呂宋海峽上層流場與水團分佈

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國立中山大學海洋資源研究所碩士論文

呂宋海峽上層流場與水團分佈

Upper-Layer Current and Water Mass Distribution in the Luzon Strait

研究生：石蓮滿撰指導教授：曾若玄博士

中華民國九十四年七月

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謝誌

在這段日子中，首先感謝我的指導教授曾若玄老師，謝謝老師一路以來的指導。感謝海軍官校楊穎堅老師在口試時給予指正。感謝海物所王玉懷老師這一路上不斷的給予我鼓勵，且時常提供相關資訊給我，在您身上我學習到什麼叫謙虛……特別感謝張育嘉學長，不管是學業或生活上，當我面臨問題時，你總是用你獨特的生活態度帶領我走出迷霧，

謝謝你。也很感謝學長沈勇廷、蔡致維、吳俊達，學姊楊宛華、黃玉華，

同學陳育村，學弟施宏恩、楊財銘和海物所學弟妹們的陪伴。

最後感謝我最親愛的家人，你們是我最大的支柱。還有一直陪伴我的朋友們。謝謝大家

……

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摘要

本研究藉由分析 NODC 長達九十五年與 NCOR 長達十八年的水文資料，由呂宋海峽鄰近海域的動力地形圖來了解其上層流場在時間與空間上的變化；並利用北太平洋熱帶水(North Pacific Tropical Water ,簡稱 NPTW)的高鹽度特徵以追蹤水團在研究區域中所分布的深度來了解其季節變化。

研究結果顯示，呂宋海峽年平均流速之垂直剖面分布(沿 120.25°E，

相對 400 m)，最大向西的流速位於海峽中央，深度分布在 0∼100 m，在海峽的南北兩端為東向海流，最大向東的流速出現於海峽北端，深度分布於 0∼50 m。流場之水平分布(100 m 400 m) 顯示北太平洋水整年皆經由呂宋海峽入侵南海，約於 20∼21°N 有明顯分歧的西向海流，在南海海域中整年皆存在一逆時鐘向的渦流，核心約位於 18°N，118°E，其強度隨著東北季風逐漸增強，在 1、2 月時達到最強。

呂宋海峽上層流量(0∼400 m)的年平均值為向西 3.5 Sv，最大值為向西 6.5 Sv (12 月)，最小值約為向西 1.1 Sv (6 月)。上層流場主要受季風影響，在東北季風盛行時由於上層海水受艾克曼效應的作用，形成呂宋海峽為南低北高的壓力梯度，造成西向入侵的海流。另一方面，在東北季風期間由於呂宋海峽同時存在兩個較強且反向的風應力旋度，分別為北部的反氣旋與南部的氣旋，在這兩個反向的風應力旋度作用下，海流沿

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著位於海峽中央的零度等值線匯集成一股較強的西向海流。

NPTW(σ^θ=23.5∼25.5 kg/m³，S >34.5 psu)於南海海域內大多分布於水深 120∼130 m。NPTW 於水深 125 m 處之季節變化顯示，整年皆經由呂宋海峽進入南海，其路徑約沿中國大陸南方的陸棚進入南海，在 12∼2 月時入侵達到最強，水團可分布至南海盆地中。

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ABSTRACT

This study analyzed historical hydrographic data consist of 95 years of NODC data and 18 years of NCOR data. Variations of upper-layer current in Luzon Strait and its neighboring Northern South China Sea are investigated by the method of dynamical topography. On the other hand, higher salinity characteristic of the North Pacific Tropical Water (NPTW) is used to trace the water mass distribution and its seasonal variations in the studied area.

The result shows that the maximum of x-component velocity (along 120.25°E, relative to 400 m ) in the Luzon Strait occurs in the middle of the strait, the flow direction is westward and the speed increases toward the surface. At the north and south ends of the strait flows are eastward and the maximum speed core is at the depth of 0~50 m. Horizontal distribution of flow fields indicates that intrusion of the north Pacific waters into the South China Sea through the Luzon Strait in the whole year. Westward bifurcation of the intrusion flows occurs at 20~21°N. A cyclonic eddy exists in the South China Sea all year-round, and its core is located at about 18°N, 118°E.

This eddy strengthens as the monsoon prevails with its speed reached in January and February.

Annual mean upper-layer transport (0~ 400 m) of the Luzon Strait is estimated to be about 3.5 Sv (positive value means westward) with a maximum value of about 6.5 Sv in December and a minimum value of 1.1 Sv in June. The Upper-layer current of the SCS is dominated by the monsoon.

When the northeast monsoon prevails, the currents are affected by the Ekman effect to form high sea surface height in the north and low sea surface height in the south to produce a westward current. On the other hand, strong two coexistent wind stress curls with reversing signs during the northeast monsoon produce a westward current along the line of zero curl in the middle of the strait.

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The distribution of the NPTW(σ^θ=23.5∼25.5 kg/m³, S >34.5 psu) is mostly at a depth of 120∼130 m in the South China Sea. NPTW were traced at 125 m depth, and the result indicates that this water mass enters the South China Sea through the Luzon strait all year-round. The intrusion path is along the continental slope of south China. The extent of intrusion reaches the maximum between December and February, and the water mass can spread into the South China Sea basin.

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圖目錄

圖 1. 研究區域之等深線圖。AB 測線為估算呂宋海峽流量之測線位置，

較淺的灰色區域則為水深小於 100 m。

………

4 圖 2. 實際用於計算動力高度之測站分布。(a)NODC 測站總數共 23759

個；(b)NCOR 測站總數共 8463 個。

………

8 圖 3. 實際用於分析水團之測站分布。(a) NODC 測站總數共 3921 個；

(b) NCOR 測站總數共 8401 個。

………

9 圖 4. 動力高度之年平均與標準偏差分布(ΔD＝100 m 400 m)。(a)年平

均，等值線間距為 1 dyn cm；(b)標準偏差，等值線間距 0.5 dyn cm。

………

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圖 5. 動力高度對深度積分之年平均與標準偏差分布 (0∼400 m)。(a)年平均，等值線間距為 2 .0 m²；(b)標準偏差，等值線間距為 1.0 m²。

………

17 圖 6. 水深 100 m 處之年平均流速分布 (相對於 400 m) 。箭頭指向為流向，箭頭長度為流速大小，圖右上方的箭頭表示流速為 0.2 m/s 的尺度指標。

………

19 圖 7. 呂宋海峽之 U 方向分量在垂直剖面上的流速變化(沿 120.25°E，

相對於 400 m)。粗實線為流速等於零的等值線，陰影區域為

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負值表示流向向西；正值表示流向向東，等值線間距為 0.02 m/s。

………

20 圖 8. Liang et al. (2003) 分析船碇式 ADCP 資料沿 120.75°E 的 U 方向分量的流速剖面。陰影為正值表示流向向東，負值表示流向向西，等值線間距 10 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。

………

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圖 9. Qu et al. (2004) 利用模式模擬呂宋海峽沿 120.75°E 年平均流速垂直剖面的變化。正值表示流向向東，負值表示流向向西，陰影區域表示等值線間距為 10 cm/s，其餘區域等值線間距為 1 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。

………

22 圖 10. 年平均之風速與風應力。等值線為風速大小(單位：m/s)，箭頭指

向為風向，箭頭長度為風應力大小(單位：N/m²)，圖的左上方為風應力 1.0 N/m³的尺度指標。

………

24 圖 11. 年平均與標準偏差之風應力旋度分布。(單位：×10^-8N/m³)

(a) 年平均，等值線間距為 5×10^-8；(b)標準偏差，等值線間距為 2×10^-8，粗實線為零度的等值線，虛線為負值，細實線為正值。

………

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圖 12. 溫鹽圖。橫軸為鹽度(psu)，縱軸為位溫(℃)，綠色為 NCOR 的觀測值，黑色為 NODC 的觀測值，藍色為黑潮水(KC)，紅色為南海水(SCS)，每個單位區域(2.5°×2.5°) 左下方的數字表示起始點的經緯度，分別加上 2.5°則為單位區域的範圍，等值線表示位密度值。

………

26 圖 13. NPTW 各項性質分布圖 (σ^θ=23.5∼25.5 kg/m³)。(a)深度(m)；

(b)位密度(kg/m³)；(c)位溫(℃)；(d)鹽度(psu)。

………

28 圖 14. 月平均之動力高度(ΔD＝100 m 400 m)。等值線間距為 2 dyn cm。

………

30 圖 15. 測線流量之季節性變化。(a)呂宋海峽上層流量(0∼400 m)；

(b) 艾克曼傳送量之 U 方向分量，風資料來自 QuikSCAT。

數值為正值表示流向向西，負值為流向向東。

………

32 圖 16. 艾克曼傳送量 U 方向分量之季節變化。風資料來自 COADS

(1950∼2002 年)，正值表示流向向西，負值表示流向向東。

………

33 圖 17. 水深 100 m 處之月平均流速分布(相對於 400 m)。箭頭指向為流向，箭頭長度為流速大小，圖右上方箭頭表示流速為 0.2 m/s 的尺度指標。

………

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圖 18. 呂宋海峽 U 方向分量在垂直剖面上的月平均流速變化。

(沿 120.25°E，相對於 400 m)等值線間距 0.05 m/s，粗實線表示流速為零，陰影區域為負值表示流向向西，正值表示流向向東。

………

37

圖 19. 月平均之風速與風應力分布。等值線為風速值(單位：m/s)，箭頭為風應力大小與風向，左上方為風應力為 1.0 N/m²的尺度指標。

………

39

圖 20. 月平均之風應力旋度分布。等值線間距為 5×10^-8N/m³，細實線為正值(逆時鐘向)，虛線為負值(順時鐘向)，粗實線為零度的等值線。

………

41 圖 21. NPTW 於水深 125 m 處之季節分布。鹽度等值線的間距為 0.05 psu，

Mar-May 為春季；Jun-Aug 為夏季；Sep-Nov 為秋季；Dec-Feb 為冬季。

………

43 圖 22. A、B 測站之動力高度與其對深度積分的季節分布。(a)、(b) 為 A 測站；(c)、(b)為 B 測站；(e)、(b)為 A、B 測站間的變化。

(a)、(c)、(e)為動力高度對深度積分(單位: m²)，再利用調和分析方法分析出年週期曲線(細實線)與半年週期曲線(虛線)，圖上的數值已分別扣除其平均值(平均值依序分別為 195.2 m²、 177.5 m²、17.7 m²)；(b)、(d)、(f)為動力高度在深度上的變化，

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等值線間距為 2 dyn cm。

………

47 圖 23. 不同測線其相對流量之季節分布(變化 A 測站)。(a)、(c)、(e)、

(g)測站位置，其中 A 測站經緯度依序為(120.0°E,22.0°N)、

(120.0°E,21.5°N)、(120.5°E,21.5°N)、(120.5°E,21.0°N)；

(b)、(d)、(f)、(h)為流量的季節變化(0∼400 m)，正值表示流向向西的流量。

………

50 圖 24. 不同測線其相對流量之季節分布(變化 B 測站)。(a)、(c)測站位置，

B 測站經緯度依序為(120.5°E,18.5°N)、(120.0°E,18.5°N)；(b)、(d) 流量的季節變化(0∼400 m)，正值表示流向向西的流量。

………

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圖 25. 流場於水深 125 m 處之季節分布(相對於 400 m)。箭頭指向為流向，長度為流速大小，圖右上方的箭頭為 0.2 m/s 的流速指標，

………

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一、

前言

呂宋海峽(Luzon Strait)位於台灣與菲律賓呂宋島之間，是連接北太平洋與南海的重要通道，海峽東西寬度約250 km，南北長度大於 320 km，

海峽中有許多小島散佈因而使海底地形起伏變化甚大，水深最深可達 2500 m 以上(圖 1)。不論是想了解台灣周遭流場或是南海的海流流況，呂宋海峽都是一個不可忽略的區域。過去幾十年來許多學者針對海流經由呂宋海峽入侵南海的過程與機制投入了許多心力。

北太平洋海水經呂宋海峽入侵南海的研究，早期有 Wyrtki (1961)表示冬季時海流會藉由呂宋海峽流入南海，夏季時則返回太平洋；Shaw (1989)分析水文資料發現當西南季風盛行時也有入侵的跡象。後續許多學者對於部分黑潮水之所以進入呂宋海峽，也指出主要是受到季風的影響，其季節性的變化表現在路徑上的差異。整體流況大致為，冬季在東北季風的作用下，黑潮分支會經由呂宋海峽入侵南海東北部；夏季當受到西南季風影響時，南海水北上阻擋了黑潮分支進入南海，但南海東北部的上層水仍會由台灣南端向東，經呂宋海峽流出與黑潮主流匯合(Nitani, 1972; Shaw, 1991; Wang and Chern, 1988; Liang et al., 2003)。自衛星影像被廣泛運用於海洋資源探測後，Farris and Wimbush (1996) 即依據海表面溫度之衛星影像資料，發現了東北季風期間黑潮在呂宋海峽形成順時鐘向的套流(loop-current)。

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呂宋海峽流量的觀測大致上可分為，水文資料或是模式估算。以水文資料推估流量的有，Qu (2000) 計算海表面到水深 400 m 的上層流量，

年平均約向西3.0 Sv (1 Sv=10⁶ m³/s)，最大在 1∼2 月時，約向西 5.3 Sv；

6∼7 月時最小約向西 0.2 Sv。以模式計算流量的則有， Chu and Li (2000) 估算年平均流量約向西6.5 Sv，2 月時流量最大約向西 13.7 Sv，最小則在 9 月約向西 1.4 Sv。Shaw and Chao (1994) 使用三維的 Navier-Stokes 方程模式模擬南海環流變化，計算呂宋海峽每兩個月的流量結果為，最大發生在12∼1 月向西 3.0 Sv；最小約向東 2.5 Sv 在 8∼9 月期間。運用高解析度之海洋環流模式，模式結合氣象浮標、衛星測高儀和水文資料估算呂宋海峽流量結果，Yaremchuk and Qu (2004)估算為 1∼2 月時最大約向西4.8 Sv；8 月時最小約向西 0.8 Sv。Qu et al. (2004) 利用模式估算呂宋海峽平均流量約向西2.4 Sv；1∼2 月時最大約向西 6.1 Sv；8 月時最小約向東0.9 Sv。

綜合1961∼2004 年學者們利用不同資料來源與分析方法觀測呂宋海峽流量，年平均流量最小值為0.5 Sv；最大值達 10 Sv。縱然流量在數值上的差異頗大，但就定性上而言其季節性變化卻相當一致，結果皆顯示出呂宋海峽流量最小出現在夏季，最大值則發生在冬季且流向為向西入侵海峽。

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水團分布的研究，主要係針對位於上層同時又具明顯高鹽度特徵的北太平洋熱帶水(North Pacific Tropical Water, 簡稱 NPTW)做探討( Reid, 1965; Tsuchiya, 1968)，NPTW 的特徵除了較大的鹽度值以外，還包含了密度範圍與高溶氧值。Qu et al. (1999) 提出 NPTW 的鹽度範圍為 34.75

∼35.25 psu，溶氧值約>4.0 ml/l，位密度面約位於 24.0 kg/m³。Qu et al.

(2000) 根據 T-S 圖選擇 NPTW 的位密度範圍為 23.5∼25.5 kg/m³，在南海內分布的深度範圍約位於120∼150 m，位密度面約於 25.0 kg/m³。

Qu (2000)用於研究南海上層環流與 Qu et al. (2000)分析南海水團分布的資料，皆來自美國國家海洋資料中心(National Oceanographic Data Center, 簡稱 NODC) 所發行的 World Ocean Atlas 1994。本研究分析的資料，即源自NODC 於 2002 年發行的 World Ocean Database 2001 與中華民國國家海洋科學研究中心(National Center for Ocean Research, 簡稱 NCOR)的水文觀測資料，希望集結更多資料以獲得更詳盡的結果。

研究目的是期望藉由呂宋海峽鄰近海域其上層流場之動力地形圖在空間與時間上的變化，來觀察流場的季節變化，同時也希望釐清北太平洋水入侵呂宋海峽的流量變化，再根據NPTW 的水團特性，分析水團在研究區域中的路徑變化，並探討控制這些現象的主要外力為何。

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圖1. 研究區域之等深線圖。AB 測線為估算呂宋海峽流量之測線位置，

較淺的灰色區域則為水深小於100 m。

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二、資料與分析方法

資料類型分為水文、風場與地形資料，其中風場與地形資料是開放性資料可透過網路直接下載。

2.1 水文資料來源

資料來源由美國國家海洋資料中心 (National Oceanographic Data Center, 簡稱 NODC) 與中華民國國家海洋科學研究中心 (National Center for Ocean Research, 簡稱 NCOR) 兩個單位的資料庫所提供，其資料的格式與詳細的敘述如下。

2.1.1 NODC

美國 Oceanographic Data Center 於 2002 年 3 月發行 World Ocean Database 2001 (WOD2001)，資料分別存於 8 張 DVD 光碟中，其中 7 張分屬於不同海域觀測深度的各項水文資料，1 張 DVD 為標準深度的水文資料(標準深度值由資料中心所訂定)。資料以 ASCII 格式儲存，檔名則由觀測儀器名稱加上World Meteorological Organization (WMO) squares 命名。DVD 內包含已經寫好的 Fortran 程式以方便使用者轉換格式。格式包含散亂觀測點上之年、月、日、經度、緯度、深度、溫度、鹽度。

由於資料庫涵蓋了各類觀測儀器(如 XBT、MBT、DRB、APB、

CTD ……)所測得的觀測值，受限於儀器因素造成部分的觀測資料中並沒

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有鹽度資料，缺鹽度資料的標示方法是──在鹽度欄位中以輸出-999.99 來表示在原始觀測值中無鹽度觀測值。

2.1.2 NCOR

國家海洋科學研究中心的水文資料全來自溫鹽深儀(Conductivity, Temperature, Depth Recorder, CTD)的觀測。資料來自海研一、二、三號研究船，其資料格式包含資料關連序號、資料測站序號、經度、緯度、時間、深度、溫度、鹽度。

2.2 水文資料之空間與時間分布

研究區域範圍(15∼25°N 及 115∼125°E)中的淺水區(深度小於 100 m) 資料剖面不列入資料分析範圍，因此若深度小於 100 m 的剖面資料都不予使用(Qu, 2000)。

2.2.1 溫度剖面資料之空間與時間分布

由於上層海面高度變化受溫度的作用要大於鹽度的影響，因此用於計算動力高度是以溫度資料為主，缺鹽度的資料則由內插補齊，方法於後說明。NODC 與 NCOR 的原始資料中含溫度值共 34857 個剖面資料。

NODC 資料時間分布從 1907 年 2 月至 2001 年 6 月，共 26394 個剖面資料，其中以 1965 至 1975 年觀測資料佔大多數。NCOR 資料時間分布從

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1985 年 3 月至 2001 年 12 月，共 8463 個剖面資料。

NODC 之 WOD 2001 由於來自不同儀器所觀測，因此部分僅有溫度資料並無鹽度資料。缺鹽度資料的觀測點則由同資料庫中WOA 2001 客觀分析(WORLD OCEAN ATLAS 2001：Objective Analyses, Data Statistics, and Figures)之月平均溫度場、月平均鹽度場內插求得(深度為標準深度)。

鹽度內插方式，首先由WOA 2001 資料中附屬 FORTRAN 程式輸出研究區域之溫鹽網格資料，再將觀測點深度之溫度內插為標準深度之溫度值，以觀測點之經度、緯度尋找客觀分析場中相同範圍之網格溫鹽值以 (cubic)內插求得，內插後的溫鹽資料共 23759 個剖面資料，測站的空間分布如圖2a。

海科中心資料皆含溫度、鹽度值，在空間上的分布集中於台灣西南方與東北角(圖 2b)。以空間分布來看，NODC 測站分布較均勻(圖 2a)。計算動力高度的資料來源是利用NODC (23759 個剖面)與 NCOR (8463 個剖面)共 32222 個剖面資料。

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圖2. 實際用於計算動力高度之測站分布。(a) NODC 測站總數共 23759 個；(b) NCOR 測站總數共 8463 個。

2.2.2 溫鹽剖面資料之空間與時間分布

分析水團的溫鹽資料是選取同時包含溫度與鹽度的原始觀測值，圖3 為資料剖面經2.3.1 節除錯後的測站分布。資料剖面共 12322 個，比用於計算動力高度的剖面少了將近2 萬個剖面。此分析資料也是由 NODC 與 NCOR 同時段的資料庫提供，NODC 溫鹽剖面的資料時間分布自 1907 年 2 月至 2000 年 3 月。剖面資料之季節分布分別為，春季為 1086、夏季為 1397、秋季為 904、冬季為 534，共 3921 個剖面資料，測站分布如圖 3a。

NCOR 溫鹽剖面資料時間分布由 1985 年 3 月至 2001 年 12 月。季節分布分別為，春季為 2411、夏季為 2116、秋季為 2384、冬季為 1490，

共8401 個剖面資料，測站分布如圖 3b。

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圖3. 實際用於分析水團之測站分布。(a) NODC 測站總數共 3921 個；

(b) NCOR 測站總數共 8401 個。

2.3 水文資料分析方法

資料分析的方法依序為除錯、網格化與圓滑(smooth)等步驟。詳細步驟分列如下：

2.3.1 除錯

刪除溫鹽資料錯誤之測站，其錯誤之性質包含如下：

1. 溫度大於 35℃。

2. 水深 1000m 以下溫度大於 8℃。

3. 水深 100m 以下鹽度低於 30 psu。(Qu et al. 1999)

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觀測之剖面資料中，任何觀測層符合以上任一條件則刪除其剖面資料。水團部分再進一步繪製T-S 圖，再藉由 T-S 圖上檢驗資料，若 T-S 圖上有明顯偏離此區域T-S 曲線者再刪除此站剖面資料。

2.3.2 散亂資料點網格化

溫鹽值給予權重平均於 0.5°×0.5°之格點中。其中網格平均步驟中包含有：

1.變化水平半徑 (Variable horizontal radius)

顧慮在某些格點中觀測站較少，故使用「變化水平半徑」。由於半徑變化限制，在動力高度資料上，每個格點至少需包含五個剖面深度大於等於400 m 的觀測站；在水團資料上，每個格點亦至少包含五個觀測站，

但不限制其觀測深度範圍。若少於其限制則加大半徑，每次擴大 0.1°，

最大可變化至5°。

2.三倍標準差 (Three standard deviations)

在每個格點中，若某一觀測值減去其格點平均值，又大於其格點值之三倍標準差(±3σ)，則刪除此觀測值。

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2.3.3 圓滑

1.三個月移動平均 (Three-month-running average)

月平均網格溫鹽資料使用三個月移動平均，其方式為 1、2、3 月的資料平均成2 月的資料，2、3、4 月的資料平均成 3 月的資料，以此類推。

水團部分不包含此項圓滑步驟 (Qu et al. 1999)。

2.Gaussian filter with an e-folding

月平均網格溫鹽資料利用Gaussian filter 之 e-folding 做最後的圓滑，

尺度半徑為150 km。e-folding (Hirose et al. 1996)公式如下：

( )

k k

k ok k

ij

w

w m m

Σ

= Σ

_…………

₍₁₎

( ) ( )







 − + −

−

= ₂

2 2

exp L

y y x

w_k x^ok ⁱ ^ok ⁱ

k：表示個別觀測點；mok：觀測點的數量值，在(xok , yok)座標上。

mij：在(i,j)座標的數量值（如，溫度或鹽度或風應力值）。

wk：權重值；L：尺度半徑。

2.4 風場資料來源與時空分布

風場資料源自NASA’s Quick Scatterometer (QuikSCAT NCEP)線上資料，其型態有日平均、一星期平均和月平均。本研究主要觀看季節性變化，所以使用月平均風場資料，資料時間分布從1999 年 7 月衛星資料

(26)

開始蒐集至2004 年 11 月資料下載時間，水平網格解析度為 0.25°，下載網址為http://www.ssmi.com/qscat/qscat_browse.html。

2.5 風場資料分析方法

月平均風場資料包含海面上10 m 之風速與其風向、rain flag 和 rain rates，由於散射儀資料會受到降雨的影響而降低其精度，因此包含了二項降雨資訊。資料包含了全球風場資料，因此須選擇研究區域範圍之風速與風向資料，再利用風速與風向計算風應力(Wind stress)與風應力旋度 (Wind stress curl)。風應力與風應力旋度包含三項圓滑步驟分別有，三個月移動平均、Gaussian filter 之 e-folding (150 km) 和 4 個格點資料平均。

計算風應力(2)與風應力旋度(3)公式如下:

τ =ρ_air ⋅C_D⋅U₁₀²

…………

(2)

2 10 10

7 . 7 1 . 29 3 . 0

1000⋅C_D = +U +U (3≤^U10≤6 m/s) 1000^•CD = 0.6+0.07^•U10 (6≤ U10≤26 m/s)

ρ_air：空氣密度, 1.3 kg/m³；U₁₀：海表面10 m 的風速 C_D：曳力係數(Yelland and Taylor, 1996)

(27)

y curl_z x^y ^x

∂

−∂

∂

= ∂τ τ

τ

…………

(3)

τy：y 方向之風應力；τx：x 方向之風應力。

2.6 地形資料

地形資料源自NGDC (National Geophysical Data Center)的 GEODAS (GEOphysical DAta System) 由 ETOPO2 (Earth Topography Two Minute) 資料庫所提供，水平網格解析度為 2’，下載網址為

http://www.ngdc.no22.gov/mgg/gdas/gd_designagrid.html。

(28)

三、結果

3.1 平均狀態

由動力高度、流量、流場與風場的年平均分布表示研究區域中的平均狀態，再分別由其標準偏差的分布表示區域內各項性質與平均狀態的差異。水團則分別以深度、位溫、位密度和鹽度表示水團的分布狀態。

3.1.1 動力高度

動力高度(dynamic height)又稱為 geodynamic height。以本研究為例，

常用符號為(ΔΦ)ΔD=100/400 m，即表示圖上所顯示為 100 m 等壓面，

等壓面的高度變化決定於100 m 與 400 m 之間的密度分布，圖上的數字則表示100 m 這層等壓面相對於不動深度(參考層)(400 m)以 dyn cm 為單位的深度差，此深度稱為「位勢距離異常」(anomaly of geopotential distance)，其意義相似於海洋學上常用 1 dbar 相當於 1 m。動力高度常用

單位有：「動力公分」(dyn cm) 和「動力公尺」(dyn m)，1 dyn cm = 0.1 J/kg = 0.1 m² /s²；1dyn m = 10 J/kg = 10 m² /s²(Stewart, 1997)。

本研究設定呂宋海峽不動深度在水深400 m 處，根據 Wyrtki (1961) 表示呂宋海峽上下層的海流流向相反，冬天約為水深 300 m 處，夏天約在水深400 m 處。Qu et al. (2004)利用數值模式模擬呂宋海峽流量在深度剖面上的變化，提出約在水深405 m 以下流量變化都近似於零。

(29)

動力高度計算需要溫度、鹽度、深度資料，缺少鹽度資料的剖面也如2.2.1 節所述，由 WOA 2001 客觀分析場內插計算求得，內插後的溫鹽資料共32222 個剖面資料，計算動力高度的副程式由 SEA-MAT 海洋分析 Matlab 工具箱所提供，下載網址為

http://woodshole.er.usgs.gov/operations/sea-mat。

圖4a 為年平均動力高度在 100 m 等壓面的高度變化，等值線上數值越大表示等壓面較高其密度較小，數值越小則表示等壓面較低其密度較大，在北半球高壓位於右邊，因此在圖上的等值線加上箭頭後即可表示海流的流向，等值線越密則表示該區域的流速越快。於圖4a 僅編輯一條等值線以表示其流向，區域內整體的流況亦可由地衡流速圖表示(圖 6)。

圖4a 顯示位於呂宋島東邊、台灣東岸和呂宋海峽的梯度變化較其他區域大，表示這一帶流速較快，同時圖上也顯示於太平洋的水位明顯較高，南海海域則是較低的水位。

圖4b 為動力高度的標準偏差(Standard Deviation，STD)在 100 m 等壓面上的分布(求年平均值時亦計算其標準偏差值)。等值線上的數字表示該區域內的變動性，數值越大表示其年變化越大。圖上最大值出現於呂宋島西邊，其偏差值大於4 dyn cm，其餘區域的偏差值< 2 dyn cm，較大的偏差值表示動力高度在整年中有明顯的變化，詳細情形將於季節性變化的章節(3.2.1 節)來探討。

(30)

圖 4. 動力高度之年平均與標準偏差分布。(ΔD＝100 m 400 m) (a)年平均，等值線間距為 1 dyn cm；(b)標準偏差，等值線間

距0.5 dyn cm。

3.1.2 地衡流量

利用動力高度對深度的積分可計算任意兩點間的流量，圖5a 數值為年平均之動力高度對深度的積分值，圖5b 為動力高度對深度積分的標準差值。深度積分範圍由海表面到水深400 m，其分布與圖 4 動力高度的分布相似。流量公式可由地衡方程進一步推導出，公式為：

Q12 = (P1 − P2 ) g / f

…………

(4) Q ：任意兩測站間之流量，單位為m³/s。

(31)

P1 ：任一測站之動力高度對深度的積分(0∼400 m)，單位為 m^２。 P2 ：另一測站之動力高度對深度的積分(0∼400 m)，單位為 m^２。 g：重力加速度，g = 9.8 m/s²。

f：科氏參數（Coriolis parameter），f = 2Ωsinφ (Ω=2π/86400，φ=兩測站之平均緯度) 。

選擇橫跨海峽的AB 測線(沿東經 120.5 度)作為估算呂宋海峽流量的斷面。A 測站位於台灣南方陸棚，緯度為北緯 21.5 度；B 測站位於呂宋島西北方陸棚，緯度為北緯18.5 度(圖 1)。Ａ測站與 B 測站的深度積分差為17.7 m²，平均緯度為 20°N，代入流量公式得 AB 斷面的年平均流量約為3.5 Sv。

圖5. 動力高度對深度積分之年平均與標準偏差分布(0∼400 m)。(a)年平均，等值線間距為2 .0 m²；(b)標準偏差，等值線間距為 1.0 m²。

(32)

3.1.3 地衡流速

流速之水平網格解析度為 0.5°，網格點的中心流速為其東西方向和南北方向的流速組合，分別由南北測站之動力高度值代入下列公式，求得流速在 U(東西)方向的分量，再利用東西測站得 V(南北)方向的分量。

由地衡方程可得流速公式 (Stewart, 1997)，公式為：

( )

ϕ sin 2

2 12 1

V L

Ω

∆Φ

−

= ∆Φ

…………

(5)

V

12：任意兩測站間之流速，單位為m/s。

ΔΦ₁：任一測站之動力高度值。

ΔΦ₂：另一測站之動力高度值。

L：兩測站間之距離，單位為 m。

Ω：地球自轉角速度。φ：兩測站之平均緯度。

圖6 為年平均流速位於 100 m 處的分布，圖上較強的流速與圖 4a 中等值線較密的區域一致，發生在呂宋海峽，其流向以北北西為主。在太平洋海域內則隱約有一個順時鐘向的渦流，在南海內部則為逆時鐘向的渦流，核心約位於18°N，118°E 與 Qu (2000) 提出在呂宋島西邊的西呂宋渦流(West Luzon eddy)位置一致。

(33)

圖6. 水深 100 m 處之年平均流速分布 (相對於 400 m) 。箭頭指向為流向，箭頭長度為流速大小，圖右上方的箭頭表示流速為0.2 m/s 的尺度指標。

圖7 表示呂宋海峽流速(沿 120.25°E，相對於 400 m)之 U 方向分量在垂直剖面上的變化。在流量的觀測中選擇之測線為120.5°E，其經度不同的原因為，流速之網格資料由兩測站之動力高度差得知兩測站間之流速，其座標為兩測站間的中心位置。例如，動力高度兩測站經度分別位於120.0°E 與 120.5°E，其流速經度座標為 120.25°E，因此網格後之流速與動力高度兩者的座標相差0.25°。圖 7 顯示，位於海峽中央海流流向主要是向西(陰影區域)，最大核心約於 20.25°N，分布深度為 0∼100 m，流速值大於0.12 m/s，同時於呂宋海峽南北兩端皆出現東向的海流，東向最大流速出現在海峽北端，流速大於0.08 m/s，分布於表層到水深 50 m 處。

(34)

圖 7. 呂宋海峽之 U 方向分量在垂直剖面上的流速變化(沿 120.25°E，相對於400 m)。粗實線為流速等於零的等值線，陰影區域為負值表示流向向西；正值表示流向向東，等值線間距為0.02 m/s。

Liang et al. (2003) 分析 1991~2000 年船碇式 ADCP 資料也有類似的結果，圖8 為 Liang et al 繪製沿 120.75°E 的 U 方向分量之流速剖面，陰影為正值表示流向向東，負值表示流向向西，等值線間距10 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。圖中最大西向的海流發生在海峽的中北部約 20.5°N，海峽北端也出現最大東向的海流。

(35)

圖8. Liang et al. (2003) 分析船碇式 ADCP 資料沿 120.75°E 的 U 方向分量的流速剖面。陰影為正值表示流向向東，負值表示流向向西，

等值線間距10 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。

圖9 是 Qu et al. (2004) 利用模式模擬呂宋海峽（沿著 120.75°E）年平均流速在垂直剖面的變化，正值表示流向向東，負值表示流向向西，

陰影區域表示等值線間距為10 cm/s，其餘區域等值線間距為 1 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。在圖上顯示海峽南端為西向的海流，北端則為東向海流，最大西向的流速約位於海峽中央表層處。

(36)

圖9. Qu et al. (2004) 利用模式模擬呂宋海峽沿 120.75°E 年平均流速垂直剖面的變化。正值表示流向向東，負值表示流向向西，陰影區域表示等值線間距為10 cm/s，其餘區域等值線間距為1 cm/s，粗實線表示流速為零的等值線。

呂宋海峽年平均流速之垂直剖面分布，就定性來看，最大向東的流速大多發生在海峽北端，最大向西的流速則多位於海峽中央，同時於海峽中央的西向海流，其流速值與分布範圍皆大於東向海流的分布。

若以定量來看，於呂宋海峽中央的西向海流最大流速值相較於Liang et al. (2003)和 Qu et al. (2004)的結果，此研究所得的流速值較小。

(37)

3.1.4 當地風場

分別以風速、風應力和風應力旋度在研究區域中的分布表示當地風場的變化。風資料來自QuikSCAT，資料的分析方式於 2.5 節風場資料分析方法中有詳細說明。

A. 風速與風應力

圖10 為研究區域中年平均之風場分布圖，等值線表示風速值，箭頭表示風應力，箭頭指向為風向，箭頭長度則為風應力大小，圖的左上方表示風應力為1.0 N/m³(kg/s·m)的尺度指標。

圖10 顯示研究區域內的風向為東北-西南走向，呈現東北季風型態，

表示區域中的風場受東北季風的作用遠大於西南季風的影響。最小的風速與風應力值發生於菲律賓呂宋島的西南方，最小風速值約7.0 m/s。最大風速與風應力值皆發生於呂宋海峽，最大風速大於8.5 m/s，最大風應力值約為0.7 N/m²。

(38)

圖 10. 年平均之風速與風應力。等值線為風速大小(單位：m/s)，箭頭指向為風向，箭頭長度為風應力大小(單位：N/m²)，圖的左上方為風應力1.0 N/m³的尺度指標。

B. 風應力旋度

圖 11a 為年平均之風應力旋度分布，粗實線為風應力旋度為零的等值線，細實線為氣旋式風應力旋度，虛線為反氣旋式風應力旋度。圖上零度的等值線明顯地將研究區域劃分成二大區域，零度的等值線以北主要為順時鐘向之風應力旋度(負值)，分布在 100 m 等深線附近最大的反氣旋式風應力旋度值小於 -5×10^-8N/m³；在零度的風應力旋度線以南主要為逆時鐘向的風應力旋度(正值)，最大的氣旋式風應力旋度值出現在呂宋島西方(>25×10^-8N/m³)。圖 11b 為風應力旋度之標準偏差分布，標準偏差值皆為正值，變化較大的區域發生在呂宋島西邊，其年變化量大於 14×10^-8N/m³。

(39)

圖11. 年平均與標準偏差之風應力旋度分布。(單位：×10^-8N/m³) (a)年平均，等值線間距為5×10^-8；(b)標準偏差，等值線間距為 2×10^-8，粗實線為零度的等值線，虛線為負值，細實線為正值。

3.1.5 水團

圖12 是將研究區域劃分為 16 個小區域，再將鹽度與位溫以 2.5°×2.5°

為單位區域繪製其 T-S 圖，每個單位區域其左下方的數字表示起始點的經緯度，分別加上2.5°則為單位區域的範圍，綠色點為 NCOR 的觀測值，

黑色點為NODC 的觀測值，紅色為南海水，藍色為黑潮水。黑潮水與南海水的定義來自Chen and Huang (1996)。在圖 12 中顯示了研究區域內的海水特性大部分界於南海水與黑潮水之間，其中較明顯偏向黑潮水特性的區域約在東經 122.5 度以東、北緯 22.5 度以南，其地理位置位於北太

(40)

平洋海域。在東經120 度以西、北緯 17.5 度以南位於南海海域內的海水特性顯示了南海水團特性。根據 T-S 圖(圖 12)鎖定具高鹽度特徵的 NPTW，其鹽度與位密度範圍分別為鹽度值>34.5 psu、位密度值界於 23.5

∼25.5 kg/m³之間。

圖12. 溫鹽圖。橫軸為鹽度(psu)，縱軸為位溫(℃)，綠色為 NCOR 的觀測值，黑色為 NODC 的觀測值，藍色為黑潮水(KC)，紅色為南海水 (SCS)，每個單位區域(2.5°×2.5°)左下方的數字表示起始點的經緯度，分別加上2.5°則為單位區域的範圍，等值線表示位密度值。

(41)

North Pacific Tropical Water ( NPTW)

根據設定的位密度(σ^θ=23.5∼25.5 kg/m³)與鹽度(S>34.5 psu)範圍繪製NPTW 在研究區域中其深度(圖 13a)、位密度(圖 13b)、位溫(圖 13c)及鹽度的分布(圖 13d)。在圖 13 中 NPTW 於北太平洋海域中分布在較深的水層中，深度值大於160 m、位密度小於 24.5 kg/m³、位溫大於 20℃、鹽度大於34.8 psu。於呂宋海峽西邊的密度約為 24.6 kg/m³沿著中國大陸南方的陸棚朝西南方逐漸增加，深度、位溫和鹽度值則是向西南方逐漸遞減。在南海海域內深度範圍侷限於 120∼130 m 之間、位密度大於 24.6 kg/m³、位溫小於 19.5℃、鹽度小於 34.6 psu。

(42)

圖13. NPTW 各項性質分布圖(σ^θ=23.5∼25.5 kg/m³)。(a)深度(m)；

(b)位密度(kg/m³)；(c)位溫(℃)；(d)鹽度(psu)。

(43)

3.2 季節變化

分別由動力高度、流量、流速與風場每個月的變化場表示其季節性的變化，水團的季節性分布則是以四季表示，四季的區分為3∼5 月為春季；6∼8 月為夏季；9∼11 月秋季；12∼2 月為冬季(Yang and Liu , 2003)。

3.2.1

^動力高度

圖14 為月平均之動力高度在 100 m 等壓面的分布，等值線範圍為 60

∼100 dyn cm，等值線間距為 2 dyn cm。圖上顯示，每個月在南海海域中呈現較低之動力高度值，為逆時鐘向的渦旋；較高的動力高度值則位於北太平洋海域中，為順時鐘向的渦旋。南海海域內的氣旋式渦旋約在 10 月後隨著東北季風逐漸增強，直到1∼2 月時呈現最強狀態。此研究結果與Qu (2000)指出西呂宋渦流的形成約從 11 月開始，且是在 1∼2 月時達到最強的結論相似。動力高度等值線在呂宋海峽上的變化，約在10 月東北季風轉換後斜率有逐漸增加的趨式，最大的傾斜角度出現在東北季風期間，其A、B 測站間的壓力差大於 10 dyn cm，在 4 月以後其等值線則逐漸與呂宋海峽平行，Liang et al.(2003)研究也顯示，在東北季風期間黑潮在呂宋海峽入侵的角度大於西南季風期間，研究區域中其季風的變化在3.2.4 節中有詳細的敘逑。

(44)

圖14. 月平均之動力高度(ΔD＝100 m 400 m)。等值線間距為 2 dyn cm。

(45)

3.2.2 地衡流量

呂宋海峽流量由 A、B 測站間的動力高度之深度積分差決定，代入流量公式即可得流量在每月的變化量(圖 15a)，測站與流量公式已在 3.1.2 節中說明。然而，呂宋海峽流量的估算會隨著選取橫跨海峽斷面位置(A、

B 測站)的不同而有明顯的差異，此部分將於 4.2 節中再行討論。

圖 15a 為呂宋海峽從表層到水深 400 m 每個月的流量變化，圖上數值皆為正值，表示整年皆為西向的入侵海流。最大流量發生於12 月，流量值達6.5 Sv；最小則出現在 6 月，流量約為 1.1 Sv。

圖 15b 為艾克曼傳送量之 U 方向分量沿 120.5°E 其每月的變化量，

艾克曼傳送量公式 (Stewart, 1997)，公式為

f Q_x Y ^y

⋅

= ⋅

ρ

τ

…………

(6)

公式中 Qx為艾克曼傳送量之 U 方向分量(m³/s)，τy為V 方向分量之風應力(kg/s·m)，f 為柯氏力，ρ為海水密度(1027 kg/ m³)，Y 為呂宋海峽 南北距離(m)。在圖 15a 的正值表示向西入侵的海流，負值則為東向海流。

年平均的艾克曼傳送量約向西0.6 Sv，最大值出現在 12 月，傳送量約向西1.8 Sv，最小值則出現在 7 月，傳送量約向東 0.7 Sv。

(46)

圖15. 測線流量之季節性變化。(a)呂宋海峽上層流量(0∼400 m)；

(b)艾克曼傳送量之 U 方向分量，風資料來自 QuikSCAT。

數值為正值表示流向向西，負值為流向向東。

為了比較不同風場資料所計算之艾克曼傳送量，下圖之風資料源自 COADS，資料期間為 1950∼2002 年，資料格式為月平均值(沈勇廷, personal communication)。圖 16 為艾克曼傳送量之 U 方向分量其每個月的變化量(沿 120.5°E)，資料的處理程序已在 2.5 節中有詳細的說明。圖上數值為正值表示西向入侵的海流，負值表示東向海流。全年平均之艾克曼傳送量約向西0.53 Sv，最大值發生在 12 月，傳送量約向西 1.23 Sv，

最小值則發生在7 月，傳送量約向東 0.02 Sv。由於 COADS 風資料為長期氣候平均因此所求得之艾克曼傳量較 QuikSCAT 風資料計算之艾克曼傳送量小。

(47)

圖16. 艾克曼傳送量 U 方向分量之季節變化。風資料來自 COADS (1950∼2000 年)，數值為正值表示流向向西，負值表示流向向東。

Qu (2000) 計算呂宋海峽流量時，推測年平均艾克曼傳送量約佔年平均呂宋海峽流量(0∼400 m)的 10％，相當於平均的艾克曼傳送量約為0.3 Sv。在本研究中由於風場的資料來源與 Qu (2000)不同，以 QuikSCAT 的風資料計算其艾克曼傳送量之年平均值(0.64 Sv)約佔呂宋海峽年平均流量(3.5 Sv)的 18％，艾克曼傳送量最大值(1.83 Sv)約佔呂宋海峽最大流量 (6.5 Sv)的 28％。若以COADS 的風資料來看，其年平均之艾克曼傳送量 (0.53 Sv)約佔呂宋海峽年平均流量(3.5 Sv)的 15％，艾克曼傳送量最大值 (1.23 Sv)約佔呂宋海峽最大流量(6.5 Sv)的 19％。呂宋海峽上層流量與艾克曼傳送量兩者的變化趨勢相似，可發現較大的入侵皆發生在東北季風期間，最小流量雖然其流向不同，但發生時間皆出現在西南季風期間。

(48)

3.2.3 地衡流速

圖17 為地衡流速(相對於 400 m)流場在 100 m 等壓面上每月的變化，

箭頭指向為海流流向，箭頭長度為流速大小，圖的右上方為流速0.2 m/s 的尺度指標。

圖 17 顯示，海流是由菲律賓呂宋島的東南方沿著島嶼海岸線往北流，海流主軸在流經呂宋海峽後沿台灣東岸繼續往北流，部分海流則在呂宋海峽中央約20∼21°N 處分岐出一股西向海流。分岐的西向海流經由呂宋海峽向西流入南海海域內，其路徑大約是沿著中國大陸南方陸棚流入南海，其流速與流幅隨著季節的轉換呈現不同變化。在東北季風盛行期間這西向的入侵海流流速較快，當西向海流穿越呂宋海峽後，海流仍持續往西流直到中國大陸南方陸棚後，才沿陸棚邊緣往西南流入南海中，進而形成南海北部氣旋式渦流的一部分。在月平均之動力高度分布圖中(圖 14)，顯示於南海海域內整年皆存有一低壓中心，其流向為逆時鐘向，在冬季時此低壓中心達到最強。在圖17 中也顯示這氣旋式渦流整年皆存在於南海海域內，冬季時此渦流流速較快，且其渦流核心較為明顯。

(49)

圖 17. 水深 100 m 處之月平均流速分布(相對於 400 m)。箭頭指向為流向，箭頭長度為流速大小，圖的右上方箭頭表示流速為0.2 m/s 的尺度指標。

(50)

圖18 為呂宋海峽的地衡流速(沿著 120.25°E，相對於 400 m)東西方向分量在垂直剖面上每個月的平均流速變化。圖中陰影區域為負值表示流向向西的流速，正值表示流向向東的流速，等值線間距皆為0.05 m/s，

粗實線為流速等於零的等值線。

圖18 顯示東向海流分別出現於呂宋海峽南北兩端，西向海流則位於呂宋海峽中央。相較於東向海流，其西向海流佔領了較大範圍同時也具有較大的振幅。最大西向海流分布於呂宋海峽中央，最大東向海流出現於呂宋海峽的北端，東西向流速變化較大的區域大多分布於靠近表層的深度。於圖上可明顯發現在10 月以後，於呂宋海峽中央的西向海流隨著月份逐漸增強，最大向西的流速發生在東北季風期間，分布於水深50 m 以上，流速值約為0.2 m/s。最大向東的流速亦出現於東北季風期間，流速值約為0.1 m/s，水深分布同樣是位於表層。

(51)

圖18. 呂宋海峽 U 方向分量在垂直剖面上的月平均流速變化。

(沿 120.25°E，相對於 400 m)等值線間距 0.05 m/s，粗實線表示流速為零，陰影區域為負值表示流向向西，正值表示流向向東。

(52)

3.2.4

當地風場

研究區域中風場主要是受季風所支配，夏季為西南季風盛行時期，

冬季則為東北季風，季風的轉換期分別為4∼5 月和 9∼10 月，風資料來自QuikSCAT。

A. 風應力與風速

圖19 為月平均之風應力與風速分布，等值線表示風速大小，箭頭長度表示風應力大小，箭頭指向為風向，左上方為風應力等於 1.0 N/m²的尺度指標。

圖19 顯示西南季風盛行於夏季(6∼8 月)，直到 9 月季風的轉換期開始，可發現位於高緯度區域逐漸出現東北往西南的風向，表示區域內的風場已逐漸由西南季風轉換為東北季風，隨著月份的遞移風場逐漸受東北季風主控且持續了整個冬季(12∼2 月)。到 4∼5 月又是另一次季風轉換時期，4 月的風場在低緯度區域可發現微弱的東北風存在，到 5 月時在低緯度區域中的微弱東北風即被微弱的西南風所取代，到6∼8 月時西南季風即盛行於區域內，直到 9 月時形成再一次的循環。在整年的風場中冬季的風速明顯比夏季大，最大風速皆位於呂宋海峽處，最大值出現在 12 月時，風速值則超過 11 m/s。

(53)

圖 19. 月平均之風速與風應力分布。等值線為風速值(單位：m/s)，箭頭為風應力大小與風向，左上方為風應力為1.0 N/m²的尺度指標。

(54)

B. 風應力旋度

圖20 為月平均之風應力旋度分布，細實線為正值表示氣旋式風應力旋度(逆時鐘向)，虛線為負值表示反氣旋式風應力旋度(順時鐘向)，粗實線表示風應力旋度為零的等值線，等值線間距為5×10^-8N/m³。

圖20 顯示從 10 月到隔年 2 月風應力旋度場的分布，大致上由東北- 西南走向，且橫跨於呂宋海峽上方的風應力旋度為零的等值線劃分為南北二區，北部為反氣旋式風應力旋度，南部則為氣旋式風應力旋度。較大的氣旋式風應力旋度(>30×10^-8N/m³)皆位於呂宋島西方，最大值出現在 12、1 月風應力旋度值>40×10^-8N/m³，較大的反氣旋式風應力旋度(<

-20 ×10^-8N/m³)位於中國大陸南方的陸棚，最大值也出現在 12 月。海流受風應力旋度的影響，在東北季風期間由於北邊的反氣旋式風應力旋度與南邊的氣旋式風應力旋度的作用，海流沿著零度的等值線匯集成一股西向的海流。當西南季風盛行時，區域內主要為氣旋所主導，兩個反向氣旋的分布和風應力旋度的大小相較於東北季風期間皆顯得較弱，因此在東北季風盛行時海流在呂宋海峽的入侵較西南季風期間顯著。

(55)

圖20. 月平均之風應力旋度分布。等值線間距為 5×10^-8N/m³，細實線為正值(逆時鐘向)，虛線為負值(順時鐘向)，粗實線為零度的等值線。

(56)

3.2.5 水團

North Pacific Tropical Water (NPTW)

NPTW 分布於南海海域中的深度範圍大多位於 120∼130 m 的水層中 (圖 13a)，顯示水團在南海海域內大部份位於此水深範圍中。想了解 NPTW 在研究區域中其路徑的季節變化，因此選擇鹽度在水深125 m 處的分布，

分別以春、夏、秋、冬來表示NPTW 的季節分布(圖 21)。

圖21 為 NPTW 於水深 125 m 處之季節分布，等值線為鹽度值，等值線間距為0.05 psu。Mar－May 為春季；Jun－Aug 為夏季；Sep－Nov 為秋季；Dec－Feb 為冬季。

圖21 顯示位於菲律賓呂宋島的東邊，其鹽度值皆大於 34.75 psu，鹽度變化較大的區域皆位於呂宋海峽，沿著中國大陸南方的陸棚往西南方進入南海其鹽度變化明顯減少，最小值<34.55 psu。入侵達到最強約在 12

∼2 月期間，可發現鹽度等於 34.60 psu 的等值線已分布於南海盆地中，

若以 34.60 psu 的等值線觀察 NPTW 在其他季節的分布，可發現 NPTW 存在於所有季節中意謂著NPTW 整年皆有入侵跡象，由鹽舌的分布顯示其入侵路徑大約是沿著中國大陸南方陸棚的邊緣進入南海。

(57)

圖21. NPTW 於水深 125 m 處之季節分布。鹽度等值線的間距為 0.05 psu，

(58)

四、討論

4.1 壓力梯度

由於呂宋海峽流量的估算取決於壓力梯度，所以分別就 A、B 測站的動力高度與動力高度對深度積分在不同季節的分布，探討影響流量季節變化的機制。

圖22a 之粗實線為 A 測站的動力高度對深度積分(0∼400 m)減去其平均值(195.2 m²)後每月的變化量，再利用調和分析(Harmonic)分析出半年週期(虛線)與年週期(細實線)曲線。由 A 測站(粗實線)的變化顯示，在 2

∼7 月之間 A 測站值較平均值低，最低值發生在 4 月約-4.7 m²；7 月之後 A 測站值較平均值高，最高值出現在 10 月約 5.3 m²。圖中A 測站曲線(粗實線)的分布幾乎與年週期曲線(細實線)重合，表示 A 測站的變化主要為年訊號。

圖 22b 為 A 測站的動力高度在不同深度(相對於 400 m)每月的變化量，圖中變化較大的區域分布於表層到水深 100 m 範圍內，隨著季節變化於 6∼12 月期間動力高度值較平均值高，其餘期間則較平均值低。由圖19 月平均之風速與風應力分布顯示，在 A 測站上的風速變化範圍約為 6.8∼10.5 m/s，A 測站緯度位於北緯 21.5 度，艾克曼深度(DE)範圍為 85

∼132m。Ekman Layer Depth (Stewart, 1997)，公式為

(59)

sin 10

6 . 7 U D_E

=

ϕ

…………

(7)

ϕ為緯度；U10為海面上10 m 的風速(單位：m/s)。

圖22c 粗實線為 B 測站動力高度對深度積分(0∼400 m)減去其平均值 (177.6 m²)後每月的變化量，同樣分析了年週期(細實線)與半年週期(虛線) 的曲線。B 測站線上的變化顯示在 4∼10 月之間 B 測站值較平均值高，

最高值出現在7 月約 10.3 m²，其餘期間較平均值低，最低值發生在1 月約-12.5 m²。由 B 測站曲線(粗實線)與年週期曲線(細實線)的分布顯示 B 測站變化具有年訊號。

圖 22d 為 B 測站的動力高度在不同深度(相對於 400 m)每月的變化量，圖上顯示4∼10 月期間水深小於 200 m 內，其變化量較平均值高其餘期間則較平均值低，變化較大的區域亦分布於表層。在月平均之風速與風應力分布圖(圖 19)顯示，B 測站上其風速的變化範圍約為 6.5∼10.5 m/s，B 測站位於北緯 18.5 度，D_E的範圍為 88∼142 m。艾克曼深度在 B 測站上分布可達較深的水層，相似的情形也發生於 A、B 測站之動力高度在深度上的變化分布(圖 22b、圖 22d)。

於 B 測站上之動力高度對深度積分曲線變化其振幅較 A 測站大(圖 22a、圖 22c)，由標準偏差之動力高度 (圖 4b)、標準偏差之動力高度對

(60)

深度積分(圖 5b)與標準偏差之風應力旋度(圖 11b)，皆可發現其變化量在 B 測站皆顯著地比 A 測站大。

A、B 測站動力高度之深度積分的曲線變化主要是受到季風的作用，

加上海岸線的走向也可能使振幅的變化更加顯著。B 測站海岸線為北北東-南南西走向，A 測站海岸線為北北西-南南東走向，當冬季東北季風盛行時， B 測站海岸線走向與季風的主軸方向東北-西南走向較一致。當上層的海水受艾克曼效應作用，再輔以地形走向的影響造成 B 測站變化較 A 測站顯著，因而在 B 測站振幅的變化較 A 測站大。此外，振幅的正負值亦可由艾克曼效應來解釋，當東北季風盛行的時候，B 測站的海水被帶離外海，A 測站的海水則出現堆積作用，因此 B 測站曲線在冬季時呈現負值，A 測站曲線則呈現正值；同理，當西南季風盛行時 B 測站曲線為正值A 測站曲線則為負值。

圖 22e 為 A 測站(圖 22a 之粗實線值)與 B 測站(圖 22c 之粗實線值) 兩測站之差再扣除其平均值(17.7 m²)後每月的變化分布，以粗實線表示，

同樣分析出年週期(細實線)與半年週期(虛線)的曲線。在圖 22e 的變化顯示約在4∼10 月期間其值較平均值低，最低值出現在 6、7 月約-12.1 m²；其餘期間較平均值高，最大值出現在12 月約 15.5 m²。曲線(粗實線)變化與年週期的曲線(細實線)相似，表示呂宋海峽流量的季節變化主要為年訊號。

(61)

圖22. A、B 測站之動力高度與其對深度積分的季節分布。(a)、(b)為 A 測站；(c)、(b)為 B 測站；(e)、(b)為 A、B 測站間的變化。(a)、(c)、

(e)為動力高度對深度積分(單位: m²)，再利用調和分析方法分析出年週期曲線(細實線)與半年週期曲線(虛線)，圖上的數值已分別扣除其平均值(平均值依序分別為 195.2 m²、177.5 m²、17.7 m²)；(b)、

(d)、(f)為動力高度在深度上的變化，等值線間距為 2 dyn cm。

(62)

4.2 測線與流量

呂宋海峽流量(0∼400 m)的估算值會隨著橫跨海峽的斷面位置不同而有明顯變化。為了解測線的變化對流量的影響，本研究中以 A、B 測站為主，再分別移動A 測站或 B 測站位置來看測線與流量間的變化。

4.2.1. 變化 A 測站

圖23 分別為不同測線與其流量的季節變化，左圖為測站位置，右圖為相對的流量變化，正值表示向西入侵的流量，所有測線皆是固定菲律賓呂宋島西北方的測站(B 測站，120.5°E,18.5°N)，以移動 A 測站位置來看不同測線與其相對的流量變化，移動之 A 測站座標分別標示於圖 23b、圖 23d、圖 23f、圖 23h 的右上方。

圖 23a 顯示當 A 測站位於東經 120.0 度，北緯 22.0 度，最大流量約 5.7 Sv (12 月)；最小流量在 7 月約為 1.0 Sv，平均流量約 3.0 Sv(圖 23b)。

當A 測站往南移 0.5 度時(座標於 120.0°E,21.5°N，圖 23c)，最大流量約增加0.4 Sv (6.1 Sv，12 月)；最小流量約減少 0.2 Sv (0.8 Sv，7 月)，平均流量約增加0.1 Sv (3.1 Sv，圖 23d)。

由 3.2.3 節中呂宋海峽 U 方向分量之流速在垂直剖面上的分布 (圖 18)，圖中表示東向的海流存在於呂宋海峽北端，且最大向東的流速發生在東北季風期間。

(63)

在東北季風期間，如圖 23a 所示之測線，其測線位置包含了分布於海峽北端的東向海流(圖 18)，所以最大流量值小於圖 23c 的測線值。在西南季風期間，呂宋海峽大部份為西向海流(圖 18)，於圖 23a 所示之測線包含了較大範圍的西向海流，使得最小流量值高於圖23c 的測線值。

圖 23e 為本研究中所設定的測線位置(120.5°E,21.5°N)，最大流量約 6.5 Sv (12 月)；最小值在 6 月流量約為 1.1 Sv，平均流量約 3.5 Sv (圖 23f)。當 A 測站往南移 0.5 度後(座標於 120.5°E,21.0°N，圖 23g)，最大流量約減少0.7 Sv (5.8 Sv，12 月)；最小值則出現於 5、6 月流量約減少 0.1 Sv (1.1 Sv)，平均流量約減少 0.4 Sv (3.1 Sv，圖 23h)。

當測線如圖 23g 所示，由於其測線距離較短導致整體的流量值皆減少(相較於圖 23e)。在西南季風期間，如圖 23e 所示之測線，其測線位置包含了較多的西向海流(圖 18)，因此最小流量值高於圖 23g 的測線值。

由呂宋海峽 U 方向分量之流速在垂直剖面上的分布(圖 18)顯示，最大向西的流速皆位於海峽中央，這西向海流的北方邊界大約位於 21.5°

N。當測線如圖 23g 所示時，或許是少估了部份的西向海流而使最大流量值低於圖23e 的測線值。

(64)

圖23. 不同測線其相對流量之季節分布(變化 A 測站)。(a)、(c)、(e)、(g) 測站位置，其中 A 測站經緯度依序為(120.0°E,22.0°N)、(120.0°

E,21.5°N)、(120.5°E,21.5°N)、(120.5°E,21.0°N)；(b)、(d)、(f)、(h) 為流量的季節變化(0∼400 m)，正值表示流向向西的流量。

(65)

4.2.2. 變化 B 測站

圖24 分別為不同測線與其流量的季節變化，左圖為測站位置，右圖為相對的流量變化，正值表示向西入侵的流量，所有測線皆是固定台灣南端測站(A 測站，120.5°E,21.5°N)，以移動 B 測站位置來看不同測線與其相對的流量變化，移動之B 測站座標標示於圖 24b、圖 24d 的右上方。

當B 測站位於東經 120.0 度，北緯 18.5 度(圖 24a)，最大流量約 6.9 Sv (12 月)；最小流量在 7 月約為 1.6 Sv，年平均流量約 3.9 Sv(圖 24b)。當 B 測站往東移動 0.5 度後，也就是研究中所設定的測線位置(120.5°E, 18.5°N，圖 24c)，最大流量約減少 0.4 Sv (6.5 Sv，12 月)；最小流量約減少0.5 Sv (1.1 Sv，6 月)，平均流量約減少 0.4 Sv (3.5 Sv，圖 24d)。

(66)

圖 24. 不同測線其相對流量之季節分布(變化 B 測站)。(a)、(c)測站位置，B 測站經緯度依序為(120.0°E,18.5°N)、(120.5°E,18.5°N)；

(b)、(d)流量的季節變化(0∼400 m)，正值表示流向向西的流量。

馬(1996)利用船碇式都卜勒流剖儀觀測呂宋海峽的流場變化，利用南北向測線資料以地轉平衡推算其東西向的流場存有明顯的誤差。在本研究中流速與流量皆是由地衡方程推衍後的公式所估算，並沒有考慮其非線性效應的影響，但在實際海流中其非線性效應是不可乎略的。欲了解更精確的流速值、流量值需要更進一步探討。

(67)

4.3

環流

圖25 為 125 m 相對於 400 m 之地衡流速，流場在 125 m 等壓面上的季節變化。在圖中每個季節皆有一道北向的海流沿著菲律賓呂宋島的東岸北上，流經呂宋海峽後又沿台灣東岸繼續往北流去，一部份的海流則在呂宋海峽分岐為西向的海流入侵至南海中。在流場的季節分布中(圖25) 整年都可發現這股入侵的西向海流，於水團的季節分布圖中(圖 21)也顯示NPTW 是經由呂宋海峽進入南海且整年都有入侵的跡象。

在圖25 中可發現西向海流在冬季時，其流速較快且分布於南海內的流幅較廣。水團的季節分布(圖 21)也顯示，在 3 ∼11 月期間水團大多分布於中國大陸南方陸棚附近，直到東北季風盛行時，水團在季風的作用下才逐漸延伸至南海盆地中，顯示入侵南海的西向海流其行徑與範圍皆和水團的季節分布具有很好的一致性。

(68)

圖25. 流場於水深 125 m 處之季節分布(相對 400 m)。箭頭指向為流向，

長度為流速大小，圖右上方的箭頭為 0.2 m/s 的流速尺度指標，

Mar-May 為春季；Jun-Aug 為夏季；Sep-Nov 秋季；Dec-Feb 冬季。

(69)

五、結論

藉由分析NODC 與 NCOR 的水文資料以了解呂宋海峽周圍海域上層流場的時空變化和NPTW 水團的季節分布。本研究獲得以下幾點結論:

1. 動力高度分布 (ΔD＝100 m 400 m) 顯示，於呂宋海峽處的等值線在 10 月後其斜率隨著月份逐漸增加，最大的傾斜角度出現在東北季風期間，4 月之後其等值線則逐漸與呂宋海峽平行。表示北太平洋水經由呂宋海峽入侵至南海於東北季風期間較強；西南季風較弱。

2. 呂宋海峽上層流量 (0∼400 m) 的年平均值約 3.5 Sv (向西) ，最大值出現在12 月 (向西 6.5 Sv) ，最小值在 6 月 (向西 1.1 Sv)。上層流場主要受季風影響，以 QuikSCAT 的風資料計算年平均之艾克曼傳送量約0.64 Sv (向西)，佔呂宋海峽全年平均流量的 18 ﹪，最大傳送量在 12 月(向西 1.83 Sv，佔 28 ﹪)；最小在 7 月(向東 0.7 Sv)。以 COADS 的風資料計算年平均之艾克曼傳送量約0.53 Sv (向西)，佔呂宋海峽全年平均流量的15 ﹪，最大傳送量在 12 月(向西 1.23 Sv，佔 19﹪)；最小在7 月(向東 0.02 Sv)。

呂宋海峽上層流場與水團分佈

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國立中山大學 海洋資源研究所 碩士論文