一點的詳細變化情形，而是將測線上的流速或傳輸量平均或是積分形成一維的資料，再觀察時間序列的變化情形。此外，[Gawarkiewicz et al., 2011] 在文章裡提到，台灣東方海域單點 (即 123.2oE，23.9oN) 的 MSLA 高度資料 (SSHA) 與實際測量得到的黑潮傳輸量數據的相關性非常良好，相關係數達 0.83，並且能夠代表台灣東邊通道的黑潮傳輸量。. 8.

(16) 根據 Gawarkiewicz 的假設，如果衛星高度計的資料 (SSHA) 能夠做為黑潮傳輸量的指標，對於實際觀測來說，便不用花費大量的人力資源以及時間，就能得到長時間且大範圍的資料及結果。對於數值模擬而言，也可以省下大量運算資源與時間。但是其假設尚未提出解釋與說明，因此我們檢查此想法的真實性，然後了解為什麼能夠只利用單點的海表面高度就能代表黑潮傳輸量的原因，接著再來判定他的方法是否可行以及這個方法的正確性是多少。. 9.

(17) 第二章研究資料與研究方法. 2.1 資料簡介. 2.1.1 衛星資料. 本研究所使用的衛星資料是由法國 Archiving Validation and Interpretation of Satellite Oceanography data ( AVISO ) 提供。AVISO 整合來自於 Topex/Posidon、 ERS-1、ERS-2、EnviSat、Jason-1、Jason-2、Cryosat-2 等多個衛星測高儀的數據。本研究採用的資料包含 Updated ( Upd ) 的 DT-MSLA ( Delayed Time - Map of Sea Level Anomalies ) 及同為 Upd 的 DT-MADT ( Delayed Time - Map of Absolute Dynamic Topography ) 。兩種資料都含有經向的速度 V 和緯向的速度 U 以及高度資料。資料的時間解析度皆為 7 天一筆 ( weekly )，空間解析度為 1/3ox1/3o，時間範圍從 1993 年 1 月到 2012 年 12 月共有 20 年的時間。. 2.1.2 實測資料. 本研究使用的實測資料為 The World Ocean Circulation Experiment ( WOCE ) 的其中一項計畫，完整名稱為 WOCE PCM-1 array (以下稱為 PCM-1 資料提供者)。PCM-1 為台灣和美國合作的一項計畫，為了測量進入東海的黑潮傳輸量以及其水文結構。使用錨定的方式將儀器佈署成陣列的形式，測量的期間為 1994 年 12 月至 1996 年 5 月，共 20 個月 [Johns et al., 2001]。資料由 Dr. Johns 所提供。. 10.

(18) 2.1.3 模式資料. 本研究使用的模式資料為 Japan Coastal Ocean Predictability Experiments 2 ( JCOPE2 )，是以 Princeton Ocean Model 為基礎的海洋資料同化模式。模式的整體範圍包含整個太平洋地區 ( 30oS - 62oN , 100oE - 90oW )，空間解析度為 1/4o， 21 個垂直分層，其中邊界條件是使用 Monthly Climatological 的溫度和鹽度資料。區域性的模式資料涵蓋西北太平洋地區 ( 10.5-62oN , 108-180oE ) ，空間解析度為 1/12o，垂直分層共分為 46 層。JCOPE2 高解析度模式使用大洋尺度模式作為邊界條件，且使用 One Way Nesting Method，使用 3：1 的網格比例，將原來的解析度分割為更接近實際的地形，One Way 則表示只切割一次。(可參考 [Guo et al., 2003] )。 JCOPE2 是由風應力、熱通量及鹽通量所驅動，風應力以及熱通量參數的資料來自 6 小時一筆的 NCEP/NACR ( National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research ) 再分析資料，海水表面的鹽度則是由 World Ocean Database 的 Monthly Mean Climatology 資料取得。模式的資料同化是由 AVHRR/MCSST 的 SST ( Sea Surface Temperature )資料，SSHA ( Sea Surface Height Anomaly ) 的資料則來自於 TOPEX/Poseidon、ERS-1、ERS-2、Jason1 以及 Geosat 等多個衛星高度計 Along-Track 資料，GTSPP ( Global TemperatureSalinity Profile Program ) 的現場溫度和鹽度剖面資料，綜合以上多組資料來進行同化作業。. 11.

(19) 在 [Miyazawa et al., 2009] 的文章裡，他將模式資料的溫度以及鹽度和遙測及現場測量的資料進行校驗，在該文章的圖 2 (本文圖 2-1) 為溫鹽圖 ( T-S diagram ) ，指出模式資料和現場測量的資料之間只有些微的誤差。而在 [Miyazawa et al., 2009] 的圖 3 之中，則顯示了邊緣海地區的溫度鹽度分布，出現較大的空間誤差值，然而大洋的誤差則小得多，且兩種資料的相關性係數在大洋區域都在 0.8 之上。圖 4 則為兩種資料在時間上的誤差分析，由 c 圖 (本文圖 22) 中可以看到 Subtropical Region ( 20oN -35oN，130oE -150oE ) 的溫度相關性係數非常得高，大部分時間都高於 0.95，而鹽度的部分則是落在 0.9 左右。 [Miyazawa et al., 2009] 這篇文章中，我們可以得知在副熱帶區域 ( Subtropical Region ) 也就是與本篇文章相同緯度的區域，模式模擬出來的資料與實際的情況是非常接近的。該文章還包含了詳細的模式設定和其他區域海水狀態的描述，資料同化的公式計算也在其中。. 圖 2-1 溫鹽圖 ( From Miyazawa et al, 2009, Fig-2 ) 12.

(20) 圖 2-2 JCOPE2 溫度、鹽度時間序列分析 ( From Miyazawa et al, 2009, Fig-4c ). 13.

(21) 第三章研究結果. 3.1 相關性分析為了驗證 Gawarkiewicz (2011)中提到的論點，123.2oE，23.9oN (以下稱之為 G0 ) 的 SSHA 為測量(台灣東邊通道)黑潮傳輸量變化的指標。因此將現場實測 PCM-1 的黑潮傳輸量及 G0 的 SSHA 的時間序列做相關性的分析 (圖 3-1)，圖中顯示兩參數的變化接近，且得到良好的相關係數為 0.8， 95% 顯著相關係數為 0.22。. 圖 3-1. PCM-1 傳輸量及 G0 點 SSHA 時間序列及其相關性. X 軸為時間，Y 軸對應黑色線為傳輸量(單位: Sv)，對應藍色線為 SSHA(單位: cm)。. 14.

(22) 由於 PCM-1 的資料長度僅有 20 個月，若是對於長時間尺度的分析， Gawarkiewicz 的說法還有待確認。根據地轉平衡關係式： 𝓊𝑔 = −. 1 𝜕𝑃 1 𝜕𝑃 ，𝓋𝑔 = 𝑓𝜌 𝜕𝑦 𝑓𝜌 𝜕𝑥. 科氏力(𝑓)、海水密度(𝜌)以及單位長度(𝑥、𝑦)為常數，因此壓力梯度力(𝑃)為地轉平衡的主要參數。若海面的高度不同，便有壓力梯度力產生。因此本研究使用跨越黑潮兩側的衛星資料，即石垣島－基隆之間 ( Ishigaki－Keelung，IS－KL ) 的絕對地轉高度差 ( ΔMADT )來與 G0 單點的 SSHA，兩者進行 20 年的相關性分析 (圖 3-2)。得到的相關係數為 0.66，95% 顯著相關係數為 0.03。此分析結果進一步指出 G0 對於長時間黑潮傳輸量的研究，也具有良好的可行性。除此之外，前人的研究中常利用 SSHA ( Sea surface Height Anomaly ) 來進行渦漩相關的研究，因此我們也將利用 SSHA ( MSLA 的高度資料) 資料來探討黑潮傳輸量以及渦漩之間的相關性。. 15.

(23) 圖 3-2. G0 點 SSHA 及 IS－KL 時間序列及其相關性. X 軸為時間(年)，Y 軸對應黑色線為 SSHA(單位: cm)，對應紅色線為 MADT(單位: cm)。. 16.

(24) 3.2 Eddy-Rich Year 及 Eddy-Poor Year 渦漩動能 ( EKE ) 的定義為: EKE =. 1. 2. 2. (𝓊′ + 𝓋 ′ ) 2. (3-1). 𝓊′ = 𝓊𝑡 − 𝓊𝑎𝑣𝑔 ( 𝓊t ：𝓊在 t 時間點的速度，𝓊𝑎𝑣𝑔 ：𝓊在所有時間的平均值 ) 𝓋 ′ = 𝓋𝑡 − 𝓋𝑎𝑣𝑔 ( 𝓋t ：𝓋在 t 時間點的速度，𝓋𝑎𝑣𝑔 ：𝓋在所有時間的平均值 ). 由以上公式可以得知，若海水速度的異常值越大，則渦漩動能就越大。假如某海域有渦漩通過，則該海域會受到具有不同流速流向的渦漩所影響，造成𝓊′ 或 𝓋 ′ 有較大的變動，而使渦漩動能出現高值。因此藉由渦漩動能的分布，便能得知渦漩活躍帶 ( Eddy Rich Zone ) 的位置。由圖 1-3 顯示，西北太平洋地區有兩個渦漩動能較高的區域，分別是在黑潮延伸流及台灣東方的海域。然而比較圖 3-3 由 JCOPE2 資料所得及圖 1-3 由 AVISO 資料所得並且在研究範圍內的渦漩動能，可以發現最明顯不同的地方是，JCOPE2 的渦漩動能在台灣島的東南方海域的強度比 AVISO 要低，沖繩附近海域的渦漩動能高值較低且是由日本東南部海域延伸而來，而不是由台灣東南方的高值延伸過去，以及東海北部和日本海的渦漩動能，JCOPE2 較 AVISO 來得高。在測線的選擇方面，除了觀察台灣東方 (S1) 和東海內部 (S5、S6) 以及日本南方 (S4) 的黑潮主軸傳輸量變化之外，也將琉球島弧外的海域 (S2、S3) 納入研究且進行分析。琉球島弧東側的 S2 和 S3 為渦漩向西傳遞後，首先會接觸到陸地的位置，希望藉此觀察渦漩的影響除了黑潮主軸之外，其他的海域是否有相似的現象。. 17.

(25) 圖 3-3. 渦漩動能及流速分布平均圖. 底圖顏色代表為 20 年的渦漩動能(單位: m2/s2 ) 平均，箭頭同樣代表 20 年的流速平均值，粉紅色箭頭表示其流速大於 0.5 m/s，黑色則是小於 0.5 m/s，白色線為測線 S1 至 S6，由 JCOPE2 資料合成。首先利用 Okubo－Weiss [Okubo, 1970] [Weiss, 1991]的方法計算 W 參數，W 參數的定義為： 𝑊 ＝ 𝑆𝑛 2 ＋ 𝑆𝑠 2 − ω 𝑆𝑛 2 ＝. 2. (3-2). ∂𝓊 ∂𝓋 ∂𝓋 ∂𝓊 ∂𝓋 ∂𝓊 2 − ， 𝑆𝑠 2 ＝＋， ω ＝ − ∂x ∂y ∂x ∂y ∂x ∂y. ( 𝓊：緯度線方向的速度，𝓋：經度線方向的速度 ). 以上方程式由應力( 𝑆𝑛 )、剪應力( 𝑆𝑠 ) 以及渦度( ω ) 所構成，由於渦漩的渦度項較應力項占有優勢，因此渦漩的偵測便能夠由 W 參數是否為負值來進行判斷 [Chang and Oey, 2014]。. 18.

(26) 偵測到渦漩後，再根據 [Chang and Oey, 2014] 文章中的定義，計算渦漩的總面積在副熱帶反流區域面積 (130oE -180oE，17 oN -27 oN) 所占的比例，來決定渦漩的活躍程度。圖 3-4 顯示了 20 年間每個時間點的渦漩活躍程度。本研究定義，若該時間的渦漩的面積占副熱帶反流區域面積的比例大於 1 個標準差，該時間即歸類為 Eddy-Rich Year，相反地，若該時間的比例小於 1 個標準差則是 EddyPoor Year。此外藉由兩個時期的差異便能夠突顯出渦漩對於測線上傳輸量的影響，也能夠了解測線上的流速剖面在渦漩的影響之下，有什麼樣的變化及特徵。. 圖 3-4. 渦漩活躍程度時間序列. X 軸為時間(年)，Y 軸為渦漩在副熱帶反流區域的面積比例距平值，虛線表示為 0，紅線為＋1 標準差，藍線為－1 標準差，紅線以上表示該時間渦漩較活躍，藍線以下則相反。. 19.

(27) 傳輸量的計算通常是由海流的流速乘上單位長度，得到單位流通量，再進行測線寬度與深度上的積分所得，傳輸量的計算公式為： 𝐷. 𝐷. 0 0 ∫𝐷 𝓊 ∙ 𝒹𝓎 ∙ 𝒹𝓏，或者是 ∫𝐷 𝓋 ∙ 𝒹𝓍 ∙ 𝒹𝓏. (3-1). D0 ：海水表面； D：欲積分的深度 (為負值) 𝓊：東西向的流速；𝓋：南北向的流速 (單位：m/s). 流速為控制傳輸量變化的主要參數。接著本研究觀察各測線在 Eddy-Rich Year 以及 Eddy-Poor Year 兩個時期的流速剖面，並將兩者相減 (Eddy-Rich Year －Eddy-Poor Year ) 得到差異值，如此便能強調渦漩較活躍的時候，渦漩對於海流的影響。圖 3-5b 為測線在 Eddy-Rich Year 及 Eddy-Poor Year 的流速剖面圖，圖 3-5c 則為兩個時期的流速差異分布圖 (Eddy-Rich Year－Eddy-Poor Year )。圖 3-5b 的紅色及藍色實線分別是代表 Eddy-Rich Year 以及 Eddy-Poor Year，而圖 3-5c 的紅色及藍色區塊則表示流速在 Eddy-Rich Year 的時候較 Eddy-Poor Year 增強或是減弱。位於台灣東北海域的 S1 側線(圖 3-5a)，以及位於東海的 S5 (圖 3-6a)、S6 (圖 3-7a) 側線位於黑潮主軸之上，這三條測線的流速剖面圖 (圖 3-5b、3-6b、3-7b) 都指出有主軸偏移的現象，因此造成流速有向東或者是向南增強的趨勢。由兩時期的流速差異 (圖 3-5c、3-6c、3-7c) 更清楚顯示了主軸的向外偏移，也就是兩時期的流速差異 (圖 3-5c、3-6c、3-7c) 最多的中心位置和流速主軸最大流速(圖 35b、3-6b、3-7b) 之間的位移，而位在東海黑潮下游的 S6 (圖 3-7c) 顯示，黑潮主軸流速較靠近陸地的部分是減弱，而離岸的部分則是增強的現象。S6 測線的偏移現象更加明顯。. 20.

(28) 黑潮主軸在東海偏移的現象和臺灣東北方的風應力漩度以及海表面熱通量有關 [Wang and Oey, 2014]。另外也可以看見流速在 Eddy-Rich Year 時主軸周圍的流速都有增強的現象，並向四周逐漸遞減，約到 100-150 米深流速差異才迅速減小。在琉球島弧東側的 S2 (圖 3-8a) 以及 S3 (圖 3-9a) 兩條測線的流速等值線分布情形 (圖 3-8b、3-9b) 和先前分析的測線有較大的不同，等值線分布在不同時期有完全不同的形狀，主要原因為海流並沒有常年通過該測線。另外，由 S2 的兩時期的流速差異 (圖 3-8c) 中可以發現其分布情形和台灣東方的 S1 (圖 3-5c) 及東海的 S5 (圖 3-6c)、S6 (圖 3-7c) 的分布情況類似且範圍更廣，不過強度比較弱且影響深度較淺。S3 測線兩時期的流速差異 (圖 3-9c) 則顯示測線北部流速減弱，而南部則是增強的現象。 S4 測線位在日本的東南方 (圖 3-10a)，且屬於黑潮主軸的一部分，由流速等值線分布圖 (3-10b) 來看，在 Eddy-Rich Year 時的流速較 Eddy-Poor Year 時來的弱，而且黑潮主軸在 Eddy-Rich Year 時的深度比 Eddy Poor Year 來得淺，除此之外，黑潮主軸有往西邊移動的趨勢。在兩時期的流速差異 (圖 3-10c) 中更可以清楚地發現黑潮主軸的位置，其流速是減弱的。另外在 131oE-132oE，水深 0-100 米的範圍內，流速有較明顯增強的現象。由 Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 的分析結果來看，S1、S5、S6 在兩時期的流速差異類似，其中 S1 距離台灣較近，且有較多的文獻進行探討，因此將會以 S1 作為代表進行接下來的分析。. 21.

(29) [Ichikawa, 2001] 指出在圖克拉海峽的渦漩路徑與台灣東方的 Eddy Zone 距離太遠，因此推論台灣東方及圖克拉海峽兩地區的影響是由不同的渦漩所引起。 [Soeyanto, 2014] 的文章也指出，中尺度渦漩對於黑潮傳輸量的影響有明顯區域性獨立的特徵。由台灣東方算起至中國東海大陸斜坡的中間，其黑潮傳輸量主要是受到台灣東南方的渦漩所影響；而由東海大陸斜坡中間算起至圖克拉海峽的黑潮傳輸量，則主要是受到沖繩島東北方的渦漩影響。此外 27o N 以北的渦漩主要是來自於黑潮延伸流，而位在日本東南方的 S4，所在的緯度為 31oN，並且在 Eddy-Rich Year 時主軸流速為減弱的現象，和其他黑潮主軸測線的影響不同，因此推測為不同區域的渦漩影響所導致。由於本研究著重在副熱帶反流渦漩區中，渦漩對黑潮主軸以及沖繩島海域的海流所帶來的影響，所以日本東南方的測線 S4 將不納入以下的研究。. 22.

(30) (a). (b). 西. 東. (c). 圖 3-5. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S1. (a)測線 S1 地理位置 (b)測線 S1 在 Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 的流速剖面圖 (c)兩時期的流速差異分布圖 (Eddy-Rich Year－Eddy-Poor Year )。b、c 圖的 X 軸為經度，Y 軸為深度，b 圖紅色和藍色實線分別表示 Eddy-Rich Year 及 EddyPoor Year (b、c 圖為同一單位: m/s)。 23.

(31) (a). (b). 南. 北. (c). 圖 3-6. Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 分析－S5. (a)測線 S5 地理位置 (b)測線 S5 在 Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 的流速剖面圖 (c)兩時期的流速差異分布圖 (Eddy-Rich Year－Eddy-Poor Year )。b、c 圖的 X 軸為緯度，Y 軸為深度，b 圖紅色和藍色實線分別表示 Eddy-Rich Year 及 EddyPoor Year (b、c 圖為同一單位: m/s)。 24.





(36) 3.3 傳輸量受到強渦漩事件的影響為了瞭解過程的變化，所以我們挑選強漩渦事件來看個別的事件。在這個章節我們只進行台灣東邊的 S1 及琉球島弧外的 S2 和 S3 這三條測線的分析，觀察在受到強渦漩事件下其傳輸量所受到的影響。強渦漩事件由分別對應 124oE、 128oE、130oE 的 Hovmöller diagram (圖 3-11a 至 3-11c) 所選取，並再進一步做以下的分析：渦漩的移動情況以及渦漩對測線上的傳輸量影響。挑選強渦漩事件首先要將 JCOPE2 資料的 SSHA 在 130oE 位置的 Hovmöller diagram (圖 3-11a) 進行分析，並從中挑選 SSHA 數值大於 0.25 m 或是小於 -0.25 m，且緯度的位置在 25-26oN 的範圍內，做為強渦漩事件。圖中的實線和虛線分別代表暖渦和冷渦及其對應的時間點，各挑選 7 個，共 14 個事件。另外也從 128oE 及 124oE 位置的 Hovmöller diagram (圖 3-11b、3-11c) 挑選強渦漩事件，緯度範圍分別是 23-25oN 和 22-24oN。分別共挑選出 10 個(冷、暖渦各 5 個)事件及 8 個 (冷、暖渦各 4 個)事件。. 3.3.1 沖繩島東邊的 S3 測線. 我們將每個渦漩事件正要通過 130oE 基準線的當天 (Day0) 及通過後 30、60 天 (Day30，Day60) 的 SSHA 分別進行合成並且分析，可以得到 SSHA 的複合平均分布圖 (圖 3-12)，SSHA 複合平均分布圖能夠讓我們了解這些強渦漩偏好往哪個方位移動，並且在何時通過測線。由 SSHA 複合平均分布圖在 Day30 的時候，暖渦 (圖 3-12b) 及冷渦 (圖 312e)都正在通過沖繩島東邊的 S3 測線，但冷渦中心離測線較近，Day60 的時候，暖渦 (圖 3-12c) 的尾端正從測線的南部通過，冷渦 (圖 3-12f) 則顯示渦漩雖然. 29.

(37) 通過測線，但移動速度較暖渦慢上許多，其位置只較 Day30 時 (圖 3-12e) 向西移動一點而已。因為 JCOPE2 是 3D 的資料，因此能夠了解在渦漩的作用下，測線上流速剖面的變化情形。由一系列時間的流速剖面圖來看(圖 3-13a 至 3-13f)，圖 a 到 c 以及 d 到 f 分別是暖渦及冷渦流速剖面。同樣地，將渦漩正要通過 130oE 基準線的當天定義為 Day0，通過後的 30 天為 Day30，以此類推。暖渦從 Day30 時 (圖 3-13b) 開始，流速等值線分布的結構明顯和之前不同，且約在 26oN 的位置其流速大於 0.05m/s 的等值線向下延伸至 500m 深。而冷渦則較早接觸到測線，因此在 Day0 時 (圖 3-13d) 流速就已經開始逐漸增強。此外流速剖面分布呈現明顯的南北分布，由 26oN 為界，在 Day30 時 (圖 3-13e) 有最大流速出現。接著我們將渦漩事件正要通過 130oE 基準線的前 10 天 (Day-10) 到通過後 70 天 (Day70) 的傳輸量以及 SSHA 資料進行合成並且分析。得到強渦漩事件的傳輸量複合平均圖。該圖能夠顯示強渦漩在通過測線的前後，其傳輸量的平均值以及 SSHA 的平均值。傳輸量複合平均圖分為暖渦事件 (圖 3-14a) 和冷渦事件 (圖 3-14b) 。暖渦事件在 Day45 時並且位於緯度 26oN 的位置有最大的傳輸量，且在同一位置有最大的流速。SSHA 等值線在圖中右下角呈現暖渦型式的封閉曲線，並且在水平方向等值線密集區，有最大傳輸量。而冷渦事件在 SSHA 等值線的密集區域也有很明顯的傳輸量最大值，如 Day30 到 Day40 且緯度為 25.2oN 的位置有東向的流速最大值，另外在 Day30 到 Day45 且緯度 26.1-27.2oN 的位置都有西向的流速最大值。. 30.

(38) (a). (b). 圖 3-11. S1 至 S3 測線相對位置圖及 Hovmöller diagram. (a) S1 至 S3 測線的相對位置，紅色實線為測線，虛線為 124oE、128oE 及 130oE 基準線。(b)以 124oE 為基準的 Hovmöller diagram。 X 軸為年份，Y 軸為緯度，顏色為 SSHA(單位:公尺)，實線表示為暖渦接觸到基準線的時間，虛線則是冷渦。. 31.

(39) (c). (d). 圖 3-11. Hovmöller diagram. (c)以 128oE 為基準 (d)以 130oE 為基準。 X 軸為年份，Y 軸為緯度，顏色為 SSHA(單位:公尺)，實線表示為暖渦接觸到基準線的時間，虛線則是冷渦。. 32.

(40) (a). (b). (c). 圖 3-12 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島東方的 S3 測線 SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S3 測線，虛線為 130oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。(a)暖渦 Day0 (b)暖渦 Day30 (c)暖渦 Day60. 33.

(41) (d). (e). (f). 圖 3-12 SSHA 複合平均分布圖－沖繩島東方的 S3 測線 SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S3 測線，虛線為 130oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。 (d)冷渦 Day0 (e)冷渦 Day30 (f)冷渦 Day60. 34.

(42) (a). (b). (c). 圖 3-13. 暖渦流速剖面複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線. 由多個暖渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為緯度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (a)Day0 (b)Day30 (b)Day60. 35.

(43) (d). (e). (f). 圖 3-13. 冷渦流速剖面複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線. 由多個冷渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為緯度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (d)Day0 (e)Day30 (f)Day60. 36.

(44) (a). (b). 圖 3-14. 傳輸量複合平均圖－沖繩島東方的 S3 測線. X 軸為渦漩接觸 130oE 後的天數，Y 軸為緯度，底圖顏色為傳輸量(單位: Sv =106 m3/s)，SSHA 大於 0 m 為實線，小於 0 m 則為虛線，由 JCOPE2 資料合成。 (a) 暖渦事件 (b)冷渦事件. 37.

(45) 3.3.2 沖繩島西邊的 S2 測線. 位在在沖繩島西南方的 S2 測線，分析的方式同沖繩島東方的 S3。將每個渦漩事件正要通過 128oE 基準線的當天 (Day0) 及通過後 30、60 天 (Day30，Day60) 的 SSHA 進行合成，得到 SSHA 複合平均分布圖 (圖 3-15)。比較冷渦的 SSHA 複合平均分布圖在 Day0 (圖 3-15d) 和暖渦在 Day0 (圖 315a) 時發現冷渦中心的海高絕對值比暖渦還要高，表示冷渦較暖渦還強。暖渦在 Day30 時 (圖 3-14b) 才剛接觸到測線的南端，且形狀已經開始變形。到了 Day60 時 (圖 3-15c) 則無法分辨及再追蹤渦漩的位置。冷渦在 Day30 時 (圖 3-15e) 雖然還未接觸到測線，不過強度似乎沒有減弱的跡象，到了 Day60 時 (圖 3-15f)，渦漩才由測線的中心通過，且渦漩強度也開始逐漸減弱。沖繩島西邊的 S2 測線，其流速剖面圖顯示，暖渦在剛抵達時 ( Day0，圖 316a)，流速等值線分布沒有較大的流速出現，在 Day30 時 (圖 3-16b) 流速達到最大值，且最大流速也延伸至 500 m。最後在 Day60 時 (圖 3-16c)，24.5oN 以南的流速改往西邊方向流動。冷渦在 Day0 時 (圖 3-16d) ，相較於暖渦有較強流速出現，且流速等值線分布大致形成一個多月以後分布的型態。在 Day30 的時候 (圖 3-16e) 流速的等值線是以 24.7oN 為界，以南向東流，以北則向西。在 Day60 時 (圖 3-16f)，還能夠明顯看見流速受到渦漩影響的情況。在暖渦事件的傳輸量複合平均圖 (圖 3-17a) 中，顯示出 SSHA 的等值線分布沒有圓形封閉曲線，而在 Day30 的時候，可以看到該時間點開始出現最大向東的傳輸量。而冷渦事件 (圖 3-17b) 則是在 Day40 的時候開始有最大向東的傳輸量，且正好位在 SSHA 水平的等值線較密集處。除此之外，在 25.5oN 和 26oN 的位置上，不論是暖渦事件的傳輸量複合平均圖 (圖 3-17a) 或冷渦事件的傳輸量複合平均圖 (圖 3-17b)，都有一條明顯的帶狀西向傳輸量。 38.

(46) (a). (b). (c). 圖 3-15. SSHA 複合平均分布圖－沖繩島西方的 S2 測線. SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S2 測線，虛線為 128oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。 (a)暖渦 Day0 (b)暖渦 Day30 (c)暖渦 Day60. 39.

(47) (d). (e). (f). 圖 3-15. SSHA 複合平均分布圖－沖繩島西方的 S2 測線. SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S2 測線，虛線為 128oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。 (d)冷渦 Day0 (e)冷渦 Day30 (f)冷渦 Day60. 40.

(48) (a). (b). (c). 圖 3-16. 暖渦流速剖面複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線. 由多個暖渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為緯度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (a)Day0 (b)Day30 (c)Day60. 41.

(49) (d). (e). (f). 圖 3-16. 冷渦流速剖面複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線. 由多個冷渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為緯度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (d)Day0 (e)Day30 (f)Day60. 42.

(50) (a). (b). 圖 3-17. 傳輸量複合平均圖－沖繩島西方的 S2 測線. X 軸為渦漩接觸 128oE 後的天數，Y 軸為緯度，底圖顏色為傳輸量(單位: Sv =106 m3/s)，SSHA 大於 0 m 為實線，小於 0 m 則為虛線，由 JCOPE2 資料合成。 (a) 暖渦事件 (b) 冷渦事件. 43.

(51) 3.3.3 台灣東方的 S1 測線. 台灣東方 S1 測線的 SSHA 複合平均分布圖 (圖 3-18)，其合成方式和前面分析的兩個測線相同，不過基準線改成 128oE。暖渦的 SSHA 複合平均分布圖在 Day0 的時候 (圖 3-18a) 就可以發現，暖渦在正要通過基準線時，其 SSHA 的等值線分布較先前兩個測線更加明顯且渦漩強度更強。暖渦在 Day30 的時候 (圖 3-18b)，渦漩的邊緣由測線的東半邊通過，同一時間，冷渦 (圖 3-18e) 則是在測線的下方，渦漩邊緣稍微接觸到測線，但還未通過。暖渦在 Day60 時 (圖 3-18c)，渦漩強度有非常大幅度的減弱，渦漩直徑大小也大幅減小，並且渦漩中心位在測線以南，沒有通過測線。而冷渦則是在 Day60 時 (圖 3-18f)，渦漩才剛通過測線的右端。暖渦的流速剖面在 Day30 的時候 (圖 3-19b)，流速大於 1 m/s 等值線的深度由 100 m 減少到不足 50 m，且流速大於 0.4 m/s 的等值線有往東偏移的現象，不只如此，0.4 m/s 的等值線也從不到 300 m 的深度向下延伸到 300 m 左右的深度。到了 Day60 (圖 3-19c)，流速等值線的分布逐漸回復至接近 Day0 (圖 3-19a) 時的流速剖面分布情形。冷渦的流速剖面在 Day0 時 (圖 3-19d)，流速為 0.2 m/s 的等值線較暖渦在 Day0 時 (圖 3-19a) 還要淺。到了 Day30 時 (圖 3-19e) 可以看到黑潮主軸的流速明顯減弱許多，測線的最大流速不到 1 m/s。且在 Day60 時 (圖 3-19f)，黑潮主軸流速達到最小的狀態，主軸流速只有 0.7 m/s，不過在冷渦的事件當中，0.4 m/s 的等值線沒有向東偏移的情況發生。. 44.

(52) 由台灣東方 S1 測線的傳輸量複合平均圖顯示，暖渦事件 (圖 3-20a) 在 Day15 時傳輸量開始增強，並且往測線的東邊延伸增強，延伸的情況直到 Day40 才減弱。而 SSHA 的等值線分布顯示了測線東邊的等值線密度較高的現象。冷渦事件 (圖 3-20b) 在 Day45 時，121.8oE-122.6oE 往北的傳輸量大幅減弱。在 Day5 到 Day30 時，123oE-123.4oE 的位置，傳輸量為負值，也表示有一股流向為向南的流出現。而在冷渦事件的傳輸量複合平均圖中也可以看到圖的右方有一個與冷渦的 SSHA 分布情形相似的封閉曲線。. 45.

(53) (a). (b). (c). 圖 3-18. SSHA 複合平均分布圖－台灣東方的 S1 測線. SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S1 測線，虛線為 124oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。(a)暖渦 Day0 (b)暖渦 Day30 (c)暖渦 Day60. 46.

(54) (d). (e). (f). 圖 3-18 SSHA 複合平均分布圖－台灣東方的 S1 測線 SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S1 測線，虛線為 124oE 基準線，由 JCOPE2 資料合成。(d)冷渦 Day0 (e)冷渦 Day30 (f)冷渦 Day60. 47.

(55) (a). (b). (c). 圖 3-19. 暖渦流速剖面複合平均圖－台灣東方的 S1 測線. 由多個暖渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為經度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (a)Day0 (b)Day30 (c)Day60. 48.

(56) (d). (e). (f). 圖 3-19. 冷渦流速剖面複合平均圖－台灣東方的 S1 測線. 由多個冷渦漩事件合成，Y 軸為深度，X 軸為經度，顏色及等值線皆為流速(單位: m/s)。 (d)Day0 (e)Day30 (f)Day60. 49.

(57) (a). (b). 圖 3-20. 傳輸量複合平均圖－台灣東方的 S1 測線. X 軸為渦漩接觸 124oE 後的天數，Y 軸為經度，底圖顏色為傳輸量(單位: Sv =106 m3/s)，SSHA 大於 0 m 為實線，小於 0 m 則為虛線，由 JCOPE2 資料合成。 (a) 暖渦事件 (b) 冷渦事件. 50.

(58) 3.3.4 由 AVISO 資料驗證. AVISO 資料挑選強渦旋事件的方法和 JCOPE2 資料相同，不過由於 JCOPE2 資料為 5 天一筆，而 AVISO 資料為 7 天一筆，因此強渦旋事件的時間點會有些許誤差。比較 JCOPE2 及 AVISO 兩者的 SSHA 複合平均分布圖 (圖 3-12，圖 321)，發現兩種資料暖渦的位置以及強度變化的特徵非常相似，例如渦漩的邊緣都在 JCOPE2 資料 Day30 (圖 3-12b)／AVISO 資料 Day28 (圖 3-21b) 的時間點通過沖繩島東方的 S3 測線，且在 JCOPE2 資料 Day60 (圖 3-12c)／AVISO 資料 Day63 (圖 3-21c) 的時候，渦漩都是由測線的南端通過，且渦漩強度都有大幅衰減的現象。冷渦的 SSHA 複合平均分布圖比較和暖渦雷同，渦漩的位置以及強度變化類似。而有較大的差別是 AVISO 資料在 Day63 時 (圖 3-218f) ，渦漩的位置和 JCOPE2 資料在 Day60 時 (圖 3-12f) 的位置不同，且後者在該時間點的渦漩中心正在通過沖繩島東方的 S3 測線，然而前者則未通過測線。 AVISO 資料在沖繩島東方 S3 測線的傳輸量複合平均圖 (圖 3-22)，不論是暖渦事件 (圖 3-22a) 或是冷渦事件 (圖 3-22b)，其傳輸量以及 SSHA 等值線的分布情況，和 JCOPE2 資料的傳輸量複合平均圖 (圖 3-14) 非常類似。不過 AVISO 的暖渦事件 (圖 3-22a) 和 JCOPE2 (圖 3-14a) 相比，有最大東向傳輸量的時間較出現，並且持續到 Day70 的時候，都有最大東向的傳輸量。而冷渦事件 (圖 3-22b) 的最大東向傳輸量則是較 JCOPE2 (圖 3-14b) 提早出現。. 51.

(59) 接著是台灣東邊 S1 測線的 SSHA 複合平均分布圖 (圖 3-18，圖 3-23)。AVISO 的暖渦在 Day28 的時候 (圖 3-23b) ，渦漩的邊緣還未接觸到測線，但 JCOPE2 的暖渦在 Day30 時 (圖 3-18b)，渦漩的邊緣已經通過了測線的右端。到了 Day63 時 (圖 3-23c)，AVISO 暖渦的強度減弱了許多，且渦漩的位置在測線的南方，但未通過測線。JCOPE2 的暖渦也在 Day60 的時候 (圖 3-18c) ，其渦漩的強度大幅減弱，渦漩的直徑大小也縮小許多。此時渦漩並沒有通過測線，且所在的位置也在測線的南方。 AVISO 的 SSHA 複合平均分布圖在冷渦的部分和 JCOPE2 的 SSHA 分布情形較暖渦相似。同樣地在 Day28 的時候 (圖 3-23e)，冷渦的邊緣稍微接觸到測線的右端，並且在 Day63 時 (圖 3-23f)，渦漩的中心接觸到測線的右端，和 JCOPE2 資料的冷渦在 Day60 時 (圖 3-18f) 一樣。由 AVISO 資料在台灣東方 S1 測線的傳輸量複合平均圖 (圖 3-24) 顯示，在暖渦 (圖 3-24a) 通過 124oE 基準線後的 28 天 (Day28)，在 122.4oE 的位置有最大的北向傳輸量。暖渦事件的 SSHA 等值線分布在 Day14 時的位置有向西延伸的現象，並且在同一時間，黑潮的傳輸量出現明顯向東擴張的現象，此一現象和 JCOPE2 在同一條測線的傳輸量複合平均圖 (圖 3-20a) 出現的情況相同。而在冷渦的傳輸量複合平均圖 (圖 3-24b) 中，顯示 Day7 以及 Day49 的位置，有較密集的 SSHA 等值線分布。在 Day7 時的黑潮傳輸量有些微的減弱情形，然而在 Day49 時，黑潮的傳輸量則是有較大幅度的減少。此現象和 JCOPE2 的冷渦傳輸量複合平均圖 (圖 3-20b) 在 Day45 時的現象相同。. 52.

(60) (a). (b). (c). 圖 3-21. SSHA 複合平均分布圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線. SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S3 測線，虛線為 130oE 基準線，由 AVISO 資料合成。(a)暖渦 Day0 (b)暖渦 Day30 (c)暖渦 Day60. 53.

(61) (d). (e). (f). 圖 3-21. SSHA 複合平均分布圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線. SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S3 測線，虛線為 130oE 基準線，由 AVISO 資料合成。 (d)冷渦 Day0 (e)冷渦 Day30 (f)冷渦 Day60. 54.

(62) (a). (b). 圖 3-22. 傳輸量複合平均圖 AVISO－沖繩島東方的 S3 測線. X 軸為渦漩接觸 130oE 後的天數，Y 軸為緯度，底圖顏色為傳輸量(單位: 104 m2/s) ，SSHA 大於 0 m 為實線，小於 0 m 則為虛線，由 AVISO 資料合成 (a) 暖渦事件 (b) 冷渦事件. 55.

(63) (a). (b). (c). 圖 3-23 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線 SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S1 測線，虛線為 124oE 基準線，由 AVISO 資料合成。(a)暖渦 Day0 (b)暖渦 Day30 (c)暖渦 Day60. 56.

(64) (d). (e). (f). 圖 3-23 SSHA 複合平均分布圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線 SSHA(底圖顏色)單位為公尺，實線為 S1 測線，虛線為 124oE 基準線，由 AVISO 資料合成。(d)冷渦 Day0 (e)冷渦 Day30 (f)冷渦 Day60. 57.

(65) (a). (b). 圖 3-24. 傳輸量複合平均圖 AVISO－台灣東方的 S1 測線. X 軸為渦漩接觸 124oE 後的天數，Y 軸為經度，底圖顏色為傳輸量(單位: 104 m2/s) ，SSHA 大於 0 m 為實線，小於 0 m 則為虛線，由 AVISO 資料合成 (a) 暖渦事件 (b) 冷渦事件. 58.

(66) 第四章討論與結論. 4.1 G0 的傳輸量和 MSLA 高度資料的關係經由本研究的實驗結果得知，在暖渦通過台灣東方的 S1 測線時，會使北向的傳輸量增強，而在冷渦通過的時候，傳輸量大小則是減少的情況。此一現象也正好符合 Gawarkiewicz (2011) 的說法，也就是 MSLA 高度資料 (SSHA) 能夠表示在台灣東邊通道位置的黑潮傳輸量變化。然而渦漩並不是只通過單一個點，而是會通過大片的海域，因此假設是否除了 G0 點外，還有其他黑潮主軸附近的點，也能夠做為黑潮傳輸量的指標? 首先要解釋為何 Gawarkiewicz 的想法能夠以單一點的 SSHA 變化，表示為一整條測線的黑潮傳輸量變化。地轉流能夠藉由計算兩點間的海面高度差異，得到這兩點之間地轉流的流向以及流速(或傳輸量)大小，而黑潮為其中之一，因此在北半球可以將 S1 測線的右端點(大洋側)和左端點(陸地側)的 SSHA 差異 (ΔSSHA ) 視為黑潮傳輸量的指標。藉由觀察ΔSSHA 的年際變化與 G0(123.2oE，23.9oN)的 SSHA 年際變化(圖 4-1a)，可以發現兩者時間變化的起伏非常相似，且得到 0.64 良好的相關係數。且在 S1 的大洋側及陸地側的 SSHA 年際變化(圖 4-2a)指出，測線靠大洋側的 SSHA 變化其振幅較陸地側還要大。相同的方法在 JCOPE2 模式資料中更是突顯了 S1 大洋側的變化量較陸地側還要大的現象(圖 4-2b)。並且ΔSSHA 差異與 G0 點的 SSHA 年際變化，兩者的相關係數高達 0.85(圖 4-1b)。經過以上的實驗證明，因大洋側的 SSHA 變化較大，而陸地側則小得多，因此能夠只利用大洋側的 SSHA 來做為傳輸量變化的指標。. 59.

(67) 接著因 Gawarkiewicz 提出的說法是 G0 點可代表台灣東邊通道海域的黑潮傳輸量，因此本研究將 G0 點的 SSHA 與所有測線的傳輸量進行相關性分析(除了日本南方的 S4 之外)。由表 4-1 能夠看到僅有台灣東方的 S1 及東海內的 S5 相關係數在 0.5 以上，相關係數分別為 0.71 及 0.54，而 S5 為 S1 的下游並且 S5 的下端點距離 G0 較其他所有測線的端點來得近。以上的實驗說明由於渦漩空間分布的關係，因此 G0 點的 SSHA 變化僅可以表示台灣東邊通道的黑潮傳輸量變化，其他較遠的測線則無明顯關聯。此外，為了瞭解在無顯著相關的下游區是否也受當地渦漩的影響，並且能以單點海表面高度來代表流量變化，因此本研究另外選擇更多個沿著黑潮的測線來解釋這個想法。圖 4-3 共顯示了 10 個沿著黑潮主軸的測線 K1 到 K10，測線旁紅色的數字表示對應測線上ΔSSHA(大洋側 SSHA 與陸地側 SSHA 的差值)和大洋側 SSHA 的相關係數。黑潮的上游 K1 到 K5 位在台灣東側及石垣島附近，其相關係數皆在 0.7 以上，K2 有最高的相關係數達到 0.89，然而下游 K6 到 K10 的相關係數除了 K6 為 0.66 外，其他測線都在 0.6 以下。另一方面，屬於黑潮上游的 K1 到 K5，其大洋側和台灣東方海域的渦漩動能高值區域 (STCC eddy rich zone) 的距離較為接近，而 K6 到 K10 右端點附近海域的渦漩動能則都偏低，指出了副熱帶反流區中尺度渦漩對於台灣東邊的黑潮傳輸量有非常顯著的影響。並且以上結果也顯示了，只有在台灣的東測以及石垣島附近海域的海水表面高度異常值 SSHA，可以做為黑潮傳輸量變化的指標。. 60.

(68) 圖 4-1. 測線 S1 兩端 SSHA 差值(ΔSSHA)及 G0 點 SSHA 年際變化. (a)AVISO (b)JCOPE2. 61.

(69) 圖 4-2. 測線 S1 右端點及左端點 SSHA 年際變化. (a)AVISO (b)JCOPE2. 62.

(70) S1. S2. S3. S5. S6. 0.71. 0.33. 0.08. 0.54. 0.24. 0.03. 0.02. 0.02. 0.02. 0.02. 相關係數 (Correlation Coefficient). 95% 顯著相關係數 (Significant). 表 4-1. G0 點的 SSHA 及各測線傳輸量相關係數表. 63.

(71) 圖 4-3. 渦漩動能分布及測線 K1 至 K10 指示圖. 底圖顏色代表為渦漩動能(單位: m2/s2 )，箭頭代表流速及其方向，粉紅色箭頭表示其流速大於 0.5 m/s，黑色則是小於 0.5 m/s，白色線由南往北分別為測線 K1 至 K10。. 64.

(72) 4.2 結論. 4.2.1 相關性分析及 Gawarkiewicz 的論點. 本研究首先進行 PCM-1 和 AVISO 的 MSLA 高度資料 (SSHA) 2 年的相關性分析 (圖 3-1)，並且得到好的相關係數 0.77，95 % 顯著相關係數為 0.22。而以上為 7 天一筆的資料，另外也重複了時間尺度為 30 天的相關性分析，分析的結果和 Gawarkiewicz et al., (2011)一致為 0.83。接著由 20 年長時間的 Ishigaki－ Keelung 絕對地轉高度差 (ΔMADT ) 和 G0 點的 SSHA 進行相關性分析，結果得到 0.57 的相關係數，95 % 顯著相關係數為 0.02。由台灣東方的 S1 測線兩端 SSHA 差值 (ΔSSHA) 及 G0 點 SSHA 的年際變化 (圖 4-1) 中，發現兩曲線的變化起伏非常相似。並且在測線 S1 陸地側及大洋側的兩端點 SSHA 年際變化更指出，較靠近大洋的海域，其 SSHA 變化較大，而靠近陸地的另一端點，SSHA 的變化則小得多，此一結果證明了 Gawarkiewicz (2011) 提出的說法，即 G0 (123.2oE，23.9oN) 點的 SSHA 可以做為台灣東邊通道的黑潮傳輸量指標，僅使用單一點的 SSHA 就能表示傳輸量的原因。我們也想要了解是否整個黑潮的路徑都適合 Gawarkiewicz 的論點，因此本研究藉由黑潮上的 10 條測線 K1 至 K10，進行ΔSSHA 和大洋側 SSHA 的相關性分析，結果顯示黑潮上游的 K1 到 K5 相關性高，且其右端點和台灣東方海域的渦漩動能高值區域的距離較為接近，而 K6 到 K10 靠大洋側附近海域的渦漩動能則都偏低，相關係數也偏低。以上結果顯示只有在台灣的東測以及石垣島附近海域受副熱帶反流渦漩影響較大的的單點 SSHA，可以做為黑潮傳輸量變化的指標。. 65.

(73) 4.2.2 Eddy-Rich & Eddy-Poor Year. 由 Eddy-Rich & Eddy-Poor Year 的比較實驗中得到以下結果，黑潮主軸的中、上游，也就是台灣東北方的 S1，東海內的 S5、S6 在 Eddy-Rich Year 的時期，主軸流速皆有增強的現象，增強較明顯的範圍由表面延伸至約 150 m 到 200 m 深度的地方，流速除了向下增強外，也有向外(東方或南方)增強的趨勢，並且主軸略有偏移的現象，在 S6 偏移的現象尤其明顯。日本東南方的 S4 雖然也屬於黑潮主軸的部分，不過在 Eddy-Rich year 時，其主軸流速不增反減，且流速增強的趨勢為向內(向西)，和 S1、S5、S6 不同，在 [Ichikawa, 2001] 及 [Soeyanto, 2014] 的文章皆指出，影響圖克拉海峽上黑潮傳輸量的渦漩，其來源和影響台灣東方的渦漩是不同的。因此推測影響 S4 的渦漩，其來源不同於先前討論的三個測線(S1、S5、S6) ，因此所屬的 Eddy-Rich 和 EddyPoor year 也不相同。沖繩島西方的 S2 及東方的 S3，海流沒有常年通過這兩條測線，因此測線的流速較弱。也因此在 Eddy-Rich year 時，流速的結構受到渦漩的影響較大，造成在 Eddy-Rich 或 Eddy-Poor 兩個時期的流速剖面有很大的差異。S2 和 S3 在 Eddy-Rich year 時流速皆有增強的現象，但增強的形式和位置不同，S2 以測線表面中心增強並向四周遞減，而 S3 則在測線南端向東增強，北端的流速則是向西方增強，造成測線南北兩端的流速呈對比的情形。. 66.

(74) 4.2.3 強渦漩事件的影響. 渦漩對傳輸量的影響，本研究主要分析了 JCOPE2 以及二維的 AVISO 資料。兩者的差異由圖 3-14 及圖 3-22 能夠清楚看到，除了渦漩到達的時間和傳輸量大小不同外，SSHA 等值線和傳輸量大小的分布情形大致是相同的。暖渦都是由測線的南端通過沖繩島東方的 S3 及西方的 S2，而冷渦則都是由兩測線的中心通過。而由流速剖面圖來看，暖渦在 Day60 的時候，流速最強的位置都不在海表面上，而是在約 500 m 深的位置。冷渦則是會使這兩條測線的海流流速形成南北相反的現象。由沖繩島東方的 S3 傳輸量複合平均圖的 SSHA 等值線分布可以顯示出，暖渦只有從 S3 南端通過，且傳輸量最大的地方，正好是等值線較密集的區域。若將 SSHA 封閉曲線視為一個渦漩，該渦漩邊緣的流向也正好是 S3 傳輸量為正的方向。冷渦則因為穿過 S3 的中心，所以能夠看到測線的兩端呈現不同方向的流速及傳輸量。冷渦因為其中心較晚抵達沖繩島西方的 S2，因此在傳輸量複合平均圖可以看到最大的東向流速或傳輸量在 Day40~45 才出現。此外，S2 的冷渦相較於暖渦有較明顯的同心圓 SSHA 封閉曲線，同樣地，在 SSHA 等值線密集的地方有最大傳輸量。較特別的是，S2 不論是在冷渦事件或暖渦事件， 25.5oN 及 26oN 的位置一直都有股西向的海流。台灣東北方的 S1 測線在暖渦期間，主軸偏向東方，此外主軸的深度也有向下延伸的情形，由流速剖面圖能夠清楚的看到。在傳輸量方面則發現主軸偏移的同時，測線東邊的傳輸量有增加的現象，所以在總傳輸量的計算上是變多的。同樣由流速剖面可以看到，在 S1 受到冷渦影響期間，主軸流速明顯減弱，且深度也減少許多。. 67.

(75) 由台灣東北方 S1 測線的傳輸量複合平均圖顯示，SSHA 等值線指出了在渦漩的影響之下，暖渦事件期間，渦漩似乎只從 S1 測線東邊通過，造成測線東邊傳輸量的增加。而冷渦事件則可以發現渦漩南端的流向與黑潮的流向相反，因此減弱了黑潮主軸的流速，造成 S1 測線整體的傳輸量下降。此一結果和 [Yang et al., 1999] 的文章相同，反氣旋式渦漩抵達台灣東邊時，黑潮的傳輸量較平時來得強，而氣旋式渦漩抵達時，黑潮傳輸量則是較平時弱。在 [Chang et al., 2015] 的文章指出，臺灣東邊的黑潮在受暖渦及冷渦的影響之下，其傳輸量的增減是由於海水質量通量的幅合及幅散所導致。由此研究結果顯示，測線上的傳輸量變化和渦漩通過時的位置有很大的關聯，以台灣東北方的 S1 舉例，由於西側為強勁黑潮與陸地邊界，暖渦只影響測線邊緣，因此傳輸量增加的現象只在測線東邊發現。而冷渦在通過測線的時候，較靠近測線的中心，冷渦通過的同時，黑潮主軸的流速也發現大幅減弱的現象。因此副熱帶反流區的渦漩對於黑潮傳輸量的變化扮演著重要，且不容忽視的角色。. 68.

(76) 4.3 未來工作. 當黑潮受到暖渦影響時，黑潮的傳輸量增強，同時也有向東偏移的現象發生。而黑潮產生偏移雖然和風應力旋度及熱通量有關，那麼和渦漩的相關性又是如何呢?此外，本研究定義的 Eddy-Poor Year 還是會有渦漩產生，並且通過觀察中的測線，若是能夠建立一個理想的實驗模式，能夠分別探討有渦漩以及沒有渦漩的情況，首先觀察只有黑潮本來就有的傳輸量大小變化及主軸路徑的改變，再加入自訂的渦漩來探討渦漩對黑潮的影響，如此一來，我們能夠更深入了解副熱帶反流區的渦漩對黑潮的傳輸量，以及黑潮主軸的影響。. 69.

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