• 沒有找到結果。

台灣海峽及附近海域之流場觀測分析

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2022

Share "台灣海峽及附近海域之流場觀測分析 "

Copied!
150
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

國立中山大學海洋生物科技暨資源研究所 博士論文

指導教授:曾若玄 博士

台灣海峽及附近海域之流場觀測分析

Flow Observations in the Taiwan Strait and Adjacent Seas

研究生:張育嘉 撰

(2)

謝誌

首先最要感謝的便是學生的指導教授曾若玄老師。正由於老師長 期以來對學生的不厭其煩地教導,以及孜孜不倦地與學生共同面對研 究過程中所遭遇的任何難題,才使得本論文得以順利面世。

此外,口試委員對於本論文的細心指正與極具學術價值的建議使 得學生獲益良多。為此,學生向台灣大學海洋研究所陳慶生教授、王 胄教授、海洋大學海洋環境與資訊系胡健驊教授、中山大學海地化所 劉祖乾教授以及中山大學海下物所王玉懷教授等獻上學生最誠摯的 感謝。另外,衷心感謝美國海軍實驗室柯東山博士提供模式結果,台 大海研所唐存勇教授提供錨碇海流資料,以及三船聯合探測航次的共 同計畫主持人劉倬騰教授(台大海研所)與陳先文教授(警察大學水上 警察系)提供實測資料。

由衷感謝一直在生活上關心與照顧我們的師母,還有ㄧ群陪伴我 走過求學階段的研究夥伴,學長勇廷,同學俊傑,學弟孟憲、士巧、

致維、鍾霖、財銘、科憲、小白、瑞中、光明、小強、永昇、煥傑、

家睿,學妹小滿,以及海研三號上的所有工作同仁,我衷心地感謝你

們,由於你們熱情的支持以及專業的協助,讓我得以順利地完成學

業。感謝我的父母親與家人,謝謝他們多年來對我的照料、支持與鼓

勵。最後,感謝所有曾經幫助過我的朋友,謝謝您們。

(3)

目 錄

謝誌………..…I 目錄……….…………II 圖目錄………III 表目錄………VI 中文摘要……...………..…...….VII 英文摘要………..…….IX

第一章 緒論….………..……..………….1

第二章 觀測方法與資料來源……….……….….…..…….7

2-1 三艘研究船 Sb-ADCP 聯合觀測………...……….………..7

2-2 Lagrangian 浮標………..………..……...9

2-3 其他資料來源………..…….………..11

第三章 分析方法…….………...18

3-1 移除 Sb-ADCP 潮流分量……….18

3-2 Sb-ADCP 流量之估算………..20

3-3 Lagrangian 浮標資料………...……….20

第四章 台灣附近海域之季節流場-Lagrangian 觀測…….…………..……24

4-1 觀測結果.……….……….24

4-2 表層流場的季節性變化……….………….………...27

4-3 台灣海峽附近的漂流軌跡類型………30

第五章 颱風對表層流場的影響……….…57

5-1 颱風造成的表層強流………...57

5-2 夏季因颱風造成黑潮入侵東海陸棚的現象...61

第六章 台灣海峽流場與流量之觀測-三船聯合觀測.…...….…78

6-1 相位平均法應用與估算………...………78

6-2 三船聯合觀測………...…82

第七章 結論……….99

參考文獻……….103

個人著作表……….…...109

附件一 ………..110

(4)

圖目錄

圖 1-1 台灣海峽與鄰近海域之海底地形圖,colorbar 單位公尺,白色 contour 為等深線圖………..…….………..…..……6 圖 2-1 Sb-ADCP 測線(A, B 和 C)和計算誤差使用到的海流錨碇點(S1-S6)

位置,P、D 和 M 分別代表氣象局的彭佳嶼、東吉島與馬祖測站位 置……….…………..14 圖 2-2 2006~2007 年利用海研三號與合富輪施放的 30 顆浮標起始資料位 置,圖標示 6/26, 2006 (4)表示 2006 年 6 月 26 日共施放 4 顆浮標..15 圖 2-3 歷史浮標資料點的年際分佈與月份分佈………..…………16 圖 2-4 歷史浮標資料點於四季的空間分布………..………17 圖 3-1 (a)2, (b)3, (c)4(or 4R)和(d) 5 相位平均法於測線上控制時間的示意 圖……….………..23 圖 4-1 本研究施放的 30 顆 SVP 浮標在台灣附近的軌跡圖,標示藍點為浮 標資料起始點………...…34 圖 4-2 2006 年 6 月施放於台灣西南海域的 4 個浮標軌跡……….….……35 圖 4-3 2006 年 6 月施放於台灣西南海域的 4 個浮標流速分布….……..…36 圖 4-4 2006 年 7 月施放於台灣西南海域的 5 顆浮標軌跡………….….…37 圖 4-5 2006 年 11 月施放於台灣西南海域的 9 顆浮標軌………….………38 圖 4-6 2006 年 12 月施放於澎湖水道的 6 顆浮標軌跡……….………39 圖 4-7 NLOM 模式 2007 年 1 月(a)19 日,(b)22 日,(c)25 日的 SSH….…39 圖 4-8 2007 年 1 月施放於台灣海峽北部的 5 顆浮標軌跡………….….…40 圖 4-9 2007 年 1 月施放於台灣海峽北部的 5 顆浮標流速分布………41 圖 4-10 中央氣象局 2006 年 12 月~2007 年 2 月彭佳嶼與東吉島的風速測 站資料………...…42 圖 4-11 歷史浮標資料的漂流軌跡(1982~2006),紅色十字為浮標漂流起始 點………...…43 圖 4-12 歷史浮標資料點的流速分布圖………..……44 圖 4-13 夏季(6~8 月)水下十五米的平均流速與速度變異數(variance)….45 圖 4-14 冬季(12~2 月)水下十五米的平均流速與速度變異數(variance)..46 圖 4-15 秋季(9~11 月)水下十五米的平均流速與速度變異數(variance)..47 圖 4-16 春季(3~5 月)水下十五米的平均流速與速度變異數(variance)…48 圖 4-17 NRL Dr. Ko 提供 EASNFS 的模式 2006 年 7 月 1 日模式計算質點

的漂流軌跡圖………...49 圖 4-18 浮標漂流流速(15 m depth)與 Sb-ADCP 流速(30 m depth)季節流 場比較圖(上二圖取自 Liang et al., 2003)……….…50 圖 4-19 台灣海峽第一種浮標軌跡類型,浮標從南海北上直接通過台灣海

峽進入東海,在海峽的時間在六至八月………51

(5)

圖 4-20 台灣海峽第二種浮標軌跡類型,是從黑潮或東海出發進入東海陸 棚,然後南下進入海峽,時間發生在十月至一月………52 圖 4-21 台灣海峽第三種浮標軌跡類型在秋冬季節(十月到二月),浮標從呂

宋海峽出發,北上進入海峽,但最多只能北上至澎湖群島………53 圖 4-22 台灣海峽第四種浮標軌跡類型發生在秋季九月至十一月,浮標從

南海北上進到台灣海峽,而後反轉南下進入南海…….…..………54 圖 4-23 2007 年(a)1 月 24 日、(b)1 月 31 日、(c)2 月 7 日、(d)2 月 14 日

的 AVISO SSH(顏色與白色 contour)、QSCAT 風速(藍色箭頭與黑 色 contour)與浮標軌跡與流速(黑色點與紅色箭頭)……….………55 圖 5-1 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 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……….……..……63 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………64 圖 5-3 2005 年 7 月 18 日風速(黑色箭頭)與浮標流速(藍色箭頭)………..65 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 Shanshan 颱風影響的浮標軌跡範圍………66 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)………67 圖 5-6 四顆浮標在 2006 年 7 月 19~29 日的流速、U、V 與 SST 時間序列

變化,(Kaemi, 06/07/23~26)……….68 圖 5-7 四顆浮標在 2006 年 9 月 12~22 日的流速、U、V 與 SST 時間序列

變化,(ShanShan, 06/09/15~16)……….69 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………...70 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………...71 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&白色 contour)………..72 圖 5-11 2006 年 7 月 23 日(凱米, Kaemi)浮標流速(紅色箭頭)與 QSCAT 風

速(黑色箭頭&顏色&白色 contour)……….73 圖 5-12 2006 年 9 月 15 日(珊珊, Shanshan)浮標流速(紅色箭頭)與 QSCAT

風速(黑色箭頭&顏色&白色 contour) ………74 圖5-13 (a)氣象站風速變化平方與浮標流速變化絕對值延遲時間 time lag

之間相關圖,(b)風速變化平方與浮標流速變化絕對值之間的相關 (time lag=0 hr)………..…….………75

(6)

圖 5-14 2006 年 7~9 月三顆浮標受碧利斯(Billis)與桑美颱風(Saomai)影響 的浮標軌跡………...……76 圖 5-15 2006 年 7 月 13 日浮標流速(紅色箭頭)與 QSCAT 風速(黑色箭頭&

顏色&白色 contour)……….77 圖 6-1 在不同 form ratio (F = 0 ~3)潮型水域,應用各種相位平均法後平均

未移除潮流與當時使用觀測間隔的關係圖………...…87 圖 6-2 澎湖水道的合成潮流與利用相位平均法後未移除潮流速度(VEB)的

時間序列變化圖……….……….……….88 圖 6-3 澎湖水道 2003 年 9 月 15~18 日垂直測線方向的平均流速分布,分

別採用 5、3、2 相位平均和 S90(Simpson et al. 1990)的結果....89 圖 6-4 澎湖水道 2004 年 3 月 29~31 日垂直測線方向的平均流速分布,分

別採用 4R、2 相位平均和 S90(Simpson et al. 1990)的結果…...90 圖 6-5 澎湖水道 2004 年 7 月 27~30 日垂直測線方向的平均流速分布,分

別採用 5、3 phase 平均、S90(Simpson et al. 1990)與 W04(Wang et al. 2004)的結果………...………91 圖 6-6 2002 年 8 月 7~9 日測線 A, B 和 C 的淨流速分佈(m/s)……….……92 圖 6-7 2003 年 9 月 15~17 日測線 B 和 C 的淨流速分佈(m/s)………..…93 圖 6-8 2004 年 3 月 29~31 日測線 A, B 和 C 的淨流速分佈(m/s)…………94 圖 6-9 左三圖為三個航次的水下 16 m 淨流速與流量值,右三圖為三航次

對應的 QSCAT 衛星所測風速(黑色 contour 為風速等值線)...…95 圖 6-10 NRL NPACNFS 模式 2002 年 8 月 8 日、2003 年 9 月 16 日、2004

年 3 月 30 日的 SSH 與 SST (NRL Dr. Ko 提供)………96 圖 6-11 NRL EASNFS 模式(a)2003 年 9 月 16 日與(b)2004 年 3 月 30 日

的 SSH 與表面海流(NRL Dr. Ko 提供)……….97 圖 6-12 EASNFS 模式 2003~2007 年台灣海峽流量的時序圖(NRL Dr. Ko

提供),黑線資料間隔為每六小時一筆,白線為月平均資料,紅點為 本研究 Sb-ADCP 觀測的流量………..………..98

(7)

表目錄

表 2-1 各航次的觀測方法與內容………9 表 6-1 澎湖水道 1996 年 6~11 月底碇式 ADCP 30 m 深度南北向海流調和分析

結果……….…………81

(8)

摘要

本研究利用自行施放的 30 顆 SVP 浮標、分析 AOML 歷史浮標資料 與三艘研究船的 Sb-ADCP 同步觀測,並結合衛星高度與風速資料、

NPACNFS、NLOM、EASNFS 模式結果等資料探討台灣海峽(TS)附近海

域流場的季節性變化與颱風對於表層流場的影響。由歷史浮標資料的分析 結果顯示夏季 TS 的表層水大部分是源自於南海陸棚上的水,冬季 TS 北 部的表層平均海流為向南流,平均流速約 0.3~0.4 m/s,秋季 TS 內流場主 要是東側為北流,西側為南流,春季 TS 內的資料較少,只有少數的北流。

夏季黑潮的表層水沒有從呂宋海峽入侵南海,而是菲律賓西邊有一股 0.5~0.7 m/s 的東北流穿越呂宋海峽後匯入黑潮。TS 的浮標漂流軌跡類型

可依當時為西南風、強勁東北風與微弱東北風分類,第一種類型為西南風 盛行時,浮標是由南朝北漂流通過 TS。第二、三類型為東北風強勁時,

浮標從黑潮或東海進入東海陸棚,而後南下進入 TS,部份浮標會擱淺在 台灣西海岸,部份浮標會直接南下穿越 TS 進入南海。浮標如果從呂宋海 峽出發,將北上進到 TS,但最多只能北上至澎湖群島後就無法北上轉而 向南或西南漂流進入南海。第四種浮標軌跡類型先是微弱東北季風而後變 成強勁東北季風,浮標從南海北上進到 TS,但是沒有繼續北上進入東海,

而是反轉南下再回到南海。第五種浮標軌跡主要呈現 TS 北端在東北季風 微弱時的往北漂流型態,此種漂流軌跡似乎屬於冬季的台灣暖流(Taiwan

(9)

Warm Current, TWC),TWC 表層流速約為朝北 0.2 ~ 0.4 m/s,第二、四

與五類型皆是過去文獻罕見的漂流軌跡。颱風下的海洋觀測也是稀有與寶 貴的資料,颱風中心附近浮標觀測到的最大流速為 2.0 m/s,當時瞬間風 速約 37 m/s,浮標觀測到的 SST 溫度降低約 2~4℃。迴歸結果顯示馬祖 氣象站在海棠颱風通過時每小時平均風速增加 3 m/s,浮標流速約增加 0.52 m/s,浮標流向約在風向的右方 45 度。2006 年夏天碧利斯颱風與桑

美颱風通過台灣東北海域時,黑潮附近的浮標轉而向東海陸棚內漂流,觀 測到的最大流速約 1.1 m/s,這也意味著在夏季颱風通過時位在颱風中心 北方的黑潮海水會藉由颱風入侵到東海陸棚。

本研究利用三艘研究船 Sb-ADCP 在 2002 月 8 月、2003 月 9 月與 2004 年 3 月聯合監測 TS 的流量,經過相位平均法濾潮後三個航次所得到

的 TS 流量分別為 3.4、3.6 和 2.8 Sv,此結果與 NRL EASNFS 模式估算 的 TS 流量相互比對落於合理的流量範圍。在澎湖水道也測試與評估了多 種相位平均法的適用性,3, 4 和 5 相位平均法適用於各種潮型的海域 (F=0~3),濾潮效果顯著,最佳觀測間隔時間分別約在 8、6 與 5 小時左右,

如果觀測測線過長,無法在最佳觀測時間進行觀測時可以考慮使用次佳的 觀測時間。2 相位平均法除了以半日潮為主導的海域濾潮明顯外,其餘潮 型海域並不適用。

(10)

Abstract

In order to better understand the flow dynamics in the Taiwan Strait (TS) and the adjacent seas, a series of field experiments were conducted to monitor the currents by deploying 30 SVP drifters, using shipboard ADCP measurements and analyzing historical drifter data in the TS. Examinations of historical drifter data reveal that the surface waters in the TS originate from the shelf of the South China Sea (SCS) in the summer. In wintertime, the mean surface current flows toward the south in the northern TS with a mean speed of approximately 0.3~0.4 m/s. The surface current in the eastern TS mainly flows northward, and it flows southward in the western TS in the fall. The surface waters of the Kuroshio do not intrude into the SCS in summer.

Instead, a northeastward current of 0.5~0.7 m/s west of Luzon Island impinges on the Kuroshio across the Luzon Strait. Drifter tracks in the TS are classified according to the wind condition. The first type of drifter tracks is that the drifters move northward in the TS with an intensified flows in the Peng-hu Channel when the southwest monsoon prevails. The second and third types of drifter tracks are under the influence of strong northeast monsoon. The drifters are carried onto the shelf of East China Sea from the Kuroshio or the East China Sea, and then move southward along the TS.

Some drifters are grounded at the west coast of Taiwan, and the others drift through the TS. The third type of drifter tracks show that drifters start from the Luzon Strait and move northward into the TS. However, they can only reach the neighboring area of Peng-Hu archipelagoes, then they change the direction of drifting to the south or southwest and toward the SCS. The fourth type is that drifters are carried northward from the SCS into the northern TS under the weak northeast wind, and then veer to the south when the northeast monsoon intensifies. The fifth type of drifter tracks demonstrates the flow pattern of the northern TS when the northeast monsoon

(11)

diminishes. This flow pattern belongs to the Taiwan Warm Current (TWC) in wintertime. The surface speed of TWC is about 0.2~0.4 m/s northward. The second, fourth and fifth flow patterns in the TS have not been quite discovered in previous studies. In-situ marine observations right beneath typhoons are very scanty and valuable. In this study we have found several events with some drifters happened to get caught by typhoons. The maximum speed of drifters near the typhoon center is found to be about 2 m/s. The SST, which is observed by the drifter, reduces 2~4℃

after the typhoon passes. Our results indicate that for the case of the Typhoon Haitang the Matsu weather station measured a sudden increase of wind speed of about 3 m/s every hour, and the corresponding drifter speed increases 0.52 m/s.

There were two events in summer of 2006 when the Typhoon Billis and Saomai passed the northern region of Taiwan, and some drifters located at the Kuroshio to the north of typhoon were carried rapidly onto the ECS shelf with a maximum speed of about 1.1 m/s. This result indicates that the Kuroshio waters can penetrate into the ECS shelf by means of the passage of typhoon in this region during summertime.

Three cruises with the shipboard ADCP were performed by three research vessels concurrently along two transects during 2002-2004. Various phase averaging methods were employed to eliminate tidal effects. The calculated volume transport of the TS for the period of August 2002, September 2003 and March 2004 is 3.4, 3.6 and 2.8 Sv, respectively. These transport values are compatible with the output of EASCNFS model. The estimated uncertainty of the residual flow through the Peng-hu Channel derived from the 5-phase-averaging, 4-phase-averaging, 3-phase-averaging and 2-phase-averaging methods is 0.3, 0.3, 1.3 and 4.6 cm/s, respectively.

Procedures for choosing a best phase average method to remove tidal currents in any particular region are also suggested.

(12)

第一章 緒論

台灣四面環海,周邊海底地形複雜,台灣東部海域坡陡水深,

離岸不遠水深就深達數千公尺,台灣西面的台灣海峽平均水深約 60 公尺,台灣北部和南部分別為平均水深只有約 100 公尺的東海陸棚 和深達 4000 公尺以上的南海海盆及呂宋海峽(如圖 1-1)。而台灣周邊 的流場型態主要的現象有台灣東方的黑潮主流及其擺動、黑潮入侵南 海與入侵東海陸棚、黑潮支流經由台灣海峽與當地風造成風驅流之間 的互動、冬季大陸沿岸流與黑潮支流間的消長、夏季颱風通過時對流 場 的 影 響 等 等 , 這 些 都 是 近 年 來 經 常 被 討 論 的 科 學 議 題 。 黑 潮 (Kuroshio) 為北太平洋主要的西方邊界流,黑潮源起於北赤道流 (North Equatorial Current, NEC),NEC 受到菲律賓島阻擋後分為兩 支,南下支流為民答那峨海流(Mindanao Current),北上分支就是黑 潮,黑潮流量介於 19~47 Sv (Nitani, 1972; Chu, 1976; Liu, 1983),

1 Sv = 10

6

m

3

/s,黑潮在水下 30 公尺深的最大流速約 100 cm/s,黑 潮在台灣東方寬度約 100 km (Liang et al., 2003),Tang et al.(2000) 指 出 黑 潮 主 軸 的 擺 動 不 只 是 季 節 性 的 , 也 存 在 著 季 節 內 (intra-seasonal)的擺動。

關於黑潮經由呂宋海峽的入侵南海的現象,部份學者相信黑潮

只在東北季風期間入侵南海(Wyrtki, 1961; Nitani, 1972; Shaw, 1991;

(13)

Shaw and Chao, 1994; Farris and Wimbush, 1996),另外有部份學 者相信黑潮ㄧ年四季皆入侵南海(Metzger and Hurlburt, 1996; Chu, 2000; Qu, 2000; Qu et al., 2000; 梁, 2002; Yaremchuk and Qu, 2004),雖然黑潮是否終年都入侵南海說法不ㄧ,不過一般都認為呂 宋海峽的流量與東北-西南季風有密切關聯性(Metzger and Hurlburt, 2001)。

黑潮在東海陸棚上的入侵現象也被許多研究確定(Chern et al., 1990; Hsueh et al., 1992; Liu et al., 1992; Tang and Yang, 1993;

Chuang and Liang, 1994)。Chuang and Liang (1994)指出除了東北 風另外還有幾個原因是造成冬季黑潮入侵的可能原因,風場的時空變 化、海洋熱量的損失、台灣海峽出流(outflow)的強度等等,而夏季黑 潮入侵的原因則被認為與颱風過境有關。

一般認為在台灣海峽內,沿著台灣的西海岸在所有的季節幾乎都 持續存在一股北流(Beardsley et al., 1985; Chuang, 1985; 1986;

Fang et al., 1991; Zhao and Fang et al, 1991; Zhu et al., 2004),而

台灣海峽的年平均風應力是西南向的(Na et al. 1992),因此這股北流

是逆風的。北向逆風流的動力源一般認為來自於海峽南北兩端水位差

所產生的壓力梯度,另外黑潮入侵或是由季風造成海峽南端水位抬升

也是可能的原因(Chuang, 1985; 1986 ; Lin et al., 2005; Wu and

(14)

北流是源自於黑潮,但Fan(1982)利用水文觀測資料卻發現夏季台灣 海峽的水來自南海表層水,因此夏季台灣海峽的水是源自於哪裡也是 本研究需要釐清的議題。

台灣海峽流量方面,Wyrtki (1961)以高雄和澳門水位估算通過海 峽東西斷面之流量,夏季向北0.5~1 Sv,冬季向南0.5 Sv。四組錨碇 於台灣海峽的ADCP資料顯示9月底~12月中體積傳送量介於-5~+2 Sv,平均值為向北+0.1 Sv (Teague et al., 2003; Lin et al., 2005;)。

Wang et al. (2003)處理兩年多(1999-2001)的Sb-ADCP資料研究結 果顯示,台灣海峽最大流量出現在夏季,流量為2.7 Sv,最小出現在 冬季,流量為0.9 Sv,平均流量為1.8 Sv。Wu and Hsin (2005)運用 高解析度的數值模式模擬真實地形,計算台灣海峽年平均流量為向北 1.09 Sv。台灣海峽流量大小眾說紛紜,仍有爭議。澎湖水道寬度較 窄,流量觀測較為容易,因此較無爭議,利用Sb-ADCP觀測到的流 量介於-0.11~1.87 Sv,正值流量向北,流量與當地風之間的關係良 好(Jan and Chao, 2003; Wang et al., 2004; Chang et al., 2008)。

台灣暖流(Taiwan Warm Current, TWC)存在於夏天是被確定

的,但是TWC是否存在於冬天已經爭議多年,Zhu et al.(2004)利用

地區CTD資料與錨碇的ADCP在長江口附近監測,資料顯示TWC沿著

50 m等深線北流,水下30公尺深有最大流速30 cm/s,從SST影像發

(15)

現TWC出現在東海上是斷斷續續的,TWC的發生與持續時間也許與 台灣周圍黑潮的蜿蜒(meandering)有關。另外Chen et al.(2006)指出 衛星水溫、水文、浮標軌跡、

18O

等資料皆顯示台灣南方的黑潮支流 只能到達台灣海峽的南部,因此冬季大部分的TWC必須源自從台灣 東北方入侵到東海陸棚的黑潮。

台灣位於北太平洋的西側,因此台灣附近海域的夏季流場經常會 受到颱風的影響,而颱風形成的必要條件為大於26°C的海表溫

(sea-surface temperature, SST)以及水深大於50~100 m的寬闊海洋 等等(Emaruel, 2005a)。由於地球的繼續暖化,在熱帶海洋有越來越 溫暖的海表溫,因此未來十年也許可以看見比以前更多的強烈風暴形 成(Emaruel, 2005b)。Liu et al. (2006)在台灣西南的海底峽谷附近的 錨碇觀測發現颱風過境時河流的流量有顯著的增加,也發生波浪再懸 浮(wave resuspension)事件。颱風或颶風造成的混合作用改變了上 層海洋熱的平衡,颱風在台灣附近海域出現頻繁,以2005年7~9月期 間為例,中央氣象局發佈颱風警報的共有7個颱風,平均一個月有2.33 個颱風出現在台灣週遭海域,因此對台灣附近海域的夏季流場型態應 該會造成相當程度的影響。加上颱風底下的海洋觀測是相當稀少的,

使得想要利用模式去預報海洋狀況變得極為困難(Oey et al., 2007),

因此更多颱風的海洋觀測資料的取得也變得相當重要。

(16)

綜合以上台灣週遭海域的流場型態,仍有一些科學議題尚待釐清

與探討。例如,TWC 在冬季是否存在?如果存在,為何冬季 TWC 的

出現是斷斷續續,而它的流況又是如何? 另外,台灣海峽流量眾說紛

紜,年平均流量不同研究差異頗大,確實的流量是需要更多觀測資料

來相互證實。除此之外,黑潮在夏季是否經由呂宋海峽入侵南海?夏

季台灣海峽的水主要是源自於黑潮或是源自於南海表層水?颱風對黑

潮或台灣附近海域的流場型態又將造成什麼影響?以上這幾個議題都

將是本研究主要研究的課題。

(17)

圖 1-1 台灣海峽與鄰近海域之海底地形圖,colorbar 單位公尺,白色

contour 為等深線圖

(18)

第二章 觀測方法與資料來源

在前一章的文獻回顧當中,可知過去對於台灣海峽流況的研究大 都是根據水文觀測、Sb-ADCP 資料、錨碇式海流資料以及衛星 SST 資料等,本研究則是從另外的角度切入此一問題。由於台灣海峽附近 的浮標漂流研究較少(Tseng and Shen, 2003; Centurioni et al., 2004),因此本研究希望借助於浮標觀測上的ㄧ些優勢來釐清與探討 以上的問題,浮標觀測的優勢包括即使是強勁東北季風期間甚至如颱 風中心附近的海域,浮標觀測仍然可以取得資料。另外,本研究也利 用三艘研究船 Sb-ADCP 同時直接量測台灣海峽的斷面流速,在台灣 海峽的不同斷面位置取得同步的觀測資料,並期待能得到更多台灣海 峽流量的實際觀測值。

2-1 三艘研究船 Sb-ADCP

本研究在台灣海峽設計三條測線(測線 A、B 和 C),並利用海研 一號、二號與三號研究船的 Sb-ADCP 於三條測線上蒐集海流資料。

資料蒐集的時間分別為 2002 年 8 月~ 2004 年 7 月,共 5 個航次,

每航次觀測 2 至 4 天不等。研究船在測線上來回航行測流,每個航次

因為所採用移除潮流的方式不同,因此完成的趟數有所變化,表 2-1

為各航次採用的觀測方法與內容。5 個航次中有 3 個航次是使用 3 艘

(19)

研究船同時監測 3 條測線(測線 A、B 和 C),另外 2 個航次是利用海 研三號於測線B(澎湖水道)測流。圖 2-1 為實驗測線與測站的分佈。

第一次聯合觀測是於 2002 年 8 月 7~9 日完成,由海研二號負責

跑 A 測線,由桃園外海跑至海峽對岸的海壇島外海需時八小時,再

折返原地,以如此方式一共完成三個來回的行程,因此可採用三相位

平均法移除潮流,相鄰兩次的間隔為 16 小時,也可分別利用去程與

回程的 Sb-ADCP 資料計算淨流。B 測線是由海研三號負責,由外傘

頂洲跑至澎湖附近,由於 B 測線較短,因此可以多跑幾趟三相位平

均法。C 測線是由海研一號負責,由澎湖西邊跑至金門外海歷時八小

時,再折返原地,與測線 A 相同完成三個來回的行程,採用三相位

平均法移除潮流。2003 年 3 月 12~13 日利用海研三號於澎湖水道測

試 2 相位平均法的適用性,該航次東北季風較強,平均風速達 9.3

m/s。第二次聯合觀測於 2003 年 9 月 15~18 日完成,由海研二號負

責跑 A 測線,但因為該航次海研二號 Sb-ADCP 出現問題,因此沒有

A 測線的資料。B 測線是由海研一號負責,由於 B 測線較短,此航次

B 測線測試二、三及五相位平均法。C 測線是由海研三號負責,採用

三相位平均法移除潮流。第三次聯合觀測於 2004 年 3 月 29~31 日完

成,由海研二號負責跑 A 測線,採用三相位平均法濾潮。海研三號

負責 B 測線,採用二、三與 4R 相位平均法濾潮,海研一號負責 C

(20)

測線,採用三相位平均法濾潮。最後一個航次於 2004 年 7 月 27~30 日利用海研三號於澎湖水道測試與評估三與五相位平均法的適用性。

三艘研究船上所安裝的 ADCP 均為美國 RDI 公司的產品,OR1 與 OR2 的 ADCP 都是 150 KHz,OR3 的 ADCP 在 2002 年 8 月航 次時為 75 KHz,從 2003 年 3 月航次開始就更換為新系統,頻率為 150 KHz。垂直間距設定為 4~8 m,最上層的流速位於水面下 10.6 ~ 16.4 m ,平均資料的時間間隔設定為 1~2 分鐘。為了使流速的觀測 結果達到一定的品質,本研究僅採用 ADCP 資料品質(percent good) 在 85 %以上以及離開海底距離大於水深 15 %之流速值。

表 2-1 各航次的觀測方法與內容

日期(年/月/日) 測線(研究船, 濾潮方法) 平均風速 風向 2002/8/7-9 A(OR2, 3 phase), B(OR3, 3

phase), C(OR1, 3 phase)

8.3 m/s 188∘

2003/3/12-13 B(OR3, 2 phase) 9.3 m/s 19∘

2003/9/15-18 A(OR2, 3 phase), B(OR1, 2、3、5 phase、S90), C(OR3, 3 phase)

3.0 m/s 354∘

2004/3/29-31 A(OR2, 3 phase), B(OR3, 2、3、4R phase、S90), C(OR1, 3 phase)

6.0 m/s 21∘

2004/7/27-30 B(OR3, 3、5 phase、S90、W04) 3.4 m/s 350∘

註: S90 為 Simpson et al. (1990)使用的最小平方分析方法,W04 為 Wang et al.(2004)使用的最小平方的分析方法

2-2 Lagrangian 浮標資料

(21)

本研究與美國聖地亞哥大學 Prof. Peter Niiler 與 Dr. Luca Centurioni 合作,加入美國 Global Drifter Program,購買了 30 顆美 國 Clearwater 公司生產的 SVP(Surface Velocity Program)浮標,這 是全球海洋環流實驗(WOCE)所發展出來的標準表層測流浮標,具有 洞襪式外型(Holey Sock),托傘(drogue)受海流的拖曳力遠大於風和 浪的作用力,表層浮球為玻璃纖維材質,內有電池組、發報器、天線 和溫度感應器等裝置,托傘由尼龍布製成,其中心深度為 15 m,以 測量表面混合層中的海流,平均壽命為一年。托傘在浮標佈放前是以 溶於水的紙膠帶綑綁起來以縮小體積方便施放,浮標可以被成功佈放 船速低於 25 節的航行中,浮標下水後經過一小時托傘和纜繩便會完 全展開,展開後托傘中心點在水下 15 m 深。

浮標的定位方法是採用 Argos 系統,Argos 是一種全球性衛星定

位和資料集取系統,它藉由都卜勒頻率偏移效應來定出裝備有 Argos

發報器平台的位置,其精確度約為 350 m,定位的時間間隔從 15 分

鐘到幾小時不等。本研究於 2006 年 6 月至 2007 年 1 月一共分成八

次施放 30 顆浮標,施放的 30 顆浮標中 29 顆有資料回傳,一顆浮標

施放後故障無資料,浮標施放地點及數目如圖 2-2 所示,其中 2006

年 12 月 20 日與 26 日共施放六顆浮標於澎湖水道,藉以暸解冬季澎

湖水道的表層北流是否能持續存在,也要觀察浮標是否能漂進台灣海

(22)

峽。另外,本研究於 2007 年 1 月 11 日與 2007 年 1 月 25 日利用基 隆與馬祖間的交通船合富快輪於海峽北端施放了五個浮標。冬季施放 的浮標主要探討冬季台灣海峽內的流場型態以及冬季 TWC 是否存在 以及 TWC 的成因等相關議題。其餘的 20 個浮標則是在 2006 年 6 月 26 日、7 月 20 日、11 月 8 日和 11 月 20 日於台灣西南外海到東 沙島之間施放,夏季施放的浮標主要要釐清與討論有關台灣海峽流場 型態、台灣海峽夏季的表層水源自南海水或黑潮以及颱風過境對流場 與黑潮入侵等影響。除了 2007 年 1 月的浮標是由合富輪施放以外,

其它浮標都是由海研三號所施放。

本研究除了施放 30 個 SVP 浮標,也收集分析所有流經台灣海峽 與周邊海域的歷史浮標資料。歷史浮標漂流資料來自於美國 NOAA (National Oceanic & Atmospheric Administration) AOML (Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory)歷史浮標資料庫,資 料庫網址為 http://www.aoml.noaa.gov/phod/trinanes/xbt.html,浮標 資料庫的資料格式有經緯度、浮標編號、時間(每 6 小時一筆)、東西 方向速度分量、南北方向速度分量、溫度…等物理量。資料的時間長 度為 1982~2007 年,範圍為東經 117°E~125°E,北緯 18°N~29°N,

共 729 條浮標軌跡,75775 點流速資料。圖 2-3 為流速資料點的年際

分布與月份分布情形。從 2003 年以後,浮標施放有增加的趨勢,每

(23)

個月份的資料點都超過兩千點以上,沒有很缺乏資料的月份,冬季資 料相對較多,夏季較少。圖 2-4 為浮標資料點四季的空間分布,春季 海峽內資料點較少,冬季南海北部資料點較多,秋季呂宋海峽跟台灣 東邊海域資料較多,夏季資料分佈較均勻。

2-3 其他資料來源

本研究自美國海軍實驗室(US Naval Research Laboratory, NRL)

Dr. Dong-Shan Ko 取 得 NPACNFS (North Pacific Ocean

Nowcast/Forecast System) 與 EASNFS(East Asian Sea

Nowcast/Forecast System)模式結果,用來互相比對與佐證浮標與

Sb-ADCP 資料觀測到的流場型態。NPACNFS 是即時的北太平洋

資料同化模式,以 Princeton Ocean Model (POM)為基礎,它的範

圍包含整個北太平洋,緯度從南緯 16 度到北緯 60 度,表面驅動力

有風應力、熱通量、太陽輻射、海表氣壓,這些資料也是來自於 Navy

Operational Global Atmospheric Prediction System (NOGAPS)三

小 時 一 筆 的 大 氣 預 報 資 料 。 同 化 資 料 SSH 與 SST 是來自於

Geosat-Follow-On、TOPEX/Poseidon、ERS-2 與 AVHRR 等衛星

資料,NPACNFS 網格解析度為 40 km,模式資料時段為 2000~2004

年。NRL 近年發展另一個較小的模式 EASNFS 模式,解析度為 9

(24)

系 統 模 式 。 另 外 從 NRL 的 網 站 http://www7320.nrlssc.navy.mil/global_nlom 可以下載另一個模式 NLOM (Navy Layered Ocean Model)每天的 SSH 資料分布圖,解 析度有 1/16°×1/16°與 1/32°×1/32°兩種,NRL 每天更新這個網頁,

網 站 提 供 即 時 的 nowcast 結 果 , Naval Oceanographic Office (NAVOCEANO)每天輸入衛星的 SST、SSH 資料與 NOGAPS 的大 氣資料到 NLOM 模式做預報輸出。

本研究另外也從中央氣象局購買測站風速資料,如東吉島、彭佳

嶼、馬祖等測站(圖 2-1),用來探討特定浮標軌跡、冬季鋒面南下或

夏季颱風等特殊事件。另外,QSCAT 衛星風速資料也可以從國外網

址下載,網址是 http://www.ssmi.com/qscat/qscat_browse.html,資

料有當天早上或晚上的資料或每週與每月的平均風速資料,資料網格

解析度為 0.25°×0.25°。衛星高度計資料由 Archiving Validation and

Interpretation of Satellite data in Oceanography (AVISO)提供,該網

站使用的資料為四顆衛星(Topex/Poseidon, ERS-1/2, Jason-1 and

Geosat-Follow-On),經網格化後的 SLA (Sea Level Anomalies),再

加上全球平均的海面高度值,最後得到絕對的海面高度值,資料空間

網格解析度為 1/3°×1/3°。

(25)

圖 2-1 Sb-ADCP 測線(A, B 和 C)和計算誤差使用到的海流錨碇點

(S1-S6)位置,P、D 和 M 分別代表氣象局的彭佳嶼、東吉島與馬祖

測站位置

(26)

圖 2-2 2006~2007 年利用海研三號與合富輪施放的 30 顆 SVP 浮標

起始資料位置,圖標示 6/26, 2006 (4)表示 2006 年 6 月 26 日共施放

4 顆浮標

(27)

圖 2-3 歷史浮標資料點的年際分佈與月份分佈

(28)

圖 2-4 歷史浮標資料點於四季的空間分布

(29)

第三章 分析方法

3.1 移除 Sb-ADCP 潮流分量

Sb-ADCP 觀測的流速裡包含有潮流訊號,本研究利用相位平均 法(2 phase、3 phase、4(4R) phase、5 phase) 以及最小平方法 (Simpson et al. 1990; Wang et al. 2004)來移除潮流的分量。相位平 均法是利用控制時間差來濾除潮流,以 2 phase 平均法(Jan and Chao, 2003)為例,將觀測時間的間隔控制在 1/2 的潮流週期,以主 要的分潮 M

2

來說明,也就是 6 小時 12 分鐘,將兩次的觀測資料平 均,理論上可將半日潮流的分量移除,但不能移除全日潮流。3 phase 平均法時間間隔為 8 小時,約為半日週期的 2/3 週期,全日週期的 1/3 週期,將三次的觀測資料平均,理論上可以移除大部份的潮流分 量。5 phase 平均法時間間隔為 5 小時,約為全日週期的 1/5 週期 (Chang et al., 2008)。

4R phase 平均法(Katoh et al., 1996, 2000)則是在 24 小時 50 分 鐘跑四個來回的航次,每ㄧ趟的時間控制在 3 小時 6 分鐘,第 1 與 第 3 趟相隔 6 小時 12 分鐘可移除半日潮流,同理,第 2 與第 4 趟,

第 5 與第 7 趟,第 6 趟與第 8 趟皆可移除半日潮流。第 1 趟與第 5

趟相隔 12 小時 25 分鐘可移除全日潮流,同理第 2 與第 6 趟,第 3

與第 7 趟,第 4 趟與第 8 趟皆可移除全日潮流。將 8 趟所有資料平

(30)

均就移除了半日與全日潮流。圖 3-1 為各種相位平均法測線控制時間 示意圖。

最小平方法(Simpson et al. 1990; Lwiza et al., 1991),在本文中 簡稱 S90,是在一個潮汐週期內沿著一條測線上做了若干次來回重覆 的 Sb-ADCP 觀測,再將每趟航次的流速資料都內插到網格上。因此 每個網格點皆有時間序列的流速資料,再利用最小平方法,迴歸以下 的方程式

=

⋅ +

=

N

i

i i

i

T

A t u

t u

1

0

2 )

cos(

)

( π θ

(1)

=

⋅ +

=

N

i

i i

i

T

A t v

t v

1

0

2 )

cos(

)

( π θ

(2)

其中 u 和 v 分別為流速的東西方向分量與南北方向分量,u

0

和 v

0

平均流速的東西方向分量與南北方向分量,A

i

是第 i 個分潮流的振 幅,Ti 是第 i 個分潮流的週期,

θi

是第 i 個分潮流的相位,N 是分潮 流的個數,t 是時間。

空間相關內插分析方法基本原理是利用流速資料去迴歸特定的

函數,藉此以決定主要分潮的振幅和相位以及它們的時空變化,還有

餘流的大小,有別於一般調和分析只考慮定點的時間序列變化。Wang

et al. (2004)利用 Gaussian interpolation function 與當地的節點來分

(31)

析出 PHC 的潮流和淨流的大小以及體積輸送量,本研究也應用此方 法來濾除潮流,簡稱 W04。

3.2 Sb-ADCP 流量之估算

由於 Sb-ADCP 無法量測到表層與底層的流速,因此表面到第一 個 bin 之間的流速假設等於第一個 bin 的流速,底層的流速利用最底 部的一個 bin 的流速外插至海底零流速求得。流量 Q 的計算方式如下 所示

z d v

Q

n

i N

k

k i

i

⋅ ⋅ Δ

= ∑∑

=1 =1 ) ,

(

(3) 其中

i

是測線水平方向的網格數,

k

是測線垂直方向的網格數,v(i, k) 是網格點

( ki, )

垂直於測線分量的平均流速,

d

是網格點水平間距,

Δz

是網格點垂直方向的間距。

n

是水平網格點的總數,N

i

是第

i

個水平 網格點垂直方向網格點的總數。

3.3 Lagrangian 浮標資料

本研究施放的30顆SVP浮標資料由Argos系統將浮標資料傳送

至NOAA/AOML的Drifter Data Assembly Center (DAC)來收集處

理,先做資料品管,刪除浮標擱淺,脫傘脫落,被漁夫撈走和下水

前的資料,再使用Kriging的方法(Hansen and Poulain, 1996)刪除極

(32)

(centered finite difference)方式求得u和v速度分量。Niiler et al.

(1995)指出經過此標準程序處理過的浮標流速誤差,在10 m/s風速 作用下,誤差約只有10

-2

m/s。

網格化的平均流速和速度變異數橢圓(variance ellipses)是 6 筆 資料以上才計算,速度變異數橢圓的分析方法(Emery and Thomson, 1998)可以找出觀測速度資料變化量(observed velocity fluctuations) 的主軸方向與變異量大小,觀測速度變化量

V'(t)=[u'(t),v'(t)]

,其中

u'(t)

v'(t)

分別為 t 時間東西方向分量與南北方向分量的速度變化量,主 軸角度(the principal angles,

θp

)與速度變化量的關係式可以被表示 為

2

2 '

' ' ' ) 2

2 tan(

v u

v u

p = −

θ

(4) 或

] ' '

' ' [ 2 2tan 1

2 2 1

v u

v u

p =

θ

(5) 其中主軸角度

θp

的範圍被定義為

−π/2≤θp ≤π/2

,而沿著主軸與次軸 的主要變化量(principal variance)

λ1

λ2

與速度變化量的關係式可以 被表示為

} ] ) ' ' ( 4 ) ' ' [(

) ' ' 2{(

1 2 2 2 2 2 2 1/2

1 = u +v + uv + uv

λ

(6)

1 2 + 222 2 + 2 1/2

λ =

(7)

(33)

以海流測站為例,如果測站離岸邊很近,變異數橢圓主軸(major axis)

的方向一般會是平行於海岸線(longshore direction),而次軸的方向一

般會是垂直於海岸線(cross-shore direction)的方向。

(34)

圖 3-1 (a)2, (b)3, (c)4(or 4R)和(d) 5 相位平均法於測線上控制時間的

示意圖

(35)

第四章 台灣附近海域之季節流場- Lagrangian 觀測

4-1 觀測結果

為了進一步了解台灣附近海域的流場型態並完成待釐清的課 題,本研究於 2006 年 6 月~2007 年 7 月於台灣海峽附近海域施放 30 顆 SVP 浮標,圖 4-1 為我們施放的 30 顆 SVP 浮標所有漂流軌跡 圖,大部份的軌跡都集中在台灣海峽南部、南海北部、東海與台灣海 峽東部海域,流過台灣海峽內部的浮標不多。

圖 4-2 與圖 4-3 為 2006 年 6 月施放的四顆浮標軌跡與流速分布 圖,施放在台灣西南沿岸海域的兩顆浮標順著台灣西南的順時針套流 (Centurioni et al, 2004)繞過台灣南端,其中一顆隨黑潮北上進入東 海與黃海陸棚,進入陸棚後流速微弱,約只有 0.1~0.3 m/s。另外一 顆浮標受到颱風影響而往東南漂流。在呂宋海峽西邊施放的兩顆浮標 都流到台灣東南端海域,編號 63101 軌跡的浮標也是受到不只一個 颱風影響,9 月 15 日附近有明顯的慣性週期軌跡,並在太平洋打轉 多日,最後才併入黑潮北上流往琉球群島,另一顆則壽命很短無資料。

圖 4-4 是 2006 年 7 月施放於台灣西南的五顆浮標軌跡圖,一顆

施放在較南邊的浮標(編號 63192)沒有進入順時針套流而直接穿越呂

宋海峽進入黑潮。編號 63089 浮標直接北上通過台灣海峽,另外三

顆浮標也是順著順時針套流繞出台灣南端北上進入東海陸棚。

(36)

圖 4-5 為 2006 年 11 月施放在台灣西南海域及呂宋海峽的 9 個 浮標軌跡,秋冬季有 6 個浮標從台灣海峽西南外海向西南方向流進南 海,形成西南向的東沙海流甚至延伸到越南外海的強勁南流,有 3 個 浮標則從呂宋海峽先向東北流進台灣東南端再隨著黑潮北上,其中一 顆擱淺在花蓮岸邊,另外兩顆穿越琉球群島往東形成 Kuroshio Extension。

圖 4-6 為 2006 年 12 月在澎湖水道施放的 6 個浮標軌跡與流速,

編號 63194 的浮標軌跡從 PHC 直接南下繞過台灣南端從台灣東岸北

上最後又繞過台灣北端進到台灣海峽最後擱淺在台灣西海岸,幾乎快

要環繞台灣一週,是很難得又有趣的漂流軌跡,其中在台南外海、恆

春東南方以及台灣東北角皆有打轉一圈的軌跡。其他的 5 個浮標從澎

湖水道往西南漂流進入南海,可見台灣海峽在 12 月的東北季風籠罩

下使得澎湖水道的海流受到阻擋無法繼續北上轉向西南或向南,另外

多個浮標在一月中下旬進到一個位於 21°N,119°E 的順時針渦漩向西

移動。編號 63105 的浮標則在東沙島的南方盤旋了將近兩個月,其

軌跡顯示出潮汐的影響與順時針方向的渦漩。圖 4-7 是 2007 年 1 月

19~25 日 NLOM 模式的 SSH 分布圖,結果也顯示當時存在有一個高

水位順時針渦漩。

(37)

圖 4-8 與圖 4-9 為 2007 年 1 月利用合富輪在台灣海峽北端施放 的 5 顆浮標軌跡與流速分布,編號 63102、63103、63191 三顆浮標 是同一天施放的(2007 年 1 月 11 日),施放位置稍有不同,紅色浮標 63102 施放點最靠近大陸,63191 浮標最靠近台灣,63102 浮標直接 南下進入台灣海峽,擱淺在外傘頂洲,向南平均流速約 0.22 m/s,

63103 與 63191 浮標先往台灣北部海岸,63191 浮標擱淺在基隆海 岸附近,63103 浮標則轉而向北流到東海。編號 63190 浮標於 2007 年 1 月 25 日施放,浮標沿著大陸沿岸持續往北漂流,流速介於 0.1~0.3 m/s,流速相當微弱,浮標軌跡與 63103 浮標相同,在歷史浮標資料 庫內是相當少見的漂流路線。

圖 4-10 是中央氣象局 2006 年 12 月~2007 年 2 月彭佳嶼與東吉

島的每小時平均風速資料,風速資料顯示在 12 月下旬到 1 月下旬期

間,東吉島風速東北季風強勁,風速大部分時間介於 10~20 m/s,最

大風速超過 20 m/s,而 12 月施放在澎湖水道的浮標皆無法向北漂流

而紛紛南下,此結果似乎與這段期間強勁的東北風有關。在 2 月初開

始東吉島風速開始減弱到 2~3 m/s,2 月中旬甚至出現微弱南風,另

外彭佳嶼的風速則在 2 月初開始經常有東南風出現,風速有時達到

10 m/s,可能因為這段期間冬季東北季風的暫時減弱才會導致 2007

年 1 月施放的幾個浮標向北漂流進入東海。

(38)

4-2 表層流場的季節性變化

圖 4-11 是歷史浮標資料所有漂流軌跡圖,資料庫中已包含本研 究施放的 30 顆浮標資料,紅色十字點為浮標資料的起始點或施放 點,資料庫很多浮標施放點是在呂宋海峽,另外一部分的浮標是從太 平洋漂流進此區域。圖 4-12 是歷史浮標資料點的流速分布圖,可明 顯看到幾處流速最強(大於 1.2 m/s)的區域,分別是台灣東部黑潮的 主軸位置、呂宋海峽流速較強的區域與入侵至南海的路線,還有澎湖 水道等海域。台灣海峽西邊的流速不大,通常小於 0.4 m/s。

圖 4-13~4-16 是四個季節在水下 15 m 的所有浮標(0.5°×0.5°)平 均流速(箭頭)與流速變異量橢圓(variance ellipses),變異量橢圓在 類似太平洋上的開放海洋常發現主軸與次軸的長度是差不多的,在沿 岸或水道內主軸長度多數大於次軸長度,意謂沿岸網格內的流速變化 常常是受地形影響而沿著海岸方向,而開放海洋的流速變化方向較不 受地形影響。在夏季平均流速方面,台灣海峽流速主要皆朝北流動,

海峽東邊流速較強,平均流速約 0.6~1.0 m/s,海峽內的北流北上到

了北緯 24.5 度附近會匯流到東側繼續北上,澎湖水道與匯流後的海

域(新竹至桃園海域)流速較強,約 1 m/s。另外平均流速箭頭也顯示

夏季台灣海峽的表層水大部分是源自於南海陸棚上的水,而且南海陸

棚和東海陸棚上的流速變異量橢圓長度都很小,顯示出此海域在夏季

(39)

期間的海流相當一致。圖 4-17 為 NRL Dr. Ko 提供的 EASNFS 在 2006 年 7 月 1 日模式計算的質點漂流軌跡圖,也顯示當天台灣海峽 的表層水來自南海陸棚上。Wang and Chern (1992)指出西南季風開 始盛行時,南海水隨著西南季風進入南海東北部海域,此時南海東北 部海域均盛行著東北向的西南季風流,這些東北向的海流在通過台灣 灘後受到陸地地形的影響分成兩部分,一部分北上進入澎湖水道,一 部分轉向東南向,沿著高雄、屏東海岸南下而從台灣南端流出巴士海 峽。本研究夏季歷史浮標資料的流速資料結果(圖 4-3)與 Wang and Chern(1992)所述南海東北部夏季環流相當一致。另外,王和陳(2000) 指出夏季期間南海東北部海盆內主要應仍為氣旋環流所盤踞,所述氣 旋環流也出現在本研究的夏季平均流速分布圖上。台灣東岸的黑潮最 大的平均流速約 1.5 m/s,最大平均流速出現在綠島與台灣之間的海 域。呂宋海峽的夏季表層海流流向主要為北北東,菲律賓西邊有一股 0.5~0.7 m/s 的東北流穿越呂宋海峽後匯入黑潮。

冬季平均流速圖(圖 4-14)顯示黑潮表層最大平均流速約 0.9

m/s,出現在緯度 24.5 度附近,部份黑潮海水在台灣東北外海轉向西

北進入東海陸棚。台灣海峽東北部流場主要受東北季風主導,海流沿

著台灣北端南下進入台灣海峽東邊,流速約只有 0.3~0.4 m/s,許多

浮標資料也都顯示浮標會擱淺在台灣西岸,另外海峽北部也有少許向

(40)

南漂流的流速資料,流速更微弱,約只有 0.1~0.2 m/s。東海南部的 部份海流仍然為朝北,流速很小,這可能就是冬季的台灣暖流,其來 源可能便是黑潮。台灣西南有兩個渦流,澎湖正南方有逆時針渦流,

渦流直徑約 110 km,逆時針渦流南端有順時針渦流,直徑約 200 km。呂宋海峽的表層流速達到 0.7~0.9 m/s,流向主要為西北向或西 北西向,而南海北部的流場主要為西流或西南流。Shaw(1989)指出 黑潮入侵水出現機制與東北季風的強弱有著密切的關係。秋末時,黑 潮水從巴士海峽北上,出現在南海東北部上層海域,冬季黑潮水佔據 的範圍逐步擴大,春季則達到全盛時期,且發展成暖心高壓環流結構 (王和陳, 1987)。另外,冬季東海陸棚上的流速幾乎都是相當微弱的,

流速幾乎都小於 0.2 m/s。

秋季澎湖水道的表層流(圖 4-15)仍為向北流,過了澎湖群島後就

無法繼續北上,轉而向南或西南流動,而澎湖群島以北海域的環流類

型很類似 Jan et al. (2002)與 Wu et al. (2007)所描述海峽北部的 U 型

流場,流場主要是海峽東側為北流,西側為南流。呂宋海峽秋季的表

層流速也達到 0.7~0.9 m/s,流向主要為西北向,入侵的角度沒有冬

季時大,而南海北部的流場主要也是西流或西南流。王與陳(2000)

指出秋季時,當東北季風吹襲後,水文資料顯示在呂宋海峽北緯 21

度以南的海域內,黑潮海水幾乎是整體向西移入南海,而在恆春海脊

(41)

西測則會出現反氣旋型態的環流。王與陳(2000)所述之環流形態與本 研究秋季的表層平均環流分布趨勢相當吻合。春季台灣海峽內的浮標 資料較少(圖 4-16),只有少數的北流,呂宋海峽的流速流向與秋季近 似,主要為北北西,呂宋島西北方有一個逆時針的渦漩,流況主要為 冬季轉為夏季的過渡時期。

綜合四季的表層水下 15 m 的平均流場,呂宋海峽的表層流速大

部份達到 0.5~0.8 m/s,春、夏、秋與冬季的流向分別為北北西、北

北東、北北西與西北向。冬季台灣海峽北部表層平均漂流流速為南

流,平均流速約 0.3~0.4 m/s。夏季台灣海峽的表層水幾乎是源自於

南海陸棚上的水,此結果與 NRL EASNFS 模式模擬結果相同,菲律

賓西邊有一股 0.5~0.7 m/s 的東北流穿越呂宋海峽後匯入黑潮,呂宋

海峽西方存在一個微弱的氣旋環流,因此夏季黑潮的表層水沒有入侵

南海,而是由南海表層水匯入黑潮。秋季海峽內流場主要是海峽東側

為北流,西側為南流,海峽北部很類似 Wu et al.(2007)描述的 U 型

流場,春季海峽內的浮標資料較少,只有少數的北流。圖 4-18 是浮

標漂流流速(15 m depth)與 Sb-ADCP 流速(30 m depth)季節流場比

較圖,Sb-ADCP 流速圖取自 Liang et al. (2003),Liang 是綜合

1991~2000 年間的所有 Sb-ADCP 資料平均之後得到的結果。兩者流

速深度雖然稍有不同,但是夏季流場的分布趨勢與流速大小相似性是

(42)

不錯的,至於冬季流場分布除了台灣海峽內分佈不大一樣以外,其餘 地區流速流向的分布也大致相同。

4-3 台灣海峽附近的漂流軌跡類型

林(2006)指出在東北季風微弱或西南風時期,台灣海峽內存在兩 股北向的海流。當東北季風強勁的時候,整個海峽出現順風的南向海 流。由於秋冬季節常受到約雙週週期鋒面南下的影響,有時是微弱東 北風有時是強勁東北風,因此本研究分析歷史浮標軌跡資料後(包含 本研究施放的 30 顆浮標),將台灣海峽的浮標軌跡大致分為四種類型 (圖 4-19~4-22),圖 4-19 是第一種軌跡類型發生於西南季風盛行的時 候,浮標從南海北上進入台灣海峽,並通過台灣海峽北上進入東海,

浮標在台灣海峽的時間皆落在 6~8 月期間。

第二種跟第三種為東北季風強勁的時候,圖 4-20 是第二種浮標 軌跡類型,浮標軌跡從黑潮或東海出發進入東海陸棚,然後南下進入 台灣海峽,有些浮標會擱淺在台灣西海岸,有些浮標會直接南下穿越 台灣海峽進入南海,浮標出現在海峽內的月份落在 10 月至 1 月期 間,為秋冬季節。圖 4-21 是第三種浮標軌跡類型,也是在秋冬季節,

浮標軌跡從呂宋海峽出發,北上進到台灣海峽,但最多只能北上至澎

湖群島後就沒辦法再北上,而向南或西南漂流進入南海,浮標在海峽

(43)

沿岸水因東北風的驅動會沿著中國大陸海岸往南流,與高溫高鹽的黑 潮水在海峽中部形成一道溫鹽鋒面,使得黑潮水無法穿越海峽北上,

須待東北季風減弱才能流至海峽北方。詹(1995)也指出澎湖水道流量 受風應力阻滯而逐漸減少,澎湖水道內高溫高鹽水則被東北風壓制於 澎湖附近,第三種軌跡類型進一步證實這些理論。

圖 4-22 是第四種浮標軌跡類型,此漂流類型發生在秋季九月至 十一月,先是微弱東北季風而後變成強勁東北季風,浮標從南海北上 進到台灣海峽,但是沒有繼續北上進入東海,而是反轉南下再回到南 海,浮標反轉的時間也是介於 9 月底至 11 月初之間。幾乎所有於台 灣海峽內反轉的浮標軌跡皆是由海峽東側北上,反轉發生時浮標會慢 慢往西漂流而後南下,此漂流軌跡於過去文獻中是相當罕見的觀測資 料。Ko et al. (2003)利用數值同化模式探討台灣海峽流量的反轉現 象,根據台灣海峽內四組錨碇 ADCP 的時間序列資料顯示強的流量 反轉週期約兩個禮拜,風應力被認為是造成反轉的主因,此機制應該 就是第四種浮標軌跡類型反轉的動力機制。

本研究施放 30 顆浮標大部分都符合上述四種標流軌跡類型,只

有 2007 年 1 月利用合富輪於台灣海峽北部施放的幾顆浮標漂流類型

是之前歷史浮標資料庫不曾出現過的漂流類型,也就是在冬季微弱東

北季風的軌跡類型,浮標在 2007 年 1~2 月期間持續往東漂或往北漂

(44)

(圖 4-8)。圖 4-23a~d 是 2007 年 1 月 24 日、1 月 31 日、2 月 7 日、

2 月 14 日週平均 SSH(AVISO)、風速(QSCAT)和當週本研究施放的 浮標軌跡與流速,1 月 24 日台灣海峽北部海域的東北風週平均風速 達 12~14 m/s,而此週的浮標軌跡是朝南漂流,流速約 0.5~0.7 m/s,

1 月 31 日台灣海峽北部海域的平均風速降到約 8~9 m/s,海峽北端 與東海陸棚上的浮標軌跡都慢慢向北漂流,平均流速約只有 0.2~0.4 m/s,而台灣海峽中段風速仍有 10~11 m/s,海峽中段的浮標軌跡仍 然是朝南漂流,2 月 7 日與 2 月 14 日台灣海峽北部與東海南部附近 的東北風風速更降到 5~6 m/s,浮標持續向北漂流,流速增強到 0.4 ~ 0.5 m/s。另外從圖 4-23b, c, d 裡的 SSH 資料與浮標軌跡漂流方向大 致都符合北半球的地轉流向。因此 2007 年 1~2 月這幾顆浮標的漂流 資料主要呈現台灣海峽北端東北季風微弱的漂流軌跡與型態,而此種 漂流軌跡似乎正是冬季所謂的台灣暖流(TWC),TWC 水下 15 公尺流 速約 0.2~0.4 m/s,與 Zhu et al.(2004)觀測到的 0.3 m/s 流速相近。

TWC 出現在冬季東北季風微弱時期,因此才會有 Zhu et al. (2004)

所描述的斷斷續續出現等現象,當約雙週週期強烈鋒面南下時(Ko et

al., 2004),將形成水位西高東低的 trapped wave,TWC 應該就會消

失,流速流量轉而朝南。

(45)

圖 4-1 本研究施放的 30 顆 SVP 浮標在台灣附近的軌跡圖,標示藍

點為浮標資料起始點

(46)

圖 4-2 2006 年 6 月施放於台灣西南海域的 4 個浮標軌跡

(47)

圖 4-3 2006 年 6 月施放於台灣西南海域的 4 個浮標流速分布

(48)

圖 4-4 2006 年 7 月施放於台灣西南海域的 5 顆浮標軌跡

(49)

圖 4-5 2006 年 11 月施放於台灣西南海域的 9 顆浮標軌跡

(50)

圖 4-6 2006 年 12 月施放於澎湖水道的 6 顆浮標軌跡

(51)

圖 4-8 2007 年 1 月施放於台灣海峽北部的 5 顆浮標軌跡

(52)

圖 4-9 2007 年 1 月施放於台灣海峽北部的 5 顆浮標流速分布

(53)

圖 4-10 中央氣象局 2006 年 12 月~2007 年 2 月彭佳嶼與東吉島的

風速測站資料

(54)

圖 4-11 歷史浮標資料的漂流軌跡(1982~2006),紅色十字為浮標漂

流起始點

(55)

圖 4-12 歷史浮標資料點的流速分布圖

(56)

圖 4-13 夏季(6~8 月)水下 15 m 的平均流速與速度變異數(variance)

(57)

圖 4-14 冬季(12~2 月)水下 15 m 的平均流速與速度變異數(variance)

(58)

圖 4-15 秋季(9~11 月)水下 15 m 的平均流速與速度變異數(variance)

(59)

圖 4-16 春季(3~5 月)水下 15 m 的平均流速與速度變異數(variance)

(60)

圖 4-17 NRL Dr. Ko 提供 EASNFS 的模式 2006 年 7 月 1 日模式計

算質點的漂流軌跡圖

(61)

圖 4-18 Sb-ADCP 流速(30 m depth,上兩圖)與浮標漂流流速(15 m

depth,下兩圖)季節流場比較圖(上二圖取自 Liang et al., 2003)

(62)

圖 4-19 台灣海峽第一種浮標軌跡類型,浮標從南海北上直接通過台

灣海峽進入東海,在海峽的時間在六至八月

(63)

圖 4-20 台灣海峽第二種浮標軌跡類型,是從黑潮或東海出發進入東

海陸棚,然後南下進入海峽,時間發生在十月至一月

(64)

圖 4-21 台灣海峽第三種浮標軌跡類型在秋冬季節(十月到二月),浮

標從呂宋海峽出發,北上進入海峽,但最多只能北上至澎湖群島

(65)

圖 4-22 台灣海峽第四種浮標軌跡類型發生在秋季九月至十一月,浮

標從南海北上進到台灣海峽,而後反轉南下再回到南海

(66)

圖 4-23 (待續)

(67)

圖 4-23 2007 年(a)1 月 24 日、(b)1 月 31 日、(c)2 月 7 日、(d)2 月

14 日的 AVISO SSH(顏色與白色 contour)、QSCAT 風速(藍色箭頭

(68)

第五章 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

(69)

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

(70)

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

(71)

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

參考文獻

相關文件

6 《中論·觀因緣品》,《佛藏要籍選刊》第 9 冊,上海古籍出版社 1994 年版,第 1

In this paper, we propose a practical numerical method based on the LSM and the truncated SVD to reconstruct the support of the inhomogeneity in the acoustic equation with

Robinson Crusoe is an Englishman from the 1) t_______ of York in the seventeenth century, the youngest son of a merchant of German origin. This trip is financially successful,

fostering independent application of reading strategies Strategy 7: Provide opportunities for students to track, reflect on, and share their learning progress (destination). •

Strategy 3: Offer descriptive feedback during the learning process (enabling strategy). Where the

In 1971, in the wake of student upheavals in much of the world during the previous three years, Rene Maheu (then Director-General of UNESCO), asked a former

There are existing learning resources that cater for different learning abilities, styles and interests. Teachers can easily create differentiated learning resources/tasks for CLD and

• Thresholded image gradients are sampled over 16x16 array of locations in scale space. • Create array of