BUOY Seaglider VMP
科學主題: 颱風的發展及其與上層海洋互動的過程/提升颱風數值預報準確度- 海氣象觀測浮標及西北太平洋浮標陣列網之發展。(楊穎堅、馬玉芳、鄭欣雅、謝祥志、洪瑋廷)
臺灣浮標科技與觀測技術的發展起源於 1990 年代。當時陸續陸續參加TOGA 及 SCSMEX 等國際合作計畫,並與美國 PMEL/NOAA 合作,共同施放ATLAS 浮標於赤道太平洋與南海等海域。在科技部/國科會的重視與支持下,貴儀團隊自 2015 年起開始發展第二代海氣象浮標。本五年計劃基於過去浮標發展基礎,持續精進相關探測技術,並根據不同的科學目的及資源多寡而改變設計。例如,計畫開始後的前三年著重在颱風和海洋間的交互作用,後面數年除了探討颱風的影響外,也在近海表面的深度密集地掛載探針以觀測日暖層。
NTU1 和 NTU2 浮標每年會在 6 月後施放,並於當年度 11 月之前完成回收,例如:2022 年海氣象浮標觀測任務是於 2022 年 5 月下旬至 10 月上旬期間進行;2023 年夏季的海氣象浮標觀測是於 6 月至 10 月期間執行。
自 2015 年夏季起開始施放海氣象浮標觀測颱風,迄今已經觀測到蘇迪勒、天鵝、尼伯特、莫蘭蒂、馬勒卡、梅姬、尼莎、天鴿、山竹、丹娜絲、利奇馬、白鹿、玲玲、米塔、閃電、璨樹、圓規、軒嵐諾、梅花、杜蘇芮、蘇拉、海葵、小犬等共計 23 個颱風,如表 2.1 所示。在這段期間,浮標設計逐漸精進,成功率也逐漸提升。團隊近期也將累績的技術,撰寫為科學論文,投稿至相關 SCI 期刊。以 2023 年版海氣象浮標為例,為了觀測颱風所造成的紊流混合以及日暖層的變化,海面儀器設備分別有:螺旋槳式風速計、超音波風速計、溫濕度計、氣壓計、短波輻射儀、淨輻射儀、雨量計、波浪計、海表面溫度計、控制與通訊模組、氣象資料蒐集模組、太陽能航行警示燈、銥衛星通訊天線、國際海事衛星通訊天線、UHF 無線電通訊天線、銥衛星 GPS 發報器、雷達反射計、縮時攝影機等。
錨定設計圖包含了 SBE37 溫鹽深儀、SBE39 溫壓儀、SBE56 水溫計、RBR 溫壓儀、Aquadopp 單點式海流儀、Aquadopp Profiler 都卜勒式流剖儀等、水聲記錄儀、音響釋放儀等。這些儀器分別來自貴重儀器使用中心、中央氣象署、及楊穎堅教授。
此外,颱風經過的海面,會因垂直混合、湧昇流、熱通量變化等,造成上層海洋溫度變冷,又稱隨冷尾跡(cold wake)。然而,研究團隊分析 NTU1 與 NTU2兩浮標於 2016 年至 2021 年期間的觀測資料顯示,總計有 30 個案例途經兩個浮標的附近海域(最近距離小於 1.5 倍 34 級風半徑),其中有 8 個案例顯示上層海洋海水變暖的現象, 經研究結果指出上層海洋變暖是颱風所引起的下沉流有關,而引起的下沉流的機制有二:分別是最大風速暴風圈之外的向下風應力漩度與表面流場的幅合。引起的增溫除了跟颱風強弱、行進速度、相對位置有關外,也與颱風來襲前的背景海水溫度垂直結構有關,如圖 2.8 所示。這些與颱風底下的浮標觀測研究研究成果已經刊登於數個國際知名期刊。
表 2.1:NTU1 浮標歷年所觀測到的颱風(最近距離小於 34 節風暴風半徑),由左而右分別是颱風名稱、最近距離(公里)、最靠近時間(UTC)、颱風強度、中央氣象署公告之 7 級風被風半徑(公里)、浮標相對颱風中心方位、JTWC公告之 34 節風暴風半徑(海浬)。
圖 2.2:2023 年版 NTU1 海氣象浮標之錨碇設計與水下儀器設備。SBE37 為溫鹽深儀,Aquadopp 為單點式海流儀,Aquadopp Profiler 為都卜勒式流剖儀,SBE39 與RBR 均為溫壓儀。
圖 2.8:颱風所引起的海洋變化動力過程示意圖。本圖摘自 Yang et al. (2024a)。
3. 科學主題: 國際 Boundary Ocean Observing Network 計畫全球海洋邊界海流觀測網之黑潮觀測 (水下自走式觀測載具 Seaglider 機隊)。(張明輝、詹森、楊凱絜、王釋虹、 謝祥志)
貴儀中心目前共有五具水下自走式探測載具 Seagliders 來執行臺灣海洋物理觀測的任務。與其它水下無人探測載具相比,Seagliders 可克服臺灣周遭複雜且強勁的黑潮流速,使其重要性日益增加。目前美國華盛頓大學應用物理實驗室負責製造、開發和販售 Seaglider 的任務。這五年計畫之中,每年至少有一架Seaglider 執行長達 1 個月以上的任務,最長可達 3 個半月。在這些觀測任務之中,最值得一提的觀測實驗分別是 111 年度在台灣東側黑潮區域的觀測以及112 年度在西北太平洋的國際合作觀測實驗。
在 111 年度的觀測任務時我們第一次測試了 Seaglider 在小尺度紊流觀測的能力。當年度共進行了 2 次海域實測,其中第 2 次在 111 年 7 月進行,Seaglider 從臺灣南端橫跨黑潮,進入黑潮以東的反氣旋渦流。施放和回收是在新海 3 和新海 2 航次進行,總共完成了 124 次潛水。儘管 SG682 在回收之前機體運動失控,觀測資料仍算完好。 SG682 施放在臺灣南部水域。它穿過黑潮和反氣旋渦流的西側,最終捲入渦流的內核(此時滑翔機已失控)。令人鼓舞的是,我們也使用 Large Eddy Method (LEM)(圖 1-3.2 右)成功估計了黑潮沿線的紊流耗散率,並顯示出估計結果和紊流儀直接測量結果(圖 1-3.2 左)相近。呂宋海峽強大的紊流耗散率(~ 10-7-10-5 W kg-1)可能與流-地形相互作用或和內潮生成有關,渦流和黑潮之間的強紊流耗散率則可能與鋒面不穩定性有關獻。 T-S diagram 顯示了兩種主要的水類型(這邊不列出):南海熱帶水 (SCSTW) 和西菲律賓海熱帶水 (WPSTW)。前者發現於呂宋海峽和黑潮西側,後者是在渦流中的黑潮東側發現的,需要進一步分析水的類型和湍流混合之間的關係,但無論如何,SG682 的觀測取得了可信的水文以及紊流資料,另外,前述的 LEM 紊流估算方式是使用水文資料”猜測”的紊流強度值,初步與直接觀測的紊流相近,若加以調校,未來可應用於沒有搭載紊流探針的 Seaglider 觀測。
112 年度 Seaglider 觀測任務:在 112 年的觀測實驗裡,SG687 參與了台美間的國際大型觀測實驗 ARCTERX,使國際看到臺灣海洋科學研究領域在自動化水下觀測技術上的進展。112 年 5 月 31 日配合 R/V Thomas G. Thompson TN-417C 航次在西北太平洋(西菲律賓海域)施放了 SG687,與美國研究團隊另外10 支水下滑翔機配合,執行中尺度渦旋聯合觀測任務,112 年 9 月 12 日回收,共計 104 天,總航行距離 2,352 km (1,270 nm),完成 707 次連續剖面,收集資料包含溫度、導電度(鹽度)、壓力、溶氧、葉綠素螢光及背散射強度。實驗數據極為珍貴,各研究團隊已經投入資料分析的工作之中。
圖九、計畫第一年新購搭載紊流探針的 Seaglider (編號 SG682).
圖 1-3.2:使用切變探針(左)和 LEM 估計(右)的滑翔機軌蹟的紊流耗散率分佈圖。
4. 科學主題:上部海洋邊界層的發展及其對海氣交互作用的影響/西方邊界流區海氣交互作用特性-發展高解析度海洋邊界層觀測系統
高解析度海洋邊界層觀測系統的發展目的是為上部海洋邊界層的發展及其對海氣交互作用影響的研究。上層海洋邊界層作為最靠近大氣邊界層的水層可直接影響傳往劇烈天氣系統發展所需的熱通量和水氣通量。因此,上層海洋邊界層的觀測極為重要。有鑑於此,貴重儀器中心考量了現有的資源和人力,並和國內研究學者合作下,成功發展出在臺灣周遭可行的海氣交互作用觀測方式。這將有助於改良未來天氣預報的準確度。
船載海氣通量及交換研究載台系統(Ship-based Air-sea Flux & ExchangeSystem-SAFE System):在這五年計畫之中,貴重儀器中心以兩種方式並行來發展漂浮式觀測載台。概念為參考國外成功經驗來(1)運用現有貴儀資源組裝研發與(2)設計全新觀測平台。第一種平台我們稱之為攜帶式海氣通量及交換觀測系統(Ship-based Air-sea Flux and Exchange System, SAFE)。SAFE 的浮體是使用都卜勒流剖儀專用的 45 寸鐵氟龍材質浮球,球體有圓柱形簍空的空間及上架與下架,有助於儀器裝設。後者 T-bar 與前者概念類似,差別只在於平台形狀為一 T 字形可漂浮平台。我們故稱之為 SAFE T-bar。
在觀測成果方面,目前 SAFE 系統已經歷經數次現場實驗測試,其中一次於2021 年 9 月測試讓 SAFE 自台東外海自由漂流到宜蘭外海,成功觀測到上層海洋受陽光影響之日暖層(Diurnal warm layer)精細變化,此觀測對於研究黑潮流域之海氣交換作用相當重要。因為系統上的技術已經接近成熟,相關配件模組化的工作已經建立,使施放時不再受限於單點觀測。未來將進行更多的測試以持續精進其功能。更重要的是,透過這樣的觀測系統所得到的資料可成功解釋為何臺灣東岸外海的黑潮在夏季吹東風時常常可以看到南北不均勻的海表溫變化,跟陽光照射下的上層海洋日暖層、風速方向與流向有密切關係。
此外,貴重儀器中心自 2015 年起引進深水型紊流儀(VMP-500),主要以定點觀測方式進行施放,可測得水下的紊流動能消散率,2019 年更引進淺水型紊流儀(VMP-250),主要以走測方式進行施放,紊流觀測的基本原理壓電原理,主角為切變探針,因其外型又稱翼型探針(Air-foil probe),是由 H. S. Ribner和 T. Siddon 於 1965 年經風洞實驗提出的設計,在 1972 年由 T. Osborn 首次用於海洋紊流量測,自此發展成量測海洋紊流的標準配備並沿用至今。目前使用的航次和施放位置涵蓋東岸黑潮、菲律賓海、高屏峽谷、東沙島附近、及太平島附近海域.目前已有多名國內研究學者透過新海研 1 號貴重儀器中心的紊流觀測技術來觀測和探討海洋內部的動力過程。成果也持續發表於在國際知名期刊上。
攜帶式海氣通量及交換觀測系統
Ship-based Air-sea Flux & Exchange System (SAFE)
圖 1-4.1:SAFE 系統之水面上氣象儀器裝置分配圖。
圖十二、第二版 SAFE T-bar 系統結構、氣象儀、風速計、GPS、溫度計串、都普勒流剖儀組合示意圖(左)。SAFE T-bar 於新海研1號航2021/12/2-4航次在臺灣西南部海域釋放測試(右)。
