高雄港流場與海水交換之數值模擬研究 Numerical modeling of flow dynamics and water

國 立 中 山 大 學 海 洋 資 源 研 究 所

碩士論文

指導教授 曾若玄 博士

高雄港流場與海水交換之數值模擬研究 Numerical modeling of flow dynamics and water

exchange in the Kaohsiung Harbor

研究生 莊士巧 撰

中華民國 91 年 1 月

中文摘要

高雄港是世界上重要的商港之一，往來的船隻進出頻繁，偶爾會有一 些意外發生(如撞船、漏油等等)，而港灣流場與這些事件往往有密切的關 係，故流場的研究及瞭解是具有重要性的。國內對於高雄流況實測資料是 非常缺乏，若要在這樣繁忙的港灣裡實施流場長期的觀測是很不容易，因 此在不易觀測的情況下，模式是一個非常方便研究流場的工具。

本研究在此區域共做了 4 次的全面性觀測，分別在 90 年的 1 月 2 日、

1 月 21 日、5 月 26 日及 6 月 21 日使用 EM 電磁式海流儀，而在 89 年 10 月 26 日使用拖曳式 ADCP 來觀測。由這些觀測可初步瞭解高雄港內的潮 流並非單純的漲潮向港內，退潮向港外。退潮時，海流主要由二港口流進 港內，一港口流出港外；漲潮時，一、二港口的表面流有許多流向港外的 海流，除了在中底層的海水是規則地往港內流動。

本文所使用的模式是 POM(Princeton Ocean Model)—屬於 3-D 的數值 模式。在 M

₂

潮與合成潮比較得知，合成潮所造成的流場比起單獨的 M

₂

潮 流來的複雜許多，也造成高雄港內流場的多樣化。M

₂

分潮從規則地形到實 際地形中，顯示出在外海的海流有著很大的變化，尤其在南邊似梯形的海 盆，因此地形在模式中也是佔有很大的影響力。在模式中，最大流速發生 在一港口的航道上，可達到 30~40 cm/s 以上，二港口可達到 10~20 cm/s。

接下來，考慮河流及風的效應；在模式中加入河流淡水的水位高度及鹽度

後所得到的結果得知，因淡水密度較低而存在於海水表面形成了表面流，

並且淡水從前鎮河流出後，大部份都是往北流，使得港內海水的鹽度北邊 平均比南邊低了許多，此時所形成的流場已由一進一出改變為一二港口同 出的情形。另外，風對於高雄港的流場影響程度，在模式中已顯示出影響 有限，主要還是以潮汐為主。最後，模式在河流與風同時作用下得到，在 漲潮時，45 號碼頭附近有一個輻散區產生，輻散區兩側的海水均向南北方 向流去；退潮時，其輻散區出現在 61 號碼頭附近。綜合以上的結果可得 知，對於影響高雄港流場的主要因子有:一、高雄港是屬於混合潮，流場 較複雜；二、地形的影響；三、河水排放的影響。

關鍵字：高雄港,POM,漲退潮,混合潮,河水排放,拖曳式ADCP

Abstract

Kaohsiung Harbor is one of the most important international sea ports in the world. Due to the long-standing lack of in-situ current data, the complex variations of the flow field in this basin still remain unclear. As a consequence, the related environmental problems such as oil spills, water quality management and ship maneuvering safety , have long been a great concern in this harbor. The present study is conducted to better understand the flow field in the Kaohsiung Harbor.

A series of synoptic flow observations of the Kaohsiung Harbor were conducted by using towed-ADCP or EM current meters. From these observations it can be shown that the flow field of the Kaohsiung Harbor is：

Water entering the harbor through the second entrance and exiting the harbor through the first entrance during ebbs. During floods the flows are reversed.

A 3-D numerical model (from POM) is developed for the Kaohsiung Harbor.

The flows are more complicated by the M

₂

tide driven than by the mixed tide driven. From the results by the M

₂

tide driven show the ocean current is variable, especially the south ocean current. Therefore, the flows are more complicated owing to the mixed tidal characteristics and shoreline geometry. The maximum current speeds amount to 30 - 40 cm/s in the narrow first entrance and 10 - 20 cm/s in the second entrance. It is clearly demonstrated from the model results that drainage from the Chien-Chen River affects greatly the salinity and circulation patterns of the Kaohsiung Harbor, causing the salinity of the first entrance to be lower than that of the second entrance, and the surface layers flowing outward toward the ocean while the lower layers displaying tidal

flows is insignificant and the tide is main force in the harbor. Under the simultaneous forcing of river and wind, flood and ebb tidal streams leaving the two entrances are found to diverge in a flow stagnation area inside the harbor near Pier 45 and 61, respectively. Based on the modeling results, it can be concluded that the main factors affecting the flow patterns of the Kaohsiung Harbor are (1) mixed tidal nature, (2) shoreline geometry and (3) river runoff.

Keyword：Kaohsiung Harbor, POM, flood and ebb, mixed tide, river runoff, towed-ADCP

謝誌

在海資所這兩年來才深深了解要完成一篇論文不是容易的事，除了研 究者要花許許多多的心力外，還需要身旁許多人的支持、鼓勵和協助，而 這些人才是幕後最大的功臣。首先要感謝曾若玄老師不斷地給予細心指導 與協助，以及詹森老師和于嘉順老師對於模式的建議與指導，因此我才能 順利完成此篇論文。

另外，我也感謝口試委員張國棟老師對於論文的內容不吝給予指導建 議，以及實驗室學長、學弟妹和曹伯琪船長等人在採樣調查的工作上所給 予的協助，我不勝感激。最後，我要感謝我的家人和女朋友珈妃及其家人、

以及許伯全、葉聰翰等好朋友在生活上對我的照顧與鼓勵，讓我專心一致 地完成學業，在此獻上我衷心的感謝。

目錄

頁次 中文摘要………. I 英文摘要……….... III 謝誌……….... V 目錄……….... VI 表目錄………... VIII 圖目錄……….…... IX

一、 前言………. 1

1.1 國內外學者的研究………... 1

1.2 以往高雄港的研究………... 3

二、 研究目的………. 6

三、 現場觀測………. 7

3.1 儀器介紹………... 7

3.2 實驗設計………... 8

四、 實測結果……… 10

五、 數值模式……… 12

5.1 POM 模式介紹……….12

5.1.1 基本方程式……….

.

12

5.1.2 σ座標之程式轉換……….. 14

5.1.3 邊界條件……….. 16

5.2 高雄港數值模式………. 18

六、 模擬結果……… 23

6.1 模式驗證………. 23

6.2 模式結果………. 25

6.2.1 潮汐—M2………. 25

6.2.1.1 海底地形一—基本地形(寬)………

...

25

6.2.1.2 海底地形二—基本地形(窄)………

...

27

6.2.1.3 海底地形三—基本地形+北邊海堤………. 28

6.2.1.4 海底地形四—基本地形+南邊海堤………. 29

6.2.1.5 海底地形五—基本地形+南、北邊海堤………. 29

6.2.1.6 海底地形六—真實地形………

...

29

6.2.2 潮汐—混合潮………

..

31

6.2.3 風應力的效應……….. 33

6.2.3.1 風應力—北風………

...

33

6.2.3.2 風應力—南風………

...

35

6.2.4 河流的效應……….. 36

6.2.5 風與河流的效應……….. 40

七、 總結……… 43

八、 參考文獻……… 47

表目錄

頁次 表 1. 實際觀測時間、位置與氣象資料……… 49 表 2. 第一與第二港口的四個主要分潮，ζ為振幅，g 為相位差………. 50 表 3. 模式模擬的實驗……… 50 表 4. 模式中所使用的參數設定值……… 51

圖目錄

頁次

圖 1：高雄港地理位置圖(孫,1999)………... 52

圖 2：圖 2：V 字型港灣的海流分佈圖(Arnoldo and Lwiza,1995)………. 53

圖 3：七股潟湖在(a)漲潮時；(b)退潮時的流場分佈(Jan et al., 1999)… 53 圖 4 : 兩港口的原始及經低頻過濾之水位時間序列變化圖(孫,1999)…... 54

圖 5 : 高雄港區域降雨及風速棍棒圖(孫,1999)………... 54

圖 6 : 第一港口海流流速棍棒圖(孫,1999)………... 55

圖 7 : 第二港口海流流速棍棒圖(孫,1999)………... 56

圖 8 : 水位與第一、二港口流向關係圖(孫,1999)………... 57

圖 9 : 水位與第一、二港口流向關系圖(孫,1999)………... 58

圖 10 : (a)第一港口；(b)第二港口的原始海流棍棒圖及經低頻過濾的海 流棍棒圖(孫,1999)……… 59

圖 11 : 高雄港內海潮流測站之地理位置圖……….. 60

圖 12 : 拖曳式 ADCP 和拖曳小船………. 61

圖 13 : (a)EM 電磁式海流儀；(b)數值顯示器……… 61

圖 14 : 拖曳式 ADCP 操作示意圖………. 62

圖 15 : 在 89 年 10 月 26 日(a)退潮時；(b)漲潮時，ADCP 觀測圖……... 63

圖 16 : 在(a)90 年 1 月 2 日；(b)90 年 1 月 21 日，EM 海流儀觀測圖

.…

64 圖 17 : 在(a)90 年 5 月 26 日；(b)90 年 6 月 21 日

，

EM 海流儀觀測圖

…

65 圖 18 : 高雄港海域的海底地形圖……….. 66

圖 19 : 模式模擬的海線岸線圖, (a)實際海岸線；(b)港灣較寬的規則地形 ；(c)港內較窄的規則地形；(d)規則地形與一港口；(e)規則地形與 二港口；(f)規則地形與一二港口………. 67

圖 20 : 模式模擬的海底地形圖, (a)規則地形；(b)真實地形………... 68

圖 21 : 實測與模擬水位比較圖……….. 69

圖 22 : 實測與模擬的海流棍棒圖……….. 70

圖 23 : 實驗 A-1 所模擬的流場……….. 71

圖 24 : 實驗 A-1 中在(a)外海的海流；(b)一港口的海流與(c)外海的水位 關係圖……….. 72

圖 25 : 實驗 A-2 所模擬的流場……….. 73

圖 26 : 實驗 A-3 所模擬的流場……….. 74

圖 27 : 實驗 A-4 所模擬的流場……….. 75

圖 29 : 在不同實驗下，一二港口的流速時間序列比較圖……… 77

圖 30 : 實驗 A-6 所模擬的流場……… 78

圖 31 : 實驗 B-1 所模擬的流場……… 79

圖 32 : 實驗 B-2 所模擬的流場……… 81

圖 33 : 實驗 B-3 所模擬的流場……… 83

圖 34 : 實驗 B-4 所模擬的流場……… 85

圖 35 : 實驗 B-5 所模擬的流場……… 87

圖 36 : 實驗 B-6 所模擬的流場……… 89

圖 37 : 實驗 B-6 所模擬的殘餘流……… 91

圖 38 : 實驗 C-1 所模擬的流場……… 92

圖 39 : 實驗 C-1 所模擬的殘餘流……… 94

圖 40 : 實驗 C-2 所模擬的流場……… 95

圖 41 : 實驗 C-2 所模擬的殘餘流……… 97

圖 42 : 在不同實驗的水位時間序列圖………... 98

圖 43 : 實驗 C 在一港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……… 99

圖 44 : 實驗 C 在二港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 100

圖 45 : 實驗 D-1 到實驗 D-4 河流流量比較圖……….. 101

圖 46 : 實驗 D-1 所模擬的流場………. 102

圖 47 : 實驗 D-1 所模擬的殘餘流……….. 103

圖 48 : 實驗 D-2 所模擬的流場………. 104

圖 49 : 實驗 D-2 所模擬的殘餘流……….. 105

圖 50 : 實驗 D-3 所模擬的流場……….. 106

圖 51 : 實驗 D-3 所模擬的殘餘流……….. 107

圖 52 : 實驗 D-4 所模擬的流場……….. 108

圖 53 : 實驗 D-4 所模擬的殘餘流……….. 109

圖 54 : 實驗 D 在一港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 110

圖 55 : 實驗 D 在二港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 111

圖 56 : 實驗 B 在一港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 112

圖 57 : 實驗 B 在二港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 113

圖 58 : 實驗 D-1 所模擬的表層海水鹽度分佈圖……….. 114

圖 59 : 實驗 D-2 所模擬的表層海水鹽度分佈圖……….. 115

圖 60 : 實驗 D-3 所模擬的表層海水鹽度分佈圖……….. 116

圖 61 : 實驗 D-4 所模擬的表層海水鹽度分佈圖……….. 117

圖 62 : 實驗 D-4 所模擬的深層海水鹽度分佈圖……….. 118

圖 63 : 實驗 E 所模擬的流場……….. 119

圖 64 : 實驗 E 所模擬的殘餘流……….. 121 圖 65 : 實驗 E 在一港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 122 圖 66 : 實驗 E 在二港口的各個水層所模擬的流速棍棒圖……….. 123 圖 67 : 高雄海域在(a)漲潮時；(b)退潮時的流場分佈……….………….. 124 圖 68 : 高雄海域在河流作用下(a)漲潮時；(b)退潮時的流場分佈……… 124

一、前言

高雄港是屬於台灣西南沿岸的港灣(如圖 1)，也是世界上重要商港之 一。由於高雄港是商港也是漁港，故往來的船隻非常頻繁，不限於漁船及 貨輪。而近十幾年來，進出口貿易快速成長，船隻的進出更加頻繁，而撞 船或漏油等事件發生的次數也增加，如民國 83 年和 86 年中油加油碼頭塌 陷和前鎮河油污污染，對於發生這樣事件的原因疑為流場所致，所以高雄 港流場的研究更是一門值得研究的議題。

1.1 國內外學者的研究

一般來說，港灣的動力來源有潮汐、風應力和河流的淡水排放等。在 單一開口的港灣，其風應力和河流不明顯的情況下，港灣與外海的海水交 換動力是”tidal pumping”(Chadwick and Largier, 1999)。Tidal pumping 的成 因是由於漲退潮潮流不對稱性所引起的，但介於港灣及外海之間的海流若 有河流及風應力的影響，其流場卻有所改變。Arnoldo and Lwiza(1995)的 研究結果說明了，美國東岸的 Chesapeake Bay 在同時含有大量河流的淡水 排放量和作用於外海的北風，造成在較淺的淺灘上有淡水往外流，以及海 底地形上的凹處整個垂直剖面有來自外海的高鹽海水往港內流的流場(如 圖 2)。相似地，位於 Fundy Bay 灣口處且為單一開口的 Cobscook Bay，此 港灣以半日潮為主，並擁有 5~6 公尺的水位差，因而產生很強的潮流，使

得港內外的海水交換增快以及港內海水的滯留時間(residence time)縮短，

有助於港內外的海水交換 (Brooks et al., 1999)。另外，位於密西西比三角 洲西方並且擁有兩個以上開口的 Louisiana Estuary，因介於港灣與外海之 間的沙洲及島嶼眾多，使得海岸線更加崎嶇、複雜，所以質點受到 coastal trap 和底層摩擦力的影響很大，進而促進海水的攪伴與混合(Inoue and Wiseman, 2000)。

而國內對於港灣的研究，以七股潟湖為例。Jan et al. (1999)在台灣西 南沿岸的七股潟湖進行實際觀測與模式模擬。以半日潮為主的七股潟湖，

漲潮時，海水同時從兩個開口流進湖內，而形成了一個明顯的輻合區；相 反地，退潮海水同時從兩個開口流出港外，形成一個輻散區。而輻合輻散 區的位置受到風應力和淡水的作用下，有南北遷移的現象(如圖 3)。Jan et al.

(2001)利用模式模擬，進一步探討七股潟湖內淡水的沖洗百分比(Percentage of flushing)。在北風盛行下，湖內淡水的沖洗百分比比南風盛行的沖洗百 分比值來的大，使得湖內海水的平均鹽度值在北風盛行下很快地恢復到 34.5psu(外海海水鹽度)，而在南風的盛行下恢復時間最慢。從以上所有學 者的論文中，其所探討港灣與外海的動力機制的資料來源，不管實測或模 擬方面，均先以了解港灣與外海的流場作為基礎，所以流場的觀測或模擬 是一項必須要先了解的重要議題。

1.2 以往高雄港的研究

以往對於高雄港流況的研究資料不多，孫(1999)曾經在此區作過觀測 及數值模擬，大概是到目前為止最完整的一份報告，本節內容便是擷取其 相關結果作一回顧。在水位方面，高雄港的水位變化是以混合潮為主(圖 4)，而且一、二港口的水位相位差也不大；經過 38 小時的低通過濾可知，

長週期氣象產生的水位變化比起潮汐變化小很多，所以長週期氣象水位所 產生的海流(如風驅流)影響有限。表 2 為水位調和分析的結果，顯示出在 混合潮中主要是由四個主要分潮(K

₁

、O

₁

、M

₂

、S

₂

)所組成，而且根據’form ratio’(Pond and Pickard, 1983)了解一港口 F＝1.26 以及二港口 F＝1.23，兩 港口 F 皆介於於 0.25~1.5 之間，屬於半日潮為主的混合潮。另外，在蘇(1997) 的高雄港港池水理模式研究中也指出，從高雄港務局在民國 65 年到民國 75 年的水位資料分析結果所得的 F 值為 1.436，也是屬於混合潮偏半日潮，

但是很接近混合潮偏全日潮(F>1.5)；雖然從以上的結果了解高雄港是以混 合潮偏半日潮為主，但是蘇認為高雄的水位不全然是這樣。以月分析來看，

全日潮成份與半日潮相當，但以 3 個月的水位資料進行能譜分析，顯示全 日潮成份較半日潮成份大，因此根據以上的結論可知高雄港的水位是隨著 不同的時間呈現多變化性。

圖 6 和圖 7 分別是孫(1999)在一、二港口不同深度所繪成的流速棍棒 圖。從圖 6 來看，一港口表層海流很明顯是往西(亦即往外流)為主，但中

層的海流流向卻是呈半日潮週期變化，越往深層海流流向的週期變化就越 明顯；在流速方面，底層流速大於表層，流速值達到 40 cm/s 以上，表層 流速反而不到 40 cm/s。在二港口的海流方面(圖 7)，表層的流速較底層大，

愈往底層流速愈小但相差不大，從表層到底層其流速範圍幾乎都落在 20 cm/s 以內，流速大於 20 cm/s 的比例以表層居多。在流向方面，表層的海 流仍以流向港外為主，越往深層流向港內港外的分量有些微增加，潮汐訊 號底層比表層略趨明顯。

圖 8 及圖 9 是在水深 5.5 公尺水位漲退潮方向與海流流向的關係時間 序列圖，從這兩張圖顯示出在退潮時兩港口海流多為流出港外，且一港口 的海流是先流出港外後流進港內，而二港口的海流則是流進港內後轉成流 出港外；漲潮時，則與退潮時相反，故從以上可以了解一港口的水位領先 二港口，而這樣的結果在孫(1999)的論文有更詳細的分析。在流況方面，

退潮時兩港口流向相同的比例約略相等於兩港口流向不同，其中流向相同 的部份幾乎皆向港外流，極少部分為向港內流；而流向不同的有大部份是 一出二進。漲潮時，兩港口流向不同的比例明顯大於兩港口流向相同的比 例，其中流向不同中有大部份都是一進二出。總而言之，在退潮時，一二 港口的海流不是一出二進，就是一出二出；漲潮時，海流大部份是一進二 出。

圖 10 是一、二港口的原始及低頻過濾的海流棍棒圖。由此圖可明顯

看出，在一二港口的海流大部份都是流向港外，且一港口的比例較大流速 也較強。低頻過濾之後，在一港口的海流全部都是往港外流，二港口大部 份往港外流，且一港口的流速也比二港口大，由此可知不管一港口或二港 口，在高雄港內是有一道非潮流組成的淨流不斷地由港內向港外流出，且 主要都是由一港口流出去。不過在相同時間內，恰好在 7 月 27~30 日、8 月 5~7 日和 8 月 11~12 日期間有降雨及南風的存在(圖 5)，因此在孫(1999) 的論文中認為高雄港表面的低頻流可能是由此兩種氣象因子造成的。

由以上結果得知，高雄港的流況複雜多變，但確定的是在一港口的平 均流速大於二港口的平均流速，並且是以潮流為主。潮流以外的海流還包 括了平均流—風驅流及淡水流等。不過，在其觀測的結果中發現，一二港 口的表層海流均有一道不受潮汐影響的平均流影響，但是否為淡水流或風 驅流所造成的，尚未有定論。在模擬的部份，其結果印證了高雄港的海流 主要是受潮汐的影響，同時也提出平均流對於流場也有一定的影響，因此 影響高雄港流場主要是潮流，平均流為次要的。雖然孫的結果對於高雄港 流場的了解有進一步的認識，但由於其所使用的模式為 2-D 的模式，故模 擬出的流場是屬於二維水平方向的流場，因此無法進一步解析垂直方向的 流場，所以本論文的目地就是延續孫的研究，要進一步來探討平均流以及 垂直方向上的流場分佈，以便了解高雄港更詳細的流場動力機制。

二、研究目的

本論文的研究目的就是首先要配合現場觀測的結果來作校正比對，以 建立一個可靠的模式，然後再將實際影響海流的因子(如河水排放及風)加 入到模式中，以便計算出在時間序列上的流場分佈，並且進一步討論不同 因子對於整個高雄港流場的影響，以便釐清高雄港的動力機制。

孫 (1999) 對於高雄港流場的研究所使用的數值模式是屬於 2-D 有限 元素法的數值模式。此模式的優點就是能考慮到海岸與地形的變化，模擬 出較接近實際的流場；其缺點也很明顯地表現出來，就是此模式只能解析 出二維的流場，對於垂直剖面有分層的水層是不易從模式中表現出來的。

以高雄港為例，表面偶爾會分佈著一層不受潮汐影響且流速均流向港外的 海流，而中底層是卻是受潮汐影響產生的潮流，在這樣流速層化明顯的狀 況下，此模式是難以表現出來的。而本論文則是延續孫的研究，使用了美 國普林斯頓大學的模式(Princeton Ocean Model ，簡稱 POM)，此模式是 屬於 3-D 有限差分的數值模式，對於垂直剖面上的流場可以完全由模式中 模擬出來，藉此可進一步解釋及探討風應力及河流對於高雄港內垂直方向 上流場的分佈情形。

三、現場觀測

3.1 儀器介紹

高雄港是一個國際商港、世界上重要貨物轉運站，船隻往來非常頻繁，

其中不僅僅只有貨輪，也有許多近岸及遠洋的漁船，由於施放儀器測量容 易影響船隻的航行，所以若要全面觀測是非常不易的。而本觀測的目的是 想要大概瞭解整個高雄港的流場及流況，所以選擇代表性的測站與選擇觀 測時間是蠻重要的。本研究採用了拖曳式杜卜勒海流儀(towed-ADCP)(圖 12)以及電磁式海流儀(EM 海流儀) (圖 13)。

杜卜勒海流儀(Acoustic Doppler Current Profiler，簡稱 ADCP)為美國 RDI 公司所製造，其原理是利用音鼓發出聲波，聲波在不同深度受到水中 微小粒子的反射，再根據杜卜勒效應來計算出水中微小粒子相對於 ADCP 垂直剖面的相對速度，此時若把船速輸入 ADCP，即可得到絕對流速。一 般 ADCP 可分為底碇式與拖曳式(船碇式)兩種。底碇式通常是使用底碇架 固定在海底音鼓朝上定點觀測，或是使用浮球懸掛於水中音鼓朝上或朝下 定點觀測。拖曳式(船碇式)通常裝在船底或船舷，如海研三號研究船；或 者是裝在一艘小船的船底，使用漁船來拖這艘小船，使音鼓朝下觀測(如 圖 14)。ADCP 有分為高頻與低頻兩種，低頻(如 75 kHz)的 ADCP 可測的 深度可達到 550 公尺，高頻(如 600 kHz、1200 kHz)的 ADCP 可測量的深 度分別為 60 公尺、20 公尺左右，所以頻率越高所測得深度越淺，但是垂

直解析度越精確；相反地，頻率越低所能測得深度越深，但解析度越粗糙。

一般來說，由 ADCP 音鼓測得的流速為相對流速，所以必需搭配其它的儀 器或功能來校正流速。據瞭解，校正流速的儀器可搭配 GPS，可由經緯度 資料得到船速，進而推算絕對流速，其優點是不受水深的影響，缺點是誤 差較大；另外，ADCP 具有 bottom track 的功能也可以校正流速；bottom track 也是利用杜卜勒的原理，由音鼓把聲波打出去，然後再接收由海底底床反 射回來的聲波，即可得船速，利用此船速值可進一步來校正流速。而此功 能的優點是流速較準確，缺點是受到水深的限制，水深不能太深。本實驗 所要觀測的區域為高雄港，其平均深度在 10~20 公尺左右，又考慮到所測 海流的準確性，所以本研究所採用具有 bottom track 功能的 600 kHz ADCP，

可在蒐集海流的垂直剖面資料時，一起校正出比較精確的海流。

電磁式海流儀(Electro-Magnetic Current Meter, 簡稱 EM 海流儀，由 Alec Electronic 公司製造，如圖 13)利用電磁波原理測量定點之流速流向，

將得到的資料儲存在 Datalogger，再以 PC208 的軟體讀取出來。

3.2 實驗設計

本研究為了要瞭解整個高雄港的大概的流況，所以在此區域共做了 4 次的 EM 電磁式海流儀的觀測，分別在 90 年的 1 月 2 日、1 月 21 日、5 月 26 日及 6 月 21 日，和在 89 年 10 月 26 日使用拖曳式 ADCP 的觀測；

的優點是可獲得測線上連續各點的垂直剖面流場，其缺點為船速越快，誤 差則越大，為了在時間與精確度之間取得平衡點，最後選擇了以 5 m/s 的 速度進行拖曳式 ADCP 觀測。而在這樣的船速下，ADCP 所測得的流速誤 差落在 1.5~0.8 cm/s，所以欲要作全面高雄港的流場資料，確實是不容易。

之後對於流場的觀測改採用 EM 電磁式海流儀在港內幾個關鍵的測站 作定點觀測。因為 EM 海流儀僅能測定點的流速，加上儀器並沒有利用船 速來校正流速的功能，所以在每次要測量時，船必需要下錨，否則所測量 的流速流向值必會有相對大的誤差。在這四次 EM 海流儀所觀測的位置，

其中 1 月份這兩次所規劃的點主要分佈在幾個重要的區域，其位置分別在 一港口、10 號碼頭、42 號碼頭、前鎮河口、69 號碼頭、二港口和 79 號碼 頭等的外側主航道附近，並選擇在大潮漲潮時刻觀測，目的要瞭解在漲潮 時高雄港的表面流況；在 5 月及 6 月這兩次規劃的觀測點，因前兩次所觀 測的位置並不能完全瞭解流況，所以在這兩次觀測中額外加入較有爭議性 的 6 個觀測點，分別在 42 號碼頭南北邊兩處、前鎮河口的南北邊兩處、51 號碼頭以及 120 號碼頭(如圖 11)，並同時觀測在表層、中層及深層的海流。

在 5 月和 6 月這兩次分別選擇退潮和漲潮時刻。

四、實測結果

本實驗在 1999 年的 10 月 26 日使用拖曳式 ADCP 進行高雄港流場的 觀測。圖 15a 和 圖 15b 分別是在退潮和漲潮時所作的觀測，從此圖可以 明顯看出在漲潮及退潮期間，港內的海水均是由一、二港口往外流，其幅 散區域大概在 43 碼頭附近。在 2000 年 1 月到 6 月總共作了 4 次 EM 海流 儀的觀測，其中在 1 月的 2 次觀測以及 6 月 21 日的觀測都是漲潮時段，

剩餘的 5 月 26 日的觀測是屬於退潮時間的觀測。因為高雄是屬於以半日 潮為主的混合潮，從 higher high water 到 lower low water 水位變化較大，

在 lower low water 到 higher high water 期間有 lower high water 以及 higher low water 兩種相位，使得在此期間的漲退潮水位變化趨緩富變化性，故在 漲潮時刻所觀測的次數較多。在圖 16a 的觀測時間是在 lower low water 到 lower high water 期間，海流從二港口流進港內，經過前鎮河口與從愛河區 域來的海流會合，然後流出一港口，是屬於二(二港口)進一(一港口)出的情 況。圖 16b 的潮位是屬於 higher low water 到 higher high water，此時的海 流從一港口流進港內，同時從愛河區域來的海流會合，一同向南流經前鎮 河口，最後從二港口流出去港外，是屬於一(一港口)進二(二港口)出的情況。

圖 17a 在退潮觀測，高雄港水位正值 higher high water 到 lower low water，

因為水位落差大，所以海水流速明顯有增強的趨勢。另外，越接近一港口 流速最大，流速大小沿著航道依次從西北向往東南向遞減，相同地，流速

從表層的 2 公尺水深到較深的 10 公尺水深均有遞減的現象，是屬於一(一 港口)出二(二港口)進。圖 17b 是最後一次觀測，時間是在 lower low water 到 lower high water，其結果與之前的不大相同，43 號碼頭以北的海水從一 港口出去，以南的海水則流向東南，並從二港口出去，導致港內的海水一(一 港口)出二(二港口)也出的現象，形成一、二港口的海水流出的情形。從前 面的結果規納出在 2000 年 10 月及 2001 年 6 月這兩次的觀測是屬於漲潮 階段，但是一、二港口的海流均是往港外流，從當日的天氣資料(表 1)顯 示，這兩天的降雨量是 0，但是在 10 月這一次，北風有較強的情形，相似 地在 6 月的這一天，其南風也有增強的趨勢，但是造成海流如此的情形是 否為風所影響，之後將會利用模式的模擬來進行討論。

綜合以上所有觀測的結果有關高雄港港內現場流場觀測的研究得知(1) 一港口水位領先二港口水位；(2)在漲潮時海水主要由一港口流進二港口流 出，(3)退潮時由一港口流出二港口流進，但有時候可能受到氣象的影響，

會有同進出的情況發生；(4)一港口的平均流速大於二港口的平均流速；(5) 河川淡水的排放對於一港口的表層海流可能有影響，但對於較深層的海流 則不受影響。

五、數值模式

本研究的模式來自美國普林斯頓大學的模式(Princeton Coastal Ocean Model ，簡稱POM)，是由George Mellor和Alan Blumberg所整理及撰寫 (Blumberg and Mellor, 1987)，因為這個模式是三維的模式，可以解析出垂 直方向的流場，又加上這是一個public domain，所以在全世界已有許多學 者使用，並已發表了許多結果於知名期刊上，詳見其網站

(

http://www.aos.princeton.edu/WWWPUBLIC/htdocs.pom/

)。這個模式在海氣交界是 屬於自由表面(free surface)，故可以使用潮汐波來驅動海水。POM模式的 優點為含有turbulence closure model來處理垂直方向的混合作用；水平網格 也可根據地形的需要，局部調整網格大小，提高解析度並不受網格固定的 限制；模式分為external mode和internal mode，前者是計算二維，後者是計 算三維的流場，可計算在邊界上的流場(如海表面和海底)；此模式也包含 熱動力學理論，可輸入或計算熱含量和熱通量；也可以輸入邊界水位、邊 界流速或大尺度的風應力來驅動模式中的流場，也可以加入河流排放量來 研究其物理動力機制； POM在垂直方向所使用的座標系統為sigma

coordinate system。

5.1 POM 模式介紹

5.1.1 基本方程式

POM 模式是根據質量守恆原理推演出的連續方程式所寫出的，當然 也包含了連續方程式的基本假設和邊界條件，假設流體為不可壓縮，則連 續方程式如下：

= 0

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

z w y

v x

u

(1)

並使用近似的方法簡化流體的動力方程式。因為垂直方向海流(w)的大小比 起水平方向的海流(u,v)小了許多，所以把垂直方向的流速忽略，改用靜水 壓方程式來代替，假設為均質(等密度)的流體，並無層化現象。因此流體 的運動方程式可寫為：

^M F ^x

z k u z x fv P

z w u y v u x u u t

u  +



 





∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

=

∂ − + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

0

1

ρ

(2)

^M F ^y

z k v z y fu P

z w v y v v x u v t

v  +



 





∂

∂

∂ + ∂

∂

− ∂

=

∂ + + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

0

1

ρ

(3)

z g P

∂

− ∂

ρ =

(4)

其中 u、v、w 分別為 x、y、z 方向上的流速，equation(4)為靜水壓方程式，

ρ

為現場密度，

ρ _o

_{為流體密度，k}

_M

為垂直動力黏滯係數，g 為重力加速度 以及 f 科氏力參數。

因為模式的海氣邊界是自由表面，所以在不同深度的壓力計算方式如

下: (在本模式中大氣壓力假設成常數，

η

_{表示海表面的變化)}

P ⁽ x ^, y ^, z ^{) =} P atm ⁺ g ρ o η ⁺ g ∫ z ⁰ ρ ⁽ x ^, y ^, z ^{' ,} t ⁾ dz ^'

(5)

溫度與鹽度的控制方程式如下:

^θ

θ θ

θ θ

θ F

k z z w z

v y u x

t ^H  +



 





∂

∂

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

(6)

^H F ^S

z k S z z

w S y v S x u S t

S  +



 





∂

∂

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

(7)

其中

θ

為位溫，S 代表鹽度，k

_H

為鹽度、溫度的垂直擴散係數。

密度為位溫與鹽度之函數，但是模式中將溫度固定在 24

^o

C，所以海水 密度為鹽度之函數:

ρ = ( θ , S )

θ

=24⁰

C

(8)

其餘小尺度的水分子運動，則將水平混合作用參數化。在方程式(2)、

(3)、(6)、(7)中的

F _x

、

F _y

、

F _θ

、

F _S

分別代表 x、y 方向的水分子混合擴散 參數，與溫度、鹽度的分子擴散參數。

5.1.2 σ座標之程式轉換

的 external mode 和三維的 internal mode 兩個部份來計算。模式先計算 external mode 的垂直平均流場，再計算 internal mode 垂直方向各層的流速 流場。而垂直方向的座標採用σ座標，此座標的優點就是可以解析地形變 化很大的地方，如複雜起伏多變的河口及沿岸海域之海底地形、大陸斜坡 或斷層等。

σ座標就是在每個水平網格垂直方向的水深，以固定的垂直網格數，

均分單一網格的垂直水深，因此層與層之間的網格間距則隨深度不同而改 變(如下圖)。此座標就是因為不管水深的深淺，垂直網格的分層均固定，

故適合地形變化較大的區域流場的模擬，因此對於模式的使用帶來很大的 方便。

從卡氏座標要轉換成σ座標時，流體的基本方程式也必需要根據變數 來改變。將原座標(x,y,z)無因次化轉成(x

^*

,y

^*

,σ,t

^*

)，因此其表示方式為:

x ^* =x , y ^* =y

,

η σ η

+

= − H

z

,

t ^* =t

(10)

令 D=H+

η

，H 為水深，再依照連鎖法則可把方程式(1)、(2)、(3)、

(4)、(6)、(7)轉換成新的方程式(σ的範圍從σ=0 在 z=η時，到σ=-1 於 z=-H 時):

= 0

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

t w y

Dv x

Du η

σ

(11)

=

∂ + ∂

∂ − + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

gD x uw fvD

y uvD x

D u t

uD η

σ

2

^M d DF ^x x

D D x gD

u D

k  +



 





∂

∂

∂

− ∂

∂

− ∂

 

 





∂

∂

∂

∂ ² ∫ ⁰

0 σ

σ σ ρ σ

ρ ρ

σ

σ

(12)

=

∂ + ∂

∂ − + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

gD y vw fuD

y D v x

uvD t

vD η

σ

2

^M d DF ^y y

D D y gD

v D

k   +

 





∂

∂

∂

− ∂

∂

− ∂

 

 





∂

∂

∂

∂ ∫ ⁰

0 2

σ

σ σ ρ σ

ρ ρ

σ

σ

(13)

σ ^θ

θ σ

σ θ θ

θ

θ DF

D k w

y vD x

uD t

D _H  +



 





∂

∂

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

(14)

^H S DF ^S

D k Sw

y SvD x

SuD t

SD  +



 





∂

∂

∂

= ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂ + ∂

∂

∂

σ σ

σ

(15)

垂直邊界條件(Vertical Boundary Conditions)需滿足

w ( x , y , 0 , t ) = w ( x , y , − 1 , t ) = 0

(16)

在σ=0,-1 時，海流的垂直分量為 0，也就是在海表面與海底的垂 直通量為 0。

在表面，受風應力的作用，其動力方程式的表面邊界條件為:

 ^{= −} ( ^< ( ) ^{> <} ( ) ^> )



 





∂

∂

∂

∂ u , v wu 0 , wv 0

D k _M

σ

σ

σ → 0

(17)

右邊項代表施於海表面的風應力，<wu(0)>與<wv(0)>為海表面的動 量通量(momentum flux)，並且海底的邊界條件為:

^{u , v C} [ ^{u 2 v 2} ] ^{1 2 ( u , v )}

D k

z

M  = +



 





∂

∂

∂

∂

σ

σ

σ → − 1

(18a)

( ( ( ) ) ) ^ _

 





= +

−

0025 . 0 / ,

1

ln _{1 0} ²

2

z H MAX k

C

kb

z σ

(18b)

k=0.4 為 Von Karman constant ， z

₀

是 海 底 粗 糙 係 數 (roughness parameter)。對於溫度、鹽度方程式(14),(15)垂直的邊界條件則為:

,  = − ( < ( 0 ) > , < ( 0 ) > )



 





∂

∂

∂

∂ S w wS

D

k _M θ

σ σ θ

σ → 0

(19)

,  = 0



 





∂

∂

∂

∂

σ σ θ S D

k _H

σ → − 1

(20)

<wθ(0)>與<wS(0)>為溫度與鹽度在表面的通量。

處理海岸邊界時，假設水分子、熱與鹽不會通透海岸線的邊界，邊 界條件如下表示( t, n 分別代表海岸線上之切線與垂直方向) :

U _{( t , n )} = 0

(21)

0 , ,

,  =



 





∂

∂

∂

∂

n t

S n t

θ

(22)

5.2 高雄港數值模式

高雄港數值模式的網格範圍，外海部份大致沿著水深 30 公尺的等深

線(如圖 18)，北至萬壽山的外海(離一港口燈塔約 3 公里處)，南至大林埔 外海(離二港口燈塔約 5 公里處)；港內的部份，直接包含整個港內為止。

在這樣的範圍內，其解析度為東西向 81 個網格點，南北向 179 個網格點，

網格的長寬各分為 100 公尺(圖 19)，在垂直網格上分為 5 層，每層之間的 距離視不同深度而定，但相同地點每層都是等間格的。另外，高雄港港灣 原來是西北—東南走向，而模擬的地形已把原來的方位順時針方向轉 30 度，也就是假設西北方向為模擬地形的正北方，東南向為正南方。

本實驗為了要探討各種不同的因子(如地形及氣候)對於高雄港內海水 的動力機制，所以模式模擬的網格也從簡單的規則地形到真實的地形，大

致把地形分為基本的地形(其中包括寬的航道和窄的航道)、一港口海堤、

二港口海堤等三個部份，但是沒有改變的是網格點的數目以及網格的大 小。圖 19 和圖 20 其中基本地形包含港外以斜率 1/200 的海底斜坡地形，

水深由沿岸的 10 公尺深到外海的 36 公尺深，以及港內水深固定為 10 公 尺的海盆。其次又細分為港內較寬的 2200 公尺以及較窄的 600 公尺。然 後，在從基本地形加入一港口海堤、基本地形加入二港口海堤、基本地形 加入一、二港口海堤，最後就是以真實的海岸線及海底地形來作模擬實驗。

模式中的參數 z0b(roughness parameter)為 0.001，aam(eddy viscosity)為 0.1m

²

/s，除了在河流模擬方面有加入低鹽度的淡水外，其餘都設定溫度為 24

^o

C 及鹽度為 33.0psu(如表 4)，也就是在正壓場(Barotropic field)的條件下 作模擬實驗。

而模式的邊界設定方面，南、北及西邊為開放性邊界，開放邊界的水 位問題，由於缺乏現場的水位資料，所以參考 Lee et al.(1999)之論文，使 用合成水位的方法，以孫(1999)在一二港口所作的調合分析所得的 K

₁

、O

₁

、 M

₂

及 S

₂

等四個分潮的振幅和相位差(如表 2)，然後再以此四個分潮來合成 水位加入北邊的邊界，而南邊的邊界則使用輻散公式(見 equation (23))來 作設定(Chapman, 1985)。

Gravity-wave radiation：

φ _t ± c φ _x = 0

c = gh

(23) 在水位輸入到第六天時，已經接近最大潮了，而本研究的暖機時間大約是

2 天，實驗取第 4 天到第 5 天。(見下圖)

T i m e ( d a y )

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0

S ea- s u r fac e E lev at io n ( m )

- 0 . 6 - 0 . 4 - 0 . 2 0 . 0 0 . 2 0 . 4 0 . 6

在南、北邊沿切線方向的流設定為 0，西邊是以南北向流為主，故在 西邊邊界上用上一個網格的陸地以簡化在西邊邊界條件。另一方面，為求 模式的穩定，則將該網格與鄰近的五個格點垂直於邊界方向的流速加權平 均，以做為下一個時間的邊界流。(設定方式如下)

J=jm

J=jm-1

[VA*0.25 VA*0.5 VA*0.25]*0.5

[VA*0.25 VA*0.5 VA*0.25]*0.5

A.北邊 邊 界 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

I= i-1 i i+1

VAF(i,jm)=0.5*(0.25*VA _i-1,jm +0.5*VA _i,jm +0.25*VA _i+1,jm )+

0.5*(0.25*VA _i-1,JM-1 +0.5*VA _i,jm-1 +0.25*VA _i+1,jm-1 ) (24)

J=3

J=2

B.南邊 邊 界 >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

[VA*0.25

[VA*0.25

VA*0.5

VA*0.5

VA*0.25]*0.5

VA*0.25]*0.5

I= i-1 i i+1

VAF(i,2)=0.5*(0.25*VA _i-1,3 +0.5*VA _i,3 +0.25*VA _i+1,3 )+

0.5*(0.25*VA _i-1,2 +0.5*VA _i,2 +0.25*VA _i+1,2 ) (25)

上面的 UA、VA、UAF、VAF 表示 external mode 的垂直平均流，F(forward) 代表下個時間的邊界流，下標(i,j)表示該網格的位置。internal mode 的邊界 流亦用同樣的方式處理。

鹽度的邊界處理方式則只考慮水平流(advection)的部份，並且考慮垂 直方向，切線方向不考慮，方程式如下(n 表示法線方向):

,  = 0



 





∂

∂

∂

∂

n U S t S

n

(26)

最後，在河流邊界方面，河水流量完全由邊界水位差(Δ

η

)所造成 的正壓流來控制，水位差越大則流量越大，邊界與河流之水位關係為 (

η

B

與

η _S

兩個的位置相差一個網格，如下圖):

η _B

=

η _S

+Δ

η

六、模擬結果

綜合以上的結果可知，影響高雄港流場的因子有潮汐、河流、氣象變 化(如降雨、風作用)以及地形等影響，因此本論文的模式大致分為 5 個實 驗(如表 3)。實驗 A 與實驗 B 分別以規則的半日分潮(M

₂

,振幅為 0.4 公尺) 和較複雜的混合潮(K

₁

、O

₁

、M

₂

、S

₂

)來輸入到模式中，在此兩個實驗中又 細分為 6 個不同海岸線與海底地形(見 5.2)，目的就是要藉此結果來說明 潮汐與地形對高雄港流場有什麼樣的影響；接著，實驗 C 和實驗 D 就是在 加入混合潮之後，分別再加入風應力和河流。根據蘇(1997)的報告中指出，

因為高雄港位置處在副熱帶氣候區，冬天主要是吹西北風，夏天是吹西南 風，所以本文把實驗 C 分為北風和南風的實驗。而實驗 D 是除了加入混合 潮外，再加入不同河流水位，其目的是要了解淡水排放量對於流場及鹽度 分佈的影響。實驗則是以風應力和河流同時加入混合潮模式中，期望可模 擬出更接近實際流場的結果。最後，本論文針對以上所模擬的結果，再進 一步來探討高雄港內隱含的動力機制。

6.1 模式驗證

POM 採用 time split 的方法，先於 external mode 計算水位與正壓流，

然後再將計算出的水位資料輸進 internal mode 裡計算三維的流場，因此模 擬出的水位如果不正確，便進而影響以後的計算，所以模式的驗證是使用 模式的最基本工作；換句話說，就是要比對模擬出的水位與現場觀測的狀

況是否吻合。

本實驗模式驗證資料有兩個來源:(1)由港研所提供在 1997 年 10 月 28 日到 11 月 7 日的中洲及大林埔外海每一小時的水位資料和海流資料；(2) 由高雄港務局提供在 1997 年 10 月 1 日到 11 月 30 日的 10 號碼頭每一小 時的水位資料。因為模式的水位所輸入的位置是在北邊的邊界，對應實際 的地形應該是在左營的壽山外海，但是此區是屬於軍事區，鮮少有學者在 此區放置儀器測量海流或水位，自然地在此區的水位資料是相當缺乏的。

為了要驗證模式是否準確，水位必需以實測的水位資料輸入，再取出實測 所對應位置的水位資料與實測的水位作圖比較。本實驗是調整中洲每一小 時水位的相位差來計算左營外海的水位，再使用 cubic spline 的程式內插成 每一秒的水位資料，接著輸入模式北邊的邊界模擬 5 天，由於模擬的範圍 不大並且模式大約 36 小時就穩定下來了，模擬水位取自第 2 天到第 5 天，

相當於 10 月 30 日 13:00 到 11 月 2 日 12:00。

本實驗根據實測對應在模式的位置，取出了在中洲、大林埔以及 10 碼頭三個位置模擬的水位資料，再與實測的水位資料作圖(圖 21)。在圖中 顯示出在模擬的水位與實測的水位之相位差很小，所以模式所模擬出的水 位與實測非常吻合。圖 21d、圖 21e 分別是三個位置的實測水位及模擬水 位比較圖，其結果顯示出不管是實際情況或模擬結果，潮汐波傳遞的速度 是很快的。從圖 22 的海流棍棒圖來看，經過 38 小時高頻過濾的實測流速

比起模擬的流速來的大，而且實測的海流往返運動比模擬的海流更是明 顯，但是在流向方面，其趨勢大致類似。

6.2 模式結果 6.2.1 潮汐—M2

本實驗欲探討各種不同的海底地形在不同的潮汐情況下，造成什麼樣 的流場機制，將要在這一小節清楚地說明。對於模式的地形種類共分為 7 種(圖 19)，而模式的水位輸入也分為半日分潮(M

₂

)及混合潮(K

₁

、O

₁

、M

₂

、 S

₂

)。為了配合實際的地形和名稱，本實驗稱北邊港口為一港口、南邊港口 為二港口，令水位降低稱為退潮，水位升高稱為漲潮。

6.2.1.1 海底地形一—基本地形(寬)

本實驗稱為 A-1，實驗 A-1 是在基本地形(港內較寬)以半日潮潮汐所 模擬的實驗(見圖 23)，而港內較寬是指港內航道寬度為 2200 公尺。圖 23 是取一個潮汐週期模式中的第二層流場資料。在 ebb1 是處在退潮的時刻，

海流從南邊流到北邊，並且在一港口有很強的海流往港外流出，其流速可 達到 60 cm/s 以上，但是在二港口流速卻很小。另外，在港灣內的北邊有 一個明顯渦流，南邊則否。在 ebb2 時已接近低平潮，此時外海的海流最 強，但在一港口處流速及港內的渦流明顯減弱，二港口海流增強，顯示出

此時潮汐正在轉型。在 flood1 的時刻，進入了漲潮的階段，在一港口處海 流原先流向港外，此時已轉向為港內；二港口卻仍處在漲潮流入港內的狀 況。在外海的海流部份，是屬於退潮的情況。在 flood2 的時刻，外海的海 流大致處在平潮的時候，所以海流很小，故流場較亂。不過，在接下來的 flood3 時，外海的漲潮流增加到最強。在 flood2 到 flood3 期間，一港口處 的海流和港內的渦流也已達到最大最明顯；二港口流速則不明顯。到了 ebb3 的時刻，也就是剛要開始退潮時，一港口處的海流立即以退潮流作回應，

外海的海流則是處漲潮。

縱合以上得知外海的海流並不是與潮汐完全成正相關。在退潮時的前 半時期，外海的海流仍處於漲潮情況，但在後半時期之後才會轉向成退潮 的情況，而且一直持續到漲潮的前半時期。相似地，在漲潮時也是有這樣 的情況；前半時期是退潮情況，後半時期才轉為漲潮情況。出海口的海流 與潮汐的相關性比起外海海流對潮汐的相關性來的高。圖24是在模擬的區 域內任取 (21,101)和(51,139)的海流資料與(10,100)的水位資料所繪成的 時間序列關係圖，(21,101)和(10,100)均位於外海，(51,139)是在一港口的 位置。從圖24明顯看出外海海流與水位有1/2週期的相位差；換句話說，當 漲潮漲到最高時，向南的流速達到最大，然後流速慢慢地減慢至水位為零 時，海流開始轉向為向北的方向，接著又慢慢地增強；當退潮退到最低點 時，向北的流速達到最大，以此機制一直循環下去。而在一港口處海流與

水位有著約1/4週期的相位差，與Van et al (2001)的論文中所提到在典型的 半封閉港灣，水位與海流通常有90度的相位差的結果一致。因此在流場的 資料來看，很明顯外海海流的變化比起港口或港內的海流變化來的慢。

6.2.1.2 海底地形二—基本地形(窄)

本實驗稱為 A-2，實驗 A-2 是在基本地形(港內較窄)以半日潮潮汐所 模擬的實驗(見圖 25)，而港內較窄是指港內航道寬度只有 600 公尺。在這 次的實驗當中，在外海所模擬出來的流場大致上與實驗 A-2 的相似，漲潮 向南，退潮向北，海流與水位變化正好負相關。

從港內的海流流場來看，其結果就大大地不同了。在實驗 A-1 中，當 開始退潮時，一港口的海流即刻從流進港內的方向轉為流出港外的方向，

同時地在二港口海流是處在平潮，造成海流從一港口海流流出港外，二港 口海流不明顯的情形。過了不久，當二港口開始要退潮時，因一港口的海 流流出港外的速度很大，平均速度在 20~30 cm/s 之間，所以一港口退潮期 間，有大量的港內的海水已由一港口流出了，使得港內整個水位降低，所 以造成二港口流速很小甚至往港內流。相反地，當水位開始漲潮時，在一 港口的流速也由小漸漸地增強，流速最大可達 50 cm/s，但二港口的流速不 大。在實驗 A-2 中，一港口流場流況大致與實驗 A-1 的情況類似，差異較 大的部份是南邊；在退潮時，一港口的海流流出港外，但是在二港口則很

明顯地往港內流，其流速可達到 0.3m/s；在漲潮時，外海的海流從一港口 流進，流經中間航道，再從二港口流出，因此造成退潮海流由二進一出，

漲潮由一進二出。在這兩個實驗比較下，很明顯地顯示出在實驗 A-1 中，

一港口的漲退潮流非常明顯且隨水位變化而變化，二港口則不明顯；但是 在實驗 A-2 中，漲退潮時一二港口海流與水位則很明顯有互動的關係。因 此造成如此大的差異是由港內面積的大小所致；簡單來說，若港內的面積 大，退潮時，港內有足夠的海水供應退潮所帶出去的海水，對於港灣內的 水位降低影響很小；漲潮時，由外海所帶進來的海水因港內寬廣，對於港 內的水位上升影響不大，所以才會產生在實驗 A-1 所模擬的流場流況—一 港口海流進出明顯，二港口海流不明顯。相反來說，若港內面積狹小的話，

退潮時，港內的海水大量往港外流出，因港灣面積太小，不足以供應退潮 所帶出去的海水，導致二港口港內附近的水位快速下降，使得外海海水得 以流進港內，因此造成在兩港口裡一個港口流進一個港口流出的情況。

6.2.1.3 海底地形三—基本地形+北邊海堤

本實驗稱為 A-3，實驗 A-3 是在基本地形加入北邊海堤以半日潮潮汐 所模擬的實驗(見圖 26)。在此實驗模擬出的流場大致上與實驗 A-2 的結果 相似，只不過在漲退潮時北邊海堤的背流處(leeward)有一個明顯渦流出 現。另外，海堤會減慢在一港口進出的海流流速，其平均流速大約從 0.25m/s

降至 0.1m/s(如圖 29)。相似的情況也發生在實驗 A-4 與實驗 A-5。

6.2.1.4 海底地形四—基本地形+南邊海堤

本實驗稱為 A-4，實驗 A-4 是在基本地形加入南邊海堤以半日潮潮汐 所模擬的實驗(見圖 27)，也就是以實驗 A-2 在二港口加入海堤。在此實驗 所模擬的流場大致上與實驗 A-2 的結果相似，在南邊海堤的背風處明顯也 有渦流產生，在二港口海流的流速也有減緩的趨勢，但是南邊港口流速原 先就不大，所以海堤影響的程度比起一港口小。

6.2.1.5 海底地形五—基本地形+南、北邊海堤

本實驗稱為 A-5，實驗 A-5 是在基本地形加入南、北邊海堤以半日潮 潮汐所模擬的實驗(見圖 28)，也就是綜合實驗 A-3 及實驗 A-4。想當然，

此實驗的結果也包含了實驗 A-3 及實驗 A-4 的流場特性。不過，因為在一 二港口加入海堤，不僅減緩了一港口的流速，也減緩了二港口的流速，造 成了在港內的整個平均流速比起外海的流速減慢許多。此外，在一二港口，

它的流況仍是一個港口流進一個港口流出，並無同進同出的情形產生。

6.2.1.6 海底地形六—真實地形

最後，本實驗是用真實的海底地形以半日潮潮汐來作模擬實驗，本實

驗稱為實驗 A-6。在真實的海底地形比起實驗 A-5 所用的規則地形複雜的 多(如圖 30)，在實際的海底地形是岐嶇不平的，其中深度變化最大範圍約 在 10~15 公尺。因為高雄港的真實地形在南邊的外海到二港口海堤，其形 狀似梯形形狀，所以當退潮朝北時，外海海流流至二港口海堤南邊會有擠 壓的作用，此區的流速會增大；相反地，當漲潮時，海流行經此區會散開 的作用，流速會偏小。在港內部份，實際地形的航道的寬度更不到 300 公 尺，比起實驗 A-5(寬度 600 公尺)還要窄，所以當水位退潮時，港內的海 水幾乎都是由航道的南邊往北邊的地方流，接著從一港口處流出港外。當 水位漲潮時，海水由一港口流進港內，然後再由二港口的地方流出去。因 為港內的海岸線崎嶇不平，阻礙了海水流經的路徑，故整個港內的平均流 速不及在實驗 A-5 中港內的平均流速。除此之外，也從本實驗中發現在高 低平潮的時刻，南北邊港口海流同進同出的情形發生，造成同進同出的機 制從模式結果很清楚地展示出來，原因是在退潮時，一港口海流是流出港 外，二港口是流進港內的；當水位降至低平潮將要轉成漲潮時，一港口的 海流立即從退潮流轉成漲潮流，又加上在港內航道海岸線並不是很平滑，

阻礙從一港口海流流向南，使得二港口的海流暫時不受一港口海流的影 響，故呈現出流進港內的情況。相反地，原先在漲潮時一港口海流是流進 港內，二港口海流是流出港外的；當水位升到高平潮將要轉成退潮時，一 港口海流立即從漲潮流轉成退潮流，相同地受到港內航道海岸線不平滑的

影響，使得二港口海流仍處在流出的階段。綜合以上的原因，決定一二港 口的海流是否同進出的因子是港內海岸線的平滑程度，並且是發生在高低 平潮的時刻，出現時間很短暫，不到兩小時。

6.2.2 潮汐—混合潮

此實驗總稱為實驗 B，與實驗 A 所使用的地形完全相同，不過模式的 潮汐水位是使用合成水位的方法。其方法就是先是用水位計實際測量水 位，再利用調合分析計算出潮汐各種分潮的振幅以及相位差。最後，利用 分析出來的振幅及相位差代入計算潮汐波的公式以計算出水位高度，再以 此值輸入模式北邊的邊界水位上。根據表 2 所計算出來的水位分為四個相 位，higher high water、lower low water、lower high water 和 higher low water。

實驗 B-1(圖 31)~實驗 B-6(圖 36)圖的結果大致與實驗 A-1~A-6 相似，

不過水位變化方面較半日潮的 M2 來的複雜。本實驗的結果取自模式中第 二層且在一個全日潮週期的資料。在這複雜的水位變化，退潮時共分為兩 段：一是 Higher high water 到 Lower low water，其水位在此期間變化為最 大，可達到 0.8 公尺，所造成在南北港口的退潮流流速也是最大。二是 Lower high water 到 Higher low water，水位變化最小，其值不到 0.15 公尺；在此 時間內兩港口的退潮流流速為最小。另外，在漲潮時也分為兩段：一是從 Lower low water 到 Lower high water，因此段水位變化不到 0.25 公尺。二

是從 Higher low water 到 Higher high water，此段水位變化較之前段漲潮來 的高，有 0.6 公尺的變化，當然漲潮流在此段時間內其值也較大。本實驗 試著要在混合潮與半日潮的流場中找出其差異性，發現在水位變化較大 時，其流場的差異性很小，如 Higher high water 到 Lower low water 和 Higher low water 到 Higher high water。不過在其他兩段潮位中，就可沒有如此單 純的結果。比如在 Lower low water 到 Lower high water，因為漲潮造成的 水位變化不大，故當退潮流要轉成漲潮流的不久，其水位馬上轉為退潮的 階段即 Lower high water 到 Higher low water，所以此時的漲潮流又轉回退 潮流，故在這樣子的水位變化中，常見到的情況是此時是漲潮水位，但是 海流仍是退潮。水位變化最小的退潮—Lower high water 到 Higher low water，在此時段的海流因水位變化最小，故流速也為最小。另外，外海的 海流也變的比較不規則，呈現退潮流的時間大約有 16 小時，漲潮流卻大 約只有 8 小時左右，造成如此的主要原因是，因為在水位變化較小的漲潮 及退潮期間內，漲潮流不明顯，有時還會被退潮流取代，所以才會產生主 要以退潮流為主的流場。殘餘流(residual flow)是在一個全日週期內，所有 的流速總合平均。圖 37 是在實驗 B-6 的結果計算出來的殘餘流，在這張 圖明顯地顯示出在一個全日週期內的淨流是由南往北流，而港內的流速均 很小，只有在一港口的海流較稍微強而已，所以其代表著在港灣內的潮流 是規則穩定地進出港灣。

6.2.3 風應力的效應—實驗 C

本小節主要是要探討風應力在高雄港海域裡所產生的效應。因為在實 測的結果當中的兩次測得的流場有同進同出的情形，再從氣象資料(表 1) 中發現這兩次觀測時間內的平均風速風向分別在 10 月有較強北風及在 6 月有較強的南風，風速為 11.9m/s 及 12.7m/s，所以本論文也把風應力的效 應作為研究的一部份，而風應力的計算公式則使用半經驗公式，如下:

τ = 0 . 002 W ²

W

:風速，m/s

本實驗 C 分為兩個部份，一為實驗 C-1，就是當北風以 2dyne/cm

²

的風應 力吹拂，相當於風速 10m/s；二為實驗 C-2，當南風以 2dyne/cm

²

的風應力 吹拂，也是相當於風速 10m/s；另外，本論文也取自實驗 B-6 的結果，因 為實驗 B-6 只有以真實地形並使用單純的混合潮來驅動模式海流，以此實 驗來作對照組。在這三個實驗(實驗 B-6、C-1 和 C-2)的模式設定上只差別 是否有南北風應力的加入，藉此才能清楚看出風應力對於流場的影響程 度。

6.2.3.1 風應力—北風

先從實驗 B-6(圖 36)與實驗 C-1(圖 38)來作比較，其結果再細分為外 海的部份與港內的部份。在外海的部份發現當有比較強的北風吹拂時，近

岸的海流除了在退潮的潮流最大時，其流向向北外，其餘的時刻均向南。

因為較靠近岸的海流受到與海岸固體摩擦力的影響，因而速度較慢又加上 較強北風的效應，使得原先流速較慢的近岸海流流向南邊。相反地，漲潮 時倒是有加強海流流向南的流速。在港內的部份，退潮時航道海流的流速 有減慢的情形；漲潮時，航道內的流速也有增快的情況；大致來看，港內 的海流仍是以潮流為主，所以整體來說北風的效應仍小於潮汐的效應。除 此之外，在這兩個實驗(實驗 B-6 與實驗 C-1)差異較明顯的地方是在二港 口附近。退潮時，因為北風的作用阻礙二港口的海流往北流，所以在二港 口處的海流流速很小；漲潮時，就恢復跟實驗 B-6 相似，由一港口進二港 口出。再從一二港口海水進出的情形來看，退潮轉成漲潮時，一港口海水 從往外流轉成往港內流；二港口內因北風的影響，阻礙了原先要從港外流 進的海流，所以流速則很小，處於類似的平潮階段，形成一港口進二港口 不明顯的情形；但在漲潮轉成退潮時，一港口海水從流進港內轉成流出港 外，而二港口海水仍處於原先漲潮時往外流的方向，形成海流一港口出二 港口也出的情況。而在北風盛行下的殘餘流 (圖 39) ，外海只有沿岸有較 明顯的向南流，而離岸的淨流則與實驗 B-6 相似；在港灣內的一、二港口 流速很小，前鎮河區域的海水表層上只有一個流速不大的渦流存在。

6.2.3.2 風應力—南風