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研究生:高瑞其
研究生(外文):Ricky Kao
論文名稱:黑潮上游海區衛星測高觀測:渦漩之決定及分析
論文名稱(外文):Satellite Altimeter Observation of Kuroshio Upstream:Determination and Analysis of Eddys
指導教授:黃金維黃金維引用關係
指導教授(外文):Cheinway Hwang
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:土木工程系
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2001
畢業學年度:89
語文別:中文
論文頁數:93
中文關鍵詞:黑潮衛星測高渦漩TOPEX/POSEIDON時間序列海水面高度異常ENSO動力
外文關鍵詞:KuroshioSatellite AltimetereddyTOPEX/POSEIDONtime seriesSea level anomaly(SLA)ENSOkinematic
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本文是利用TOPEX/POSEIDON (T/P)、 ERS-1 及 ERS-2測高資料來研究台灣東部之黑潮及黑潮上游海區(KUDEX)之渦漩,本區之geoid以衛星測高及船測資料求得,並用8年的T/P資料,以每隔10天之重覆軌道來求黑潮運通量、寬度、中心流速及位置之時間序列。由黑潮的時間序列得知半年、一年及跨年的變異量可能是受渦漩的干擾、季風、太陽活動及ENSO影響。T/P求得之台灣東部黑潮平均運通量為19 Sv,和實際量測之WOCE PCM-1結果一致。台灣東部黑潮之中心軸會隨著季節變化,一般來說,秋季時中心軸靠近東海而夏季則遠離東海靠近琉球島弧。海水面高度異常也有一年及跨年的變化,而後者則與ENSO十分相關。在El Niño事件期間,東風逐漸減弱,造成海水面異常升高以及冷渦漩幾乎消失。在KUDEX上的洋流是以每10天為一個間隔來計算,而洋流的形狀可以反映出海洋表面的溫度、風應力旋度與渦漩動能。在西元1993~2000期間,KUDEX上的冷漩渦與暖漩渦是由人工判斷與最小二乘法來辨識。這些渦漩動力特徵的計算與分析也與時間、地點及渦漩半徑有關。根據知名的海洋物理學指出,暖渦漩或冷渦漩將會向西移至亞洲大陸,為了偵測KUDEX地區渦漩之行進路徑,吾人以選定二個渦漩求得移動速度,並了解其
動力特性、渦漩之演變,及渦漩與台灣東部黑潮的相互關係。

Altimeter data from TOPEX/POSEIDON (T/P), ERS-1 and ERS-2 are used to study the Kuroshio Current east of Taiwan and eddies in the Kuroshio Upstream Dynamics EXperiment (KUDEX) area. A geoid model derived altimeter and ship data, and 8 years of 10-day repeat T/P data were used to compute time series of Kuroshio’s volume transport, width, axis velocity and axis location. These Kuroshio time series show semi-annual, annual and inter-annual variations, which are probably caused by eddy disturbance, moonsoonal winds, solar activity and ENSO. The averaged volume transport of the Kuroshio east of Taiwan is 19 Sv and is consistent with the in situ measurement at the WOCE PCM-1 line. East of Taiwan the axis of the Kuroshio varies with seasons, and in general in autumn the axis moves closer to the East China Sea while in summer the axis is away from East China and near the Rykyu Islands. Sea level anomaly (SLA) over KUDEX also has annual and inter-annual variations, and the later is closely linked to ENSO. During an El Niño event, easterly wind weakens, SLA is unusually high and cold eddies almost disappear. Ocean circulations over KUDEX at a 10-day interval are computed and the patterns of circulations are examined with respect to sea surface temperature, wind stress curl and eddy kinetic energy. Cold-cored and warm-cored eddies over KUDEX during 1993-2000 are identified by a combination of human judgment and a least-squares method. The kinematic properties of these eddies are also computed and analyzed in relation to time, location and eddy radius. Due to the well-known ocean physics, a warm-cored or cold-cored eddy created over KUDEX will move westwards to the Asia continent. Detailed traveling paths, moving velocities of two selected eddies are studied to understand the dynamics and the evolution of an eddy over KUDEX and how it interacts with the Kuroshio Current east of Taiwan.

目錄
中文摘要………………………………………………………………………Ⅰ
英文摘要………………………………………………………………………………Ⅱ
目錄……………………………………………………………………………Ⅳ
表目錄…………………………………………………………………………VI
圖目錄…………………………………………………………………… VII
第一章緒論………………………………………………………………………1
1- 1研究背景及動機…………………………………………………………1
1-2研究方法與目標…………………………………………………………2
第二章TOPEX/POSEIDON、ERS1和ERS2資料處理…………………………4
2-1衛星測高資料簡介………………………………………………………4
2-1-1衛星測高之原理……………………………………………………4
2-2TOPEX/POSEIDON衛星…………………………………………………6
2-2-1 TOPEX/POSEIDON衛星介紹………………………………………6
2-2-2 TOPEX/POSEIDON衛星所承載之感測器(Sensors)………………7
2-2-3 TOPEX/POSEIDON衛星軌道(Orbit)……………………………8
2-2-4 TOPEX/POSEIDON衛星資料處理…………………………………10
2-3 ERS-1及ERS-2 衛星……………………………………………………15
2-4 ERS-1及ERS-2之T/P級軌道……………………………………………17
第三章KUDEX海區的流場及其時間序列………………………………………21
3-1台灣東北及東南兩處之黑潮參數………………………………………21
3-1-1水準面模式(geoid model)………………………………………21
3-1-2黑潮運通量、寬度、中心軸速度………………………………………23
3-2 KUDEX相對地轉流………………………………………………………28
3-2-1 KUDEX海區之平均海水面及海水位異常…………………………28
3-2-2地轉流計算……………………………………………………………32
3-2-3相對動力高及渦漩動能(EKE)……………………………………35
3-3環流及渦漩的時空變化……………………………………………………36
第四章渦漩(Eddy)的動力分析…………………………………………………49
4-1渦漩的成因…………………………………………………………………49
4-2 影響渦漩的因素…………………………………………………………52
4-2-1 ENSO………………………………………………………………52
4-2-2温度異常……………………………………………………………54
4-2-3風的效應……………………………………………………………59
4-3渦漩之動力計算及判識…………………………………………………62
4-3-1渦漩之動力計算………………………………………………62
4-3-2渦漩之判識……………………………………………………66
第五章KUDEX海區之渦漩時空演變…………………………………………68
5-1KUDEX海區之渦漩………………………………………………………68
5-1-1渦漩的分佈情形…………………………………………………68
5-1-2渦漩的動力成果分析…………………………………………………74
5-2渦漩的追蹤………………………………………………………………77
5-2-1渦漩的行進方式……………………………………………………77
5-2-2渦漩的時空演變……………………………………………………77
5-2-3d浮球的驗証…………………………………………………………83
第六章結論與建議…………………………………………………………………87
參考文獻…………………………………………………………………………………89
附錄A……………………………………………………………………………………92
作者簡歷…………………………………………………………………………………93
表目錄
表2-1 本研究之測高衛星之物理性質……………………………………………5
表2-2 TOPEX/POSEIDON 衛星軌道元素………………………………………9
表2-3 TOPEX/POSEIDON測高資料檢核統計表,以cycle92為例……………14
表3-1 黑潮參數於台灣東北、東南處之平均值及標準偏差……………………25
表5-1 KUDEX海區之渦漩平差前後之數目…………………………………70
表5-2 KUDEX海區之冷渦漩動大特性統計,渦漩數目為686………………76
表5-3 KUDEX海區之暖渦漩動大特性統計,渦漩數目為932………………76
圖目錄
圖1-1 黑潮上游海區的海洋動力學範圍………………………………………1
圖2-1 衛星測高之原理……………………………………………………………4
圖2-2 TOPEX/POSEIDON人造衛星……………………………………………6
圖2-3 TOPEX/POSEIDON光碟資料的處理步驟………………………………12
圖2-4 TOPEX/POSEIDON原始資料檢核步驟…………………………………13
圖2-5 ERS-1衛星結構圖………………………………………………………15
圖2-6 交叉點上徑向軌道誤差圖………………………………………………17
圖2-7 1996/1/5~1996/1/15 ERS -1(左上)、ERS-2(右上)、TOPEX/POSEIDON(左下)和三種測高資料總合(右下)地面軌跡………………………19
圖2-8 1996/1/5~1996/1/15 ERS -1(左上)、ERS-2(右上)、TOPEX/POSEIDON(左下)和三種測高資料總合(右下)所繪出的相對地轉流圖………20
圖3-1 台灣附近的之2'×2' geoid,contour間隔為1公尺………………………22
圖3-2 計算運通量之示意圖…………………………………………………24
圖3-3 黑潮流經T/P d119及d081這二個pass時的主軸寬度…………25
圖3-4 沿著T/P pass d119軌跡之動力高,所推導出之黑潮運通量(top)、寬度(middle)和中心軸速度………………………………………26
圖3-5 沿著T/P pass d081軌跡之動力高,所推導出之黑潮運通量(top)、寬度(middle)和中心軸速度………………………………………………27
圖3-6 各cycle之 的SSH歸算至相對應 的示意圖,以cycle101之pass101的某一點為例…………………………………………………………29
圖3-7 TOPEX/POSEIDON的海水面異常圖……………………………………31
圖3-8 地轉流之各力平衡示意圖………………………………………………33
圖3-9 1993年3月至1994年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…40
圖3-10 1994年3月至1995年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…41
圖3-11 1995年3月至1996年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…42
圖3-12 1996年3月至1997年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…43
圖3-13 1997年3月至1998年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…44
圖3-14 1998年3月至1999年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…45
圖3-15 1999年3月至2000年2月,KUDEX地區之相對動力高及月環流…46
圖3-16 7年平均KUDEX地區相對動力高及月環流(1993年3月至2000年2月)…47
圖3-17 7年平均KUDEX地區EKE(1993年3月至2000年2月)等高線間隔5cm2/s2 …………………………………………………………48
圖4-1 Surrounding advection:(上)周圍流場對高、低壓的渦漩所造成向西的運動。(中)周圍流場對高、低壓的渦漩所造成南、北向的運動。(下)科氏力對高、低壓渦漩所造成南、北向的運動。………………………51
圖4-2 Self advection:高、低壓渦漩的內部運動造成渦漩向西的移動。……52
圖4-3 1981到2000年NINO3之SSTA時間序列……………………53
圖4-4 1999年2月17日至1999年3月24日之SSTA………………………56
圖4-5 1999年2月19日至1999年3月20日相對地轉流圖……………………57
圖4-6 7年平均之KUDEX海區之SSTA(1993年3月至2000年2月)………58
圖4-7 KUDEX海區風速之東-西及南-北分量………………………60
圖4-8 7年平均之月風應力(1993/3至2000/2)及海水位異常的關係,SLA單位為cm………………………………………………………………61
圖4-9 渦漩判識之示意圖………………………………………………………67
圖5-1 渦漩個數之時間序列………………………………………………70
圖5-2 初步人工判識後所得的eddy中心位置分佈圖………………………71
圖5-3 經過平差篩選計算後所得的eddy中心位置分佈圖……………………71
圖5-4 初步人工判識後的eddy中心位置分佈及T/P地面軌跡圖……………72
圖5-5 冷渦漩之渦漩中心位置分佈圖…………………………………………73
圖5-6 暖渦漩之渦漩中心位置分佈圖…………………………………………73
圖5-7 KUDEX海區冷渦漩(686)之(1)渦度(2)剪切變形(3)伸縮變形(4)散度與渦漩半徑的關係………………………………………………………75
圖5-8 KUDEX(932)海區暖渦漩之(1)渦度(2)剪切變形(3)伸縮變形(4)散度與渦漩半徑的關係………………………………………………………75
圖5-9 eddy155-177沿22°N之T/P SLA的時間序列(自1996/10/29至1997/7/4)(縱軸單位:cm,橫軸為115°E-140°E)………………………………79
圖5-10 暖渦漩(eddy155-177)的時空演變……………………………………80
圖5-11 eddy155-177(以T/P週期來分)之渦漩半徑、路徑及中心速度………81
圖5-12 冷渦漩(eddy240-269)的時空演變……………………………………82
圖5-13 eddy155-177及drifter依不同時間分段………………………………84
圖5-14 平均的eddy155-177之相對動力高及drifter20076之軌跡示意圖……85
圖5-15 平均的eddy155-177之相對地轉流及drifter20076之軌跡示意圖…………………………………………………………………………86

陳松安,「衛星測高資料分析南海海潮、海水位、洋流及渦漩」,博士論文,國立交通大學土木工程研究所,新竹,2001。
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