國立中山大學學位論文典藏.PDF

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1 國 立 中 山 大 學 海 洋 生 物 科 技 暨 資 源 研 究 所 碩 士 論 文 指 導 教 授 : 曾 若 玄 博 士 利 用 Lowered ADCP 觀 測 蘭 嶼 附 近 的 黑 潮 流 場 Observations of Kuroshio flows near Lanyu by using Lowered ADCP 研 究 生 : 楊 財 銘 撰 中 華 民 國 九 十 七 年 一 月

2 謝 誌 在 這 段 日 子 裡, 首 先 感 謝 我 的 指 導 教 授 曾 若 玄 老 師, 謝 謝 老 師 ㄧ 路 以 來 的 指 導 感 謝 中 山 大 學 海 工 系 李 忠 潘 老 師 海 軍 官 校 楊 穎 堅 老 師 中 山 大 學 海 下 物 所 陳 冠 宇 老 師 在 口 試 時 給 予 指 正 感 謝 教 育 部 五 年 五 百 億 經 費 支 持 本 校 黑 潮 圈 計 畫, 讓 我 們 實 驗 室 能 夠 添 置 儀 器 並 完 成 觀 測 作 業 感 謝 海 研 三 號 林 嘉 向 學 長, 在 我 出 海 觀 測 時 對 我 的 協 助 特 別 感 謝 張 育 嘉 學 長, 不 論 是 學 業 或 生 活 上, 當 我 面 臨 問 題 時, 你 總 是 用 你 獨 特 的 方 式 帶 我 走 出 困 境, 謝 謝 你 也 很 感 謝 學 長 沈 勇 廷 陳 育 村 劉 俊 志, 學 姊 石 蓮 滿, 同 學 傅 科 憲 吳 君 豪 吳 瑞 中 張 鈞 翔 徐 堂 家 林 育 如 和 學 弟 邵 煥 傑 廖 允 強 張 永 昇 梁 家 睿 出 海 觀 測 時 的 協 助 幫 忙 最 後 感 謝 我 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 II

3 摘 要 近 十 年 來 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (Lowered ADCP, 簡 稱 LADCP) 已 經 成 為 國 際 海 洋 學 界 上 觀 測 整 層 海 流 剖 面 分 佈 的 一 項 重 要 儀 器, 這 套 設 備 的 基 本 操 作 原 理 便 是 將 一 個 或 兩 個 自 記 式 ADCP 連 同 CTD 溫 塩 深 儀 一 起 在 水 文 探 測 作 業 時 下 放 到 海 中, 藉 由 適 當 的 資 料 處 理 程 序 便 可 以 取 得 整 層 海 流 的 垂 直 分 佈 本 研 究 分 別 於 2007 年 4 月 21~25 日,7 月 7~10 日 以 及 10 月 11~13 日 利 用 國 內 第 一 套 的 LADCP 設 備 完 成 了 蘭 嶼 海 域 黑 潮 三 個 航 次 的 探 測, 收 集 了 多 個 測 站 的 海 流 資 料 研 究 結 果 顯 示, 黑 潮 有 一 支 主 軸 是 存 在 於 台 灣 與 蘭 嶼 之 間, 其 強 度 與 位 置 隨 著 季 節 而 變 化, 上 層 海 流 往 北 的 最 大 流 速 有 70~140 cm/s,10 月 的 流 速 較 強 ( 最 大 ~140 cm/s), 並 可 從 海 面 延 伸 到 約 400 m 的 深 度 ;7 月 的 流 速 次 之 ( 最 大 ~100 cm/s), 可 延 伸 到 海 面 下 600 m 的 深 度 ;4 月 的 流 速 較 弱 ( 最 大 ~90 cm/s), 可 延 伸 到 海 面 下 400 m 的 深 度 靠 近 台 灣 東 南 側 沿 岸 的 海 流 中 層 ( 水 深 約 介 於 200 m 到 800 m 之 間 ) 有 一 股 朝 南 的 反 流, 流 速 在 30 到 60 cm/s 之 間, 觀 測 到 的 這 股 反 流 以 4 月 最 大 (~60 cm/s),7 月 次 之 (~40 cm/s),10 月 較 小 (~30 cm/s) 4 月 航 次 在 蘭 嶼 東 邊 的 海 域 發 現 一 個 海 表 面 高 度 較 低 逆 時 針 方 向 旋 轉 的 冷 渦 另 外,7 月 航 次 的 觀 測 結 果 顯 示, 黑 潮 流 向 會 受 到 當 III

4 地 潮 汐 的 影 響, 退 潮 時 向 西 北 流, 漲 潮 時 向 東 北 流 根 據 溫 鹽 資 料 的 分 析 結 果, 在 蘭 嶼 附 近 的 海 域, 越 接 近 夏 季, 南 海 水 入 侵 黑 潮 流 域 的 趨 勢 越 為 顯 著 IV

5 Abstract In the last decade the lowered Acoustic Doppler Current Profiler (LADCP) has become an important instrument in measuring full-water-depth profile of velocity in the open ocean. The basic principle of the LADCP is to lower one or two self-contained ADCP, one looking downward and the other looking upward, together with the CTD rosette during the hydrographic cast. After careful analysis of the ADCP data it is possible to retrieve surface to-bottom profile of horizontal current velocity. In the present study we have conducted three cruises (21-25 April, 7-10 July and October of 2007) in the Lanyu area to survey the Kuroshio flow structure by using the first set of LADCP in Taiwan. A total of 34 LADCP/CTD casts were completed. The results indicate that a major branch of the Kuroshio is located at the region between Taiwan and Lanyu, with a seasonal variation of flow intensity and vertical extent. Surface currents can reach a maximum speed of cm/s northward. Kuroshio has a strongest speed (~140 cm/s) in October followed by July (~100 cm/s) and April (~90 cm/s). The vertical extent of the Kuroshio can extend to 400-m depth in October, 600-m depth in July and 400-m depth in April. A southward reverse current can be observed off the southeast Taiwan coast in depths between 200 and 800 m and the speed ranges between 30 and 60 cm/s. This southward flow is strongest in April (~60 cm/s), followed by July (~40 cm/s) and October (~30 cm/s). A cyclonic, cold eddy was observed in the eastern side of Lanyu from the shipboard ADCP data during the April cruise. The Kuroshio flows to the northwest during ebbs and to the northeast during floods from the LADCP V

6 observations at different tidal phases in July. Finally, analysis of the temperature-salinity characteristics of the CTD data reveals that the South China Sea waters can penetrate into and mix with the Kuroshio waters more significantly in summertime than in other season. VI

7 目 錄 章 次 頁 次 中 文 摘 要...III 英 文 摘 要...V 目 錄...VII 圖 目 錄...IX 表 目 錄...XI 一 前 言...1 二 研 究 區 域 地 理 位 置 及 海 底 地 形 基 本 潮 位 分 析 風 場...7 三 實 驗 設 計 與 資 料 來 源 LADCP 基 本 操 作 與 施 放 情 形 Sb-ADCP CTD 水 文 資 料...13 四 資 料 分 析 LADCP 資 料 分 析 的 兩 種 方 法...14 VII

8 4.1.1 剪 切 法 (Shear method) 逆 推 法 (Inverse method) LADCP 資 料 處 理 過 程 LADCP 數 據 後 期 處 理 的 困 難 處...18 五 結 果 與 討 論 LADCP 與 Sb-ADCP 的 流 速 比 較 資 料 品 質 流 場 的 季 節 性 變 化 台 灣 東 南 沿 岸 的 反 流 與 蘭 嶼 東 邊 的 冷 渦 潮 汐 的 影 響 南 海 水 與 黑 潮 水 的 混 合...28 六 結 論 與 建 議...30 七 參 考 文 獻...32 VIII

9 圖 目 錄 圖 1. 研 究 區 域 的 地 理 位 置 及 等 深 線 圖.. 34 圖 2. 蘭 嶼 海 氣 象 測 站 的 潮 序 圖 (a) 是 2007 年 4 月 的 潮 位 變 化 ; (b) 是 7 月 的 潮 位 變 化 35 圖 3. 蘭 嶼 氣 象 站 的 風 向 與 風 速 大 小 (a) 的 時 間 是 2007 年 4 月 20~26 日 ;(b) 是 7 月 6~11 日 ;(c) 是 10 月 10~14 日 圖 4. 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (LADCP) 與 溫 鹽 深 儀 (CTD) 鐵 組 圖 年 4 月 CR1217 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置..38 圖 年 4 月 CR1217 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置 圖 年 10 月 CR1250 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置..40 圖 年 10 月 CR1250 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置 圖 9. 測 站 T1 與 K1 的 LADCP 儀 器 之 (a) 下 放 與 上 收 速 度 W (m/s), 用 顏 色 來 表 示 W 大 小 ; (b) 是 在 水 面 下 的 位 置 ; (c) 代 表 傾 斜 角 大 小 圖 10. 四 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 四 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 K1 測 站, (b) 是 K2 測 站, (c) 是 T1 測 站, (d) 是 T2 測 站 紅 色 實 線 代 表 LADCP 的 U 綠 色 實 線 代 表 LADCP 的 V, 黑 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 U, 藍 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 V 圖 11. 七 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 六 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 T1 測 站 cast 1, (b) 是 T1 測 站 cast 2, (c) 是 T2P 測 站 cast 1, (d) 是 T2P 測 站 cast 2, (e) 是 T2 測 站 cast 1, (f) 是 T2 測 站 cast 圖 12. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 一 次 觀 測 5 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 1, (b) 是 S3 測 站 cast 1, (c) 是 S4 測 站 cast 1, (d) 是 S5 測 站 cast 1, (e) 是 S6 測 站 cast1. 45 圖 13. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 二 次 觀 測 6 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 2, (b) 是 S2 測 站 cast 2, (c) 是 S3 測 站 cast 2, (d) 是 S4 測 站 cast 2, (e) 是 S5 測 站 cast 2, (f) 是 S6 測 站 cast2.46 圖 14. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 三 次 觀 測 4 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 3, (b) 是 S2 測 站 cast 3, (c) 是 S3 測 站 cast 3, (d) 是 S1 測 站 cast 3 47 圖 15. 四 月 航 次 蘭 嶼 東 邊 四 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 K3 測 站, (b) 是 K4 測 站, (c) 是 T3 測 站, (d) 是 T4 測 站..48 圖 16. 七 月 航 次 蘭 嶼 東 邊 兩 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 T3 測 站 cast 1, (b) IX

10 是 T4 測 站 cast 1, (c) 是 T3 測 站 cast 2, (d) 是 T4 測 站 cast 2 49 圖 17. 研 究 區 域 內 有 發 現 到 反 流 的 測 站 流 剖 圖 (a) 是 4 月 航 次 K1 站, (b) 是 4 月 航 次 K1 站, (c) 是 7 月 航 次 T1 站 cast 1, (d) 是 7 月 航 次 T1 站 cast 2, (e) 是 10 月 航 次 S1 站 cast 1, (f) 是 10 月 航 次 S1 站 cast 2 黑 色 實 線 代 表 流 速 為 0 的 地 方 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖 資 料 取 的 是 第 一 個 bin 的 Long time Average( 每 10 分 鐘 一 筆 data) 的 海 流,bin 的 範 圍 約 在 水 深 12m~20m 的 地 方 ( 每 個 bin 設 為 8 公 尺 ), 箭 頭 代 表 流 速 大 小 與 流 向. 51 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖, 由 上 至 下 依 序 為 12~20m 44~52m 92~100m 140~148m 的 深 度 52 圖 年 4 月 21~25 日 的 海 表 面 高 度 距 平 值 SSH 圖 由 上 到 下 依 序 為 21 至 25 日, 左 邊 尺 度 較 小, 右 邊 尺 度 較 大..53 圖 21. (a) 代 表 7 月 航 次 T2P 測 站 第 一 次 觀 測 的 流 剖 圖, (b) 代 表 T2P 測 站 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖, (c) 是 蘭 嶼 2007 年 7/7~7/11 日 的 潮 序 圖..54 圖 月 航 次 第 一 次 觀 測 的 流 剖 圖 ( 沿 著 緯 度 線 ; 經 度 介 於 121 ~122 之 間 ), (a) 代 表 東 西 向 流 速 U, (b) 代 表 南 北 向 流 速 V.55 圖 月 航 次 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖 ( 沿 著 緯 度 線 ; 經 度 介 於 121 ~122 之 間 ), (a) 代 表 東 西 向 流 速 U, (b) 代 表 南 北 向 流 速 V 56 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖,(a) 代 表 第 一 次 觀 測 時,T1 站 到 T4 站,(b) 代 表 第 一 次 觀 測 時,T4 站 返 回 T1 站,(c) 代 表 第 二 次 觀 測 時,T1 站 到 T4 站,(d) 代 表 T4 站 由 右 至 左 返 回 高 雄 港...57 圖 月 航 次 的 溫 鹽 圖, 紅 色 線 代 表 南 海 水, 黑 色 線 代 表 黑 潮 水, 而 測 站 的 水 文 特 性 用 藍 色 線 來 表 示 上 方 的 圖 為 蘭 嶼 北 方 的 K 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 K1~K4 測 站 ; 下 方 的 圖 為 蘭 嶼 南 方 的 T 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 T1~T4 測 站 圖 月 航 次 兩 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a) (b) 代 表 T1 站 的 兩 次 觀 測,(c) (d) 代 表 T2P 站 的 兩 次 觀 測, (e) (f) 代 表 T2 站 的 兩 次 觀 測.59 圖 月 航 次 兩 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a) (b) 代 表 T3 站 的 兩 次 觀 測,(c) (d) 代 表 T4 站 的 兩 次 觀 測 60 圖 月 航 次 T2 T3 站 與 7 月 航 次 T2 T3 站 第 一 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, 紅 色 線 代 表 南 海 水, 黑 色 線 代 表 黑 潮 水, 而 測 站 的 水 文 特 性 用 藍 色 線 來 表 示.61 圖 月 航 次 第 一 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(f) 依 序 代 表 S1~S6 測 站 62 圖 月 航 次 第 二 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(f) 依 序 代 表 S1~S6 測 站 63 圖 月 航 次 第 三 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(d) 依 序 代 表 S1~S4 測 站 64 X

11 表 目 錄 表 1. 蘭 嶼 2007 年 4 月 ~8 月 潮 位 調 和 分 析 結 果 表 2. 三 個 航 次 各 測 線 及 測 站 的 詳 細 經 緯 度 資 料 XI

12 ㄧ 前 言 太 平 洋 的 北 赤 道 流, 為 全 球 主 要 的 洋 流 之 一, 向 西 流 經 呂 宋 島 時 分 為 南 北 兩 支, 南 支 為 民 答 那 峨 海 流 (Mindanao Current), 北 支 即 是 台 灣 東 緣 的 黑 潮 (Kuroshio), 黑 潮 流 至 琉 球 與 日 本 海 域 時, 日 人 稱 之 為 黑 潮 黑 潮 又 名 為 台 灣 海 流 (Taiwan Current), 是 北 太 平 洋 很 強 的 西 方 邊 界 流, 在 呂 宋 海 峽 和 台 灣 東 側 的 寬 度 約 有 140 km, 具 有 高 溫 高 鹽 高 流 速 高 傳 輸 量 等 特 性 最 大 流 速 每 秒 介 於 1 ~ 1.5 公 尺, 而 流 通 量 約 有 28 到 43 Sv (Nitani, 1972) 而 劉 等 (1998) 在 1990 年 10 月 至 1995 年 5 月 間, 沿 著 宜 蘭 海 脊 調 查 台 灣 海 流 ( 黑 潮 ) 的 水 文, 量 測 其 流 速 結 構 與 流 量, 此 項 調 查 屬 於 世 界 海 洋 環 流 實 驗 (WOCE) 的 一 部 份, 發 現 以 地 轉 流 速 推 算 台 灣 海 流 流 量 為 18.7 Sv 至 44.2 Sv 之 間, 在 600 公 里 下 游 的 琉 球 附 近, 黑 潮 流 量 在 0 至 46.8 Sv 之 間 在 台 灣 和 與 那 國 島 之 間, 黑 潮 的 流 軸 多 半 靠 台 灣 這 邊, 在 上 層 350 m 的 流 量 是 19.7 Sv, 若 利 用 地 轉 流 切 推 算 350 m 以 下 的 流 速, 可 得 總 流 量 約 22.6 Sv, 它 與 琉 球 西 方 的 黑 潮 10 年 平 均 流 量 25.5 Sv 相 當 由 於 黑 潮 攜 帶 大 量 的 水 熱 量 及 鹽 類, 經 台 灣 東 岸 向 北 傳 輸, 對 西 北 太 平 洋 區 的 循 環 有 莫 大 的 影 響 1

13 在 台 灣 和 呂 宋 之 間, 沿 著 黑 潮 流 徑 有 座 海 底 山 脊 在 蘭 嶼 (21 55'N,122 33'E) 附 近 的 黑 潮 流 速 結 構 受 到 此 地 形 很 大 的 影 響 在 山 脊 東 邊 的 斜 坡 上 常 可 發 現 一 股 反 流, 其 寬 度 可 達 50 km 自 1985 年 以 來, 使 用 溫 鹽 深 儀 (CTD) 的 重 覆 調 查 顯 示, 海 底 山 脊 東 坡 上 的 海 流 以 南 向 次 數 居 多 山 脊 鞍 部 的 表 層 流 為 東 北 向 或 西 北 向 的 地 衡 流, 但 是 其 底 層 流 則 為 壓 力 與 摩 擦 力 平 衡 的 穩 定 西 向 流, 將 西 菲 律 賓 海 的 中 層 水 及 底 層 水 經 巴 士 海 峽 輸 送 到 南 海 ( 劉 等, 1995) Liang et al.(2003) 利 用 1991~2000 年 的 Sb-ADCP 流 速 資 料 分 析 台 灣 週 邊 海 域 上 層 流 速 (<300 m), 文 中 提 出 黑 潮 流 經 台 灣 東 南 方 時 會 產 生 兩 個 支 流, 其 中 一 個 支 流 則 沿 著 台 灣 東 邊 往 北 流, 另 一 個 支 流 流 進 南 海 在 台 灣 東 邊 黑 潮 的 寬 度 約 100 km, 其 最 大 流 速 約 100 cm/s 在 每 年 東 北 季 風 盛 行 期 間, 黑 潮 主 軸 會 比 較 貼 近 台 灣 東 岸, 部 分 黑 潮 支 流 會 從 呂 宋 海 峽 進 入 南 海 北 部, 並 沿 著 大 陸 棚 邊 緣 進 入 台 灣 海 峽 南 部 而 夏 季 西 南 季 風 盛 行 期 間, 上 述 黑 潮 入 侵 南 海 的 現 象 則 不 存 在, 取 而 代 之 的 則 是 南 海 水 經 由 呂 宋 海 峽 流 入 台 灣 東 岸, 與 黑 潮 水 混 合, 使 得 黑 潮 主 軸 向 東 偏 移 另 外,Centurioni et al. (2004) 指 出 表 層 浮 標 只 有 在 十 月 至 一 月 期 間 會 從 菲 律 賓 海 穿 越 呂 宋 海 峽 到 達 南 海 的 內 部, 平 均 速 度 為 70± 40 cm/s, 最 大 每 日 向 西 速 度 超 過 165 cm/s, 其 他 季 節 浮 標 會 隨 著 黑 潮 以 套 流 的 流 動 方 式 穿 越 呂 宋 海 峽, 然 後 沿 著 2

14 台 灣 的 西 南 海 岸 退 出 呂 宋 海 峽 Hwang et al. (1996) 利 用 TOPEX/POSEIDON (T/P) 高 度 計 資 料 研 究 黑 潮 流 速 隨 著 季 節 的 變 化, 研 究 結 果 指 出 黑 潮 行 徑 軌 跡 最 大 速 度 斜 壓 流 量 及 寬 度 的 平 均 變 化 量 分 別 為 22 km 19 cm 8 Sv 及 27 km 上 述 有 關 黑 潮 的 結 論 是 前 人 利 用 衛 星 高 度 計 資 料 (Hwang et al. 1996) 與 漂 流 浮 球 資 料 (Centurioni et al. 2004), 以 及 錨 碇 式 和 船 碇 式 ADCP 資 料 (Liang et al. 2003), 分 析 得 到 的 成 果 但 這 些 資 料 不 可 避 免 地 都 具 有 一 些 先 天 性 的 限 制 例 如, 漂 流 浮 球 錨 碇 式 和 船 碇 式 ADCP 資 料 和 衛 星 高 度 計 資 料 都 侷 限 在 海 洋 表 面 附 近, 無 法 獲 得 中 下 層 海 流 的 資 訊 近 十 年 來 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (Lowered ADCP, 簡 稱 LADCP) 已 經 成 為 國 際 海 洋 學 界 上 觀 測 深 海 整 層 海 流 剖 面 分 佈 的 一 項 重 要 儀 器, 所 謂 Lowered ADCP 就 是 將 一 個 ( 向 下 ) 或 兩 個 ( 向 上 及 向 下 ) 自 記 式 的 ADCP 與 CTD 採 水 裝 置 固 定 在 一 起, 整 體 一 起 下 放 到 深 海 中 LADCP 可 以 彌 補 傳 統 的 船 碇 式 ADCP(shipboard ADCP) 有 限 測 量 範 圍 ( 約 150 m 到 500 m 不 等 ) 的 缺 點, 可 用 於 大 洋 的 測 流 研 究 第 一 次 LADCP 的 測 試 下 放 是 在 1989 年 由 Firing and Gordon(1990) 在 夏 威 夷 附 近 完 成, 他 們 指 出 所 收 集 到 的 海 流 資 訊 是 可 用 的, 但 是 系 統 誤 差 或 許 有 些 過 大, 誤 差 約 10 cm/s 不 久 之 後,Fischer and Visbeck(1993) 3

15 利 用 一 套 相 似 的 系 統 在 赤 道 大 西 洋 進 行 觀 測, 他 們 同 時 以 另 一 個 獨 立 的 測 流 系 統 Pegasus 來 仔 細 評 估 LADCP 的 表 現, 結 論 是 經 過 小 心 的 處 理 過 程,LADCP 可 以 得 到 相 當 準 確 可 信 的 海 流 剖 面 分 布 近 年 來 LADCP 已 經 廣 泛 地 應 用 在 世 界 海 洋 環 流 實 驗 (WOCE) 和 氣 候 變 遷 (CLIVAR) 等 大 型 的 研 究 計 畫 上 面, 並 且 成 功 地 收 集 到 許 多 有 用 的 海 洋 整 層 流 速 資 料 台 灣 在 LADCP 方 面 的 應 用 仍 在 起 步 階 段, 中 山 大 學 在 2006 年 底 購 置 兩 組 LADCP, 並 於 2007 年 初 利 用 海 研 三 號 開 始 測 試, 本 研 究 分 別 於 2007 年 4 月 21 日 至 25 日 7 月 7 日 至 10 日 以 及 10 月 11 日 至 13 日, 利 用 海 研 三 號 分 三 季 完 成 了 蘭 嶼 海 域 黑 潮 三 個 航 次 共 12 天 的 探 測, 收 集 了 多 個 測 站 的 海 流 及 水 文 資 料 本 文 便 是 參 考 前 人 研 究 黑 潮 流 域 的 歷 史 資 料 ( 第 一 章 第 二 章 ), 藉 由 分 析 處 理 海 研 三 號 3 個 探 測 航 次 收 集 到 海 流 水 文 資 料 ( 第 三 章 第 四 章 ), 獲 得 蘭 嶼 附 近 黑 潮 流 場 的 一 些 LADCP 觀 測 結 果 ( 第 五 章 第 六 章 ) 4

16 二 研 究 區 域 2.1 地 理 位 置 及 海 底 地 形 台 灣 深 海 地 區 的 地 形 特 徵 在 台 灣 南 部 海 域 為 南 北 走 向 的 海 脊 ( 如 恆 春 海 脊 呂 宋 島 弧 ) 和 海 槽 ( 如 馬 尼 拉 海 溝 北 呂 宋 海 槽 ); 在 台 灣 東 部 海 域 則 呈 現 東 西 走 向 的 地 貌, 如 沖 繩 海 槽 琉 球 島 弧 一 系 列 的 弧 前 盆 地 ( 南 澳 海 盆 與 東 南 澳 海 盆 ) 耶 雅 瑪 海 脊 琉 球 海 溝 等 台 灣 東 部 海 域 水 深 最 深 處 將 近 7000 公 尺, 東 南 外 海 與 蘭 嶼 綠 島 之 間 有 一 系 列 南 北 向 的 海 槽 與 海 脊, 南 縱 海 槽 可 視 為 陸 上 台 東 縱 谷 的 南 沿, 花 東 海 脊 可 視 為 台 灣 東 部 海 岸 山 脈 的 南 沿, 台 東 海 槽 可 視 為 北 呂 宋 海 槽 的 北 沿 整 個 台 灣 東 部 與 南 部 海 域 的 地 形, 可 說 是 受 到 菲 律 賓 海 板 塊 與 歐 亞 大 陸 板 塊 相 互 隱 沒 以 及 呂 宋 島 弧 碰 撞 上 歐 亞 大 陸 所 造 成 的 在 台 灣 東 北 部 海 域 的 沖 繩 海 槽 屬 弧 後 海 盆, 在 地 形 上 顯 現 了 海 底 火 山 及 深 切 東 海 大 陸 棚 坡 上 延 伸 至 沖 繩 海 槽 的 海 底 峽 谷, 如 棉 花 峽 谷 北 棉 花 峽 谷 等 本 文 之 研 究 區 域 是 位 於 台 灣 東 南 側, 蘭 嶼 附 近 的 黑 潮 流 場, 最 接 近 台 灣 的 測 站 (K1, 圖 1) 距 離 台 東 約 有 15 海 浬, 最 遠 的 測 站 (T4, 圖 1) 距 離 台 灣 約 有 75 海 浬, 兩 條 測 線 長 約 為 60 海 浬 黑 潮 在 離 開 呂 宋 島 後, 一 部 份 水 流 將 偏 向 西 北 穿 越 巴 林 塘 海 峽 後 進 入 呂 宋 海 峽, 這 一 部 份 水 流 是 與 南 海 發 生 作 用 的 黑 潮 海 水 來 源 冬 5

17 季 時, 穿 越 巴 林 塘 海 峽 的 黑 潮 分 支 將 進 入 南 海 東 北 部 ; 但 夏 季 時 這 股 水 流 將 被 由 南 海 中 部 沿 呂 宋 西 側 北 上 的 海 流 阻 擋 而 無 法 進 入 南 海, 只 有 偏 轉 沿 海 脊 地 形 流 向 北 北 東 方 ; 另 方 面, 此 時 南 海 東 北 部 的 上 層 海 水 尚 可 由 台 灣 南 端 向 東 流 出 南 海, 而 呂 宋 東 北 角 外 海 另 一 部 份 未 轉 向 西 北 的 黑 潮 源 區 海 水 則 繼 續 沿 巴 坦 群 島 至 蘭 嶼 的 南 北 向 海 底 地 形 線 往 北 流 這 幾 股 不 同 的 水 流 最 後 均 流 至 台 灣 東 南 外 海, 因 此 會 造 成 台 東 外 海 東 西 向 斷 面 上 海 流 流 速 分 佈 呈 現 多 重 核 心 的 構 造 ( 參 考 自 王 冑 教 授 所 編 寫 之 物 理 海 洋 學 教 材 ) 2.2 基 本 潮 位 分 析 各 分 潮 振 幅 根 據 一 般 的 潮 汐 分 類 (Pond and Pickard, 1983), 以 主 要 全 日 潮 與 半 日 潮 的 振 幅 比 例 來 劃 分 潮 汐 類 型 (form ratio), 其 中 F = (K 1 分 潮 振 幅 + O 1 分 潮 振 幅 )/ (M 2 分 潮 振 幅 + S 2 分 潮 振 幅 ), 當 F 介 於 0 到 0.25 之 間, 稱 之 為 半 日 潮 型 ; 當 F 介 於 0.25 到 1.5 之 間, 此 潮 汐 是 以 半 日 潮 為 主 的 混 合 潮 型 ; 當 F 介 於 1.5 到 3.0 之 間, 此 潮 汐 是 以 全 日 潮 為 主 的 混 合 潮 型 ; 當 F 大 於 3.0 時, 則 為 全 日 潮 型 本 研 究 自 中 央 氣 象 局 購 買 了 蘭 嶼 的 海 氣 象 測 站 潮 位 紀 錄, 時 間 涵 蓋 了 2007 年 4 月 ~8 月 期 間, 經 過 調 和 分 析 結 果 顯 示 : M 2 分 潮 的 振 幅 最 大 (~40 cm), 其 餘 的 K1 O1 和 S2 的 振 幅 均 相 去 不 遠 (~15 cm), 計 算 所 得 6

18 的 form ratio 為 , 再 觀 察 其 間 的 潮 序 圖 ( 圖 2), 可 見 蘭 嶼 的 潮 型 為 以 半 日 潮 為 主 的 混 合 潮 型 ( 表 1 圖 2 ) 由 於 蘭 嶼 的 潮 位 測 站 在 2007 年 9 月 5 日 ~11 月 15 日 期 間 更 換 觀 測 儀 器, 故 此 段 期 間 無 實 測 紀 錄 表 1. 蘭 嶼 2007 年 4 月 ~8 月 潮 位 調 和 分 析 結 果 tidal amplitude and phase with 95% CI estimates tide period(hr) amp(mm) pha(deg) K M O S Form ratio = 風 場 根 據 中 央 氣 象 局 於 蘭 嶼 測 站 的 風 速 風 向 觀 測 紀 錄 顯 示, 在 本 實 驗 研 究 期 間 : 四 月 航 次 (4 月 21~25 日 ) 風 向 為 西 南 和 東 北 方 向 參 雜 的 型 態, 主 要 為 西 南 風 向 ; 七 月 航 次 (7 月 7~10 日 ) 風 向 主 要 集 中 於 西 南 方 向, 是 夏 季 西 南 季 風 型 態 ; 十 月 航 次 (10 月 11~13 日 ) 風 向 主 要 集 中 於 東 北 方 向, 是 典 型 冬 季 東 北 季 風 型 態 而 風 速 大 小 以 十 月 最 強, 約 為 6~10 m/s, 四 月 和 七 月 較 小, 約 為 5 m/s( 圖 3 ) 7

19 三 實 驗 設 計 及 資 料 來 源 本 研 究 於 2007 年 4 月 21 日 至 25 日 ( 共 5 日 ) 7 月 7 日 至 10 日 ( 共 4 日 ) 以 及 10 月 11 日 至 13 日 ( 共 3 日 ) 的 時 間, 利 用 中 山 大 學 海 洋 研 究 船 海 研 三 號, 使 用 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (Lowered ADCP, 以 下 簡 稱 LADCP) 船 碇 式 ADCP(shipboard ADCP, 以 下 簡 稱 Sb-ADCP) 及 溫 鹽 深 儀 (Conductivity, Temperature,Depth Recorder, 以 下 簡 稱 CTD) 於 台 灣 東 南 側 蘭 嶼 附 近 的 海 域 完 成 了 三 個 航 次 共 計 12 天 的 黑 潮 流 場 及 水 文 觀 測 另 外 由 Archiving Validation and Interpretation of Satellite data in Oceanography (AVISO) 取 得 蘭 嶼 附 近 的 海 表 面 高 度 距 平 值 (Sea Level Anomalies, SLA) 資 料, 再 加 上 一 個 全 球 平 均 的 海 表 面 高 度 值 而 得 到 海 表 面 高 度 絕 對 值 ( 以 下 簡 稱 為 SSH) 從 2007 年 4 月 到 7 月, 共 計 3 個 月 的 海 表 面 高 度 資 料 由 中 央 氣 象 局 蘭 嶼 的 海 氣 象 測 站 取 得 潮 位 資 料 從 2007 年 4 月 到 7 月, 共 計 4 個 月 的 潮 位 資 料 ; 蘭 嶼 的 風 速 風 向 測 站 取 得 風 速 資 料 從 2007 年 4 月 到 10 月, 共 計 7 個 月 的 風 速 資 料 8

20 3.1 LADCP 基 本 操 作 與 施 放 情 形 本 研 究 LADCP 裝 置 是 使 用 兩 台 ADCP(RDI, 6000 m housing, 300 khz, 64 MB 記 憶 卡 ) 分 別 為 朝 上 與 朝 下 發 射 音 波, 兩 台 ADCP 以 一 條 star cable 連 線, 設 定 為 同 步 發 射 音 波, 以 避 免 互 相 干 擾, 兩 台 ADCP 與 一 台 Seabird CTD 9 一 起 固 定 在 自 製 的 不 鏽 鋼 架 上, 鋼 架 兩 端 並 添 加 鉛 塊 以 保 持 水 平 狀 態 ( 圖 4) LADCP 設 定 為 每 秒 ping 一 次,bin size 為 10 m, 一 共 設 定 20 個 bin, 施 放 過 程 中, 下 放 與 上 收 速 度 盡 可 能 不 要 超 過 1 m/s, 如 果 測 站 有 做 到 Bottom, 則 在 離 海 底 80~100m 的 深 度 停 留 5 分 鐘, 以 取 得 Bottom track 的 資 料 ; 如 無 法 做 到 Bottom, 一 樣 在 下 放 至 最 深 處 的 地 方 停 2~5 分 鐘 再 上 收 作 LADCP 觀 測 時, 要 隨 時 注 意 CTD 纜 線 與 研 究 船 的 相 對 位 置, 如 果 CTD 纜 線 太 歪 斜 的 話, 則 須 馬 上 調 整 船 身 的 位 置, 讓 儀 器 的 傾 斜 程 度 不 致 於 太 大 除 了 之 前 的 LADCP 測 試 航 次 ( 分 別 於 2007 年 1 月 與 3 月 在 高 雄 西 南 外 海 水 深 700~800 m 的 海 域 各 做 了 一 天 3 個 cast 的 測 試 ),4 月 航 次 是 我 們 實 驗 室 的 LADCP 第 一 次 施 放 於 大 洋 的 觀 測 研 究, 於 2007 年 4 月 21~25 日 在 研 究 區 域 水 深 超 過 1000 m 的 海 域 完 成 了 兩 條 測 線 8 個 測 站 的 資 料 搜 集 ( 圖 5) 當 時 蘭 嶼 附 近 的 海 域 主 要 是 吹 西 南 風, 海 況 良 好 (3~5 級 ), 下 放 與 上 收 速 度 控 制 在 0.8~1.0 m/s 之 間 測 線 的 規 劃 是 從 蘭 嶼 北 邊 的 K 測 線 ( 緯 度 ) 由 西 往 東 做 四 個 測 站 的 9

21 觀 測, 接 著 到 蘭 嶼 南 邊 的 T 測 線 ( 緯 度 ) 由 東 往 西 也 是 做 四 個 測 站 的 觀 測 本 航 次 除 了 做 LADCP/CTD 探 測 之 外, 也 有 其 他 的 實 驗 室 做 了 各 深 度 的 採 水 作 業, 以 進 行 海 水 化 學 和 葉 綠 素 含 量 的 分 析, 因 此 航 程 費 時 較 長 第 二 個 航 次 於 2007 年 7 月 7~10 日 於 蘭 嶼 南 邊 的 T 測 線 進 行 ( 圖 6), 當 時 蘭 嶼 附 近 的 海 域 也 是 吹 西 南 風, 是 典 型 西 南 季 風 型 態, 風 浪 也 不 是 很 強 (3~5 級 ), 下 放 與 上 收 速 度 控 制 在 0.8~1.0 m/s 之 間 測 線 的 規 劃 是 沿 著 T 測 線 重 複 做 兩 次 觀 測, 一 條 測 線 5 個 測 站, 總 共 有 10 個 cast 兩 次 觀 測 的 間 隔 為 18 小 時 37 分 鐘, 也 就 是 落 在 M2 分 潮 ( 週 期 為 12 小 時 25 分 鐘 ) 的 相 反 相 位 上, 兩 次 觀 測 的 海 流 相 加 後 平 均 可 以 濾 掉 潮 汐, 得 到 研 究 區 域 的 淨 流 相 位 平 均 法 是 利 用 控 制 時 間 差 來 濾 除 潮 流, 以 2 phase 平 均 法 (Jan and Chao, 2003) 為 例, 將 觀 測 時 間 的 間 隔 控 制 在 1/2 的 潮 流 週 期, 將 兩 次 的 觀 測 資 料 平 均, 理 論 上 可 將 半 日 潮 流 的 分 量 移 除, 但 無 法 移 除 全 日 潮 流 第 三 個 航 次 於 2007 年 10 月 11~13 日 於 台 灣 和 蘭 嶼 之 間 的 S 測 線 ( 緯 度 ) 進 行,S 測 線 上 共 有 六 個 測 站 ( 圖 7), 當 時 蘭 嶼 附 近 的 海 域 已 進 入 盛 行 東 北 季 風 型 態, 風 浪 較 強, 瞬 時 風 速 達 到 6~7 級, 原 先 的 規 劃 是 沿 著 S 測 線 重 複 做 三 次 觀 測, 相 鄰 兩 次 觀 測 間 隔 為 16 小 時, 再 以 三 相 平 均 的 方 式 濾 除 潮 流 (Chang et al., 2008), 但 由 於 風 10

22 浪 過 強 與 返 航 時 間 限 制 的 因 素, 第 三 次 測 線 只 測 得 四 站 (S1~S4) 的 資 料, 所 以 總 共 有 16 個 cast 的 資 料 下 放 與 上 收 速 度 由 於 風 浪 較 大 和 檢 討 前 兩 航 次 如 何 改 善 資 料 品 質 的 緣 故, 降 低 速 度 控 制 在 0.6~0.8 m/s 之 間 在 前 兩 個 航 次 當 中, 在 做 LADCP 作 業 時 船 身 並 沒 有 移 動, 由 於 黑 潮 流 速 甚 強, 因 此 CTD 的 纜 線 傾 斜 角 度 很 大, 導 致 LADCP 的 資 料 品 質 受 到 影 響, 本 航 次 則 針 對 此 問 題 加 以 改 善, 在 作 業 當 中 請 駕 駛 台 調 整 船 隻 位 置, 使 CTD 纜 線 儘 量 保 持 垂 直 狀 態, 因 此 LADCP 的 資 料 品 質 有 很 大 的 改 善, 第 五 章 中 將 會 進 一 步 討 論 三 個 航 次 各 測 線 及 測 站 的 詳 細 經 緯 度 資 料 如 表 2 表 2. 三 個 航 次 各 測 線 及 測 站 的 詳 細 經 緯 度 資 料 CR1217 航 次 ~ 25 測 站 開 始 時 間 經 度 (E) 緯 度 (N) 水 深 (m) 下 放 深 度 (m) BT* K1 4/22 05:39 121º 00 22º yes K2 4/22 12:44 121º 24 22º no K3 4/23 17:08 121º 47 22º 10 > no K4 4/23 20:14 122º 00 22º 10 > no T1 4/25 04:11 121º 00 21º yes T2 4/24 15:05 121º 24 21º no T3 4/24 11:21 121º 47 21º 55 > no T4 4/23 22:48 122º 00 21º 55 > no CR1234 航 次 ~ 10 測 站 開 始 時 間 經 度 (E) 緯 度 (N) 水 深 (m) 下 放 深 度 (m) BT T1 7/07 18:25 121º 00 21º yes T2P 7/08 16:49 121º 16 21º no T2 7/07 22:48 121º 24 21º no 11

23 T3 7/08 02:33 121º 47 21º 55 > no T4 7/08 05:36 122º 00 21º 55 > no T1 7/08 14:06 121º 00 21º yes T2P 7/10 00:17 121º 16 21º no T2 7/08 18:32 121º 24 21º no T3 7/08 22:16 121º 47 21º 55 > no T4 7/09 01:10 122º 00 21º 55 > no CR1250 航 次 ~ 13 測 站 開 始 時 間 經 度 (E) 緯 度 (N) 水 深 (m) 下 放 深 度 (m) BT S1 10/11 17:11 121º 00 22º yes S2 10/11 19:36 121º 04 22º yes S3 10/11 22:05 121º 08 22º yes S4 10/12 00:22 121º 14 22º yes S5 10/12 02:05 121º 20 22º yes S6 10/12 04:20 121º 26 22º yes S1 10/12 09:04 121º 00 22º yes S2 10/12 11:58 121º 04 22º yes S3 10/12 14:00 121º 08 22º yes S4 10/12 16:18 121º 14 22º yes S5 10/12 18:13 121º 20 22º yes S6 10/12 20:39 121º 26 22º yes S1 10/13 01:05 121º 00 22º yes S2 10/13 03:35 121º 04 22º yes S3 10/13 06:03 121º 08 22º yes S4 10/13 08:31 121º 14 22º yes 工 作 內 容 : LADCP Sb-ADCP CTD * 代 表 Bottom Track 3.2 Sb-ADCP 除 了 LADCP/CTD 探 測 之 外, 本 研 究 也 利 用 海 研 三 號 的 Sb-ADCP 資 料 分 析 表 層 海 流 (<200 m 深 度 ) 此 套 Sb-ADCP 為 美 國 RDI 公 司 製 造 12

24 的, 頻 率 為 150 khz, 每 層 長 度 (Bin length) 設 定 為 8 公 尺, 水 面 下 第 一 層 的 海 流 資 料 為 20.4 公 尺 深 資 料 紀 錄 為 每 1 分 鐘 平 均 (short-time average) 和 每 10 分 鐘 平 均 資 料 (Long-time average), 資 料 品 質 以 percent good 在 85% 內 的 資 料 始 予 使 用 4 月 航 次 Sb-ADCP 測 線 是 從 K1 測 站 往 東 到 K4 測 站, 再 往 南 到 T4 測 站, 最 後 由 T4 測 站 往 西 回 到 T1 測 站 7 月 航 次 Sb-ADCP 測 線 的 規 劃 是 沿 著 T 測 線 來 回 跑 兩 次 測 線, 測 站 由 西 向 東 依 序 為 T1 T2P T2 T3 T4 10 月 航 次 Sb-ADCP 測 線 的 規 劃 是 沿 著 S 測 線 來 回 跑 三 次 測 線, 測 站 由 西 向 東 依 序 為 S1 S2 S3 S4 S5 S6 利 用 Sb-ADCP 觀 測 時, 控 制 船 速 及 刪 除 船 轉 向 時 及 條 件 不 良 時 的 資 料 是 必 要 的, 所 以 這 三 個 航 次 我 們 盡 量 控 制 船 速 於 測 線 上 保 持 約 8 節 左 右, 以 維 護 資 料 品 質 3.3 CTD 水 文 資 料 本 實 驗 的 水 文 觀 測 是 利 用 Seabird 公 司 製 的 溫 鹽 深 儀 (CTD), 型 號 為 SBE-9, 於 4 月 測 得 8 站 7 月 測 得 10 站 10 月 測 得 16 站, 共 34 站 的 水 文 資 料 分 析 CTD 水 文 原 始 資 料, 先 經 過 一 套 標 準 工 作 的 程 序 處 理, 將 1 秒 24 筆 的 原 始 資 料 平 均 成 每 間 隔 1 公 尺 的 水 溫 鹽 度 及 密 度 垂 直 分 布, 再 分 別 繪 製 溫 度 鹽 度 垂 直 剖 面 圖 或 溫 鹽 圖 (T-S 圖 ) 來 觀 測 期 水 文 特 性 13

25 四 資 料 分 析 LADCP 的 資 料 處 理 過 程 並 不 是 非 常 簡 單, 國 際 海 洋 界 目 前 普 遍 使 用 的 兩 種 方 法 來 處 理 LADCP 的 海 流 資 料, 即 剪 切 法 (Shear method) 和 逆 推 法 (Inverse method), 前 者 是 根 據 Fischer and Visbeck(1993) 的 理 論 由 美 國 夏 威 夷 大 學 編 寫 成 軟 體, 後 者 則 是 根 據 Visbeck(2002) 的 理 論 由 美 國 哥 倫 比 亞 大 學 編 寫 成 軟 體, 本 研 究 是 使 用 美 國 哥 倫 比 亞 大 學 LDEO (Lamont-Doherty Earth Observatory) 發 展 出 來 的 軟 體 來 分 析 處 理 LADCP 海 流 資 料, 版 本 使 用 2002 年 的 第 9 版, 它 的 分 析 架 構 是 以 bottom track 和 inverse method 寫 成 Matlab 程 式, 處 理 過 程 中 加 入 GPS CTD 和 Sb-ADCP 的 資 料 來 限 制 海 流 範 圍, 進 而 得 到 海 流 剖 面 的 絕 對 流 速 以 下 便 是 將 LADCP 的 這 兩 種 資 料 處 理 方 法 加 以 簡 要 說 明 ( 郭 等, 2006) 4.1 LADCP 資 料 分 析 的 兩 種 方 法 剪 切 法 (Shear method) LADCP 测 得 的 速 度 是 海 水 相 對 於 儀 器 的 速 度, 要 想 獲 得 海 水 的 绝 對 流 速, 即 海 水 相 對 於 大 地 的 速 度, 就 必 須 確 定 一 個 参 考 流 速 在 儀 器 能 夠 底 追 踪 (Bottom tracking) 的 情 况 下, 参 考 流 速 可 以 選 取 底 追 14

26 踪 速 度, 但 在 深 水 海 域 一 般 很 難 能 夠 Bottom tracking, 因 此 另 外 便 利 用 GPS 訊 息 來 計 算 海 水 的 绝 對 流 速 海 水 的 绝 對 流 速 U = U + U, 其 中 U bc 為 相 對 流 速 剖 面, ocean bc ref U ref 為 參 考 流 速, 相 對 流 速 容 易 求 得, 即 先 在 每 一 個 ensemble 内 計 算 出 上 下 兩 層 水 平 流 速 的 垂 向 剪 切, 然 後 以 海 表 至 測 量 的 最 深 處 進 行 深 度 平 均, 這 樣 便 得 到 整 個 流 速 剖 面 的 剪 切, 從 海 底 向 海 表 進 行 垂 向 積 分, 得 到 相 對 流 速 剖 面 LADCP 測 得 的 海 水 流 速 可 以 表 示 為 U = U + U = U + U + U (1) adcp ocean ctd bc ref ctd 其 中 U ctd 為 儀 器 的 運 動 速 度, 它 是 船 的 漂 移 速 度 U ship 和 儀 器 在 水 中 一 個 無 規 律 運 動 U 的 合 成, 即 U = U + U 在 儀 器 的 整 個 下 放 時 間 T f ctd 內, 無 規 律 運 動 U 的 時 間 積 分 為 零, 即 ( t) dt = 0 因 此 對 (1) 式 在 時 間 T 內 積 分, 有 U f ship { U ( t) dt U ( t dt } 1 = adcp bc dx T ref ) 其 中, dx U dt = f U f (2) = ctd U shipdt 為 船 在 儀 器 入 水 點 與 出 水 點 之 間 的 距 離, 這 可 以 由 GPS 資 訊 求 得 可 見, 利 用 此 方 法 可 以 很 容 易 地 積 分 LADCP 測 量 的 流 速 及 相 對 流 速, 並 且 計 算 出 船 的 漂 移 距 離, 最 終 確 定 參 考 流 速, 代 入 (1) 式 得 到 絕 對 流 速 剖 面 15

27 圖 A LADCP 測 量 海 水 流 速 的 示 意 圖 其 中 左 側 部 分 為 儀 器 的 下 行 過 程, 右 側 部 分 為 上 行 過 程 逆 推 法 (Inverse method) 逆 推 法 是 基 於 矩 陣 運 算 的 一 種 方 法 節 中 的 式 (1) U = U + U 可 以 寫 成 線 性 矩 陣 方 程 的 形 式 : adcp ocean ctd d = Gm (3) 向 量 d 表 示 LADCP 在 整 個 深 度 範 圍 內 所 有 的 觀 測 流 速 U 對 流 速 和 儀 器 的 運 動 速 度 置 於 向 量 m 內, m m ctd 即 m =,G 是 一 個 模 型 矩 陣 ocean 圖 A 表 示 了 一 種 簡 單 的 情 況,LADCP 從 海 表 至 海 底 共 有 6 個 adcp, 海 水 的 絕 ensemble, 即 儀 器 具 有 6 個 速 度, 分 別 為 u ctd, 1 ~ u ctd, 6, 每 個 ensemble 裏 有 4 個 bin, 每 個 bin 均 對 應 著 LADCP 的 一 個 觀 測 速 度, 分 別 為 u 1,1 ~ u6, 4, 16

28 這 裏 假 設 儀 器 的 下 放 速 度 乘 以 相 鄰 兩 個 ensemble 的 時 間 間 隔 等 於 同 一 個 ensemble 內 兩 個 bin 之 間 的 距 離, 這 樣 從 海 表 至 海 底 就 有 9 層, 對 應 著 9 個 海 流 速 度, 分 別 為 u ocean, 1 ~ u ocean, 9 對 應 著 這 種 簡 單 情 況,(3) 式 裏 的 模 型 矩 陣 G 可 以 表 示 成 : 顯 然,(3) 式 是 一 個 具 有 24 個 方 程 15 個 未 知 數 的 超 定 (overdetermined) 線 性 方 程 組, 並 且 係 數 矩 陣 G 是 一 個 稀 疏 矩 陣 利 用 最 小 二 乘 法 可 以 很 容 易 地 獲 得 這 個 方 程 組 的 解 17

29 4.2 LADCP 資 料 處 理 過 程 LDEO 軟 件 中 處 理 LADCP 資 料 的 步 驟 大 致 可 用 以 下 這 個 流 程 圖 來 說 明 : LADCP data *CTD 資 料 須 先 轉 換 為 UTC 時 間 格 式,GPS 資 料 要 將 原 本 每 天 一 筆 的 檔 案 (.col) 加 總 成 一 個 檔 案 (.nav) CTD data UTC time GPS data :.col.nav LADCP Time limit Current limit * 原 始 LADDP 資 料 經 過 CTD GPS 資 料 的 限 制, 再 透 過 LDEO software 的 Matlab 程 式 處 理 出 我 們 所 要 的 海 流 垂 直 剖 面 LDEO software LADCP profile 4.3 LADCP 數 據 後 期 處 理 的 困 難 處 造 成 LADCP 資 料 後 期 處 理 困 難 的 原 因 主 要 有 以 下 幾 點 :(1) 有 效 資 料 不 足 雖 然 有 大 量 的 流 速 信 號 被 記 錄, 但 是 由 於 前 面 提 及 的 大 部 分 18

30 參 數 未 能 控 制 在 合 理 的 範 圍 內, 經 過 嚴 格 的 品 質 控 制 後, 有 效 的 流 速 資 料 所 剩 無 幾, 從 而 不 能 成 功 地 獲 取 絕 對 流 速 如 果 品 質 控 制 太 寬 鬆 或 者 不 經 過 品 質 控 制, 得 到 的 絕 對 流 速 誤 差 又 太 大, 甚 至 達 到 10 m/s 的 量 級, 遠 遠 超 出 可 以 接 受 的 誤 差 範 圍 (2) 回 波 信 號 太 弱, 只 能 記 錄 極 少 量 的 流 速 信 號 尤 其 在 大 洋 的 深 水 處, 由 於 生 物 體 太 少, 水 質 太 清, 造 成 散 射 體 極 少, 使 得 儀 器 發 出 的 聲 學 信 號 不 能 有 效 地 反 射 回 來, 從 而 只 能 記 錄 微 量 的 流 速 信 號, 有 時 甚 至 任 何 流 速 信 號 都 記 錄 不 到 (3) 參 考 速 度 的 選 取 比 較 困 難 LADCP 測 量 的 是 海 水 相 對 於 儀 器 的 流 速, 要 想 獲 得 海 水 的 絕 對 流 速, 必 須 選 取 一 個 參 考 流 速 在 LADCP 實 現 Bottom tracking 的 情 況 下, 可 以 選 取 Bottom tracking 速 度 作 為 參 考 流 速 但 是 在 進 行 深 水 海 域 (>3000 m) 調 查 時, 很 難 實 現 LADCP 的 Bottom tracking, 只 能 依 據 GPS 的 訊 息 來 獲 得 參 考 流 速 19

31 五 結 果 與 討 論 5.1 LADCP 與 Sb-ADCP 的 流 速 比 較 處 理 LADCP 海 流 資 料, 主 要 是 做 它 的 海 流 垂 直 剖 面 圖 來 觀 測 分 析, 有 別 於 Sb-ADCP 只 能 觀 測 到 上 層 海 流,LADCP 能 觀 測 到 更 深 層, 甚 至 到 海 底 的 海 流 剖 面 而 用 Sb-ADCP 觀 測 到 的 海 流 剖 面 來 輔 助 驗 證 LADCP 的 觀 測 圖 8 為 四 月 航 次 的 T1 測 站 流 速 垂 直 分 佈, 圖 a 為 LADCP 的 觀 測 結 果, 誤 差 範 圍 介 於 2.9~9.2 cm/s( 誤 差 的 極 大 值 發 生 在 表 層 與 最 底 層 ), 圖 b 為 Sb-ADCP 的 觀 測 結 果, 是 以 10 分 鐘 平 均 的 資 料 來 畫 圖, 因 此 圖 中 包 含 了 好 幾 條 線, 圖 c 則 為 兩 者 畫 在 一 起 的 比 較 圖, 水 深 0~200m 的 地 方 LADCP 與 Sb-ADCP 的 流 速 海 流 趨 勢 大 致 吻 合, 惟 Sb-ADCP 的 流 速 變 化 較 大 於 LADCP 的 流 速 變 化 分 析 此 站 的 海 流 垂 直 剖 面 變 化 可 以 發 現 : 上 層 海 流 (0~200 m) 的 南 北 向 海 流 V 明 顯 受 到 黑 潮 影 響 向 北, 極 值 出 現 在 水 深 50 m 的 地 方, 約 為 80~90 cm/s(ladcp 觀 測 到 的 V 最 大 值 約 為 80 cm/s; 而 Sb-ADCP 的 V 最 大 值 約 為 90 cm/s) 上 層 東 西 向 海 流 U 的 最 大 值 也 是 出 現 在 50 m 附 近,LADCP 的 最 大 值 約 為 10 cm/s,sb-adcp 的 最 大 值 約 為 20 cm/s, 原 本 北 流 的 趨 勢 在 水 深 180 m 以 下 的 地 方 出 現 一 股 向 南 的 反 流 ( 圖 8a), 往 下 可 20

32 以 延 伸 到 水 深 800 m 的 深 度, 這 股 向 南 反 流 極 值 出 現 在 水 深 250m 的 地 方, 約 有 60 cm/s 再 往 下 至 海 底 ( 水 深 約 1200 m), 就 沒 有 較 明 顯 的 流 場 變 化 了 由 此 可 知 LADCP 與 Sb-ADCP 在 上 層 海 流 的 測 量 結 果 大 致 相 似, 但 是 Sb-ADCP 所 量 測 到 的 海 流 最 大 值 要 比 LADCP 為 大, 最 小 值 也 要 比 LADCP 為 小, 這 也 是 合 理 的 結 果, 因 為 LADCP 所 得 到 的 流 速 是 在 整 個 下 放 和 上 收 過 程 ( 長 約 1~2 小 時 ) 的 平 均 值, 而 實 際 上 的 海 流 是 會 有 時 間 上 的 變 化 5.2 資 料 品 質 LADCP 的 資 料 品 質 主 要 是 取 決 於 LADCP 施 放 至 水 面 下 時 傾 斜 角 的 大 小, 在 LDEO 軟 件 中 當 傾 斜 角 大 於 22 度 時, 將 無 法 獲 得 正 確 資 料 傾 斜 角 大 小 取 決 於 很 多 因 素, 例 如 觀 測 時 風 浪 流 場 的 強 弱 下 放 與 上 收 速 度 的 大 小 LADCP 裝 置 本 身 的 穩 定 度 設 計 等, 所 以 施 放 過 程 中, 控 制 LADCP 裝 置 的 傾 斜 角 在 22 度 以 內 是 確 保 資 料 品 質 最 關 鍵 的 步 驟 以 4 月 航 次 T1 與 K1 測 站 為 例, 由 LDEO 軟 件 處 理 所 得 到 的 下 放 上 收 速 度 深 度 與 傾 斜 角 隨 時 間 變 化 的 圖 來 看 ( 圖 9), 可 以 發 現 T1 測 站 的 傾 斜 角 都 在 22 度 以 內, 資 料 品 質 就 沒 問 題 ; 而 K1 測 站 在 上 收 過 程 中, 有 一 段 時 間 的 傾 斜 角 大 於 22 度, 那 一 段 就 沒 資 料 了 所 以 做 LADCP 觀 測 時, 如 何 有 效 的 控 制 傾 斜 角 在 22 度 以 內 是 資 料 品 質 非 21

33 常 重 要 的 一 個 關 鍵 就 本 研 究 的 三 個 航 次 而 言, 傾 斜 角 大 於 22 度 的 情 況 都 發 生 在 上 收 過 程 中, 探 討 其 原 因, 可 能 是 因 為 下 放 過 程 中 有 重 力 的 影 響, 使 得 整 個 裝 置 較 為 穩 定 ; 而 上 收 過 程 中, 可 能 是 因 為 裝 置 在 最 低 點 時 本 來 就 是 歪 斜 的 狀 態, 上 收 時 再 加 上 海 流 風 浪 的 影 響, 使 得 它 的 歪 斜 程 度 更 大, 造 成 整 個 裝 置 傾 斜 角 超 過 22 度 4 月 航 次 的 8 個 測 站, 在 上 收 過 程 中 有 3 個 測 站 發 生 傾 斜 角 大 於 22 度 的 情 形 ;7 月 航 次 10 個 測 站 中, 有 4 個 測 站 發 生 這 樣 的 情 形 ; 而 經 過 檢 討 改 進 以 後,10 月 航 次 的 16 個 測 站, 只 有 2 個 測 站 的 傾 斜 角 大 於 22 度 5.3 流 場 的 季 節 性 變 化 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 的 流 場 四 月 航 次 以 蘭 嶼 西 邊 的 四 個 測 站 K1 K2 T1 T2( 圖 10)LADCP 觀 測 到 的 海 流 剖 面 來 看, 這 四 個 測 站 的 上 層 海 流 (0~200 m) 明 顯 受 到 黑 潮 影 響 向 北, 向 北 的 最 大 流 速 都 約 有 70~90 cm/s, 出 現 在 水 深 約 50~150 米 的 深 度, 以 K2 測 站 LADCP 的 V 值 最 大, 出 現 在 150 米 的 深 度, 約 有 90 cm/s, 此 測 站 Sb-ADCP 觀 測 到 的 海 流 達 到 110 cm/s, 出 現 在 水 深 接 近 200 m 的 地 方 最 西 邊 靠 近 台 灣 的 測 站 (K1 和 T1) 在 水 深 200m 以 下 到 800 m 的 地 方 有 一 股 向 南 的 反 流 ;K2 T2 測 站 往 北 較 22

34 強 的 流 大 概 可 以 延 伸 到 水 深 400 m 的 地 方,400 m 以 下 到 超 過 1000 m 的 深 海 就 沒 有 較 明 顯 的 流 場 變 化 了 七 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 的 測 站 T1 T2P T2 分 別 做 了 兩 次 LADCP 觀 測, 其 海 流 垂 直 剖 面 圖 顯 示 於 圖 11, 上 層 海 流 (0~200 m) 明 顯 受 到 黑 潮 影 響 向 北, 向 北 的 最 大 流 速 略 大 於 4 月 的 流 速, 約 有 70~100 cm/s, 極 值 出 現 在 第 二 次 觀 測 T1 站 水 深 50 m 的 地 方, 約 有 100 cm/s, 此 測 站 Sb-ADCP 觀 測 到 的 海 流 有 到 120 cm/s, 一 樣 是 出 現 在 水 深 50 m 的 地 方 最 大 流 速 出 現 在 上 層 (0~200 米 ), 下 層 流 速 較 小 (~20 cm/s), 但 也 可 以 延 伸 到 超 過 1000 m 深 度, 七 月 的 黑 潮 較 四 月 強 而 靠 近 台 灣 的 T1 測 站 兩 次 觀 測 的 結 果 在 水 深 200 m 以 下 都 有 發 現 到 一 股 反 流, 向 南 的 流 速 最 大 約 30~40 cm/s, 第 一 次 觀 測 的 結 果 發 現 此 反 流 可 延 伸 到 水 深 800 m 的 地 方, 第 二 次 觀 測 到 的 反 流 則 可 延 伸 到 海 底 除 了 T1 測 站 以 外,T2P 和 T2 兩 次 觀 測 的 流 速 剖 面 顯 示, 從 水 面 到 海 底 都 呈 現 北 流, 較 強 的 北 流 可 以 延 伸 到 水 深 500~600 m 的 地 方, 比 四 月 航 次 的 結 果 更 往 下 延 伸 約 200 m, 再 往 下 的 流 場 就 無 明 顯 變 化 了 圖 12 圖 13 圖 14 依 序 是 十 月 航 次 在 蘭 嶼 西 邊 的 六 個 測 站 三 次 觀 測 的 海 流 剖 面 圖, 與 前 兩 航 次 比 較 不 同 的 地 方 是 最 靠 近 台 灣 的 S1 測 站 前 兩 次 觀 測 的 上 層 海 流 剖 面, 沒 有 明 顯 的 北 流, 向 北 的 流 速 很 小 ( 最 大 只 有 到 10 cm/s), 一 樣 在 水 深 200 m 以 下 的 地 方 有 發 現 到 一 股 23

35 向 南 的 反 流 ( 極 值 在 水 深 200 m 的 地 方, 流 速 約 有 30 cm/sec, 向 下 可 以 延 伸 到 900 m 深 ) 而 第 三 次 觀 測 的 結 果 就 與 前 兩 航 次 的 K1 T1 站 的 結 果 相 似, 最 大 的 朝 北 流 速 約 80 cm/s,sb-adcp 的 最 大 V 流 速 約 100 cm/s, 不 過 此 站 並 沒 有 發 現 到 反 流 這 三 次 觀 測 的 S2~S6 站 的 北 流 都 很 明 顯, 極 值 出 現 在 第 一 次 觀 測 的 S4 站 附 近, 約 有 140 cm/s, 與 4 月 航 次 與 7 月 航 次 的 結 果 做 比 較, 上 層 海 流 往 北 的 趨 勢 在 此 5 個 測 站 間 以 10 月 航 次 的 結 果 最 為 明 顯 因 此 推 斷 春 夏 秋 這 三 個 季 節, 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 約 30 海 浬 的 海 域, 黑 潮 有 一 支 主 軸 是 在 此 區 間 來 回 移 動 10 月 航 次 的 S2 測 站 第 一 次 觀 測 的 海 流 結 果 與 Sb-ADCP 的 觀 測 結 果 比 較 發 現, 趨 勢 雖 然 相 符, 但 流 速 相 差 甚 大, 推 測 可 能 是 設 定 或 操 作 時 出 現 問 題, 導 致 此 測 站 的 流 速 剖 面 與 Sb-ADCP 的 結 果 相 去 甚 遠, 所 以 此 測 站 的 流 速 以 Sb-ADCP 的 流 速 剖 面 來 代 表 蘭 嶼 東 邊 的 流 場 四 月 航 次 以 蘭 嶼 東 邊 的 四 站 K3 K4 T3 T4( 圖 15) 的 結 果 來 看, K3 K4 站 上 層 海 流 (0~200 m) 明 顯 受 到 黑 潮 影 響 向 北, 極 值 出 現 在 K3 站 水 深 50 m 的 地 方, 約 有 70 cm/s, 較 強 的 北 流 可 以 延 伸 到 水 深 600 m 的 地 方, 比 蘭 嶼 西 邊 測 站 的 結 果 更 向 下 200 m, 再 往 下 就 較 無 明 顯 24

36 的 流 場 變 化 了 而 T3 T4 站 可 能 是 受 到 eddy 的 影 響, 表 層 海 流 (0~100 m) 往 南 流, 流 速 不 大, 只 有 10~20 cm/s,100 m 以 下 才 又 出 現 北 流, 但 此 向 北 的 流 並 沒 有 延 伸 到 海 底, 中 間 又 有 出 現 一 股 朝 南 的 流, 其 中 T3 站 是 在 水 深 600~1400 m 的 地 方,T4 站 是 在 400~700 m 的 地 方, 流 速 不 大, 最 大 只 到 20 cm/s 而 已, 再 向 下 又 變 成 朝 北 的 流 至 最 大 的 觀 測 深 度 七 月 航 次 以 蘭 嶼 東 邊 的 兩 站 T3 T4( 圖 16) 兩 次 觀 測 的 流 速 剖 面 來 看, 上 層 海 流 (0~200m) 有 別 於 4 月 航 次, 明 顯 受 到 黑 潮 影 響 向 北, 極 值 出 現 在 第 二 次 觀 測 T3 站 水 深 50 m 的 地 方, 約 有 70~80 cm/s(ladcp 觀 測 到 的 V 最 大 值 約 為 70 cm/s; 而 Sb-ADCP 的 V 最 大 值 約 為 80 cm/s), 往 北 較 強 的 流 都 可 延 伸 到 水 深 400 m 的 地 方, 再 往 下 就 沒 有 明 顯 的 流 場 變 化 了 5.4 台 灣 東 南 沿 岸 的 反 流 與 蘭 嶼 東 邊 的 冷 渦 大 陸 學 者 Jing and Li(2003) 使 用 浮 球 觀 測, 在 研 究 區 域 內 發 現 一 股 延 著 海 岸 線, 從 台 東 到 台 灣 最 南 端 的 南 向 反 流 圖 17 是 研 究 區 域 內 有 發 現 到 反 流 的 測 站 流 剖 圖, 圖 17a~f 分 別 為 4 月 K1 站 7 月 航 次 T1 站 10 月 航 次 S1 站 4 月 航 次 T1 站 7 月 航 次 T1 站 cast 2 10 月 航 次 S1 站 cast 2 的 流 剖 圖 紅 色 實 線 代 表 LADCP 東 西 向 流 速 U 25

37 綠 色 實 線 代 表 LADCP 南 北 向 流 速 V, 黑 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 東 西 向 流 速 U, 藍 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 南 北 向 流 速 V, 黑 色 實 線 代 表 流 速 為 0 的 地 方, 圖 中 顯 示 研 究 區 域 內 最 西 邊 的 測 站, 也 就 是 四 月 航 次 的 K1 T1 測 站, 七 月 航 次 T1 測 站 的 兩 次 觀 測 與 十 月 航 次 S1 測 站 的 前 兩 次 觀 測, 在 水 深 約 200m 以 下, 皆 可 發 現 到 有 別 於 黑 潮 北 流, 明 顯 向 南 的 反 流 向 南 的 流 速 以 四 月 航 次 的 T1 測 站 最 大, 在 水 深 250 m 地 方, 流 速 約 有 60 cm/sec, 向 下 可 以 延 伸 到 800 m 深 七 月 次 之, 第 二 次 觀 測 的 T1 站, 在 水 深 350 m 的 地 方, 流 速 約 有 40cm/sec, 向 下 可 以 延 伸 到 1300 m 深 而 十 月 最 小, 第 二 次 觀 測 的 S1 站, 在 水 深 200 m 的 地 方, 流 速 約 有 30 cm/sec, 向 下 可 以 延 伸 到 900 m 深 圖 18 是 4 月 21~25 日 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖 資 料 取 的 是 第 一 個 bin 的 Long time Average( 每 10 分 鐘 一 筆 data) 的 海 流,bin 的 範 圍 約 在 水 深 12 m~20 m 的 地 方 ( 每 個 bin 設 為 8 公 尺 ), 箭 頭 代 表 流 速 大 小 與 流 向, 圖 中 顯 示 在 蘭 嶼 東 方 4 個 測 站 間 觀 測 到 的 海 流, 發 現 有 一 個 逆 時 針 旋 轉 的 eddy, 就 Sb-ADCP 的 資 料 分 析, 大 約 可 以 往 下 延 伸 至 水 深 150 m 左 右 ( 圖 19) 圖 20 是 2007 年 4 月 21~25 日 的 海 表 面 高 度 距 平 值 SSH 圖 圖 由 上 到 下 依 序 為 21 至 25 日, 左 邊 尺 度 較 小, 右 邊 尺 度 較 大, 當 時 2007 年 4 月 21~25 日 蘭 嶼 附 近 的 海 表 面 高 度 距 平 值 (SSH), 在 蘭 嶼 東 南 方 26

38 也 有 找 到 一 個 海 表 面 高 度 較 低 逆 時 針 旋 轉 的 冷 渦 而 從 四 月 航 次 LADCP 觀 測 到 的 海 流 結 果, 也 可 發 現 : 蘭 嶼 東 南 方 的 兩 個 測 站 T3 T4 的 上 層 海 流 也 呈 現 往 南 的 趨 勢, 範 圍 約 介 於 海 面 至 100 m 深 的 地 方 ( 圖 15) 5.5 潮 汐 的 影 響 圖 21(a),(b) 為 代 表 7 月 航 次 T2P 測 站 第 一 次 與 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖, 圖 (c) 是 蘭 嶼 2007 年 7/7~7/11 日 的 潮 序 圖, 以 7 月 航 次 T2P 測 站 LADCP 兩 次 觀 測 測 得 的 海 流 結 果 來 看, 可 以 發 現 東 西 向 的 海 流 (U) 會 受 到 當 地 潮 汐 的 影 響, 第 一 次 觀 測 的 潮 汐 為 退 潮, 上 層 海 流 流 向 為 西 北 流 ; 第 二 次 觀 測 為 漲 潮 時, 流 向 為 東 北 流 圖 是 以 沿 著 蘭 嶼 南 方 的 T 測 線, 緯 度 在 21.92, 經 度 介 於 121 ~122 之 間 作 的 流 剖 圖, 和 上 述 結 果 比 較 發 現 : 就 v 而 言, 向 北 最 大 的 流 速 出 現 在 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 附 近 的 上 層 海 域, 與 上 述 5.3 的 推 斷 : 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 約 30 海 浬 的 海 域, 黑 潮 有 一 支 主 軸 是 在 此 區 間 來 回 移 動 的 結 果 相 符 而 觀 察 最 西 邊 靠 近 台 灣 的 海 流 剖 面, 在 海 流 中 層 一 樣 發 現 有 一 股 向 南 的 反 流 就 U 而 言, 可 以 發 現 在 台 灣 和 蘭 嶼 之 間 的 東 西 向 表 層 海 流, 明 顯 地 受 到 當 地 潮 汐 的 影 響, 退 潮 時 向 西 北 流 ( 第 一 次 觀 測 的 流 剖 圖 ), 漲 潮 時 向 東 北 流 ( 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖 ), 27

39 與 上 述 的 結 果 相 符 圖 24 是 7 月 航 次 Sb-ADCP 觀 測 到 的 上 層 海 流 結 果, 把 這 兩 條 間 隔 18 小 時 的 測 線 分 成 4 個 部 份, 圖 24(a) 代 表 第 一 次 觀 測 ; 圖 24(b) 代 表 第 一 觀 測 的 回 程 ; 圖 24(c) 代 表 第 二 次 觀 測 ; 圖 (d)24 代 表 第 二 觀 測 的 回 程 結 果 顯 示 較 強 的 北 流 是 在 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 T2P 站 附 近, 符 合 上 述 的 結 果 比 較 圖 24(a) 與 圖 24(c)Sb-ADCP 測 線 在 台 灣 和 蘭 嶼 間 的 東 西 向 流 速 U, 圖 24(a) 在 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 的 測 線, 潮 汐 適 逢 退 潮, 表 層 海 流 流 向 為 西 北 流 ; 圖 24(c) 在 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 的 測 線, 潮 汐 適 逢 漲 潮, 表 層 海 流 流 向 為 東 北 流, 符 合 上 述 台 灣 和 蘭 嶼 之 間 的 東 西 向 表 層 海 流, 會 受 到 當 地 潮 汐 影 響 的 結 果, 退 潮 時 向 西 北 流, 漲 潮 時 向 東 北 流 5.6 南 海 水 與 黑 潮 水 的 混 合 圖 25~31 為 4 月 7 月 與 10 月 航 次 的 溫 鹽 圖, 紅 色 線 代 表 南 海 水, 黑 色 線 代 表 黑 潮 水, 而 測 站 的 水 文 特 性 用 藍 色 線 來 表 示 圖 25 上 方 的 圖 為 4 月 蘭 嶼 北 方 的 K 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 K1~K4 測 站 ; 圖 25 下 方 的 圖 為 蘭 嶼 南 方 的 T 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 T1~T4 測 站 圖 中 的 黑 潮 水 與 南 海 水 溫 鹽 曲 線 來 自 Chen and Huang (1996) 比 較 4 月 航 次 ( 圖 25) 與 7 月 航 次 ( 圖 26 27) 蘭 嶼 東 西 方 的 水 文 特 性, 可 以 發 28

40 現 上 層 海 水 除 了 最 靠 近 台 灣 的 K1 T1 測 站 是 黑 潮 水 與 南 海 水 混 合 以 外, 往 東 的 測 站 水 文 特 性 顯 示 幾 乎 都 是 接 近 黑 潮 水 的 水 文 性 質 而 下 層 海 水 在 蘭 嶼 西 邊 的 測 站 顯 示,4 月 與 7 月 都 是 接 近 南 海 水, 往 東 過 了 蘭 嶼 以 後,4 月 的 K3 T3 測 站 水 文 特 性 顯 示 南 海 水 已 經 與 黑 潮 水 混 合, 而 最 東 邊 的 K4 T4 測 站 的 下 層 海 水 已 接 近 黑 潮 水 性 質 了 但 是, 往 東 過 了 蘭 嶼 7 月 T3 測 站 下 層 海 水 仍 顯 示 為 南 海 水 的 特 性, 到 了 T4 測 站 才 顯 示 出 與 黑 潮 水 混 合 的 狀 態 或 者 是 說 較 接 近 黑 潮 水 了 ( 圖 28) 也 就 是 說 : 越 接 近 夏 季, 南 海 水 入 侵 黑 潮 流 域 的 趨 勢 越 為 顯 著 ( 更 為 向 東 ) 10 月 航 次 只 有 做 蘭 嶼 西 方 的 觀 測, 上 層 海 水 S1 到 S4 測 站 為 黑 潮 南 海 水 混 合 的 狀 態,S5 S6 測 站 則 較 接 近 黑 潮 水 了 而 下 層 海 水,S1 到 S6 測 站 都 顯 示 為 南 海 水, 較 為 遺 憾 的 是 10 月 航 次 沒 有 觀 測 蘭 嶼 東 邊 的 海 域, 對 於 10 月 時 蘭 嶼 東 邊 海 域 的 水 文 沒 有 辦 法 做 更 深 入 的 探 討 ( 圖 ) 29

41 六 結 論 與 建 議 本 研 究 利 用 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (Lowered ADCP) 船 碇 式 都 卜 勒 流 剖 儀 (Sb-ADCP) 溫 鹽 深 儀 (CTD) 於 蘭 嶼 附 近 的 海 域 進 行 流 場 水 文 等 觀 測, 配 合 分 析 研 究 期 間 蘭 嶼 當 地 的 潮 位 風 場 SSH 等 資 料, 獲 得 以 下 幾 點 結 論 : LADCP 的 海 流 剖 面 顯 示, 台 灣 與 蘭 嶼 之 間 約 30 海 浬 的 海 域, 黑 潮 有 一 支 主 軸 是 在 此 區 間 來 回 移 動, 此 處 上 層 海 流 往 北 的 最 大 流 速 有 70~140cm/sec, 以 10 月 最 大 (~140 cm/s),7 月 次 之 (~100 cm/s),4 月 較 小 (~90 cm/s) 往 北 較 強 的 海 流 7 月 ( 可 延 伸 到 水 面 下 600 m) 比 4 月 和 10 月 ( 可 延 伸 到 水 面 下 400 m) 更 往 下 延 伸 200 m 靠 近 台 灣 東 南 側 沿 岸 的 海 流 中 層 ( 水 深 約 介 於 200 m 到 800 m) 有 一 股 朝 南 的 反 流, 在 三 次 觀 測 期 間 都 有 發 現 此 反 流 的 存 在, 流 速 在 30 到 60 cm/s 之 間, 這 股 反 流 以 4 月 最 大 (~60 cm/s) 7 月 次 之 (~40 cm/s) 10 月 較 小 (~30 cm/s) 2007 年 4 月 在 蘭 嶼 東 邊 的 海 域 發 現 一 個 海 表 面 高 度 較 低 逆 時 針 方 向 旋 轉 的 冷 渦, 衛 星 高 度 計 資 料 也 證 實 了 這 個 現 象 另 外, 七 月 航 次 的 LADCP 與 Sb-ADCP 的 觀 測 是 採 用 濾 除 M2 潮 的 2 相 法, 比 對 當 地 潮 汐 的 結 果 顯 示, 台 灣 和 蘭 嶼 之 間 的 東 西 向 表 層 海 流, 會 受 到 當 地 潮 汐 的 影 響, 退 潮 時 向 西 北 流, 漲 潮 時 向 東 北 流 30

42 蘭 嶼 東 西 方 的 上 層 海 水 除 了 最 靠 近 台 灣 的 K1 T1 測 站 是 黑 潮 水 與 南 海 水 混 合 以 外, 往 東 的 測 站 水 文 特 性 顯 示 幾 乎 都 是 接 近 黑 潮 水 的 水 文 性 質 而 下 層 海 水 在 蘭 嶼 西 邊 較 接 近 南 海 水 的 特 性, 往 東 過 了 蘭 嶼 以 後,4 月 的 結 果 顯 示 南 海 水 已 經 與 黑 潮 水 混 合, 而 最 東 邊 的 測 站 下 層 海 水 已 接 近 黑 潮 水 性 質 了 但 是,7 月 的 結 果 要 到 最 東 邊 的 測 站 才 顯 示 出 與 黑 潮 水 是 混 合 的 狀 態 也 就 是 說 : 在 蘭 嶼 附 近 的 海 域, 越 接 近 夏 季, 南 海 水 入 侵 黑 潮 流 域 的 趨 勢 越 為 顯 著 ( 更 為 向 東 ) 作 LADCP 觀 測 時, 如 何 設 置 儀 器 裝 置 組, 使 它 在 下 放 時 傾 斜 角 小 於 22 度 和 CTD 纜 線 儘 量 保 持 在 垂 直 狀 態, 是 確 保 資 料 品 質 最 重 要 的 關 鍵 經 過 本 研 究 三 個 航 次 不 斷 檢 討 與 改 進 後, 對 於 LADCP 的 操 作 過 程 中 需 要 注 意 的 地 方, 有 幾 點 建 議 : (1) 下 放 和 上 收 LADCP 時, 控 制 速 率 不 要 超 過 1 m/s, 儘 量 控 制 在 0.6~0.8 m/s 之 間 的 速 率 (2) 在 風 浪 與 海 流 較 強 的 區 域 觀 測 時, 加 重 整 個 儀 器 組 的 重 量, 加 強 LADCP 在 水 面 下 的 平 衡 與 穩 定 (3) 隨 時 注 意 CTD 纜 線 的 歪 斜 角 度, 太 大 時 馬 上 要 求 駕 駛 台 移 動 船 位, 盡 量 讓 它 保 持 在 垂 直 (10 度 以 內 ) 的 狀 態 本 研 究 是 國 內 LADCP 的 首 次 觀 測, 根 據 這 三 個 航 次 的 實 測 資 料 分 析, 得 到 了 許 多 有 關 黑 潮 流 場 的 豐 碩 成 果, 另 一 方 面, 對 於 儀 器 的 設 定 與 操 作 方 式 資 料 的 收 集 與 品 質 的 確 保 如 何 有 效 準 確 地 分 析 處 理 資 料 等 等 方 面 上, 還 有 很 多 的 改 進 空 間 31

43 七 參 考 文 獻 Chen, C. and M. Huang, 1996, A mid-depth front separating the South China Sea water and the Philippine Sea water. Journal of Oceanography, 52, Centurioni, L. R. and P. P. Niiler, 2004, Observation of Inflow of Philippine Sea Surface Water into the South China Sea through the Luzon Strait, Journal of Physical Oceaography, 34, Chang, Y., Tseng, R. and C. Liu, 2008, Evaluation of tidal removal method using phase average technique from ADCP Surveys Along the Peng-hu Channel in the Taiwan Strait, Terrestrial, Atmospheric & Oceanic Sciences (in press). Fischer, J. and R. Gordon, 1990, Deep ocean acoustic Doppler current profiling. Proc. IEEE Fourth Working Conf. on Current Measurements, Clinton, MD, IEEE, Fischer, J. and M. Visbeck, 1993, Deep velocity Profiling with self-contained ADCPs, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 10, Hwang, C., 1996, A study of the Kuroshio s seasonal variabilities using an altimetric geoid and TOPEX/POSEIDON altimeter data, Journal of Geophysical Research, 101, C3, Jan, S. and S. Chao, 2003, Seasonal variation of volume transport in the major inflow region of the Taiwan Strait: the Penghu Channel. Deep-Sea Research II, 50, Jing, C. and L. Li, 2003, An initial note on quasistationary, cold-core Lanyu eddies southeast off Taiwan Island.,Chinese Science Bulletin, 48, 19, Liang, M., 2003, Upper-ocean currents around Taiwan, Deep-Sea Research II, 50, Nitani, H., 1972, Beginning of Kuroshio. In: Kuroshio,University of Washington Press, Seattle,WA, Pond, S. and G. L. Pickard, 1983, Island wakes and headland eddies: A 32

44 comparison between remotely sensed data and laboratory experiments, Journal of Geophysical Research, 92, Thurnherr, A.M., 2007, How To Process LADCP Data With the LDEO Software, Visbeck, M., 2001, Deep Velocity Profiling Using Lowered Acoustic Doppler Current Profilers:Bottom Track and Inverse Solutions, Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 19, 劉 倬 騰 楊 益 鄭 世 培 王 正 松 劉 秦 玉 (1995): 蘭 嶼 東 南 方 的 反 流 台 灣 海 洋 學 刊, 第 34 期 第 一 號 劉 倬 騰 鄭 世 培 莊 文 思 楊 益 (1998): 台 灣 海 流 ( 黑 潮 ) 的 平 均 流 速 與 流 量 台 灣 海 洋 學 刊, 第 36 期 第 二 號 郭 心 順 楊 慶 軒 康 建 軍 田 紀 偉 (2006): LADCP 資 料 處 理 方 法 的 探 討 及 其 對 應 套 裝 軟 體 的 使 用 海 洋 技 術, 第 25 卷 第 4 期 王 冑 : 物 理 海 洋 學 教 材 33

45 圖 1. 研 究 區 域 的 地 理 位 置 及 等 深 線 圖 34

46 圖 2. 蘭 嶼 海 氣 象 測 站 的 潮 序 圖 (a) 是 2007 年 4 月 的 潮 位 變 化 ; (b) 是 7 月 的 潮 位 變 化 35

47 圖 3. 蘭 嶼 氣 象 站 的 風 向 與 風 速 大 小 (a) 的 時 間 是 2007 年 4 月 20~26 日 ;(b) 是 7 月 6~11 日 ;(c) 是 10 月 10~14 日 36

48 圖 4. 下 放 式 聲 學 都 卜 勒 海 流 剖 面 儀 (LADCP) 與 溫 鹽 深 儀 (CTD) 鋼 架 組 37

49 圖 年 4 月 CR1217 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置 38

50 圖 年 7 月 CR1234 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置 39

51 圖 年 10 月 CR1250 航 次 的 Sb-ADCP 測 線 及 LADCP/CTD 測 站 位 置 箭 頭 實 線 表 示 Sb-ADCP 測 線, 圓 點 表 示 LADCP/CTD 測 站 位 置 40

52 圖 8. 4 月 航 次 T1 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 LADCP 的 結 果, 紅 色 線 代 表 東 西 向 流 速 U, 綠 色 線 代 表 南 北 向 流 速 V, 虛 線 代 表 它 的 誤 差 範 圍, (b) 代 表 Sb-ADCP 的 結 果, (c) 則 是 把 兩 個 剖 面 圖 畫 在 一 起 做 比 較, 黑 色 線 代 表 Sb-ADCP 的 U, 藍 色 線 代 表 Sb-ADCP 的 V 41

53 圖 9. 測 站 T1 與 K1 的 LADCP 儀 器 之 (a) 下 放 與 上 收 速 度 W (m/s), 用 顏 色 來 表 示 W 大 小 ; (b) 是 在 水 面 下 的 位 置 ; (c) 代 表 傾 斜 角 大 小 42

54 圖 10. 四 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 四 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 K1 測 站, (b) 是 K2 測 站, (c) 是 T1 測 站, (d) 是 T2 測 站 紅 色 實 線 代 表 LADCP 的 U 綠 色 實 線 代 表 LADCP 的 V, 黑 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 U, 藍 色 虛 線 為 Sb-ADCP 的 V 43

55 圖 11. 七 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 六 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 T1 測 站 cast 1, (b) 是 T1 測 站 cast 2, (c) 是 T2P 測 站 cast 1, (d) 是 T2P 測 站 cast 2, (e) 是 T2 測 站 cast 1, (f) 是 T2 測 站 cast 2 44

56 圖 12. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 一 次 觀 測 5 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 1, (b) 是 S3 測 站 cast 1, (c) 是 S4 測 站 cast 1, (d) 是 S5 測 站 cast 1, (e) 是 S6 測 站 cast 1 45

57 圖 13. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 二 次 觀 測 6 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 2, (b) 是 S2 測 站 cast 2, (c) 是 S3 測 站 cast 2, (d) 是 S4 測 站 cast 2, (e) 是 S5 測 站 cast 2, (f) 是 S6 測 站 cast 2 46

58 圖 14. 十 月 航 次 蘭 嶼 西 邊 第 三 次 觀 測 4 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 S1 測 站 cast 3, (b) 是 S2 測 站 cast 3, (c) 是 S3 測 站 cast 3, (d) 是 S1 測 站 cast 3 47

59 圖 15. 四 月 航 次 蘭 嶼 東 邊 四 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 K3 測 站, (b) 是 K4 測 站, (c) 是 T3 測 站, (d) 是 T4 測 站 48

60 圖 16. 七 月 航 次 蘭 嶼 東 邊 兩 個 測 站 的 流 速 剖 面 圖, (a) 是 T3 測 站 cast 1, (b) 是 T4 測 站 cast 1, (c) 是 T3 測 站 cast 2, (d) 是 T4 測 站 cast 2 49

61 圖 17. 研 究 區 域 內 有 發 現 到 反 流 的 測 站 流 剖 圖 (a) 是 4 月 航 次 K1 站, (b) 是 4 月 航 次 K1 站, (c) 是 7 月 航 次 T1 站 cast 1, (d) 是 7 月 航 次 T1 站 cast 2, (e) 是 10 月 航 次 S1 站 cast 1, (f) 是 10 月 航 次 S1 站 cast 2 黑 色 實 線 代 表 流 速 為 0 的 地 方 50

62 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖 資 料 取 的 是 第 一 個 bin 的 Long time Average( 每 10 分 鐘 一 筆 data) 的 海 流,bin 的 範 圍 約 在 水 深 12m~20m 的 地 方 ( 每 個 bin 設 為 8 公 尺 ), 箭 頭 代 表 流 速 大 小 與 流 向 51

63 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖, 由 上 至 下 依 序 為 12~20m 44~52m 92~100m 140~148m 的 深 度 52

64 圖 年 4 月 21~25 日 的 海 表 面 高 度 距 平 值 SSH 圖 由 上 到 下 依 序 為 21 至 25 日, 左 邊 尺 度 較 小, 右 邊 尺 度 較 大 53

65 圖 21. (a) 代 表 7 月 航 次 T2P 測 站 第 一 次 觀 測 的 流 剖 圖, (b) 代 表 T2P 測 站 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖, (c) 是 蘭 嶼 2007 年 7/7~7/11 日 的 潮 序 圖 54

66 圖 月 航 次 第 一 次 觀 測 的 流 剖 圖 ( 沿 著 緯 度 線 ; 經 度 介 於 121 ~122 之 間 ), (a) 代 表 東 西 向 流 速 U, (b) 代 表 南 北 向 流 速 V 55

67 圖 月 航 次 第 二 次 觀 測 的 流 剖 圖 ( 沿 著 緯 度 線 ; 經 度 介 於 121 ~122 之 間 ), (a) 代 表 東 西 向 流 速 U, (b) 代 表 南 北 向 流 速 V 56

68 圖 月 航 次 Sb-ADCP 的 流 矢 圖,(a) 代 表 第 一 次 觀 測 時,T1 站 到 T4 站,(b) 代 表 第 一 次 觀 測 時,T4 站 返 回 T1 站,(c) 代 表 第 二 次 觀 測 時,T1 站 到 T4 站,(d) 代 表 T4 站 由 右 至 左 返 回 高 雄 港 57

69 圖 月 航 次 的 溫 鹽 圖, 紅 色 線 代 表 南 海 水, 黑 色 線 代 表 黑 潮 水, 而 測 站 的 水 文 特 性 用 藍 色 線 來 表 示 上 方 的 圖 為 蘭 嶼 北 方 的 K 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 K1~K4 測 站 ; 下 方 的 圖 為 蘭 嶼 南 方 的 T 測 線, 由 左 至 右 依 序 為 T1~T4 測 站 58

70 圖 月 航 次 兩 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a) (b) 代 表 T1 站 的 兩 次 觀 測, (c) (d) 代 表 T2P 站 的 兩 次 觀 測, (e) (f) 代 表 T2 站 的 兩 次 觀 測 59

71 圖 月 航 次 兩 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a) (b) 代 表 T3 站 的 兩 次 觀 測, (c) (d) 代 表 T4 站 的 兩 次 觀 測 60

72 圖 28 4 月 航 次 T2 T3 站 與 7 月 航 次 T2 T3 站 第 一 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, 紅 色 線 代 表 南 海 水, 黑 色 線 代 表 黑 潮 水, 而 測 站 的 水 文 特 性 用 藍 色 線 來 表 示 61

73 圖 月 航 次 第 一 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(f) 依 序 代 表 S1~S6 測 站 62

74 圖 月 航 次 第 二 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(f) 依 序 代 表 S1~S6 測 站 63

75 圖 月 航 次 第 三 次 觀 測 的 溫 鹽 圖, (a)~(d) 依 序 代 表 S1~S4 測 站 64