國立中山大學海洋科學系碩士論文

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國立中山大學海洋科學系碩士論文

Department of Oceanography National Sun Yat-sen University

Master Thesis

海洋內波紊流特性之觀測：以東沙海域為例 Turbulent properties of oceanic internal waves

in the shelves near Dongsha

研究生：葉俊德 Chun-Te Yeh

指導教授：曾若玄博士 Dr. Ruo-Shan Tseng

中華民國 105 年 1 月

January 2016

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誌謝

在中山大學海洋科學系就讀碩士班這兩年半，經歷了許多挫折與困難，每當我想放棄時，身邊總是有許多老師、學長、朋友們鼓勵我，讓我有勇氣能夠持續地努力，直到我現在完成了碩士學業。有你們每一個人的幫忙，我才有機會完成這篇論文。

感謝我的父母細心培育我，使我有著健全的人格及身體，您們對我的鼓勵與打氣，讓我能夠無後顧之憂的離開家鄉，到一個全新的環境求學。感謝我的指導老師曾若玄教授，雖然我不愛聽話，時常偷懶不來實驗室，同樣的錯誤一犯再犯，您卻總是耐心、反覆地教導我。您也常告訴我做人處事的道理、面對困難及處理困難的方法，也會告訴我失敗的經驗讓我從中去學習，在我眼中您不只是一個老師，也像一個慈父。感謝口試委員陳冠宇教授，謝謝您願意在百忙之中還願意幫我審查論文，也給了我許多寶貴的建議及方向，也謝謝您這兩年半來的教導，我在您的課堂上吸收到了非常多的知識。感謝口試委員楊穎堅副教授，謝謝您從台北下來參加我的口試，並且給了我論文非常多的建議，以及諸多觀念的導正。感謝楊益副研究員，感謝您在口試前，還特地上網幫我查論文相關的資料，帶過來給我並且講解給我聽，讓我突破盲點。也謝謝王玉懷副教授這兩年來對我的教導，謝謝您讓我對內波有著第一步的認識，讓我開啟了我論文的方向。

以及感謝海研三號的工作同仁，有你們一起努力出海實驗才會順利的進行。

我要感謝學長煥傑，謝謝你出海總是掩護我，我在暈船的時候你會義不容辭的頂替我的班，也會在我寫程式卡住的時候來拯救我，平常的實驗室生活你也總是像大哥一樣一肩扛起許多責任，有你這樣的學長真的很幸運。感謝信碩，謝謝我的老哥，這兩年的修課期間你總是願意幫助我的作業，我生活上遇到什麼奇怪

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事只要一通電話你總是會很有義氣的趕到現場，我們實驗室要忙碌的時候你也會挺身而出，能夠有你這樣的兄弟真好。感謝學妹宜婷，謝謝你總是願意傾聽我生活中大小事，用你那樂觀的情緒感染我，讓我從低潮中走出來，我們也會時常一起偷懶、一起做一些荒唐的事情，這些都是留給我很好的回憶。感謝學弟俊宏，

謝謝你常為我帶來許多歡笑，有事情求你幫忙你總是不會拒絕，你也時常會像個哥哥一樣照顧我，為我打點許多事情。感謝學弟立南，謝謝你成為我們實驗室的一員，出海或是丟浮球你都參與其中，讓我們這個少少人的實驗室能生氣蓬勃，

我也很喜歡你時常透露大學部的八卦，使我們這個實驗室不至於與系上脫節。感謝育嘉學長在我學術上遇到困難時，總是給我明確的解答。感謝永昇學長，打點實驗室的一切。我的研究所時光有很大部份都在實驗室中渡過，很慶幸我選擇的實驗室能有這樣的老師、學長以及學弟妹，讓我這兩年半的生涯過的快樂又充實，

你們的出現真的對我很重要。

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摘要

本研究利用垂直紊流剖面儀（VMP-250、micro-Rider）、船載式流速儀 ( sb-ADCP ) 以及科學魚探儀分別於 2011、2014 和 2015 年的三個航次中觀測南海非線性內波 (Nonlinear Internal wave, NLIW) 的紊流與水文特性，探測海域位於東沙陸棚區域水深 250~600 公尺，一共觀測到 11 個內波，每一個內波皆施放 2 ~ 6 次不等的紊流儀測量海水之渦動能消散率，以了解內波在前端、內部和尾端的紊流分佈。

在海研一號 1082 航次，於東沙島東北部陸棚海域水深 250 公尺處，進行 30 小時連續內波觀測。研究結果發現，在此 30 小時期間共有 5 組下沉型內波群通過本測站，ㄧ個內波群中通常是一個振幅較大、強度較強並且流速較快 (約 1.5 m/s) 的內波，伴隨著數個強度較弱、流速較慢 (0.5~ 0.3 m/s) 的內波尾隨在後，

整組通過時間從 3 小時至 8 小時不等。在一個內波群中，第一個強度最大的波通常伴隨顯著的前端沉降流與後端湧升流，垂直積分的消散率比後端較弱的內波高出二十餘倍。在海研三號 1859 的航次也顯示，通常在內波的前端渦動能消散率 (ε) 最小，約 10^-8W kg^-1，在內波經尾端，ε 則會明顯增大至 10^-6~ 10^-5 W kg^-1。由於下沉型內波造成水團的下沉，使得同一深度的溫度差可達 6~12℃，於內波中心處溫度最高，螢光極大值也會隨著水團垂直移動，在內波尾端溫度和螢光值則逐漸回復。在沒有內波經過的海面時，ε 約為 10^-9~ 10^-8 W kg^-1，相當於靜止水面，消散能量約為 1.8 mWm^-2，是內波尾端的 175 分之ㄧ。在海研三號 1541 航次則是發現振幅 170 公尺的內波，向西傳遞的速度高達 2.6 m/s，水平溫度差異達到 11℃，而沉降流及湧升流的垂直流速高達 0.7 m/s，在內波水團內的混合層深度達到 210 公尺。

關鍵字：內波、渦動能消散率、消散能量、振幅、東沙、南海

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Abstract

Vertical microstructure profiler (VMP-250 and Microrider), shipboard ADCP, and echo sounder were used to investigate the turbulent characteristics and mixing processes of nonlinear internal waves (NLIW) in the South China Sea during three cruises of 2011, 2014, and 2015. The survey area is in the continental shelves northeast of Dongsha, between isobaths of 250 and 600 m. A total of 11 NLIW were observed, with about two to six VMP profiles were conducted respectively for each NLIW to derive the dissipation rate of turbulent kinetic energy (ε). The purpose of this study is to get a better understanding of turbulence distribution in the fore, middle, and aft parts of NLIW.

During the Cruise 1082 of R/V OR1 in 2014, 30 hours of continuous observations in five clusters of depression NLIW were conducted at a site of 250-m depth. Our results indicate that the first internal wave always has a larger amplitude, propagation speed (~1.5 m/s), and dissipated power, which is followed by several smaller, slower (0.3-0.5 m/s), and weaker internal waves. It took about 3 to 8 hours for the whole wave packet to pass by. The first and the strongest internal wave is usually

accompanied by significant down-welling in the fore and upwelling in the aft parts.

Vertically integrated dissipation level is about twenty times higher for the first internal wave than that of the following waves. Observations from the Cruise 1859 of OR3 in

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2015 also indicate that ε in the fore and aft parts of NLIW is about 10-8 and

10-6~10-5 W/kg, respectively. Values of ε in the quiescent ocean without the

disruption of NLIW are about 10-9~10-8 W/kg, and the integrated dissipated level is about 1.8 mWm-2, which is about 1/175 that of the aft part of NLIW. The depression internal waves lead to the sinking of surface waters, so that marked temperature variations of 6~12 oC in the same depth could be observed in a short time as the waves passed by. The water temperature in the core of NLIW is the highest. The depth of maximum chlorophyll concentration also moves downward then upward as the waves passed by. Finally, huge NLIW with an astonishing 170-m amplitude, 2.6 m/s propagation speed, 0.7 m/s vertical velocity, 11oC temperature variation, and 210-m mixed-layer depth were discovered during the Cruise 1541 of OR3 in 2011.

Keywords: Internal wave, dissipation rate of TKE, dissipated power, amplitude, Dongsha, , South China Sea

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圖目錄

圖 1.1.1 內波生成、傳遞及消散示意圖 ... 1

圖 2.1.1VMP 本體 ... 9

圖 2.1.2VMP 前頭的探針 ... 9

圖 2.1.3VMP 絞機底座與絞機... 10

圖 2.1.4 剪切探針內部構造及外觀 ... 10

圖 2.2.1 MICRO-RIDER置於 CTD ROSETTE上以及置於盒內 ... 12

圖 2.2.2 MICRO-RIDER置於 OCEAN GLIDER上方 ... 12

圖 2.2.3 熱敏電阻探針外觀 ... 13

圖 2.3.1EK-60 外觀 ... 13

圖 2.4.1 SB-ADCP 外觀 ... 14

圖 3.1.1 剪切示意圖... 17

圖 3.1.2 積分示意圖 ... 19

圖 3.1.3DONGSHA_040 下放資訊 ... 19

圖 3.3.1DONGSHA_040 資料剖面圖 ... 21

圖 3.3.2 溫度變異量頻譜圖(TEMPERATURE VARIANCE SPECTRUM)示意圖 ... 23

圖 3.4.1OR3-1752 𝜀𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟與Ε𝜒比較圖 ... 24

圖 3.6.1 內波及將來臨時的碎波帶 (BOILING AREA) ... 27

圖 4.1.1 海研三號 1541 航次測站位置圖... 29

圖 4.1.2OR3-1541#3-1 內波 EK-60 色階圖 (上) 與消散能量直方圖 (下) ... 30

圖 4.1.3OR3-1541#3-1 內波SB-ADCP 色階圖，左為 E-W，右為 VERTICAL ... 30

圖 4.1.4OR3-1541#3-1 內波DT/DZ三次下放剖面圖 (左) ... 31

圖 4.1.5OR3-1541#3-1 內波Ε三次下放剖面圖 (右) ... 31

圖 4.1.6OR3-1541#3-1 內波三次下放溫度剖面圖 (左) ... 31

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圖 4.1.7OR3-1541#3-1 內波三次下放螢光值剖面圖 (右) ... 31

圖 4.1.10OR3-1541#3-2 內波DT/DZ五次下放剖面圖 ... 35

圖 4.1.11OR3-1541#3-2 內波Ε五次下放剖面圖 ... 35

圖 4.1.12OR3-1541#3-2 內波五次下放溫度剖面圖 (左) ... 36

圖 4.1.13OR3-1541#3-2 內波五次下放螢光值剖面圖 (右) ... 36

圖 4.1.15OR3-1541#3-3 內波SB-ADCP 色階圖，左為 E-W，右為 VERTICAL .... 38

圖 4.1.16OR3-1541#3-2 內波DT/DZ剖面圖 ... 39

圖 4.1.17OR3-1541#3-2 內波Ε剖面圖 ... 39

圖 4.1.18OR3-1541#3-3 內波溫度剖面圖 ... 40

圖 4.1.19OR3-1541#3-3 內波螢光值剖面圖 ... 40

圖 4.2.1OR1-1082D 測站位置 ... 43

圖 4.2.4OR1-1082#1-4 內波剪切四次下放剖面圖 ... 45

圖 4.2.5OR1-1082#1-4 內波Ε四次下放剖面圖 ... 45

圖 4.2.6OR1-1082#1-4 內波溫度梯度四次下放剖面圖 ... 46

圖 4.2.7OR1-1082#1-4 內波中三次下放溫度剖面圖 (不含第一次) ... 46

圖 4.2.10OR1-1082#1-5 內波剪切三次下放剖面圖圖 (左) ... 49

圖 4.2.11OR1-1082#1-4 內波Ε三次下放剖面圖 (右) ... 49

圖 4.2.12OR1-1082#1-5 內波溫度梯度三次下放剖面圖 ... 50

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圖 4.2.13OR1-1082#1-5 內波三次下放溫度剖面圖 ... 50

圖 4.2.16OR1-1082#1-6 內波剪切三次下放剖面圖 ... 53

圖 4.2.17OR1-1082#1-6 內波Ε三次下放剖面圖 ... 53

圖 4.2.19OR1-1082#1-6 內波三次下放溫度剖面圖 ... 54

圖 4.2.22OR1-1082#1-7 內波剪切三次下放剖面 (左) ... 57

圖 4.2.23OR1-1082#1-7 內波Ε三次下放剖面圖 (右) ... 57

圖 4.2.25OR1-1082#1-7 內波三次下放溫度剖面圖 ... 58

圖 4.3.1OR3-1859SAND 測站位置 ... 60

圖 4.3.4OR3-1859#3-8 內波剪切前三次下放剖面圖 (左) ... 62

圖 4.3.5OR3-1859#3-8 內波Ε前三次下放剖面圖 (右) ... 62

圖 4.3.6OR3-1859#3-8 內波溫度梯度四次下放剖面圖 ... 62

圖 4.3.7OR3-1859#3-8 內波四次下放溫度剖面圖 (左) ... 63

圖 4.3.8OR3-1859#3-8 內波四次下放螢光值剖面圖 (右) ... 63

圖 4.3.11OR3-1859#3-9 內波剪切三次下放剖面圖 (左) ... 66

圖 4.3.12OR3-1859#3-9 內波Ε三次下放剖面圖 (右) ... 66

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圖 4.3.14OR3-1859#3-9 內波三次下放溫度剖面圖 (左) ... 67

圖 4.3.15OR3-1859#3-9 內波三次下放螢光值剖面圖 (右) ... 67

圖 4.3.17OR3-1859#3-10 內波SB-ADCP 色階圖，左為 E-W，右為 VERTICAL .. 69

圖 4.3.18OR3-1859#3-10 內波剪切兩次下放剖面圖 ... 70

圖 4.3.19OR3-1859#3-10 內波Ε兩次下放剖面圖 ... 70

圖 4.3.20OR3-1859#3-10 內波溫度梯度兩次下放剖面圖 ... 70

圖 4.3.21OR3-1859#3-10 內波兩次下放溫度剖面圖 ... 71

圖 4.3.22OR3-1859#3-10 內波兩次下放螢光值剖面圖 ... 71

圖 4.3.25OR3-1859#3-11 內波剪切六次下放剖面圖 ... 74

圖 4.3.26OR3-1859#3-11 內波Ε六次下放剖面圖 ... 74

圖 4.3.27OR3-1859#3-11 內波溫度梯度六次下放剖面圖 ... 74

圖 4.3.28OR3-1859#3-11 內波六次下放溫度剖面圖 (左) ... 75

圖 4.3.29OR3-1859#3-11 內波六次下放溫度剖面圖 (右) ... 75

圖 5.3.1#1-4(左) 與#1-5(右)內波消散能量比較 ... 84

圖 5.3.2#1-4(左) 與#1-7(右)內波消散能量比較 ... 84

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表目錄

表 1.1.1 全球海域觀測到的內波振幅及當地水深 ... 2

表 2.4.1VMP 以及MICRO-RIDER各探針以及探測儀器之規格表 ... 16

表 3.5.1 三航次內波測量概況 ... 25

表 4.1.1OR3-1541 航次及測站概要 ... 28

表 4.1.2OR3-5141 SB-ADCP 以及 EK 設定 ... 28

表 4.2.1OR1-1082 航次及測站概要 ... 42

表 4.2.2 SB-ADCP 以及 EK 設定... 43

表 4.3.1OR3-1859 航次及測站概要 ... 59

表 4.3.2OR3-1859 SB-ADCP 以及 EK 設定 ... 60

表 4.4.1 各航次內波一覽 ( 流速方面 )... 77

表 4.4.2 各航次內波一覽 ( 水文方面 ) ... 78

表 5.3.2 海研一號 1082 航次內波群通過資訊 ... 83

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一、前言

1-1、關於內波

圖 1.1.1 內波生成、傳遞及消散示意圖 (Simmons et al., 2011)

非線性孤立內波 (Nonlinear soliton Internal wave, NLIW) 能量主要源自於潮汐。潮流經過呂宋海峽兩個平行海脊時，因為底層冷水爬升的速度較快，造成密度較大的海水爬升至密度小的海水之上，海水分層不穩定，轉為斜壓潮的形式向西傳遞能量。而此能量會帶動等密度面的擾動，擾動過程中能量相互疊加，而使能量堆積，產生振幅巨大的非線性內波向西傳遞 (Alford et al.,2015 )。加上呂宋海峽的潮汐不對稱性，漲潮流（向西流）較弱；退潮流（向東流）較強，內波便在退潮時段產生（王冑等人，2014）。內孤立波形成時為因頻散與非線性相平衡，

內波呈現一典型下沉型內波之輪廓，並以每秒約 3 m/s 的速度向西傳遞。當內波傳遞至陸棚區域時，會因為地形變淺而產生頻散，巨大的孤立內波被拉長成數個振幅較小、波速較低、週期較短的內波群，同時伴隨著能量的消散。到了接進東沙海域小於水深 100 公尺區域時，原來的下沉型內波轉換為上舉行內波，此時能量已經幾乎消散完畢，傳遞速度小於 1 m/s，形狀也變得不規則，最後消失在陸

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棚上，示意如圖 1.1.1。

一般來說大潮時（每個月農曆新月及滿月過後的 4 ~ 5 天）內波情況會較顯著並盛行在南海之中，小潮時（農曆上弦月及下弦月)因引潮力較小，造成呂宋海峽往西傳遞的斜壓能量較大潮時小，內波情況較不明顯，甚至觀察不到。

內波傳遞方式為成群 (Cluster)，通常一個內波群含有 5 ~ 7 個大小不等的內波，

通常第一個內波振幅最大、消散的能量越多，形狀是典型的下沉型內波形狀，；

越到尾端的內波通常流速越小、能量較少，形狀常是不規則的，像是內波被擠成一塊似的。此研究所探討之內波形式，皆為非線性內波。

全球許多海域都擁有生成內波的條件與地形。表 1.1.1 為 Alford et al. (2012) 整理出各海域觀測到的最大內波振幅及水深，可以看到除了南海外，在美國東西岸海域及鄂霍次克海以及南半球的 Scotia Sea 皆有內波的觀測記錄。各個海域觀測到的內波振幅多介於 15 ~ 50 公尺，唯獨南海有著振幅 140 公尺的觀測記錄，

也代表著南海擁有比其他海域更適合巨大非線性孤立內波的生成條件。

表 1.1.1 全球海域觀測到的內波振幅及當地水深 (Alford et al., 2012)

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1-2、前人研究

由於內波屬於在水體中兩層介質間的擾動，在海面上並不易被察覺，一直到十幾年前許多研究學者對內波這個領域開始著墨。Alford (2003) 首先在 Nature 期刊上發表有關於世界各海域內波的相關研究，並結合了 60 個歷史錨碇串的資料，指出內波的傳遞與破碎不僅會影響到水層混合，也足以影響全球氣候。

自從南海的巨大內波受到全世界關注後，各種關於內波觀測及模式的整合型計畫便陸續進行， ASIAEX 亞洲聲學實驗合作計畫便是一個成功的例子。

Ramp

et al. (2004)

給予南海內波一個最初期的架構，學者利用錨碇串上的 ADCP 和

CTD，佈放在南海進行為期一個月的觀測，發現內波從呂宋海峽生成後由東向西傳遞，行進了約 485 公里後消散在陸棚區域，觀測到的多為非線性下沉型孤立內波，振幅介於 29 ~ 140 公尺，並且發現內波傳遞方式通常為成群模式，並將其分成兩類，一天之內會有兩個內波群抵達東沙陸棚。Type-A 內波群通常流速較快、

振幅較大；Type-B 內波群通常流速較慢、振幅較小，晚 Type-A ㄧ小時抵達。

Alford et al. (2011)

則提出 Type-A 的傳播速度比 Type-B 還要快 5 ~ 10%，Type-A 同時也具備較大的振幅；但到達大陸斜坡區域時 Type-B 傳遞速度反而比 Type-A 還要大 8 ~ 12%。

內波傳遞的路徑與速度雖然可以利用數值模式來預測，但仍時常有不確定性以及誤差，所以錨碇串常被用來做為研究內波的有力工具。Lien et al. (2005) 利用 ADCP 錨碇串發現南海的下沉型孤立內波所消散的能量龐大；內波傳遞到 shelf-break 後能量只剩下深海的三分之ㄧ；到了陸棚接近淺海區域時，下沉型內波轉為上舉型內波排列，能量只剩下六分之ㄧ。Chang et al. (2006) 也利用同樣的方式分析內波的能量，發現在東沙東部海域水深 400 公尺處的內波能量為 8.5

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kW/m，到了陸棚區域水深 100 公尺處，能量只剩下 0.25 kW/m。

Nash et al. (2005)

計算潮汐以及內波之間的能量關係，指出內潮通過夏威夷海脊時會產生能量耗損，

造成計算上 10%的誤差。另外

Moum et al. (2007)

在美國奧勒岡海域利用錨碇以及 ADCP 分析內波的能量，發現在大陸斜坡計算出來的能量比在陸棚區域還要大上 10 倍。Klymak et al. (2011) 利用佈放在東沙海域的錨碇串，計算出了平均潮汐能量通量為 12 kW/m，全日潮為 5.5 kW/m；半日潮為 3.5 kW/m。

Alford et al.

(2011)

也利用 ADCP 以及 CT 探測儀器的錨碇串計算潮汐能量通量，計算結果

達到 60 kW/m，是有史以來最大，所推算出來的渦動能消散率達到 2 * 10^-6 W kg^-1 。隨著科技日新月異，水下滑翔翼 (glider) 的出現，使內波研究又有了更創新的選擇。

Johnston et al. (2013)

利用 glider 探測了南海內波，所觀測到的半日潮能量通量為 30 ~ 40 kW/m，測得到的數據與錨碇的歷史資料有良好的一致性。

內波在呂宋海峽水深約 3000 公尺的環境下生成，以 3 m/s 的速度向西傳遞至陸棚區域，隨著淺化傳遞速度也減慢，孤立內波變成一連串波群排列，在東沙海域水深小於 100 公尺後轉變為上舉型內波，並伴隨著能量耗損，這過程中除了海水的黏滯力外最重要的影響因素就是地形。St. Laurent (2008) 利用 free-fall MSS 紊流儀測量東沙東北部陸棚海域的渦動能消散率，結果發現在水深 300 公尺處的平均消散率約為 10^-8 W kg^-1，到了水深 200 公尺以下消散率平均驟升 O (10²)，達到 10^-6 W kg^-1，可見地形對於海水混合都有顯著的影響。

Lozovatsky et al.

(2013)

也利用 MSS-60 在呂宋海峽與南海北部做大範圍的渦動能消散率剖面變

化觀測以及海水分層對於消散率的影響，結果發現水深越淺的區域平均消散率越大，並且在表面混合層消散率有極大值，斜密層漸小；到了底部邊界層 (BBL) 消散率又開始變大。斜密層的平均消散率只有 BBL 的 10 ~ 30%。Yang et al. (2014) 在台灣西南海域利用 TurboMAP 在等深線 100 ~ 1000 公尺的區域做了連續的消散率變化觀測。發現在陸棚區域平均消散率為 2.8 * 10^-7W kg^-1；在大陸斜坡平均

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為 3.6 * 10^-8 W kg^-1，且在斜密層區域消散率有六小時的週期性變化。

St. Laurent et al. (2011)

利用紊流儀直接測量南海內波中不同位置的紊流性

質，計算結果發現在內波尾端的能量會有極大值，相對的在前端有極小值，兩個 能量差異可以達到 O (10²) 。Farmer et al. (2011) 在呂宋兩海脊中利用重複的 CTD 以及 ADCP 觀測內潮的形成以及潮汐的南北不對稱性，使內潮的斜壓能量更容易受非線性影響而以內波形式往西傳遞。

Ramp et al. (2010)

利用錨碇串呈現了內波的傳播速度以及振幅等特性。結果發現內波在呂宋海峽生成後，絕大部分都往 282 ~ 288 度的方向傳遞，在深海傳遞速度可達到 3.2 m/s，在大陸斜坡則約為 2.2 m/s。Li & Farmer (2011) 利用模式模擬了非線性以及旋轉對於內波形狀的影響，若其中一個改變，則內波就無法呈現典型下沉型內波的形狀，地形即為非線性的表現因素之ㄧ。除了對內波形狀的改變，地形也會對內波流速以及振幅有顯著的影響。Pinkel et al. (2012) 利用不同深度及位置的錨碇觀測，發現內波傳遞到水深 1300 公尺處就會開始破碎，傳遞速度約為 1.5 m/s，水深越淺的區域則內波破碎情況越顯著。

除了上述提到的實測方法，若把水文環境及邊界條件輸入電腦模擬海洋情況，

也能夠充分呈現出內波的真實樣貌。

St. Laurent & Garrett (2002)

即利用電腦模式模擬內潮的生成、傳遞以及能量通量。Polzin (2009) 也利用模式計算內波的能量生成以及能量消散，並注重在於因為內波破碎而造成的底部邊界消散。

Melet et al.

(2013)

結合了上述兩人的模式，並加以比較，呈現出內潮的傳遞，以及在陸棚

垂直消散的情況。Chen et al. (2013) 利用美國海軍實驗室的模式模擬出內潮傳遞形成內波的動力機制，並與前人研究的 Type-A 與 Type-B 的內波群性質與傳遞速度相符。Guo & Chen (2014) 整理了前人用模式模擬呂宋海峽形成內潮與內波，

並傳遞到東沙陸棚的結果，並指出有一些因素可以影響此結果，例如黑潮入侵。

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Simmons et al. (2011)

整理了前人用 2D 以及 3D 的模式結果，並期望可以預測內

波的生成、振幅、傳遞速度。在 2015 年

Alford et al. (2015)

整理了前人文獻，在 Nature 期刊的 letter 上發表了內波的生成、消散等傳遞過程。

除了針對內波特性的觀測外，許多學者也利用高解析度的儀器來測量各個不同水文條件下的紊流情況。2011 年在巴哈馬附近海域的合作計畫 BOTEX 利用了許多測量紊流的儀器，像是 VMP、ADV 等。Matt et al. (2013) 發表了此兩種儀器的觀測結果並且進行比對，分別是 VMP 的剪切探針以及 ADV 上搭載的 CT 溫度探測儀器觀測到的溫度消散率。作者利用 K𝜌 = KT 的假設用溫度消散反推渦動能消散率，並比較其結果發現兩者對應有良好的一致性，證明用溫度反推的假設是合理的。Kaneko et al. (2011) 在日本東南方黑潮主流流經的太平洋海域利用 VMP 及 CTD 做了 9 條垂直黑潮不同位置測線的觀測。結果發現在黑潮偏向日本這一側 (+y 方向) 的平均流速為黑潮遠離日本 (-y 方向) 的二分之一，約為 0.4 m/s，中心流速為 1.4 m/s；消散率也在+y 方向上的 100 公尺處有極大值，約 10^-7 W Kg^-1；並且無論是垂直擴散率、剪切等皆在+y 方向上有極大值，推測是由於靠近日本海域較淺的緣故。

Tian et al. (2009)

利用 VMP、TurboMAP 以及 LADCP 以呂宋海峽為中心做了垂直十字的測線，測站包含到太平洋以及南海，要觀測斜密層的擾動情況 (Diapycnal mixing)。研究顯示在呂宋海峽兩海脊中間垂直擴散率達到 10^-2m²/s，並越往海底越大，離開兩海脊區域到東邊平坦的太平洋海域，

垂直擴散率瞬間下降至 10^-5 W Kg^-1，其中差異達到 O (10²~ 10³)。

Wolk et al. (2012)

在西雅圖北部海峽利用 VMP 做了觀測，水深約只有 120 公尺，結果顯示在底部消散率有極大值，也證明了不需要以往的聲學儀器，剪切探針也可以直接測量到海水擾動情況，並且解析度高。

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7

1-3、研究動機與目的

海洋界對南海內波的研究的歷史大概只有十幾年，觀測方法涵蓋衛星、模式到實測。衛星觀測偏向於觀測內波於海水表層的碎波帶，並觀測其傳遞方向、距離、時間，以及到東沙陸棚的散射與折射情況等；模式方法則是模擬內潮在呂宋海峽演變成內波，以及如何傳遞、傳遞時間及路徑、能量消散等等，雖然內波模式發展迅速，但對於內波的預測路徑及生成時間仍是有許多不準確性，以至於出海實驗時常會追不到內波，所以在實測這塊學者大部分是利用錨碇串，上面放著溫壓計、流速儀等等，並放置在內波常經過的路徑上，一兩個星期後再將其取回。

但 ADCP 還是存在著取樣間距與空值，如果要觀察內波內部垂直剖面並且細微的紊流結構，紊流儀是一個好的選擇。

前人對於用紊流儀測量內波的研究並不多，原因在於紊流儀價格昂貴且內波出現時機的不確定性，若欲使用紊流儀下放式觀測，就必須長時間連續下放，或是看到內波來臨時趕緊準備實驗，才有機會測量到內波。目前南海內波的紊流觀

測除了

St. Laurent et al. (2011)

外，對於內波引起的能量消散的討論並不多。而

對於內波內部的流場結構以及所引起的沉降及湧升現象、以及影響的深度等也尚未有明確的文獻資料，還有因為內波通過期間的溫度變化剖面，溫度的差異變化和影響深度、以及內波內部紊流結構的呈現都尚未有大量資料的觀測及佐證。本研究利用紊流剖面儀以及自記式紊流模組成功在三個航次內測量到共 11 個內波，

並搭配船載式 ADCP 以及魚探儀等儀器呈現的內波結構的流場、水團交換及消散、溫度差異以及能量消散等等，還原了南海內波的結構與樣貌，結果將在本篇第四章節結果與討論中呈現。

(22)

8

二、使用儀器介紹

海洋能量傳遞是一個連續的變化過程，過程中配合著波浪及渦漩的形態變化傳遞能量，尺度從數百公尺至數公分，最終消散為熱。在近代海洋紊流實測中，

學者們常會用到 free-fall 式的紊流剖面儀來進行數據採集，例如早期的 AMP (Advanced Microstructure Profiler)、Sea & Sun (德國) 公司所製造的 MSS、JFE Advantech (日本) 的 TurboMAP 等等。透過 free-fall 的施放方式，更能排除掉載具的雜訊影響，採集到更真實的紊流數據。

為了精確的觀察內波通過時期的海水混合特性，本研究使用 Rockland Scientific 公司所製造的高解析度的垂直紊流剖面儀 (VMP-250) 以及自記式紊流模組 (micro-Rider，配合 CTD 一起使用)。

2-1、垂直紊流剖面儀 Vertical Microstructure Profiler ( VMP – 250 )

VMP 是 Rockland Scientific 公司所生產的新型紊流剖面儀，特點是輕、小，

適合用於近岸觀測，並在下放的過程中同步傳輸資料 (Tethered free-fall mode)。

儀器搭載剪切探針 (Shear Probes)、熱敏電阻 (Thermistor)、壓力計、三軸加速度儀、螢光計及濁度計等，最大耐壓深度為 1000 公尺。VMP 頂端配有穩定刷，這能使 VMP 在下放過程中能維持 90 度直立，減少額外的震動，並且控制下降速度達到 0.8 ~ 0.9 m/s。

VMP 前端可搭載兩支剪切探針及兩支熱敏電阻。VMP 全長約 1.5 公尺、直徑約 0.1 公尺，在空氣中重量約 12 公斤、在水中約 3 公斤。本體安裝完成如圖 2.1.1，後端白色圓形毛刷為穩定刷，可依下沉速度加減數量，理想下沉速度為

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9

0.8 ~ 0.9 m/s，若下沉過快則可加裝一片穩定刷；中間為 VMP 本體；後端為安裝探針以及其餘探測儀器所在位置，外面底座為保護探針到海底時不會直接接觸到底床，並使 VMP 可以站立。

圖 2.1.1 VMP 本體

圖 2.1.2 VMP 前頭的探針

VMP 需與絞機搭配使用，在船舷邊先架置一底座並用兩個 C 型夾固定，再把絞機安裝在底座上。VMP 在施放時絞機同時配合出纜線，並即時傳輸資料至電腦上。需注意的是纜線出線速度必須大於 VMP 下沉時所攜帶的纜線速度，使纜線一直維持在水面上鬆弛的狀態，這樣才能夠使 VMP 不受纜線張力影響，而達到 free-fall 的效果。

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圖 2.1.3 VMP 絞機底座與絞機

2-1-1、Shear Probe 剪切探針

圖 2.1.4 剪切探針內部構造及外觀

U 為流速，可以分解成 u 及 w 方向速度，α 為 U 與 w 方向夾的角度

VMP 所搭載的剪切探針為一外部為橡膠、內接感應原件壓電陶瓷的設計，

長約 13 公分、直徑約 0.9 公分、前面橡膠探頭約 0.8 公分；當探頭通過海流時，

會給與探頭一側向壓力，探頭接收到壓力時則會轉成一電壓值，由式計算後後得

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11

到垂直方向上的剪切 (Lueck et.al.,2013)。

𝑑𝑢

𝑑𝑧 = 𝑊⁻²𝑆⁻¹𝐸

(式 2.1.1) W 為 VMP 下沉速度、S 為剪切探針的感應係數、E 電壓差值

2-2、Self-contained Turbulence Package 自記式紊流模組 micro-Rider

自記式紊流模組 (以下簡稱 micro-Rider) 為一可自記式之紊流儀，與 VMP 一樣是 Rockland Scientific 公司所製造，取名為 rider 顧名思義它不像 VMP 一樣可以自行下放，而必須「Ride」在一個載具上。前人研究如 Wolk (2009) 則是把 micro-Rider 放置於 Glider 上，如圖 2.2.2 所示。本研究則是將之放置於 CTD rostte 上，使之隨著 CTD 一起下放到海裡，如圖 2.2.1 所示。micro-Rider 長約 0.85 公尺，加上探針後總長為 1 公尺，重量為 5.5 公斤重，最大耐壓深度為 1000 公尺，

其搭配的探測儀器與 VMP 相似，可搭載兩支剪切探針、一支熱敏電阻於最前端，

並有三軸加速度計、壓力計及導電度計等等。除了需有載具之外，micro-Rider 與 VMP 不同地方在於 micro-Rider 無法即時傳輸資料，啟動開關後即開始記錄並把資料儲存在內部的記憶體，儀器下放完成後再連接電腦下載資料。micro-Rider 與 VMP 的剪切探針與熱敏電阻規格一樣，是可以互相替代的。

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圖 2.2.1 micro-Rider 置於 CTD rosette 上以及置於盒內

圖 2.2.2 micro-Rider 置於 Ocean Glider 上方

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2-2-1、Thermistor 熱敏電阻

圖 2.2.3 熱敏電阻探針外觀

熱敏電阻為一探針型狀，其外型與剪切探針相似，重量稍微較剪切探針再重一點，前端為黑色，取樣頻率為 512Hz。在最前端為一凸出之微小玻璃球，此為感應與接收資料之處。

2-3、聲納魚探儀 EK-60

圖 2.3.1 EK-60 外觀

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EK-60 科學魚探儀又稱聲納，音鼓頻率為 38 kHz 與 120 kHz。其所發射出的聲波打到水下的魚群後會出現強度較強的回聲，海洋生物領域的學者靠 EK 來辨別魚群位置；利用同樣原理也可以偵測底深。除了偵測魚群與底深外，魚探儀也對於水下成群的浮游動植物有較強的回聲反應，內波經過的同時原本在海面的水團下沉，原本在水團內的浮游生物也隨著水團向下移動，隨著內波的位置不同，

水團下沉的程度也不同，從 EK 的螢幕上看來就好像浮游生物以及強大的回聲反應在海中勾勒出內波的形狀一樣。並且變化的圖型與 ADCP 的流速變化形式吻合，所以 EK 在海洋觀測上被用來最直接判定為內波的形狀以及振幅大小的依據之一。Yamazaki et al. (2006) 與

Mitchell et al. (2008) 利用 TurboMAP 測量螢光

值與海水剪切的關係，發現螢光值與剪切資料經過 FFT 轉換繪製成能譜後，在 Inertial sub-range 兩者曲線皆會符合 ⁻⁵₃ 斜率定律，證明浮游植物主要的運動方式來自於隨著海水的載浮載沉。

2-4、船載式都普勒海流儀 sb-ADCP

圖 2.4.1 sb-ADCP 外觀

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船載式流速儀 (Ship-board Acoustic Doppler Current Profilers) 測量原理是利用音鼓發射以及接收聲波測量海水流速。ADCP 配有四個音鼓三個用來確認三軸 (x,y,z) 位置，第四個用來校正。音鼓打出聲音到海裡，聲波撞到海中粒子後反彈回來再被音鼓接收。每一個音鼓發射及接受聲波可得到一個流速向量，而三維的流速必須至少要有三個流速向量組合，再利用三角向量關係便可計算出實際的流速以及流向。ADCP 是用都普勒回聲原理來測量水文數據，音鼓頻率為 75 kHz，

並且有著表層至水深 16 公尺或 24 公尺的空白區域，這個深度以下開始才有流速資料，並隨著 4、8 或是 16 米的取樣間距 (Bin size)。一般來說水深較深 (300 公尺以上) 會設定為 16 公尺一個 bin，水深較淺 (200 公尺以下)會設定為 8 公尺一個 bin；bin 為 4 公尺的流速誤差較大，所以較不會被使用。

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表 2.4.1 VMP 以及 micro-Rider 各探針以及探測儀器之規格表

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三、資料分析方法

3-1、 Dissipation Rate of TKE 渦動能消散率 𝛆

渦動能消散率 (Dissipation Rate of Turbulent Kinetic Energy, ε)是在紊流觀測上一個重要的指標，它代表海水的動能經由黏滯力轉換為熱的速度有多快，也最直接代表海水擾動的程度。一般來說在渦動能消散率應該介於 10^-10 (相當於靜止水面) ~ 10^-3 (相當於碎波帶) W kg^-1。ε值越大，代表海水擾動的程度越強烈，也意味著海水動能的消散程度越快 (Thorp., 2007)。

當兩層水體有相對流速時，因為海水的密度及黏滯力的關係，上面的水團會有向下翻攪的趨勢，下層水團往上翻攪，此時海水便發生紊流的混合與擾動，如圖 3.1.1 所示。剪切訊號經過電壓差轉換後為 ^𝑑𝑢_𝑑𝑧 (s^-1)，為水平向的流速在垂直方向上的改變或隨著深度的變化。為了要計算消散率，我們利用快速傅利葉轉換把測量到的剪切訊號繪製能量頻譜。剪切探針為取樣頻率為 512Hz，意思是一秒鐘可取樣 512 個資料點，由於快速傅利葉轉換需要 2 的 n 次方個資料點來做分析，

我們便取 4 秒的資料筆數來做一個 ε 的計算，相當於 2048 個剪切資料，若 VMP 下降速度以 0.8 m/s 計算，則約莫是 3.2 公尺計算出一個 ε 值。

圖 3.1.1 剪切示意圖

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一般在物理海洋上使用微尺度的紊流儀時，可以觀測到海下微尺度的海水擾動，在剪切訊號經過快速傅利葉轉換 (FFT) 時，我們會通過「泰勒冰凍假說」

( Taylor Frozen Hypothesis ) (Taylor., 1922)，將時間領域的測量資料轉換為空間領域。泰勒冰凍假說意即海面下的任何狀況，在測量探針通過的前後結構皆不改變及破壞，就好像結構與時間被冰凍了。在此時我們可以由式 3.1.1

ω = k W

(式 3.1.1) ω 為角頻率、k 為波數、W 為探針移動速度

把能譜的橫軸從角頻率換成波數。這個假說常會運用在紊流實測的領域，是非常重要的一個概念。

除了考慮取樣點數之外，由於微尺度的剪切探針非常敏感，輕微的震動也會被剪切探針記錄下來，所以我們在繪製剪切頻譜的時候，常會發現較高頻時會有一個能量的極大值域存在，我們將其視為儀器本身的震動訊號，不把他計算入消散率的範圍裡面。繪製出頻譜之後，我們會擬合最接近此剪切能譜的 Nasmyth 曲線。Nasmyth 曲線是一個經驗曲線 (如圖 3.1.2 的黑色曲線)，他會符合能譜平衡域斜率 -⁵₃的規則，一般來說我們會相信剪切能譜的曲線越符合 Nasmyth 曲線的變化軌跡的資料品質是越好的 (Nasmyth., 1970)。

我們也使用 Goodman et al. (2006) 的剪切濾除雜訊方法，是用剪切資料與三軸加速度儀的資料做相關性分析，濾除因為儀器本身震動造成的訊號，使得測量到的剪切訊號能更逼近真實情況。圖中藍色細線為原始的剪切資料繪製成的頻譜，

藍色粗線為經過 Goodman 方法濾除雜訊後的剪切頻譜 (clean)，可以看到粗線比

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細線又更接近 Nasmyth 的曲線一些。

圖 3.1.2 積分示意圖

縱軸為能量密度(s^-2 cmp^-1)、橫軸為波數 (cpm)。黑線為 Nasmyth ε = 1.2 * 10^-7 W kg^-1曲線、藍細線為剪切頻譜、藍粗線為 cleaned 剪切頻譜，三角形為積分的最

大波數，綠色直線內為積分範圍。

圖3.1.3 DongSha_040 下放資訊

左為偏轉角度剖面圖，90 度意即 VMP 完全呈現垂直狀態、右為下放速度 W 剖面圖，均速為 0.8 ~ 0.9 m/s

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20

渦動能消散率計算公式為式 3.1.2 (Osborn., 1980)

ε = 7.5 ν (𝑑𝑢 𝑑𝑧)

2

= 7.5 ν ∫ 𝜓(𝑘)𝑑𝑘

𝑘_𝑚𝑎𝑥 𝑘𝑚𝑖𝑛

(式 3.1.2) ν: 海水黏滯係數 (= 10^-6 m²s^-1)、^𝑑𝑢_𝑑𝑧 : 剪切應力、𝜓(𝑘) : 剪切能譜、k : 波數

在圖 3.1.2 範例中剪切資料深度為 35 ~ 38 公尺，取樣頻率為 512Hz ，共 2048 個資料點，k min 為 0、k max 為 150 cpm，為藍色三角形標示之處。在其他計算中有時波數超過 50 或 70 cpm 後能譜則偏離 Nasmyth 曲線，則積分範圍就不會到 k max。Nasmyth 曲線上寫的是 1.2 * 10^-7 W kg^-1，意思是如果剪切能譜與此條 Nasmyth 曲線完全重合，則積分出來的消散率為 1.2 * 10^-7 W kg^-1。此範例經由 clean 能譜計算出的ε結果為 1.04 * 10^-7 W kg^-1。

3-2、 Integrated levels of Dissipated Power 消散能量

渦動能消散率只代表當層水團的擾動情況，若把整層水團的ε 全部加起來，

再乘上水團密度，單位就會得到瓦特除上距離平方，也就是一種能量的形式。若在內波通過時，可視為「因為內波經過而造成的水團擾動」，擾動的大小取決於內波的強度，所以也可以代表內波所消散的能量 (St Laurent., 2012)。

消散能量的公式為 Dissipated Power = ∫ ε ∗ 𝜌 𝑑𝑧_𝑧^𝑧

0 ( mW m-²)

(式 3.2.1) z : 深度、 ε : 渦動能消散率、𝜌 : 海水密度

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3-3、 Dissipation Rate of Temperature Variance 熱變異消散率 χ

除了利用 micro-Rider 的剪切探針來計算渦動能消散率，我們也可以利用熱敏電阻來估算海水的擾動。micro-Rider 本身也搭載剪切探針，但由於放置在 CTD 上，隨 CTD 一起下放時常會受到纜線震動影響剪切訊號，即便經過 Goodman 濾除雜訊的方法後仍品質不佳，所以在 micro-Rider 的資料分析部份我們選用熱敏電阻的溫度資料來進行運算 (汪，2013、邵與曾，2013)。

圖 3.3.1 DongSha_040 資料剖面圖

藍線與紅線為剪切剖面、粉紅色為溫度梯度、黑色為溫度剖面，其餘直線為未裝上之探針

圖 3.3.1 為海研三號 1859 東沙航次的 VMP 資料剖面圖，下放深度為 160 公尺。可看出藍色剪切資料剖面訊號較大的部分例如 40 公尺深，在粉紅色的溫度

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梯度剖面圖也可以看出有相對較大的部分，以及 50 公尺、160 公尺深處，皆可以看到相似變化。意即在水團擾動較大的深度，剪切探針以及熱敏電阻皆會有較大反應出現。

micro-Rider 所搭載的快速反應溫度探針型號為 FP07-38，探針前端為一微珠型的熱敏電阻，探針本體由不鏽鋼製成，反應時間可達 0.007 sec。由式 3.3.1 可計算出熱變異消散率 (Osborn & Cox., 1972)。

χ= 6D〈θ_z²〉= 6D∫ 𝜓₀^∞ _𝑡(𝑘)𝑑𝑘

(式 3.3.1) 其中 D 為分子擴散係數、〈θ_z²〉為位溫的垂直梯度，溫度擴散係數 Kt可由式 3.3.2 獲得

𝐾_𝑡 = χ 2 (∂θ

∂z)²

(式 3.3.2) 在計算χ 值時，必須找出溫度變動的能譜積分範圍的波數最大值 Batchelor wavenumber，又因為 Batchelor wavenumber 必須利用紊流消散率 ε 來計算 (𝑘_𝑏 = (_ν𝐷^ε₂)¹⁴)，因此在這我們假設如果流體充分的混合並處在擾動的狀態下，

𝐾_ρ = 𝐾_𝑡(Alford & Pinkel., 2000)，由上述方法可推得下式 εχ = ^𝑁

2χ 2𝛤(𝜕𝜃/𝜕𝑧)²

(式 3.3.3) 𝛤為混合效率 (=0.2)。其中在計算 χ 時，𝜓_𝑡的波數範圍會坐落在𝑘_𝑚𝑖𝑛< 𝑘<𝑘_𝑚𝑎𝑥，再利用 Batchelor spectrum 計算出理論值的𝑘_𝑚𝑎𝑥 (Moum & Nash., 2009)，然後利用疊代的方式計算出實測資料的𝑘_𝑚𝑖𝑛與𝑘_𝑚𝑎𝑥，結果將會與實測值相近 (如圖 3.3.2)。

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∫^𝑘^𝑚𝑎𝑥[𝜓_𝑡(𝑘)]_𝑜𝑏𝑠

𝑘_𝑚𝑖𝑛

𝑑𝑘 = ∫^𝑘^𝑚𝑎𝑥[𝜓(𝑘)]_{𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑦}𝑑𝑘

𝑘_𝑚𝑖𝑛

(式 3.3.4) [𝜓_𝑡(𝑘)]_𝑜𝑏𝑠為實際觀測資料、[𝜓(𝑘)]_{𝑡ℎ𝑒𝑜𝑟𝑦}為理論值。

圖 3.3.2 溫度變異量頻譜圖(temperature variance spectrum)示意圖

藍線為溫度梯度頻譜，綠線為 Batchelor 經驗曲線，紅色三角形為積分最大波數。

3-4、 VMP 與 micro-Rider 計算方法比較𝜺

_{𝒔𝒉𝒆𝒂𝒓}

vs. ε

_𝝌

VMP 計算消散率方法是直接利用剪切資料來運算，為較傳統也最直接的方式；micro-Rider 則是用溫度梯度的方法去反推消散率。為了得知兩者計算出的消散率是否有差異存在，我們利用海研三號 1752 航次 (2014-04-07) ，同時攜帶 VMP 以及 micro-Rider，在澎湖水道同一測站同時下放兩種儀器，並把其結果拿來比較。

圖 3.4.1 為 VMP 搭載兩支剪切探針以及 micro-Rider 的熱敏電阻計算出來 χ 以及ε_χ的結果呈現。結果發現剪切探針計算出的消散率在混合層為 10^-7 W kg^-1~ 10^-4 W kg^-1，到斜溫層後就降至約 10^-8W kg^-1，偶爾達到 10^-7 W kg^-1；micro-Rider

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計算出的ε_χ則在混合層有著跟 VMP 差不多的趨勢及值，但到了斜溫層後則明顯 比 VMP 高出 O (10⁵) ~ O (10⁶) ，但變化趨勢與 VMP 相似，𝜀_{𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟} 與 ε_χ出現峰值的對應深度也一樣。此結果說明了利用熱敏電阻估算與直接利用剪切計算的消散率變化趨勢相同，但是絕對值有著差異性，代表ε_χ無法代表真實的海水消散情況，但可以明顯分辨出海水在擾動顯著以及安靜的差別。所以本研究仍然使用 micro-Rider 的資料計算，結果與 VMP 差異最明顯在於消散能量的積分，此結果將在結果與討論章節中被呈現。

圖 3.4.1 OR3-1752 𝜀_{𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟}與ε_𝜒比較圖

紅點及藍點連線為 VMP 兩支剪切探針的運算結果、

黑點及粉紅點連線為 micro-Rider 運算結果。

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3-5、三航次概要

內波的能量由內潮而來，所以顯著的內潮運動會增強內波的生成情況，因而朔 (農曆 1 日)、望 (農曆 15 日) 過後的 3 ~ 4 天引潮力最強而為大潮，海水在呂宋海峽兩海脊所造成的斜壓潮能量傳遞也越大，內波的情況也會越顯著。而在小潮時期 (農曆 7 日、農曆 23 日，上弦月與下弦月) 左右，內波的情況非常不顯著，甚至偵測不到。所以為了保險起見，若要出海觀測內波，勢必得選在大潮期間。本研究的三個航次船期，皆為大潮。OR3-1541 為農曆 1 ~ 4 日 (國曆 2011 年 6 月)；OR1-1082 為農曆 15 ~ 20 日 (國曆 2014 年 7 月)；OR3-1859 為農曆 15

~ 19 日 (國曆 2015 年 6 月)。

表 3.5.1 三航次內波測量概況

航次日期測量內波數量施放儀器

OR3 1541 2~5, Jun. 2011 3 micro-Rider OR1 1082 11~16, Jul. 2014 4 VMP OR3 1859 1~5, Jun. 2015 4 VMP

3-6、實驗方法

這三個航次的目要目的都是觀測內波，雖然前人研究內波的路徑及抵達時間是可以預測的，但實際計算上仍有許多誤差存在，而造成預估錯誤，真實的內波路徑及位置才是要到當下才可以確定。當內波來臨時，可以在遠處海面看到一片碎波帶 (Boiling area)，如圖 3.6.1，並且朝研究船靠近，此時便會開始準備紊流

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儀實驗。

在 OR1-1082 以及 OR3-1859 航次的實驗中，我們等到碎波帶接近研究船後便開始 VMP 實驗，下放深度約莫 150 公尺，重複下放直至內波完全通過為止。

實驗測站水深約莫 250 ~ 300 公尺，根據經驗，下沉型內波傳遞至此水深時振幅時常不超過 120 公尺，這也是為什麼 VMP 下放深度為 150 公尺的選擇原因。

而在 OR3-1541 航次，我們所使用的是 tow-yo 觀測，意思是在施放儀器同時研究船也會跟著內波的波速以及相位一同前進，這樣就能觀測到內波同一個部位的剖面變化，所以可以看到圖中施放的線都是垂直的。tow-yo 觀測好處如上述，壞處則是船前進時底下的螺旋槳仍是運作的狀態，若因海流較強或上下分層而造成預估錯誤，儀器有可能絞入螺旋槳而造成損壞的情況。學者曾經在海研三號上試圖利用 tow-yo 觀測法施放 VMP，結果儀器捲入螺旋槳中，昂貴的儀器就因此壞損。

但因 micro-Rider 施放時是架在 CTD rosette 上，和 CTD 其他儀器加起來重量較重，比起 VMP 等 free-fall 的儀器安全些。

為了還原內波的真實樣貌，本章節將會呈現 EK-60、sb-ADCP 以及 VMP 或是 micro-Rider 的觀測結果。海研一號 1082 航次共觀測到了 4 個內波；海研三號 1859 航次觀測到了 4 個內波、1541 航次觀測到 3 個內波。每個內波經過時期我們都會重複施放至少 2 ~ 3 次的紊流儀，直到內波完全通過為止。為了避免混淆，

以下航次內所提及的時間及日期皆為台灣時間 (GMT+8)。同一個內波的所有色階圖，橫軸以及縱軸尺度及大小皆一致。

本研究中的「內波振幅」為由 EK 波形相同回聲強度輪廓之「位移」所定義。

本篇研究中 11 個內波接有一個編號，以「# (數字 A) – (數字 B)」的方式呈現，

數字 A 若為 1，則此內波為海研一號船期所測得；若為 3，則為海研三號船期內

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所測得。而數字 B 為內波編號順序，由 1 ~ 11。如 #1-5 內波則為海研一號，並且是 11 個內波中編號第 5 個。

圖 3.6.1 內波及將來臨時的碎波帶 (Boiling area) 攝於 OR1-1082 航次。

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四、航次資料呈現

4-1、海研三號 OR3-1541 航次

OR3-1541 航次為期四天，日期是 2011 年 6 月的 2 ~ 5 日，領隊為楊穎堅副教授，由邵煥傑以及汪建君兩位學長上船操作紊流儀實驗。在這個航次我們觀測到了三個內波，其中還有針對同一個內波進行的觀測，分別是#3-1 以及#3-2。

#3-1 內波經過的同時我們施放了 3 次的 micro-Rider，等內波完全離開後，我們超前至#3-1 的前頭，再對同一個內波進行量測，這就是#3-2 內波。

#3-1 與#3-2 內波距離 7.6 公里，也就是 P3 與 P4 站位的距離。#3-3 內波則是在另一個測站 S 觀測到的內波，共施放了 6 次紊流儀。在結果呈現的消散率剖面圖中，綠色直線為 10^-8W kg^-1界線、紅色直線為 10^-6W kg^-1界線。

表 4.1.1 OR3-1541 航次及測站概要

站位施放次數平均施放深度 (m) 時間內波名稱

P3 3 250 6/3, 04:40~06:45 #3-1 P4 5 200~250 6/3, 06:15~08:10 #3-2 S 7 250 ~ 300 6/4, 00:00~05:32 #3-3

表 4.1.2 OR3-5141 sb-ADCP 以及 EK 設定

音鼓頻率 Bin size (m) First bin (m)

(43)

29

sb-ADCP 75 kHz 16 -24.7

EK-60 38 kHz 0.4 -10

圖 4.1.1 海研三號 1541 航次測站位置圖

(44)

30

#3-1 內波 6/3, 04:40~06:45

圖 4.1.2 OR3-1541 #3-1 內波 EK-60 色階圖 (上) 與消散能量直方圖 (下) 黑色虛線為紊流儀三次下放之軌跡

圖 4.1.3 OR3-1541 #3-1 內波 sb-ADCP 色階圖，左為 E-W，右為 Vertical

T1 T2 T3

(45)

31

圖 4.1.4 OR3-1541 #3-1 內波 dT/dz 三次下放剖面圖 (左) 圖 4.1.5 OR3-1541 #3-1 內波ε三次下放剖面圖 (右)

圖 4.1.6 OR3-1541 #3-1 內波三次下放溫度剖面圖 (左) 圖 4.1.7 OR3-1541 #3-1 內波三次下放螢光值剖面圖 (右)

T1 T2 T3 T1 T2 T3

(46)

32

首先看到編號第 #3-1 內波。圖 4.1.2 為 EK-60 回聲強度色階圖，縱軸為深度、橫軸為時間序列。可以明顯看到在 05:16 時出現一下沉型內波，EK 強烈回聲勾勒出典型下沉型內波的結構，振幅約 140 公尺、通過時間約 45 分鐘。圖 4.1.3 為 sb-ADCP 的東西向流速以及垂直向流速色階圖，可以看到在 EK 上出現內波的時間，ADCP 上也跟著出現流速變化。原本向東穩定的流突然有一股強勁向西方的流出現，但 200 公尺以下還是保持向東的流，約 45 分鐘後回復；從垂直向流速結構我們可以看到在內波通過初期有向下的沉降流，並且深度越來越深；隨後出現向上的湧升流，深度越來越淺。這種情況符合我們一般對下沉型內波的認識，內波由東向西傳遞，並伴隨著前端沉降後端湧升的特性。一般來說我們判斷內波的振幅是由 EK 以及 ADCP 互相比對而來，兩者出現在色階圖上的形狀非常相似。內波波谷出現在 EK 典型下沉型內波回聲強度的底端，但內波通過期間 EK 時常出現好幾層回波強度較強的情況 (於第五章節討論)，這時候就可以加入 ADCP 一起判斷。

除了中間明顯的內波波型外，在前後我們也可以看到有兩個小內波存在，一樣是下沉型內波，振幅也約 140 公尺，但週期較短，一下子就通過了。

在此次內波通過時我們放了 3 次的 micro-Rider，時間分別為 05:16、05:39、06:00，

如圖 4.1.2 與 4.1.3 的橫軸所示，EK 上黑色虛線為 tow-yo 觀測 CTD rosette 下放的深度以及軌跡，因為研究船隨著內波前進，所以黑色虛線為垂直直線。

micro-Rider 掛載在 CTD 上，剪切資料受到纜線擾動影響而品質不佳，所以我們用了熱敏電阻探針來測量海水擾動情況，而熱敏電阻測量到的是溫度垂直梯度 dT/dz。圖 4.1.4 為在這個內波中施放三次 micro-Rider (T1, T2, T3) 所測量到的溫度梯度剖面圖，順序由左至右，作圖深度皆為 300 公尺。可以看到 T1 的溫度梯度在 150 公尺處有極大值；T2 為 250 公尺附近；T3 則為 100 公尺以內，溫度

(47)

33

梯度變化範圍皆為 -15 ~ 15 K m^-1。同樣的情況發生在圖 4.1.5 的渦動能消散率剖 面圖，T1 的ε_𝜒大多介於 10^-7~10^-6 W kg^-1，偶有溫度梯度較大的時候ε_𝜒亦會增大；

T2 則是在 50~100 公尺處皆大於 10^-5 W kg^-1，甚至到達 10^-3~10^-2W kg^-1，以及在 170 公尺以下也時常出現極大值；T3 則在 100 公尺以下的擾動較小，ε_𝜒多小於 10^-5 W kg^-1，100 公尺以上的水層其擾動則明顯增強。

除了逐層看消散率的變化，我們也將其乘上海水密度做垂直積分，變成了消散能量。由圖 4.1.2 的直方圖可看到在第二次施放 micro-Rider 時有能量的最大值，

為 68 Wm^-2，位置在於內波的前端，比內波後端高出 1.5 倍，在第一次內波還沒 有通過的時候，能量有極小值。在第 3-5 章討論過由 dT/dz 推算出來的ε_𝜒比起剪切計算出來的 ε 大了 O (10³) ~ O (10⁴)，所以此消散能量以及消散率皆為概估，

僅用來比對同一次實驗各次下放所測量的值，不適合和 VMP 的結果比較。

圖 4.1.6 為 #3-1 內波三次下放所測量到的溫度剖面圖，藍線為 T1、綠線為 T2、紅線為 T3。可以看到在短時間內溫度剖面變化可以如此巨大，在 170 公尺處溫度差異達到 9 ^OC。內波通過前的溫度剖面 (T1)，T2 為內波通過中，可以看到因為下沉型內波經過使得水團下沉，原本在表層的海水一下子被擠壓到了深層，

所以各個深度的水溫明顯高出其他時期的水溫；T3 為內波尾端，當內波即將離開時，水團向上抬升，溫度回復原狀。把溫度跟圖 4.1.3 的垂直向流速比較，不難發現前端的沉降流把水團往下壓，後端的湧升流即把水團往上抬昇，而在內波中水團則是混合非常均勻，170 公尺以下溫度差異不大。圖 4.1.7 為螢光值剖面，

是我們採用 CTD 上的螢光探針的資料，可以看到在 T1 及 T3 的剖面螢光極大值皆在 30 公尺處，而 T2 為內波通過中端，極大值在 60~180 公尺處出現，應是海水混合所造成此結果。

(48)

34

# 3-2 內波 6/3, 06:15~08:10

圖 4.1.8 OR3-1541 #3-2 內波 EK-60 色階圖 (上) 與消散能量直方圖 (下) 黑色虛線為紊流儀五次下放之軌跡

T3

T1 T2 T4 T5

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圖 4.1.10 OR3-1541 #3-2 內波 dT/dz 五次下放剖面圖

圖 4.1.11 OR3-1541 #3-2 內波ε五次下放剖面圖

T1 T2 T3 T4 T5

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36

圖 4.1.12 OR3-1541 #3-2 內波五次下放溫度剖面圖 (左) 圖 4.1.13 OR3-1541 #3-2 內波五次下放螢光值剖面圖 (右)

再來到編號 #3-2 內波，雖然編號不一樣，但實際上我們在測量完 #3-1 內波後，隨即將研究船駛到內波前頭，並再進行了一連串的測量實驗，所以 #3-1 以及 #3-2 其實是同一個內波。如此的實測方式可以了解內波在傳遞了一段距離後，振幅、能量以及水文特性等會不會有所改變，討論將在第五章呈現。

追到了同一個內波後，我們在 #3-2 內波來臨前半小時，便開始施放 CTD / micro-rider，下放深度約為 250 公尺。圖 4.1.8 為 #3-2 內波的 EK 回聲圖，可以看到它跟 #3-1 的 EK 波型相像，在 #3-1 後面緊接著而來的小內波，就是#3-2 前面那個內波。兩個內波在 ADCP 的反應上也相似。這次我們一共施放了 5 次 micro-Rider，施放時間與深度如圖 4.1.8 所示，一樣是利用 tow-yo 觀測法。圖 4.1.9 可以看到它的流速結構，此內波向西傳遞速度約為 1.7 m/s，相較於 #3-1 高出了

(51)

37

0.2 m/s；前端沉降流約為 0.5 m/s，後端湧升流 0.6 m/s，流速結構也與 #3-1 相似。

圖 4.1.10 和圖 4.1.11 為 #3-2 內波的 dT/dz 及ε_𝜒的剖面，T1 的 dT/dz 在 60 公尺以及 130 公尺處有稍大的情況，反應在ε_𝜒約為 10^-6~10^-5 W kg^-1，應為前面小內波所引起的擾動。T2 的擾動偏小，只有混合層稍微大一點，到了 T3 進入了內 波的中心，可以看到溫度變異在 140 公尺及 210 公尺處有極大值，對應的ε_𝜒約為 10^-4W kg^-1，在此處碰到內波的深度約為 140 公尺，出現較大的溫度變異合理。

T4 的 dT/dz 在內波裡面 100~150 公尺很小，ε_𝜒約只有 10^-9W kg^-1，而脫離內波深度後又呈現大值；T5 在 30 公尺介面之處呈現極大值，但在介面以下 dT/dz 呈現極小值，對應的ε_𝜒約為 10^-8W kg^-1。

#3-2 內波的消散能量則是與 #3-1 相同，在內波的前端，也就是第四次下放所計算出來的消散能量有極大值，約為 43 Wm^-2，較 #3-1 小了 25 Wm^-2。此能量約為內波後的 1.7 倍，與 #3-1 結果相似，而約為第一次下放能量的 9 倍。

圖 4.1.12 為五次溫度剖面圖，可以看出較突出的兩條線為 T3、T4，其餘皆呈現差不多的情況。T3 為內波即將來臨時的最前端，明顯看出溫度已經受內波影響，往右平移了約 7 度；到了內波前中端 T4，140 公尺以內皆是明顯的混合均勻狀況，比對 EK 此時間 140 公尺內皆位於內波的深度中，到了 150 公尺以下才顯現出斜溫層的狀況。T5 為內波通過後，溫度回升至和前兩次差不多的趨勢。

在圖 4.1.13 為五次螢光值剖面，可看到 T1、T2 以及 T5 極大值皆在 30~50 公尺處，T3 在 100 公尺、T4 在 150 公尺。由此可見不只溫度的明顯變化，在螢光值剖面也可以明顯見到水團下沉的性質。

(52)

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# 3-3 內波 6/4, 00:00~05:32

圖 4.1.14 OR3-1541 #3-3 內波 EK-60 色階圖 (上) 與消散能量直方圖 (下) 黑色虛線為紊流儀五次下放之軌跡

T1 T2 T3 T4 T5 T6

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圖 4.1.16 OR3-1541 #3-2 內波 dT/dz 剖面圖

圖 4.1.17 OR3-1541 #3-2 內波ε剖面圖

T6

T1 T6

T1 T2

T2

T3

T3 T4

T4 T5

T5

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圖 4.1.18 OR3-1541 #3-3 內波溫度剖面圖

圖 4.1.19 OR3-1541 #3-3 內波螢光值剖面圖

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再來看到 1541 航次最後一個內波 #3-3，也是最強勁的一個內波。首先看到圖 4.1.14 的 EK 回聲圖以及 4.1.15 的 ADCP 流速圖，回聲強度顯示出一個「W」

型狀的下沉型內波，向西的流速竟然到達 250 公尺深，中心流速也到 2.6 m/s，

而前端沉降流及後端湧升流皆約為 0.7 m/s。這個內波比 #3-1 (#3-2) 振幅大了 30 公尺、向西流速大了兩節，沉降流與湧升流皆也是最大。以往我們的認知大概是振幅 140 公尺的內波已經是算非常大，而這個內波振幅居然到達 170 公尺。它不只是這個航次的最大內波，也是本研究 11 個內波中最大的一個。這也反應在了它的消散能量，我們這次放了 6 次 micro-Rider，其中最大的一次消散能量達到約 90 Wm^-2，消散能量是 #3-1 內波的 1.3 倍，位置一樣出現在內波的中端。

圖 4.1.16 為六次的 dT/dz 剖面。T1 明顯整層偏小，對應的消散率為 10^-5W kg^-1。再來看到 T2 ~ T5 剖面，明顯的看到在內波深度內，即水深 180 公尺內 dT/dz 皆非常小，代表著溫度變化非常小，水團混合均勻，ε_𝜒約為 10^-9~10^-8W kg^-1，而在內波介面時，dT/dz 馬上出現極大值，對應準確，像是 T4 內波介面約在 180 公尺處，dT/dz 在 180 公尺處出現極大值；T5 內波介面在 210 公尺處，dT/dz 也在 210 公尺出現極大值，此時ε_𝜒約為 10^-2~ 10^-3W kg^-1。

圖 4.1.18 為六次溫度剖面圖，最突出的 T1 的藍色線，此剖面顯示出了一般的斜溫層狀態。到了後面 T2 ~ T6 溫度則是呈現差不多的剖面，對應 EK 以及 ADCP 可以發現 T2 ~ T6 皆在內波深度內，水團跟著巨大的內波振幅下沉，最大深度到達 240 公尺，在 210 公尺處還可以保有 24 ÔC，彷彿表水的溫度，溫度差達到 11 ÔC。巨大的內波內部伴隨著混合均勻的水團，可以看到 T2 ~ T6 剖面在 150 公尺以內幾乎都是垂直向下，溫度改變不到 1 ÔC。圖 4.1.19 為螢光值剖面，

T1 的極大值約在 50 公尺，T2 在 150 公尺，T3 至 T6 接在 180 公尺附近，最大

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42

值深度改變了 130 公尺。

4-2、海研一號 OR1-1082 航次

海研一號 1082 航次為期 6 天，日期是 2014 年 7 月的 11~16 日。此航次主要為王玉懷副教授、洪佳章教授以及曾若玄教授共同主持，領隊為王玉懷副教授，此航次目的是希望在南海看到冷渦旋對於營養鹽和氮通量的影響以及時序列變化，也利用 VMP 測量計算消散率，可使通量的推算更為準確，我們在 14 日前往東沙陸棚海域進行為期 30 個小時的內波觀測。

有別於 tow-yo 觀測，在進行 VMP 實驗時船槳必須完全關閉，使整艘船呈現 clutch out 的狀態，以確保 VMP 本體的安全，所以船是定點不動停在 D 站 (20.5^ON, 116.6 ^OE )，如圖 4.2.1 所示，水深約 250 公尺。在以下的 VMP 施放時間以及下放軌跡將會呈現傾斜狀態，因為船與內波間有著相對速度，意味著 VMP 在施放過程中內波仍在前進中。

表 4.2.1 OR1-1082 航次及測站概要

站位施放次數平均施放深度 (m) 時間內波名稱

D

4 100 ~ 150 7/14, 06:15~07:20 #1-4 3 100 7/14, 10:00~11:00 #1-5 3 150~180 7/14, 12:30~13:00 #1-6 3 150 7/14, 23:00~23:45 #1-7

國立中山大學海洋科學系 碩士論文