國立中山大學海洋生物科技暨資源學系研究所 博士論文
Department of Marine Biotechnology and Resources National Sun Yat-sen University
Doctorate Dissertation
台灣海峽流場的觀測分析以及應用在海事搜救之 研究
Observations and analysis of Taiwan Strait currents and their applications to maritime search and rescue missions
研究生:沈勇廷
Yung-Ting Shen
指導教授:曾若玄 教授
Prof. Ruo-Shan Tseng 中華民國 108 年 7 月
July 2019
博士論文 台灣海峽流場的觀測分析以及應用在海事搜救之研究 研究生：沈勇廷
107海洋生物科技暨資源學系研究所 學年度 國立中山大學
國立中山大學海洋生物科技暨資源學系 博士論文
Department of Marine Biotechnology and Resources National Sun Yat-sen University
Doctorate Dissertation
台灣海峽流場的觀測分析以及應用在海事搜救之 研究
Observations and analysis of Taiwan Strait currents and their applications to maritime search and rescue missions
研究生:沈勇廷
Yung-Ting Shen
指導教授:曾若玄 教授
Prof. Ruo-Shan Tseng
中華民國 108 年 7 月 July 2019
致謝
學生接觸海洋始於大學求學之路就讀海洋相關科系，大學畢業服役於海軍時，
更加培養對海洋的熱情。自畢業後短暫的研究助理工作後，便投身在研究路上 鑽研。當完成碩士學位後便再接再勵繼續投身更深奧的博班歷程，並有機會宣 揚海洋知識給更多人。過程雖然遇有轉折，但是藉由對海洋的熱忱與家人、師 長與親友的支持鼓勵，這些都是筆者持續精進的動力與努力不懈的目標。
學生論文完成首要感謝的是我的指導教授曾若玄老師。曾老師自學生就讀碩 班以來，一直鼓勵學生多看、多學習與勇於挑戰不同的想法與方式，路程雖辛 苦，但是會有意想不到的收穫。曾經於博班期間到過日本與美西高等研究機構 短期研究學習研究新技術與擴展新視野。老師也嚴格要求學生研究文章的耕讀 與勤寫，督促學生論文的的進度得以順利完成。
特別感謝口試委員高科大陳昭銘教授、中山陳冠宇教授、警大陳先文教授與 TORI 賴堅戊博士的撥冗協助學生的論文研究指導，以及研究所期間受王玉懷教 授 教 學研 究 指導 。並 感 謝 TORI 呂宜潔佐理研究員提供 HFRs 觀測資料與 SARMAP 軟體的指導使用，協助論文順利完成。誠摯感謝實驗室的同仁，協助 實驗儀器佈放的煥傑博士與俊宏學弟、研究實驗資料整理的永昇學弟、育嘉博 士的研究協助、與子嫺、函霖學妹幫助，有了大家的幫忙，研究得以順利完成。
另外也感謝高科大學張國棟老師提供台北港ADCP 資料，氣象局與成大近海 中心提供氣象浮標資料研究，台大海研所海洋資料庫提供 ADCP 資料，以及港 研中心提供 AWCP 海流資料協助研究的完成。
本論文的完成亦得感謝父母親與家人的長期支持，內人佳琳盡心協助照顧 家庭與小孩，感謝他們的付出與犧牲，使筆者得以有全心全力地，完成本論文，
並順利完成博士學位。
僅以本文獻給敬愛的雙親、岳父母與摯愛的內人與乖巧的子女。
中文摘要
本研究於 2017 年 2 月與 6 月在台灣海峽(TS)北部和南部共佈放 12 個 SVP 浮球，取樣間隔為 15 分鐘，以觀測冬季和夏季期間 TS 的流 況和水溫。此外也蒐集多種儀器的長期觀測資料，用以分析探討 TS 流場的時空變化。研究結果發現，根據歷史浮標的漂流軌跡可以歸 納出冬季期間 TS 具有五種流動型態，東北季風增強時，TS 北部海 域的浮標會約略往南緩漂，但是當季風停歇時，浮標會都漂往台灣 東北角海域再匯入黑潮主軸。同時也觀察到台灣北部富貴角外海呈 現明顯半日潮與無潮點滯留的特性，與在台灣東北角近海處陸棚區因 黑潮入侵所形成的氣旋渦流和強烈水溫鋒面，溫差最大可達7oC。結 合測高儀衛星資料、浮球漂流軌跡資料與底碇式及船載式 ADCP 實 測的海流資料，與高頻雷達盲區改善後觀測的表面海流資料，分析說 明台灣西南外海經常出現的反氣旋渦流之時空特徵與現象。並利用 環台氣象浮標的 ADCP 資料、國際商港港口外的 AWCP 與高頻雷達 等海流觀測資料，分析說明港口外的海流與高頻雷達觀測表面海流 之特徵與差異原因。
根據海洋流場特徵的觀測結果，其應用可改善搜索救援任務的 即時性、準確性與效率性。本研究以兩個背景流場差異明顯的海上 事故案例，第一例發生在台灣北部半日潮為主的海域，第二例發生 在台灣西南方經常出現氣旋渦流的海域，各別估算落海物漂流軌跡 的結果。過程中採用兩個方法來預測漂流軌跡:一是利用高頻雷達站 合成海流推估位移向量；另一是結合商業搜救軟體 SARMAP 的使用。
高頻雷達站合成的表面海流資料搭配對照的兩個底碇式流剖儀資料，
輔以風速當成主要的海洋環境背景資料。利用上述方法來推估這兩 個案例中落海失蹤人員的漂流結束點，結果都呈現一致性的位置真
實重現。
此外整合眾多長久的觀測海流資料與即時的海氣環境調查資料，
對於政府研究機構正在開發建構中的全面且即時性的海洋環境資料 庫數據展示於相容的海洋資訊系統，讓相關負責海事安全任務如人 員搜索救援行動的不同單位間的協調溝通是有幫助的。目前面臨破 壞海岸環境的海岸廢棄物議題，與未來海面上海洋廢棄漂流物的處 理對策，期望有所助益。
關鍵字: 搜索救援、SARMAP、海事安全、SVP 浮球、高頻雷達、
ADCPs、無潮點、渦流、台灣海峽
Abstract
In this study, twelve SVP drifters were deployed in the northern and southern parts of the Taiwan Strait (TS) in February and June 2017, with a sampling interval of 15 minutes to observe the TS flow patterns and water temperature during winter and summer. In addition, long-term observed data from various instruments were analyzed to investigate the temporal and spatial variations of the TS flow field. Based on the trajectories of historical drifters and the 2017 survey, it can be concluded that TS has five flow patterns during wintertime.As the northeastern monsoon intensified, drifters in the northern TS drifted slowly to the south, but then they began to move northward as the winter monsoon relaxed. Some drifters lingered around with strong semidiurnal tidal excursions and amphidromic characteristics off the northern tip of Taiwan and they eventually moved to the seas off northeastern Taiwan and then merged into the Kuroshio.A cyclonic vortex flow and marked water temperature front, with temperature difference up to 7oC, were observed to exist in the seas off northeastern Taiwan, where the Kuroshio intrudes onto the continental shelf of the East China Sea.
Combining the AVISO satellite altimeter data with multi-observed data of drifters, high-frequency radars and bottom-mounted Acoustic Doppler Current Profilers (ADCPs), the spatio-temporal characteristics and occurrence statistics of the often-seen anticyclonic eddy off southwestern Taiwan were revealed. Current data observed by the tens of buoy-mounted CWB ADCPs surrounding Taiwan and by the AWCPs near the entrance of three international ports were analyzed to obtain the ocean currents characteristics in the TS.
To enhance the immediacy and accuracy of search and rescue missions conducted by Taiwan Coast Guard Administration , this study examines the characteristics of ocean currents and estimates the drifting trajectory of
objects for two cases of marine incidents. Two methods are used to predict object’s drift tracks: the first one is simply calculating the advection driven by currents and the second method adopts a Monte Carlo based software, SARMAP. Ocean currents data from a high-frequency radar system comprised of 18 radar units surrounding Taiwan supplemented by bottom- mounted ADCP data and wind data are used as the primary oceanic environment data. The estimated ending points of drifting for both cases of missing persons in water by using both methods are consistent with the actual recovery locations. Our analyses demonstrate that ocean currents data, if properly used, can be very useful for rapid response in marine search and rescue. Finally, a comprehensive marine environmental database could be integrated and constructed based on a vast numbers of long-term observations of ocean currents. The database can be very useful and essential for the prediction and treatment of marine waste dispersal along the coastlines of Taiwan, in addition to the assistance of maritime safety and the search and rescue missions.
Keywords: Search and rescue, SARMAP, maritime safety, SVP drifter, high-frequency radar, ADCPs, amphidromic point, eddy, Taiwan strait
目錄
論文審定書………i
論文公開授權書………ii
致謝………iii
中文摘要………iv
英文摘要………vi
目錄………viii
符號文字說明………x
圖目錄………xii
表目錄………xvii
第 1 章 前言………1
1.1 海域流場分佈與變化和海事安全的影響………1
1.2 台灣周遭海域流場之研究文獻………2
1.3 高頻雷達的發展與海氣象數據之研究文獻………7
1.4 動機與目標………12
第 2 章 海流觀測系統及其數據分析方法………13
2.1 海流觀測系統………13
2.2 數據分析方法………16
2.2.1 渦流分析方法………16
2.2.2 物體漂流軌跡估算………17
第 3 章 TOROS 雷達遙測資料的評估與驗證………19
第 4 章 台灣海峽流場觀測分析………21
4.1 台灣周遭海域氣候平均流況………21
4.1.1 環台雷達表面海流資料………21
4.1.2 SVP 歷史浮球海流資料………22
4.1.3 船載式 ADCP 資料………24
4.2 2017 年 SVP 浮球觀測海峽流況………25
4.3 台灣海峽重要商港的流場分析………29
4.4 環台資料浮標的海流特性………32
4.5 台灣西南海域反氣旋暖渦統計與分析………33
4.6 台灣東北角海域氣旋冷渦………36
4.7 台灣海峽流場討論………36
第 5 章 海流資料在搜救應用實例分析………39
5.1 於潮汐主導的海灣人員落水………39
5 . 2 受渦流影響的海域人員落水………41
5.3 高頻雷達與其他輔助海洋觀測的重要性………43
5.4 海岸廢棄漂流物與海流分佈的影響………44
第 6 章 結論與建議………47
參考文獻………49
符號文字說明
ADCP: Acoustic Doppler current profiler 都普勒流速剖面儀 ADT: Absolute dynamic topography
AIS: Automatic identification system 自動辨識系統
AVISO: Archiving Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography
AWCP: Acoustic wave and current profiler 超音波式表面波高波向與剖 面海流儀
CCC: China coast current 中國沿岸流 ECS: East China sea 東海
EEZ: Exclusive economic zone 專屬經濟區 KBC: Kuroshio branch current 黑潮支流
LKP: Last known position 最後已知落水位置 LS: Luzon strait 呂宋海峽
NCEP/NCAR: National Centers for Environmental Prediction /National Center for Atmospheric Research
ODB: Ocean data bank 海洋資料庫 OI: Optimal interpolation
PHC: Penghu Channel 澎湖水道 PIW: Person in water 落水人員 Radar: RAdio detection and ranging RP: Recovery position 獲救位置 SAR: Search and rescue 搜索救難
SCSC: South China sea current 南中國海洋流 SRU: Search and rescue units 搜救單位
SVP: Surface Velocity Program 表面漂流浮球計畫
Taiwan Shoal 台灣淺灘
TCGA: Taiwan Coast Guard Administration 台灣海巡署
TORI: Taiwan Ocean Research Institute 台灣海洋科技研究中心
TOROS: Taiwan Ocean Radar Observing System 台灣海洋雷達觀測系統 TS: Taiwan strait 台灣海峽
圖目錄
圖 1-1 2011/10-2012/09 間台灣海峽西側商船移動加權頻率(weight
frequency)的空間分佈(引自 Chen et al., 2014)………53
圖2-1 TOROS 長距型(藍方塊)與標準型(綠方塊)高頻雷達測站位置圖， 英文字 母代表站名。不同顏色的向量代表於 2017/09/23 的 10 公 里解析度表面海流場，(S)和(N)表示位於台灣南北兩端的底碇 式 ADCPs 位置………54
圖 2-2 (a)SVP 浮球施放前外觀與(b)施放後 SVP 浮球伸展開來之外 型………55
圖 2-3 台馬之星基隆到馬祖(南竿)航線圖………56
圖 2-4 N 測站位於台北港外海佈放位置★，水深約 20m(張國棟老師提 供) ………57
圖2-5 S 測站位於屏東海生館外海佈放位置，水深約 20m………57
圖 3-1 Skill Score 的計算說明(取自 Liu and Weisberg, 2011)…………58
圖 3-2 GPS Drifter(DMB) (賴堅戊博士提供)………58
圖 3-3 TOROS HFRs 系統模擬漂流之性能指標(skill score)分佈圖(賴堅 戊博士提供)………59
圖 4-1 TOROS 夏季平均流場(2013-2016 平均)………60
圖4-2 TOROS冬季平均流場(2013-2016 平均)………61
圖4-3 TOROS全年平均流場(2013-2016 平均)………62
圖 4-4 SVP 浮球夏季平均流場(1979-2016 平均)………63
圖 4-5 SVP 浮球冬季平均流場(1979-2016 平均)………63
圖 4-6 SVP 浮球全年平均流場(1979-2016 平均)………64
圖 4-7 OR-1、OR-2、OR-3 船載式 ADCP 資料全年平均流場(1991- 2013)………64
圖 4-8 OR-1、OR-2、OR-3 船載式 ADCP 資料夏季平均流場(1991- 2013)………65
圖 4-9 OR-1、OR-2、OR-3 船載式 ADCP 資料冬季平均流場(1991- 2013)………65
圖 4-10 台灣東北角外海的冷渦示意圖(取自 Jan et al., 2011)…………66
圖 4-11 2017/02/03~02/15 佈放於台灣海峽北部的 4 個 SVP 浮球漂流軌 跡圖………67
圖 4-12 浮球 15670 從 2017/02/03~04/23 期間的(a)漂流軌跡,(b)流矢和(c) 表水溫時序變化………67 圖 4-13 台灣海峽北部於 2017 年 2~3 月風矢圖(NCEP/NCAR 重分析資
料)………68 圖4-14 東海半日潮 M2 的等潮差線與等相位線之模式結果(取自 Lee andLiu, 2013) ………68 圖 4-15 浮球 16680 從 2017/02/15~04/23 期間的的(a)漂流軌跡,(b)流矢
和(c)表水溫時序變化………69 圖 4-16 浮球 25980 從 2017/02/03~05/02 期間的的(a)漂流軌跡,(b)流矢
和(c)表水溫時序變化………69 圖 4-17 浮球 25430 從 2017/02/03~05/02 期間的的(a)漂流軌跡,(b)流矢
和(c)表水 溫時序變化………70 圖 4-18 四個佈放於台灣海峽北部的浮球漂流軌跡，因故障或是被大
陸漁船撈走而無完整資訊………71 圖 4-19 2017 年 6 月 14 日和 19 日佈放於台灣海峽南端和呂宋海峽的浮
球漂流軌跡………72 圖 4-20 四個浮球(16680，25430，15670，25980)的流速分量 v 對 u 分佈
圖………72 圖 4-21 四個浮球(16680，25430，15670，25980)的旋轉能譜對頻率
圖………73 圖 4-22 四個浮球(16680，25430，15670，25980)的旋轉能譜對時間與
頻率之三維分佈圖………74 圖 4-23 ATOP 模式計算 2017 年 2 月 6 日(東北季風盛行)和 16 日(東北
季風停 歇)的台灣海峽北部流場………75 圖 4-24 ATOP 模式計算 2017 年 3 月 6 日和 9 日的台灣海峽北部流場與表
水溫分佈，紅色實線為浮球 16680 的漂流軌跡………75 圖4-25 港研中心國際港海流儀 AWCP 放置地理位置圖………76 圖 4-26 基隆港外海滿潮前後 1-6hr 平均流矢圖，(a)為漲潮(b)為退潮期
間，TOROS 紅色箭頭)與港研中心(藍色箭頭)2016 年資料平 均………77 圖 4-27 基隆港外海 2016 年港研中心測站(藍色線)與 TOROS 平均(紅
色線)海流棍棒圖、u 方向流速、v 方向流速、總流速和潮位，
(a)為 2 月(b)為 7 月………78 圖 4-28 高雄港外海滿潮前後 1-6hr 平均流矢圖，(a)為漲潮(b)為退潮期
間，TOROS(藍色箭頭)與港研中心(藍色箭頭)2016 年資料平 均………79 圖 4-29 高雄港外海 2016 年港研中心測站(藍色線)與 TOROS 平均(紅
色線)海流棍棒圖、u 方向流速、v 方向流速、總流速和潮位，
(a)為 7 月(b)為 12 月………80 圖4-30 台中港外海滿潮前後 1-6hr 平均流矢圖，(a)為漲潮(b)為退潮期
間，TOROS(紅色箭頭)與港研中心(藍色箭頭)2016 年資料平 均………81 圖 4-31 台中港外海 2016 年港研中心測站(藍色線)與 TOROS 平均(紅
色線)海 流棍棒圖、u 方向流速、v 方向流速、總流速和潮位，
(a)為 2 月(b)為 7 月………82 圖4-32 富貴角資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰
圖，3、 6、9、12 分別代表春夏秋冬………83 圖 4-33 富貴角資料浮標 ADCP 之潮流橢圓圖和海流流矢時序圖…84 圖 4-34 七股資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰圖，
3、6、9、12 分別代表春夏秋冬………85 圖 4-35 七股資料浮標 ADCP 之潮流橢圓圖和海流流矢時序圖……86 圖 4-36 彌陀資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰圖，
3、6、 9、12 分別代表春夏秋冬………87 圖4-37 鵝鑾鼻資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰
圖，3、 6、9、12 分別代表春夏秋冬………88 圖 4-38 彌陀與鵝鑾鼻資料浮標 ADCP 之潮流橢圓圖和海流流矢時序
圖………89 圖 4-39 七美資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰圖，
3、6、 9、12 分別代表春夏秋冬………90 圖 4-40 七美資料浮標 ADCP 之潮流橢圓圖和海流流矢時序圖……91 圖 4-41 澎湖資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰圖，
3、6、 9、12 分別代表春夏秋冬………92 圖 4-42 澎湖資料浮標 ADCP 之潮流橢圓圖和海流流矢時序圖……93 圖 4-43 龍洞資料浮標 ADCP 之各季平均流速、資料筆數與海流玫瑰圖，
3、6、9、12 分別代表春夏秋冬………94 圖4-44 2011 年 4 月至 5 月浮球#79034 軌跡圖，藍色線為浮球軌跡線，
紅色線箭頭為 4 天間隔時間標示，M 站為 ADCP 測站，S 為起點，
E 為終點………95 圖4-45 2011 年 4 月至 5 月浮球#79034 在渦流中打轉 5 圈，藍色箭頭為
浮球流速，黑色箭頭為 ADT 地轉流流速………96 圖 4-46 2011 年 4 月至 5 月浮球#79034 時序圖(由上至下分別為東西向
流速 u，南北向流速 v，海流棍棒圖，風棍棒及海溫)…………96 圖 4-47 2011 年 4 月 ADCP 高雄測站時間序列棍棒圖(水深分別為 2m, 58m, 114m)………97 圖 4-48 2016 年 12 月至 2017 年 2 月浮球#127384 軌跡圖，藍色線為浮
球軌跡線，紅色線箭頭為 6 天間隔時間標示，S 為起點，E 為終 點………97 圖 4-49 2016 年 12 月至 2017 年 2 月浮球#127384 時序圖(由上至下分別
為 東 西 向 流 速 u，南北向流速 v，海流棍棒圖，風棍棒及海 溫)………98 圖 4-50 2016 年 12 月至 2017 年 2 月西南暖渦 AVISO 資料中最大流速
VS 最大海面高度圖………98 圖 4-51 2016 年 12 月至 2017 年 2 月浮球#127384 在渦流中打轉 16 圈，
藍色箭頭為浮球流速，黑色箭頭為 ADT 地轉流流速，紅色箭 頭為環台雷達 TOROS 的表面海流(Loop1~Loop6)(待續)……99 圖 4-51(接上續) 2016 年 12 月至 2017 年 2 月浮球#127384 在渦流中打
轉 16 圈，藍色箭頭為浮球流速，黑色箭頭為 ADT 地轉流流速，
紅 色 箭 頭 為 環 台 雷 達 T O R O S 的 表 面 海 流 ( L o o p 7 ~ Loop16) ………100 圖 4-52 冬季台灣海峽的四種流況(取自 Qiu et al., 2011) ………101 圖 4-53 歷年浮球資料分析台灣海峽冬季流況(T1~T3)(待續) ………102 圖4-53(接上續) 歷年浮球資料分析台灣海峽冬季流況(T4)…………103 圖 4-54 本研究提出的第五種冬季台灣海峽流況，左圖為 2017 年佈放
的 4 個浮球軌跡，右圖為 2007 年佈放的 4 個浮球軌跡………104 圖 5-1 測站 N 的底碇式 ADCPs 資料(2012-2013)所推算的(a)表層海流玫
瑰圖與(b)不同潮相的平均海流速度。HW 代表高水位發生時刻
0，負值與正值時間分別代表在高水位前/後之發生時刻…105 圖5-2 案例 I，以簡單的平流推算的 PIW 漂流軌跡。●LKP 指最後已知
落水位置，●END 為軌跡推算結束點，◆RP 是實際獲救位置，
黑色箭矢代表距離報案位置最近的 HFR 表面海流網格點流速 流向………106 圖 5-3 案例 I，利用 SARMAP 的 Monte Carlo 推算法，自標示 Start 位
置 釋 放 的 100 顆假想質點所模擬漂流的結束點位置分布 圖………106 圖 5-4 測站 S 的底碇式 ADCPs 資料(2013-2018，1 月到 3 月)所推算的
(a)表層海流玫瑰圖與(b)不同潮相的平均海流速度。HW 代表高 水位發生時刻 0，負值與正值時間分別代表在高水位前/後之發 生時刻………107 圖 5-5 案例 II，以簡單的平流推算的 PIW 漂流軌跡。▲紅色三角指模
擬起始位置，●紅色圓點為模擬推算結束點，▓紅色方塊是實 際尋獲位置，黑色箭矢代表模擬期間 HFR 平均的表面海流網 格點流速流向………108 圖 5-6 案例 II，利用 SARMAP 的 Monte Carlo 推算法，自標示 Start 位
置釋放的 1000 顆假想質點所模擬漂流的結束點位置分布 圖………108 圖 5-7 PIW 推算漂流軌跡(未加入 FALA 測站資料修正前的 10km 資
料)▲紅色三角指模擬起始位置，●紅色圓點為模擬推算結束點，
▓紅色方塊是實際尋獲位置，黑色箭矢代表模擬期間 HFR 平 均的表面海流網格點流速流向………109 圖 5-8 海洋中心標準解析度觀測資料(左圖:未加入，右圖:加入 FALA
站)，藍箭矢為海流場網格間距約 10 公里，橘圓點為 SARMAP 模擬結果………109 圖 5-9 聯合新聞網公布 2018 年全台海洋廢棄物快篩調查結果……110
表目錄
表 2-1 TOROS HFRs 各測站雷達配備規格表………111 表 3-1 澳洲氣象局的 skill score, ss 評估標準表………111 表 3-2 15km 搜尋半徑內浮標 ADCP 與 HFRs 測站間表面流速之比 較………111 表 4-1 歷史浮球資料有觀察到台灣東北角冷渦的個案資訊………112 表 4-2 實驗所佈放的 12 個 SVP 浮球之相關資訊………112 表 4-3 1993/01~2017/01 台灣西南海域各年月份出現暖渦次數(★表出
現次數)………113 表 4-4 台灣西南海域反氣旋渦流出現持續時間最長之天數、最大速度、
最 大 半 徑 及 強 度 振 幅………114 表 4-5 2011 年浮球#79034 所偵測到反氣旋渦流參數值………115 表 4-6 2016 年 12 月到 2017 年 2 月浮球#127384 所偵測到反氣旋渦流
參數值………116 表 5-1 全台海岸 10 大海洋廢棄物熱區(hotspot)………117
第 1 章 前言
1.1 海域流場分佈與變化和海事安全的影響
每年有許多的海上事故發生在全球各海洋和近岸或沿岸水域，這 些意外發生的起因很多，譬如海上或空中運輸工具發生碰撞、擱淺、沉 沒或是從事休閒或專業海洋活動的意外等等。這些事故大部分會涉及 政府單位(如海巡署、海軍)或私人志願搜索救援(search and rescue, SAR) 組織的努力協助，以維護海上安全。一個有效率且即時的搜索救援策 略 將 可 大大 有 助 於各 種 海上保 障 與 安 全，譬 如 搜尋 失 蹤 落海 人 員 (persons in water, PIW)與海上救援生還者、發現失蹤物如漂流船 隻、
貨櫃或殘骸，以及降低無效的搜索行動時間與費用(Breivik et al., 2013)。
海上搜索救援實質上是關於在儘快的時間內決定搜索區域的過 程 中，從眾多的未知和條件中分析，如最後已知位置(last known position, LKP)，落海物的外型與環境外力(風、浪與流)，然後迅速投入適當的 搜索救援單位(Search and rescue units, SRU)於搜索區域內。在所有影響 因素中，海流是影響落海物漂流軌跡最重要的一環。隨著落海物不同 的型態和沒入水中比例的差異，風力作用在漂流物上將會導致 leeway 滑動和擴散方向的不確定性。海浪雖然被視為對漂浮在海面的物體的 最終去向有較小的效應，但是它也是海難發生最有可能的原因之一，
同時也會影響後續 SAR 的執行(Zhang et al., 2017)。有許多的海上意外 肇因於惡劣天氣的海況，或是不可預期的惡浪，導致船隻翻覆沉沒。
因此一旦發生事故，搜救行動中海面的風、浪、流的監控與預測，不 僅對海上航行與運輸的安全性極為重要，且這些也是構成準確的預測 和有效率的 SAR 行動的重要因素。
對於漂流物體的移動和成功的海上搜救操作準確地預測，在很大 程度上取決於大數據（風、波浪和海流）的準確性，特別是即時的海
洋表面海流場，通常是由高解析度數值模式或由高頻的海岸雷達提供 數據。在過去的幾十年中，自從由 Crombie（1955）的開創性研究以 來，高頻雷達（High frequency Radar, HFR）已經成為一種可靠而有用 的工具，而用在於時間和空間尺度上可以繪製具有高解析度的海洋表 面海流場。高頻雷達測量表面海流的能力可以透過與衛星追蹤漂流浮 標的表面速度（Ohlmann et al., 2005; Ohlmann et al., 2007）和船載 ADCP 的點測量（Paduan et al., 2013）進行校準和驗證，高頻雷達和點測 量之間的 RMS 速度差異在十 到數十 cm s-1 之間。除表面海流外，高頻 雷達還可提供一些次產品，例如波浪特性（波高、波週期和方向）、
海面風速和方向。由於其多樣化和重要的應用，高頻雷達在過去二十 年間在美國、歐洲、澳大利亞和亞洲諸海洋國家都有顯著的增長。例 如，在美國東岸和西岸沿海地區在 2010 年既建立了一個由 100 多個高 頻雷達組成的國家網絡（Harlan et al., 2010）。
台灣周遭海岸地形複雜，西部台灣海峽內部，除了由澎湖水道 (Penghu Channel, PHC)延伸到台灣西南方的東港溪河谷延伸的海底峽 谷地形較深可達2000 公尺外，大部分為水深約略為 50 公尺、長約 350 公里的平緩大陸棚地形；而東部海岸則為落差極大的大陸斜坡地形，
深度達 3-4000 公尺。尤其在台灣海峽周邊地區因為多有大型港口城市 密布，進出船隻航線密集經過該海域，海上交通船舶運輸非常熱絡，不 論是傳統的民生商業捕魚活動、講求快速服務的工商業原物料商品的 運輸船隻移動，其高度活動地區密布在海峽沿岸的海岸線。甚至也有 研究分析利用大部分商船配裝的船隻自動辨別系統(AIS)的資料，得到 台灣海峽海域商船移動的空間分布情形，如圖(圖 1-1)或是各類船隻在 該海域空間的活動分佈訊息，藉以管理規畫日趨繁忙的船隻交通航線 和行駛空間，避免船隻運輸碰撞災害發生，增加海事安全(Chen et al.,
2014)。近年來各國積極推展的區域城市海上觀光休閒產業，甚至關鍵 的軍事戰略 要地的特性，顯示出海域在船隻航行管理上的重要性，台 灣正好位於 之此區海域交通樞紐關鍵位置。
台灣四周有長達 1200 公里以上的海岸線，在沿海與近海區域中，
密集的海上休閒和專業活動與繁忙的海上交通運輸，常常會遭遇惡劣 海況。在盛行冬季東北季風與夏季颱風季節中，在此區域常有許多海 上事故發生。根據海巡署(Taiwan Coast Guard Administration, TCGA)的 統計報告，在 2010/01-2019/6 期間，有將近 12,110 件海上災難救護及 服務任務的通報案件發生在附近海域。而根據漁業署統計(Yao et al., 2016)，在台灣每年平均有 90 人因海釣船的意外失蹤或死亡。因為海 上事故造成眾多的人員傷亡與巨大的財產損失，中央氣象局、觀光局、
水利署、台灣海洋科技研究中心、港灣技術研究中心與海巡署等單位 已經開始建立多面向且具作業化的海洋觀測系統。例如 HFR 系統乃結 合 18 座分佈在全台東西岸的雷達站，從 2009 年起，定期操作蒐集海 面流場與波浪資料，整合成近即時流場結果。有關 HFR 的細節將於下 一節說明。另一例子是自1997 年已建成，由 15 個(水利署 7 個+氣象局 8 個)分布在台灣周遭海域的資料浮標附掛下探式聲納都普勒流剖儀 (DW-ADCPs)與 17 個位於全台港灣入口的底碇式聲納都普勒流剖儀 (BM-ADCPs)構成的海洋監測網路。該網路定期進行測量海洋氣象資 料(如風、波浪、流與其他變數)。這些觀測系統與網路的主要應用之 一就是確保海上安全。
1.2 台灣周遭海流研究文獻
台灣海峽(TS)是將中國大陸東南部與台灣分開的一條海洋通道，
連接東海到南海。台灣海峽在軍事、在海洋運輸、在藍色經濟和海洋 科學研究等許多方面具有戰略性和科學性。台灣位於亞洲大陸與西北
太平洋之間，西邊以台灣海峽與中國大陸分隔，台灣海峽寬約 130- 280 公里，南北長約 380 公里，海峽內平均水深不足 50 公尺，最深處 是介於澎湖與台灣之間的 PHC。台灣東鄰太平洋，水深變化急遽，離 岸不到5 公里便可達 1000 公尺等深線，且 1000-3000 公尺間的等深線 間格甚密。台灣北端與具有廣大陸棚的東海相接，南端則是以深達 2500 公尺、寬約 400 公里的呂宋海峽(Luzon Strait, LS)與菲律賓的呂 宋島相隔，呂宋島的西邊便是南海北部大陸斜坡並與台灣海峽南端連 接。台灣四周海域的海底地形複雜多變，又受到顯著的東亞季風影響，
每年 10-4 月盛行東北風，6-8 月則以微弱的西南風為主，夏季和秋季 又常有颱風侵襲，因此造成台灣四周豐富的海洋現象，海流複雜多變，
且呈現出明顯的季節變化。除了位於海峽東南部的 PHC 有較深的漏 斗狀以外，海峽的水深大多淺於 60 公尺。PHC 位於台灣和澎湖群島 之間，長約 60 公里，北邊寬約 40 公里，水深 100 公尺，南邊寬 80 公 里，水深 200 公尺。PHC 西部為台灣淺灘(Taiwan Shoal)，水深最淺約 20 公尺。PHC 的北端與彰雲隆起相連，這是一個淺海山。PHC 的南端 與南海北部的大陸棚相連接。傳統觀點認為，PHC 佔 TS 的體積輸送 量的一半以上，因此對於東海、南海和太平洋之間的海水和熱量交換 起著至關重要的作用(Nitani, 1972; Hu et al., 2010)。而有研究指出在 TS 中部東西二側的海流部分會受到彰雲隆起的阻礙影響，在冬季季風與 地形作用影響之下，部分中國沿岸流(China Coast Current, CCC)迂迴由 西轉向東流阻擋水自 PHC 北上入侵。而當夏季西南季風興起時，這 時南海北部海水自 PHC 北向的阻力變小，海流直驅而上(Jan et al, 2002)。
台 灣 四 周 海 域 的 流 況 主 要 受 到 南 中 國 海 洋 流(SCSC) 、 黑 潮 (Kuroshio)與黑潮支流(KBC)、CCC 的影響，這幾股洋流又會受到季
風的影響而改變流量的大小、方向與位置，在極端天氣下的流況也會 有顯著的改變。台灣四周的流況有幾個比較顯著的特徵，分別敘述如 下：(1)TS 的海流除了冬季東北風盛行和偶發的颱風時期之外，其淨 流或餘流都是由南向北流，最大流速出現在夏季的 PHC，可高達 4 節 (吳, 2003)。(2)台灣東岸有朝北的黑潮通過，最大流速出現在綠島西邊 附近，高達 3 節左右。無論是冬季或夏季，黑潮總是存在，其表面流 速有明顯的季節性，但是在颱風通過時或許黑潮會有短暫減弱甚至中 斷的情形發生。(3)TS 北部在冬天東北季風盛行時，海流會朝南，將 寒冷的大陸沿岸水往南輸送，PHC 內的表面海流也會反向變成往南流，
但是淨流往北。而在東北季風減弱時，海峽北部會形成一個”U”字型 的氣旋渦流，也就是福建平潭沿岸的海流仍舊朝南，桃竹苗沿岸海流 則轉而朝北。(4)黑潮流到台灣東北角時主軸會轉向東北，部份黑潮水 則會爬上東海陸棚繼續往北流，或是轉向西南流入台灣海峽，這種黑 潮入侵東海陸棚的情況較常出現在冬季東北季風盛行時，此外在台灣 東北角的棉花峽谷經常會存在一個氣旋的冷渦，特別是在秋冬季節較 常出現。(5)台灣西南外海(恆春西方)經常會出現一個順鐘向的反氣旋 渦流，強度大時流速會達到 2 節，它的生成可能和當地負的風應力旋 度有相關。LS 靠近台灣最南端處，黑潮有時會由這裡入侵到南海北部，
特別是在東北季風盛行時較常出現。(6)颱風侵襲台灣期間，會隨著其 行進路徑、移動速度、颱風強度的不同對海流流速、流向和水溫有不 同程度的影響。此外，在強烈寒流的事件，例如反聖嬰年的 2008 年 1-2 月，由於大陸冷氣團持續增強，使得低溫的 CCC 大舉南下 TS，造 成澎湖海域大規模的寒害與養殖魚群凍死，這些偶發的劇烈天氣事件 對於當地海流和水團的衝擊，會造成人員和財產的巨大損失。
數十年來海洋學者一直在研究 TS 的體積輸送和海洋環流。有的
方法可以直接測量TS的海流，譬如透過船載式 ADCP、錨碇式 ADCP、
衛星追蹤漂流浮球以及海岸高頻雷達進行量測。Wang et al., (2004)透 過在1999-2001 的 3 年間船載式 ADCP 數據的分析，得出通過 TS 的平 均傳輸量是向北（進入東海）約 1.8 Sv。Liang et al., (2003)透過 10 年 船載式 ADCP 數據進行平均來研究台灣周圍的海洋洋流，並使用 12 組錨碇海流流速時間序列驗證了結果。他們的海流圖顯示了台灣周圍 的幾個特徵，例如黑潮入侵南海和東海，以及TS中的海流。利用在台 灣北部和中國大陸附近的馬祖島之間航行的台馬輪上的船載式 ADCP 蒐集了三年數據庫，Chen et al., (2015)估算出在 TS 北部向北的體積輸 送量，夏季約為 3 Sv，冬季為 0。
而拉格朗日法觀測提供了台灣周圍海洋表面流的另一種觀點。
Tseng and Shen, (2003)利用表面浮球每 30 分鐘收集一次數據和結合衛 星海面溫度（SST）圖像來研究分析台灣附近的潮流，如 PHC 流量、
潮汐往復和海洋渦流。Qiu et al., (2011)曾分析了 1989 年至 2007 年的 歷史 SVP 表面漂流浮球資料，確定了冬季臺灣海峽海流的四種主要 流動型態，即穿流(throughflow)、套流(looping)、北向入侵(northward intruding)和南向漂流(southward drifting)。從模式模擬質點漂流以及歷 史漂流浮球軌跡，可得知此台灣北部海域的流場多變。從歷史浮球資 料發現台灣東北角冷渦最常發生於冬季，夏季時此冷渦中心會有往外 海偏移的趨勢。基於1989年至2002年間的Argos衛星追蹤漂流浮標，
Centurioni et al., (2004)得出結論，如果浮標有穿越 LS，僅在 10 月至 1 月期間會到達南海沿岸海濱。
Liang et al., (2003)分析 1991-2000 期間所有 ODB 的 Sb-ADCP 資 料，經過網格平均處理之後獲得台灣附近海域的上層海流分佈圖。在 西南季風期間台灣西南海域存在一個明顯順鐘向的渦流，在東北季風
時期， 黑潮在 LS 中南部會有支流向西北入侵到台灣西南海域，形成 套流(loop current)之後再由台灣南端流出進入台灣東南外海。由於冬 季海 況惡劣，實測資料較少，因此流況並不十分清楚。
除了有限的實測資料外，數值模擬也經常被應用來研究 TS 的海 流型態。Wu and Hsin（2005）建立了一個 1/8°的模式，用來重新檢視 台灣海峽的流量變化，發現現有的海峽實測流量因為冬天缺少資料而 有低估東北季風影響的趨勢。Wu et al., (2007)另以高解析度（3~10km）
模式，配合實際海底地形以及衛星遙測風及水溫等驅動力，探討 TS 流場的時空變化，分析發現兩個位於台灣西南海域的錨碇海流資料，
經過 48h 低通過濾後的海流顯示出具有夏、冬季節性的變化，流場在 同一個月之內會呈現氣旋或反氣旋交替發生的情形，分析結果指出該 海域的風應力旋度就是造成流場型態的主要機制。
鄭(2013)使用 1992 至 2011 年的衛星海面測高資料，探討臺灣西 南海域渦流在海洋表面的分布與移動。他開發了一個渦流自動偵測與 追蹤演算法，並進行時空變化的研究。結果顯示絕大部分的渦流都在 N21.5o、E120o為中心的100 平方公里內生成，其中又以暖渦居多。生 成之後大部分的暖渦會沿著約 500 公尺的等深線往西南方傳遞。
Chang et al., (2015)中指出中尺度渦流可以改變台灣海峽海流，研究中 排除盛行季風的影響，較強的渦旋導致流量和海平面坡度的修正，產 生更大的運輸流量異常。
最近幾年在此海域的實測資料日益增多，例如環台雷達表面海 流與錨碇海流資料，提供了研究渦流的有利工具。本研究分析了兩個 實測的案例以及過去 23 年間的衛星遙測資料，對於此反氣旋渦的特 性以及其對於台灣西南海域流場的影響得到幾點具體的結論。
1.3 高頻雷達的發展與海氣象數據之研究文獻
雷達(RAdio Detection And Ranging, Radar 無線電偵測和測距)，指 的是藉由天線發射出電磁波，電磁波遇到遠方物體產生反射回波，然 後根據天線接收到的反射回波來偵測遠方物體、並計算其方位與距離 之裝置。雷達如按天線發射方式又可分為連續波式(Continuous wave, CW)雷達以及脈衝式(Pulse)雷達,船舶雷達均為脈衝式雷達，常使用的 頻帶則為Xband，所以又稱 X band 脈衝式雷達。而高頻測流雷達則為 連續波式雷達。
高頻(High Frequency, HF)是指無線電頻譜中頻率為 3-30MHz 的波 段，所對應之波長則為 100-10m。至於 CODAR 則為 CODAR (Coastal Ocean Dynamics Application Radar)系統之簡稱，是一種使用 HF 波段 無線電波來量測海面海流的雷達裝置。對 HF 波段無線電波而言，由 於海水對 HF 波段具有導電性,因此縱使地球表面為曲面形狀，電波仍 可以沿著海面傳播到超越視線以外的距離(大於 70 公里)，是以才會選 用 HF 波段雷達來量測大範圍海域裡的海流。高頻雷達(HFR)觀測海 流所使用的原理為使用直立型之鞭狀發射天線，因此天線發射出之雷 達波會以地波(ground wave)方式沿著海面/地面向四週傳播；當雷達波 遇到障礙物以及崎嶇不平海面(海面上幾乎無時無刻都有波浪)即會產 生後向散射回波(Back scattering)。
海面粗糙體(指波浪)造成的雷達回波訊號稱為 Sea Clutter，而雨 滴的干擾則稱為 Rain Clutter 則是不希望呈現出來的背景雜訊，因此 雷達主機上設有消除Clutter 的濾波功能。可是對於海洋科學觀測目的 而言，Sea Clutter 才是所需的訊號，可從訊號推知現場之波浪狀況以 及海面下的現象(如內波、海洋鋒面等)，是以當代新建的研究船上多 會安裝為科學實驗而用的雷達。
Sea Clutter 主 要 由 兩 種 物 理機 制 所造 成 ， 其一 為 鏡面 反 射
(specular reflection)，如果海面波形甚陡(例如在碎波前緣)，海浪波形 面對雷達來波就有可能正好形成類似平面鏡或凹面鏡而產生正反射 的情形，此時雷達天線就會接收到很強的回波信號，稱為 sea-spike，
這種情形即是鏡面反射。其次另一種更常見的情況則稱為布拉格散 射(Bragg Scattering);當雷達波接觸到海面上之粗糙體(或稱散射體 scatterer)，也就是小波時會發生後向散射(Back scattering)，如果海面 小波之波長(Lw)和雷達波之波長(Lr)二者能滿足 Lw = nLr/(2 cosθ)，
n=1,2,3,...之條件[稱為布拉格共振(Bragg Resonance)條件]，式中 θ 為 雷達波束貼著海面傳播的角度，稱為掠角(Grazing angle)就是雷達波 束與水平面之夾角，那麼雷達波之回波便會產生建設性的加成作用。
依據惠更斯原理，海面每一個散射體都可視為是一個會發出散射波 的點波源，如果數目夠多，而且相位都能匹配好，那麼便能形成反 向的平面波訊號再傳回雷達天線接收。
由於小波的強度以及分佈情形和海面風應力大小以及背景大波所 引起之水分子運動分佈情形有密切連結的關係，如在大波之波峰前緣 處，水流呈現水平輻合，因此在波谷後方與波峰前方水平流速為匯合，
故小波在此處之能量密度較大，亦即海面會比較粗糙；反之在大波背 面，水流係呈現水平輻散，因而小波之能量密度就會較小，海面則較 為平滑。所以可利用這些包括內波、水龍捲風、河口沖淡水舌以及疑 似油污分布等現象,對海面波場造成的影響，將產生的 Sea Clutter 回訊 強度再與海面波浪場特性聯結起來分析研究，說明雷達是一項很有幫 助的輔助觀測工具。
由於構成海面粗糙度的海面波本身是週期性的運動，因此 HFR 回波頻譜圖上就會在這些波所對應之頻率處顯示出相對應的能量尖峰。
另方面，若海面有流同時存在時，表面海流會對構成海面粗糙度之波
浪產生都普勒效應(Doppler effect)而使波浪頻率產生偏移，因此當海 面海流在雷達天線徑向方向上具有流速分量時，雷達波後向散射回波 信號中即會顯現出海面海流對海面波浪所造成頻率偏移的效應，是以 利用 HFR 所測得回波之頻移便可反算出表面海流大小(指雷達天線徑 向方向上的流速分量)。由於流速為向量,需由二正交之分量才能適當 表達，然而一台 HFR 只能提供其天線徑向上各點海流遠離或接近天 線的資訊,故需結合兩座以上 HFR 的觀測資料才得以表達出 HFR 共同 涵蓋區域內的海流向量流場資訊。CODAR 則是使用稱為頻率調變連 續波(Frequency-Modulated Continuous Wave, FMCW)的變頻方式測距，
也就是 CODAR 所發射出的雷達波頻率不是固定不變的，而是使用頻 率隨時間線性增加或減少的方式(稱為線性調頻)，因此同一時間離雷 達不同距離的海面上收到的雷達波頻率就會不同，而接收天線在同一 時間所接收到來自不同距離海面的回波訊號之頻率同理也就會不同了，
故按照回波訊號的頻率便可以用來判別散射體與雷達之距離。精簡天 線式雷達天線技術大大降低了雷達購置和安裝成本，直接導致了雷達 的規模化推廣套用，為海洋學家和海岸防災、減災及環境保護提供了 新型觀測方法，具有超視距、大範圍、全天候以及低成本等優點，是 一種能在各國專屬經濟區(Exclusive Economic Zone, EEZ)範圍內監測 進行有效監測的高科技方法。許多重視海上安全的國家均進行了研發 投入，經過多年的驗證改進而陸續採用。因此妥善應用船舶監控科技，
即時掌握船舶動態，將可主動、即時、且快速地過濾或識別高危害風 險之船舶。不僅是海事管理的重要議題，也是近年來海洋科技的研究 方向，此一技術的開發可與現今海域監控系統結合，以達互補之效。
臺灣現已建立環臺岸基高頻雷達測流系統網絡，現階段是以海洋 表面流速量測為主要運作模式，且進而推估其他海洋參數，例如海表
面之風和浪的量測。在不影響現有流場量測前提下，開發船舶偵測與 追踪技術可以增加測流高頻雷達的附加應用價值，在氣象預報、防災 減災、航運、漁業、污染監測、資源開發、海上救援、海洋工程、海 洋科學研究等方面有廣泛的應用前景。
準確的短期預測表面海流可以提高搜索和救援行動的效率，譬如 溢油的應急和海上作業。Frolov et al., (2012)開發了一個用於預測表面 海流的線性統計模式（最高可預測未來 48 小時）基於短期過去歷史 高頻雷達觀測資料（過去 48 小時）和可選的預測地面風。模型使用 經驗正交函數（EOFs）捕獲高頻雷達數據和空間相關性使用線性自 回歸模型來預測時間 EOF 係數的動態。在美西加州蒙特利灣使用表 面海流的歷史觀察資料來測試並發展統計模型。預測粒子從高頻雷達 平流的粒子分離的軌跡數據速率為 4.4 公里/天。開發的模式比現有統 計模式準確（漂移分離速率為 5.5 公里/天）和循環模型（漂流者分離 速率 8.9 公里/天）。但當風力預報不可用時，模式的準確性將略有下 降（漂移分離速率 4.9 公里/天），但仍然優於現有模式，不但準確也 容易實施維護，並可以重新安裝到其他沿海系統具有相似複雜性高頻 雷達觀測。
Falco et al., (2016)的文章證實高頻雷達可以有效地監測沿岸環流，
提供穩定且高空間及時間解析度的表面海流資料，也可以提供在沿岸 的表面波浪的詳細訊息，自 2004 年設置在那不勒斯海灣的高頻雷達 的監測展示了它們在海灣動力學和海洋狀態研究的潛在應用。
Kohur et al., (2012)文中提到正在以美國綜合海洋觀測系統系統網 絡作為支柱來發展國家高頻雷達來測繪表面海流。應用了高頻雷達的 表面海流於美國海岸警衛隊搜索和美國中大西洋沿岸的救援行動方面。
評估了兩種用於組合的算法將徑向海流圖映射到總矢量的單個圖中的
海流。其研究結果均顯示依賴於高頻雷達資料軌跡的位置。尤其是在採 用比較高頻雷達覆蓋中心附近顯示出兩種算法之間無顯著性的差異。
特別在浮標軌跡中可以看出兩者之間的區別，通過這些模擬，某個程 度上，可以有效地減少與實際浮標群與模擬粒子的搜索區域與距離的 差異。在研究中提出 OI 法可進一步減少並改進該搜索區域結果的誤 差值。
1.4 動機與目標
本研究蒐羅多種長期或即時觀測海流的資料並加以比對、分析與 討論，期望所獲得的資料分析結果，可以在不同的時間、空間條件下，
對於台灣周遭海域流場的特徵加以描述和分析可能影響的因素，並分 析討論台灣北部海域冷渦與西南海域暖渦出現的時間與位置。分析討 論 TOROS HFRs 對台灣周遭海域流場觀測結果，以及為了展示海洋觀 測系統對海上搜索救援行動的重要性，針對兩個海上事故案例，說明 雷達涵蓋範圍密集的差異與彈性結合其他觀測儀器提供相關資料的重要 性。政府與民間對於海洋資源與海岸生態環境的注重，對於海洋廢棄 物隨海流漂流衍生海岸廢棄物堆積於台灣周遭海岸線的影響，於最後 提出分析說明與建議。
本文架構如下:第 2 章海流觀測系統及其數據分析方法，第 3 章 TOROS 雷達遙測資料的評估與驗證，第 4 章台灣海峽流場觀測分析，
第5 章海流資料在搜救應用實例分析，第 6 章結論與建議。
第 2 章 海流觀測系統及其數據分析方法 2.1 海流觀測系統
台灣海洋雷達觀測系統(Taiwan Ocean Radar Observing System, TOROS)是由國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心(Taiwan Ocean Research Institute, TORI)於 2009 年設立建置，為長期觀測台灣近海周 邊海域表層海流之重點項目，藉由高頻雷達波隔空遙測海面之原理，
以近即時、全天候的觀測方式量測海表面流場。到目前為止，此系 統包括 18 座由 CODAR 組成的高頻雷達站(HFRs)，沿著台灣東西海 岸線建置(測站位置標示於 圖2-1中藍色與綠色方塊)。在這18座 HFRs 中，12 座是 5MHz 長距型，5 座是 13MHz 中程距離型，1 座是 24MHz 標準型。以長距型為例，它可以涵蓋半徑220 公里範圍內的觀測，水 平解析度在徑向上約為8 公里，在方向角約為 2o。藉助於重疊系統，
TOROS 監測覆蓋的海域面積幾乎達台灣面積的 5.4 倍之多，自 2012 年起的環台海面流場資料可自 TORI 取得，TOROS 所產出的最終產 品為合成表層海流資料，由測站提供觀測的徑向速度進行合成，合成 海流的網格距離為 10km，時間間距為一小時，徑向資料產出率近兩 年已達到 85％以上。而自 2016 年 6 月開始，TORI 在枋寮加裝一臨時 性的 HFR 測站(位置標示 FALA 在 圖 2-1)，以便增加台灣西南海域的 覆蓋面積及改善水平解析度。截至 2016 年底，環台測站已建置完成 17 座 CODAR 測站和台灣西南海域臨時測站。原有的 HFRs 資料結合 FALA 後，某些地區因陸地干擾導致資料盲區因而變少，使得台灣西 南海域海面流場監測覆蓋範圍更為完整，觀測結果顯示水平解析度大 為改善到4 公里，可提供近乎即時的每小時海面流場資料。本研究將 分析與討論 2013 至 2016 年的 TOROS HFRs 合成的海流逐時資料，並 與其他蒐集的觀測海流數值的結果互相驗證，以瞭解台灣四周的氣
候平均流況與其他條件下的流場特性。而設置各測站 HFRs 的相關配 置規格另作表格表 2-1 說明。
全球浮球計畫(Global Drifter Program)自 1979 年起已經在全球各 海域佈放了許多SVP 浮球(如 圖 2-2)，經過 NOAA/AOML 後處理程序 後內插成 6 小時一筆的時間、經緯度、流速、流向、SST 等資料。本 計畫將收集 1979-2016 期間，所有通過台灣四周海域的 SVP 浮球資 料，研判在不同季節和風場條件下的 15 公尺水深的浮球漂流軌跡與 海流。
而為了進一步能深入瞭解台灣海峽於冬季東北季風和夏季西南 季風盛行時的流況，以及於颱風、寒流、西南氣流等極端天氣下的流 況與水溫變化，本研究於2017 年於 TS 北部海域與西南部海域實地分 批進行12個 SVP浮球的施放作業。這 12個 SVP浮球是由 SIO(Scripps Institution of Oceanography)所製造，為銥衛星/GPS 形式，重量約為 25kg，拖傘(drogue)深度為 15 公尺，定位的取樣間隔設定為 15 分鐘，
並以近即時的方式傳送回數據。由於冬季東北季風盛行時，CCC 是 由浙閩大陸沿岸南下，部分支流離開海岸之後再從 TS 中部進入澎湖 海域，因此監測海峽北端的流況是海象預報很重要的一環。施放作 業是利用定期航行於基隆到馬祖(南竿)的台馬之星渡輪的航線上(如 圖 2-3)，分別於 2017 年 2 月 3 日和 15 日在台灣海峽北部各施放 4 個 SVP 浮球，定位的取樣間隔設定為 15 分鐘，自 3 月 25 日起再改為 3 小時。另外此實驗也利用海研三號研究船，分別於 2017 年 6 月 14 日 和 19 日在台灣西南外海各施放 2 個 SVP 浮球，定位的取樣間隔設定 為30分鐘，以監測西南氣流盛行時的台灣附近海域流況，數據的處理 是以中央差分法(central finite difference)求出流速分量 u 和 v。
水利署與中央氣象局多年來在環台周遭海域佈放海氣象浮標並
伴有 ADCP 海流監測，例如蘇澳、台東、鵝鑾鼻、彌陀、七股、澎湖、
金門、台東外洋、東沙、七美、龍洞等。又於 2017 年 8 月分別安裝一 台 ADCP 到馬祖和富貴角資料浮標，以加強監測當地的海流剖面。
馬祖浮標位於台灣海峽最北端的西側，是 CCC 的必經之地，而富貴 角浮標位於台灣本島的最北端，是黑潮部份支流入侵到台灣東北角陸 棚，或流經台灣北端甚至漫延到台灣西北海岸的中途測站，因此監測 這兩個浮標的海流和水溫時序變化，將可對於 CCC 和黑潮支流在冬 季時的流徑和水團分佈範圍有更準確的預報。本研究計畫將分析這些 裝有 ADCP 的浮標之海流與水溫之逐時資料，針對特殊天氣的個案 作分析，並和數值模式的結果相比，以提供極端天氣時的海流預報所 需。
本研究使用兩個底碇式 ADCPs 所記錄的海流剖面的時間序列資 料，以協助評估兩案例中失蹤物的漂流軌跡。圖2-1 中的 N 測站位於 台北港外海(如 圖 2-4)由張國棟老師提供海流資料，S測站位於屏東海 生館外海北測站(如 圖 2-5)，ADCPs 固定於鐵架上並佈放於底深 20m 處，取樣間隔為 10 分鐘，垂直間距為 1 公尺。每一組時間序列長度 介於 15 到 30 天，一年內佈放 3-4 次。
本研究使用自 1991-2013 由台大海研所海洋資料庫統合 OR-1、
OR-2 和 OR-3 的 75kHz&150kHz 船載式流剖儀資料，分析整理出台灣 周遭海域不同季節與深度的流場圖供比對分析。
本研究使用的海面絕對動力地形資料，是向法國的 Archiving Validation and Interpretation of Satellite Data in Oceanography (AVISO) 申請並下載分析使用，供探討分布在臺灣西南海域的海洋渦流傳遞。
絕對動力地形是指從大地水準面到海水面間的高度，也就是海表面高 度 (Sea surface height, SSH)，該資料結合了 TOPEX/POSEIDON、
Jason-1/2、ERS-1/2 以及 ENVISAT 等衛星測高儀的海面高度資料，並 進行儀器誤差、海況誤差與潮汐干擾等影響因素的校正，內插成全球 1/4°×1/4°的空間解析度，以及每日時間解析度的網格點資料，自 1993 年到 2017 上半年，畫圖呈現方法以每日的 Sea Level Anomaly (SLA)，
搭配推算出的絕對動力高度的海面流速(ADT uv)。
由於海流觀測資料之氣象因子有限，雖有利呈現臺灣區域性氣象 特徵，但對於大尺度環境場之特徵，如西南氣流於南海之引入、冬季 東北季風與鋒面之空間分布與移動、颱風中心位置與移動等，仍有其 空間顯示不足之處。為了有效適時分析大尺度環境場之演變特性及其 對臺灣之整體影響，本計畫收集 National Centers for Environmental Prediction /National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR)重分 析資料(Kalnay et al., 1996)，運用每 6 小時之大尺度海面上方 10 公尺之 風場，藉以分析對應極端天氣個案之天氣系統及其相對空間位置，協 助彙整造成海流和水溫快速變化個案之大尺度天氣型態。
2.2數據分析方法 2.2.1 渦流分析方法
本研究參考 AVISO 網站源自 Ssalto/ Duacs (2017ver.4)中尺度渦流的 多重高度計每天的高度測量時間區段（年-持續時間，延遲時間），類 型（氣旋/反氣旋）、速度、半徑和相關數據。在 1992 年 10 月至 2008 年 12 月的 16 年期間，由 AVISO 內部製作一個專門的數據庫，為了 實現簡單的統計和長期研究。每個渦流都是在連接像素滿足指定的標 準基礎上定義，該程序是二維版本的 Williams et al., (2011)。按照 Chelton et al., (2011) 的描述進行修改和 CLS/ DUACS 合作開發的。現 在，渦流圖譜由 DUACS 團隊生成並作質量品管控制，再由 AVISO 提 供給使用者。目標是簡化生成過程並減少生成過程此產品的延遲。
2.2.2 物體漂流軌跡估算
先假設忽略海面風所導致的 leeway 效應，以最接近的 TOROS 海 流資料網格點當作背景流場，估算從 LKP 開始隨著時間的物體位移，
這方法對於若有人員落海失蹤的海上搜索救援緊急事件提供了快速的 反應策略。
落海人員(PIW)漂流軌跡推算方法
a.取得 LKP 的 GPS 位置(lon,lat)與時間資料，越接近正確落水時 間 越好。
b.取得距離最近落水位置的 TOROS HFRs 表面海流網格流場資 料 u,v。
c.利用平流推算每小時 PIW 的可能位置，逐時連結而成漂流軌跡。
另一種使用 SARMAP 這套商業化軟體，輸入海洋環境的資料(特 別是海面風和流)與物體漂浮行為，輸出漂浮物體與失蹤人員漂流的 快速預測。SARMAP 使用 Monte Carlo 演算法，可由使用者指定虛擬 質點的數量，並佈放在 LKP 位置，計算出物體漂流過程持續變化的 機率密度分佈。
以下為SARMAP 操作步驟:
a.篩選欲分析海事案件並蒐集該案件起訖之時間空間背景資料。
b.事前準備海洋環境資料，如涵蓋欲分析案件之時間空間之海面 流場與海面風場資料，以及海岸地形資料。
c.開啟 SARMAP 設定新事件資料路徑與相關參數。
d.輸入 LKP 位置與選定定位來源方式(不同定位來源，範圍而異)。
e.設定新事件模擬起始時間與持續時間，可前推或後推，並設定 PIW 狀態與選用使用 Monte Carlo 法推算漂流粒子軌跡或遇岸停 滯否。
f.設定流場風場輸入路徑與時間
g.設定 SARMAP 計算與輸出結果間隔與漂流粒子總數量 N(100~
1K)。
h.確認資料時間與模擬時間正確與執行，等待結果。
i.結果輸出圖形以說明範圍內漂流粒子散佈狀況，各個方格內出 現粒子點數 n，而 100%*n/N, 代表各方格內漂流粒子的出現機率。
(機率高的範圍代表可發現漂流物機率相對高)。
j.調整不同狀況條件，重複設定、輸入與執行過程，討論分析各 種結果的可能性。在最短時間內，評估選取最合理預測結果，提 高搜救成功機率。
第 3 章 TOROS 雷達遙測資料的評估與驗證
HFRs 測 量 表 面 海 流 的 功 能 已 經 分 別 透 過 與 衛 星 漂 流 浮 球 (Ohlmann et al., 2005; Ohlmann et al., 2007)以及錨碇與船載式 ADCPs 定 點測量(Paduan et al., 2013)作過比較並取得校準與驗證，通常 HFRs 與 現場測量的流速均方根誤差值在 10 與數十 cm/s 之間。一般數值分析方 法(如相關係數、標準差、差異平均等)，每一次計算僅能針對單一係 數(時間或空間擇一)進行分析，但本文採用的 Skill Score (SS)方法是基 於 累 計 的 Lagrangian 分 散 距 離 ， 結 合 累 計 的 軌 跡 長 度 (Liu and Weisberg, 2011)，對於 TOROS 表面海流的軌跡模式的表現提出評估，
能夠同時量化時間及空間係數，以同時展現時間與空間的差異量。
圖 3-1 圖中的指標 s 定義為由觀測軌跡的長度做權重所算出的分 散距離平均值。假設可容忍誤差門檻(tolerance threshold)值 n=1，則軌 跡模式中的技巧評分(skill score, ss)可定義為 0.
= ∑ / ∑ , = 1 − , ≤
0 , > (1)
其中紅線 指的是由相對應的藍線模式模擬漂流軌跡(HFRs)與 黑線浮球觀測漂流軌跡(GPS 浮球)自開始後第 i 時間步驟 Lagrangian 軌 跡末點間的分散距離值，oi 是浮球觀測軌跡的總長度，而 N 是所有的 時間步驟數，黑色圓點與藍色方點分別為實際軌跡和模擬軌跡的標定 點，可依照需求自行調整時間間隔；紅色虛線為每個相對時間的標定 點間的距離。假如 ss 值越趨近於 1，代表意義為模式 模擬軌跡完全與 觀測浮球軌跡越接近。
TORI 賴博士提供的參考資料簡單，在建置 TOROS 說明 平台期間，
TORI 前後總共在台灣周圍海域佈署可拖曳在水深 1.5m 處，並配有 GPS 的 21 個表面浮球 DMB(圖 3-2)，進行評估驗證，並將結果以稍早
之前所介紹性能指標(Skill score)呈現於圖 3-3 顯示利用全部 21 個浮球 資料，每 3 小時間隔的 9 小時模擬結果的 ss 空間分布圖。參考根據澳 洲氣象局對於氣候預測的 SS 值標準如表 3-1 所示，其標準為澳洲氣象 局總共 46 個預測項目的各項 SS 值參考標準。
TORI 前後收集比對 21 個浮標在 TOROS 觀測區之漂流驗證過程 中，除部分於觀測區邊緣或偶發的無線電波干擾使得雷達觀測品質較 差，其餘平均SS值多在 0.5 以上，眾數則在 0.85~0.95 間，顯示 TOROS 環臺雷達測流網觀測品質應屬理想。 同時 TOROS HFRs 部分測站也與 氣象局提供氣象浮標上 ADCP 間以 15km 搜尋半徑內的表面流速觀測 結果做比對，其結果整理成表格表 3-2，結果顯示各測站兩者相關係 數平均值 0.767，可信度佳(Shen et al., 2018)。
第 4 章 台灣海峽流場觀測分析
台灣附近海域的氣候平均流況可由多種觀測來源的海流資料，
將多年平均計算而獲得。本研究採用的實測海流資料包含以下幾種 來 源:(1)環台雷達 TOROS 的遙測表面海流 2013-2016 資料，(2)Global Drifter Program 的歷史 SVP 浮球混合層海流(15m 深)1979-2016 資料，
(3) 有安裝 ADCP 的 11 個環台資料浮標 2013-2016 資料。
4.1 台灣周遭海域氣候平均流況 4.1.1 環台雷達表面海流資料
本研究將分析 2013 至 2016 年的 TOROS 合成海流逐時資料，並 與其他蒐集分析的觀測海流數值的結果互相驗證，以瞭解台灣四周 的氣候平均流況與其他條件下的流場特性。圖 4-1 是 TOROS 的夏季 流場分佈，圖4-2 是 TOROS 的冬季流場分佈，圖 4-3 是 TOROS 的全 年平均流場分佈，其中夏季和冬季分別代表 6-8 月和 12-2 月。TOROS 的空間解析度為 10 公里，網格點的經緯度為固定值，因此計算過程 為先由各網格的逐時海流資料計算出當日平均和當月平均海流，然 後再計算出季平均和年平均海流資料。
在夏季流場(圖 4-1)中可以看出在台灣東北角外海海域有明顯的氣 旋出現約在 122.3oE, 25.3oN 的陸棚與斜坡交界處，再往外有明顯黑潮 主軸沿200 公尺等深線往東延伸向日本與那國島海域方向流去。而 TS 中部流場可以看出 PHC 的海流明顯向北流出後，繞過彰雲隆起後沿著 台灣西部海岸線出現明顯的東北偏北方向流。過了桃園南崁溪口後流 速變緩變慢，而從富貴角燈塔到野柳公園附近海域呈現緩慢的轉向東 流動。而同時在此圖的台灣西南海域有出現中心在 119.6oE, 21.6oN，
範圍較大而明顯的反氣旋渦流，其中可以看出有股從海峽西側經台灣 淺灘的海流，經澎湖群島南方海域流向台灣西南海岸曾文溪口海域。
此反氣旋渦流沿著台灣南部海岸線，伴隨東南向沿岸流，甚至還繞過 貓鼻頭海岸後，向東流出巴士海峽，結合在台灣東海岸黑潮主流後再 朝北流。
而在冬季時(圖 4-2)，強勁的東北季風自太平洋海面穿吹向台灣東 北角陸地。東北角海域的黑潮水團則因東北季風作用下，衝上西側的 東海陸棚的近海海域，會造成氣旋渦流更靠近台灣東北角陸地邊緣。
另可觀察在台灣東部海域朝北流的黑潮主軸比夏季時更靠近台灣東部 海岸。在台灣海峽北部海域可以看出在陸地背風面的新北、桃竹苗海 域的近海流速較外海小。但在中部以南，海峽內部因強烈的東北季風 自北部灌入強勁的冷風，復因海峽北闊南縮的地形效應影響下，帶來 的強大風應力造成在海峽北部外海的海流帶向彰化雲林的海岸外，累 積的海水因為彰雲隆起的阻擋不從PHC 南下，反而沿著向彰雲隆起向 外海，朝西繞過澎湖群島南流而去。而在台灣西南海域，因前述風力 因素效應影響下，帶來的強大風應力造成西南海域的反氣旋渦流分佈 範圍明顯偏南移動且比夏季時稍小。
而全年平均流場(圖 4-3)可以呈現出的流況特徵為台灣東北角有氣 旋渦流存在，富貴角附近海域流速偏小不明顯，且在 TS 北部自苗栗 桃園到新竹沿海有明顯朝北海流出現。PHC 全年有北流存在，但被彰 雲隆起阻擋轉朝西北流後，部分海流向北外繞過隆起後，反而朝向彰 雲海岸線流去。而西南海域的全年平均海流也有出現類似冬季時出現 的反氣旋渦流狀況。
4.1.2 SVP歷史浮球海流資料
本研究將分析自 1979-2016 年 Global Drifter Program 的 SVP 歷史 資料，圖 4-4,4-5,4-6 分別是歷史浮球資料的夏季、冬季以及全年平均 的流場分佈，網格大小為 0.3ºx0.3º。比較 TOROS(圖 4-1,4-2,4-3)和歷
史浮球(圖 4-4,4-5,4-6)的氣候平均流況，可知兩種不同的資料來源所 計算出來的平均流場型態大致相似。
夏季時SVP 歷史資料觀測結果顯示在西南季風帶動下，呂宋島西 側的南海水團北流到 LS 時，於海峽的中北段結合黑潮主軸後，大部 分朝北偏東流向台灣東部海域，沿著海岸線而上。到達台灣東北角海 域時，黑潮主軸較遠離陸棚朝東北方向流。而同時台灣海峽內的海流 均是朝向東北，尤其是彰雲隆起以北海域，靠近台灣彰雲海岸線的海 流較明顯，特別是在 PHC 內海流明顯流向北。相同時空下位於台灣 淺灘週遭的南海北部水團在西南季風帶動下，一部分沿著大陸海岸線 東北流外，大部分於澎湖南方海域向西流向嘉南海岸，因地形限制大 量水流進PHC，有部分海流分岔沿著台灣西南海岸線朝東南向流，而 形成台灣西南海域的反氣旋渦流，分佈範圍較冬季時期大且偏北。經 過 PHC 北上的溫暖海水再繞過彰雲隆起後與海峽東側沿大陸海岸北 上轉東流的海水團在海峽中線結合後，觀測到海流向苗栗新竹海岸集 中加速朝東北流。浮球紀錄觀測到海流通過淡水河外海時，有明顯的 海流朝大陸海岸貼近，而相對在台灣富貴角海岸的海流則緩慢轉向東 方，緩流朝東北角海岸流去，與黑潮主軸會合。
冬季時SVP歷史觀測結果發現，在台灣東岸黑潮主軸偏離東部海 岸外，黑潮再通過巴士海峽時會在海峽中間轉彎向西進入南海，一部 分前進到台灣淺灘南方海域反時針轉向台灣高屏海岸，形成較夏季時 期範圍小但明顯的反氣旋渦流，甚至形成套流(Loop)，海水再沿著台 灣南端海岸線東流出巴士海峽再次進入黑潮。而黑潮到宜蘭外海時，
除受到地形抬升影響，復受強烈東北季風作用下，部分黑潮水沖上東 海陸棚後，隨即又轉東流回黑潮主軸。但前述衝上陸棚的黑潮水偶會 形成氣旋渦流，出現在東北角海岸，位置較夏季更近岸。台灣海峽內
的浮球觀測結果呈現不一致現象，首先在大陸沿岸的 CCC 較為明顯 朝西南流，但是在彰雲隆起的兩側有特別的現象，隆起以北為朝南轉 彰化雲林海岸方向；而隆起以南的 PHC 內則呈現朝北流後西轉向結 合CCC。而台灣西南海域則是因為前述黑潮水自巴士海峽中段轉向西 流後，因東北季風的風應力作用下，約在 119.5oE, 21.5oN 附近，形成 反氣旋渦流後，沿西南海岸線繞經台灣南端東流出巴士海峽回到黑潮 主軸。
而冬季時台灣海峽內東西兩側海流的特徵差異明顯，海峽西側的 CCC 明顯沿著大陸海岸線朝向西南流；而桃竹苗沿岸的海流很弱。澎 湖水道的海流減弱但仍然朝北，但是在澎湖附近就無法繼續北上，轉 而朝西或西南。沿東海岸北上的黑潮，在離台灣東北角較遠處稍為爬 坡上東海陸棚，甚至達到台灣海峽北端，形成氣旋渦流。這氣旋渦流 位置夏季偏外海，冬季時則靠近東北角海岸。
4.1.3 船載式 ADCP 資料
從海科中心提供 1997-2013 海研船 OR-1、OR-2 和 OR-3 的船載式 ADCP 資料整理分析後上層 20m全年平均流場分佈圖(如 圖 4-7)可以呈 現出在 台灣西南 海 域長 期 有反氣 旋渦 流的存在，中心 位 置大約在 120oE, 22oN。同時圖中明顯可看出自西側台灣淺灘而來的海水東流靠 近嘉南沿岸海域後，可看出海流多轉朝北向 PHC 流去，但也有部分 海水沿著高屏海岸線朝東南流去，甚至在台灣南端有觀測出窄且明顯 的東流出巴士海峽進入黑潮，這黑潮水一進一出過程形成了套流 (LOOP)。
若將時間分為夏冬時期分別說明觀測結果(如 圖 4-8)，依序從夏 季(6,7,8 月)說明起，在東北季風作用轉弱消失，西南季風逐漸加強到
