南海之物理-生物耦合模式研究(II)

行政院國家科學委員會專題研究計畫 期中進度報告

南海之物理-生物耦合模式研究(2/3)

計畫類別： 個別型計畫 計畫編號： NSC91-2611-M-003-004- 執行期間： 91 年 08 月 01 日至 92 年 07 月 31 日 執行單位： 國立臺灣師範大學地球科學系(所) 計畫主持人： 吳朝榮 共同主持人： 劉康克 報告類型： 精簡報告 報告附件： 出席國際會議研究心得報告及發表論文 處理方式： 本計畫可公開查詢

中 華 民 國 92 年 6 月 26 日

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

期中進

度報告

南海之物理-生物耦合模式研究 (2/3)

主 持 人 姓 名 與 職 稱 : 吳 朝 榮 助 理 教 授 執 行 單 位 ： 台 灣 師 範 大 學 地 球 科 學 系 計 畫 編 號 ： NSC 91-2611-M-003-004- 執 行 期 間 ： 2002/08/01~2003/07/31 個 別 型 ： 物 理 參 與 研 究 人 員 ： 劉 康 克 教 授 、 林 依 依 博 士 成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：精簡報告 本成果報告包括以下應繳交之附件：出席國際學術會議發表之論文 南海位於台灣之西南方，乃東南亞最大的大陸邊緣海。其海盆呈東北－西南 走向，四周為陸地與島嶼所包圍，為一典型之半封閉海盆，盆地西邊是寬廣的亞 洲大陸棚，東半部為深海盆地，其最大深度可達 5000 公尺，盆地東邊有一系列 的島嶼將南海與西菲律賓海分開，呂宋海峽為其中最寬且最深的海峽，可供深層 水的流入與流出。南海的表層水循環是由東亞季風所驅動，十月東北季風開始向 南擴展，到了十二月東北季風達到最大，五月西南季風開始在盆地中央出現，並 在七、八月達到最大。冬天表水循環為反時鐘方向的環流型態 (Cyclonic)，而夏 天為順時鐘方向的環流型態 (Anticyclonic)，兩種環流型態都在盆地西邊有強化 現象產生，不過這兩季的西邊界流並不是對稱的，冬天的西邊界流由中國大陸南 方海岸線出發，並緊靠著盆地西邊界直到越南南端，向北流的夏天西邊界流則在 12 度的地方偏離越南中部的海岸而流向呂宋海峽。 雖然南海是屬於貧營養的海域，不過在盆地內某些有湧昇流的區域，其生產 力也是相當顯著的， 而這些湧昇區域與季風有很直接的關係，季風的季節和年 際變化都會影響湧昇流的強弱。 事實上， 由沉積物的紀錄也看出本區的生物生 產力變化直接繫於季風的強弱。換 句 話 說，海 洋 物 理 機 制 會 改 變 或 限 制 本 地 的 生 物 生 產 力，要 瞭 解 生 地 化 因 子 在 南 海 的 季 節 性 分 佈 與 其 隨 時 間

變 化 等，須 要 先 正 確 的 瞭 解 南 海 海 流 的 特 性。過 去 我 們 對 南 海 的 研 究 較 少 ， 其 離 台 灣 較 遠 是 一 個 原 因 ， 另 外 由 於 南 海 屬 半封閉海盆，它和鄰 近海域的交換較不顯著，因此較少受到注意。一直以來，由於對南海的現場觀測 不多，許多物理現象大半都是由海洋數值模式所推得。雖然過去這些南海區域的 數值模式提供了不少的發現，但其仍有一定的限制，例如缺乏正確流量的開口邊 界條件 (Open boundary conditions) 與高解析度的風應力等，其所用的開口邊界 條件不論時間或空間的解析度都不夠，這不但會使模式輸出結果在盆地北緣產生 誤差，也將錯估南海盆地內環流的平均（mean flow）。除了解析度外，其流量的 估計值也不太正確 (Wu et al., 1999)。 近年來，我國對南海有較多的現場觀測和研究，這些探測使我們累積了不少 的重要現場觀測數據，同時也發現了許多過去所不知的現象，這些現象需要解析 度更高的數值模式來探討。由於電腦計算能力等的限制，以往較簡略的南海數值 模式無法對這些新發現提出解釋，要解釋本海域複雜的海象需要建立一個新而 完 整 嚴 謹 的數值模式，並藉由數值模式結果和現場觀測數據間的相互比較分析 去對本海域有正確且全面性的瞭解。而如前所敘開口邊界條件需要有較佳的選擇 才能夠得到好的模式結果，現階段比較合適的開口邊界條件是要由外圍大尺度模 式提供，亦即須要先建構一個大範圍數值模式，然後由這個大範圍模式提供開口 邊界條件給較小尺度的南海模式使用。 本計畫第一年建立了一個涵蓋整個北太平洋範圍的數值模式，它 的 範 圍 是 由 南 緯 15 度 到 北 緯 60 度 ， 及 由 東 經 99 度 到 西 經 77 度 (見 圖 一 的 紅 線 範 圍 )， 它 包 含 了 東 海 、 黃 海 、 南 海 、 台 灣 海 峽 及 整 個 黑 潮 系 統 ， 這 數 值 模 式 採 用 POM (Pr incet on Ocean Model)，模 式 的 水 平 解 析 度 為 1/4 度 ， 有 30 層 垂 直 的 σ 座 標 模 式 。使 用 歐 洲 中 尺 度 風 場 中 心 (ECMWF) 所 預 報 的 風 場 來 驅 動 ， 初 始 溫 度 、 鹽 度 由 Levit us 的 全 球 水 文 資 料 提 供 。 為 了 因 應 北太平洋大範圍數值模式所 需 的 龐 大 計 算，我 們 建 構 了 一套 16-node 之平行處理叢集電腦， 同時也對模式之原始碼作平行化處理。 這 套平 行叢集電腦的每一個基本單位就是一具個人電腦 (PC)， 基本單位不使用工 作 站，因 為 工 作 站 的 單 價 太 高 了，並 且 其 運 用 軟 體 與 後 續 維 修 也 所 費 不

貲 ， 我 們 做 了 一 些 運 算 速 度 的 測 試 也 發 現 了 個人電腦的優勢。 如 果 沒 有 觀 測 資 料 的 驗 證 ， 一 個 數 值 模 式 ， 不 管 其 如 何 複 雜 如 何 完 整 都 無 法 讓 人 信 服，換 句 話 說，令 人 信 服 的 數 值 模 式 需 要 成 功 地 重 建 (reproduce) 觀 測 資 料 結 果。是 故 在 模 式 的 建 立 過 程 中 需 要 儘 可 能 地 和 可 用 的 觀 測 資 料 作 比 對，以 確 定 模 式 之 準 確 性。圖 二 是 模 式 所 計 算 的 海 平 面 高 度 (SSH) 和 美 國 海 軍 研 究 實 驗 室 (NRL) 之 NLOM 數值模 式 的 比 較 結 果 ， NLOM 模 式 將 衛 星 測 高 資 料 同 化 進 其 模 式 中 ， 也 就 是 說，其 海 平 面 高 度 約 相 當 於 實 測 資 料，由 圖 二 可 以 發 現 兩 者 是 相 當 一 致 的 。 圖 三 是 模 式 所 計 算 的 海 表 面 溫 度 (SST) 和 美 國 海 軍 研 究 實 驗 室 的 觀 測 資 料 比 較，我 們 也 發 現 兩 者 的 一 致 性。另 外 我 們 正 在 分 析 與 處 理 衛 星 測 高 資 料 模 式 ， 準 備 把 衛 星 測 高 資 料 同 化 進 北太平洋 數值模 式 中 ， 如 此 可 以 得 到 較 佳 的 模 擬 結 果 。 本 年 度 我 們 也 建 立 一 個 南 海 範 圍 高 解 析 度 的 區 域 性 模 式 (見 圖 一 的 藍 線 範 圍 )， 其 水 平 解 析 度 為 1/16 度 ， 垂 直 有 26 層 (σ 座 標 ) ， 有 五 個 開 口 邊 界 ，包 含 台 灣 海 峽、 呂 宋 海 峽 、在 巴 拉 望 島 兩 端 的 兩 個 窄 海 峽 與 巽 他 陸 架 (Sunda Shelf)。 開 口 邊 界 條 件 是 要 由 前 述 的 北 太 平 洋 數 值 模 式 提 供，圖 四 是 模 式 所 計 算 的 冬 季 海 平 面 高 度 和 表 面 海 流 輸 出 結 果，冬 天 表水循環為反時鐘方向的環流型態，其西邊界流緊靠著盆地西邊 界直到越南南端，這些現象和一般的觀測結果相 當 一 致，而呂宋西邊的湧昇流 區域也成 功 地 重 建 以 往 的 觀 測 結 果 。 當 較 成 熟 完 整 的 物 理 數 值 模 式 發 展 完 成 後 ， 我 們 可 以 結 合 生 地 化 模 式，來 進 行 南 海 生 地 化 循 環 的 研 究。生 物 生 產 力 和 有 光 層 有 機 物 質 的 輸 出 一 直 都 是 生 地 化 循 環 和 全 球 碳 系 統 的 重 要 課 題，而 物 理 動 力 程 序 又 是 扮 演 海 洋 生 物 圈 的 傳 輸 機 制，透 過 物 理 模 式 與 生 地 化 模 式 的 結 合 ， 我 們 可 以 瞭 解 生 地 化 因 子 在 南 海 的 季 節 性 分 佈 與 其 隨 時 間 變 化 等，模 式 輸 出 結 果 亦 可 和 南 海 時 序 計 畫 與 南 海 生 地 化 整 合 研 究 等 計 畫 之 測 站 資 料 做 時 間 序 列 的 比 較 。

圖二 模 式 所 計 算 的 海 平 面 高 度 和 美 國 海 軍 研 究 實 驗 室 NLOM 模 式 的 比 較 結 果