學位論文
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Item 臺灣雲解析差時系集颱風定量降水預報應用研究(2023) 陳鑫澔; Chen, Shin-Hau臺灣的颱風降雨雖為主要的水源之一，但也常因此造成災害。數值天氣預報開發以來，時常面臨著不確定性造成的困難，眾多研究者嘗試使用各式方法獲取防災資訊，本研究面對臺灣颱風防災的需求，嘗試在現有資源限制下，建構針對臺灣颱風降水於防災的建議系統。具體而言，本研究使用雲解析風暴模式，建構上採用了2.5km水平格點間距，每六小時進行八天的預報，在本研究的十個目標颱風內，經過評估後皆能在各颱風風雨影響臺灣前至少52小時前，也就是大約兩天以前，找出颱風影響期間總累積降雨量的相似技術得分(Similarity Skill Score，簡稱SSS) 大於0.6的高解析度的降水情境，顯示此方法實際應用上可以在有反應時間的前提下，提供有效的降水情境。 防災事前可以針對最糟糕的降水情境做防範，但為了更有效的找出較有參考價值的預報，本研究針對十個西行侵臺颱風選出105個預報參數，使用機器學習嘗試建構能夠預估降水指引(SSS為其中之一)與路徑指引的模型並進行評估，評估後大多數機器學習預估的SSS皆能適度掌握不同初始時間預報中的實際降水SSS好壞。機器學習預估的結果約在實際颱風影響臺灣26小時前可以產出，當預估的SSS中位數達0.6以上時，實際的SSS也有71%超過0.6，顯示可以在中心登陸兩天前預先指出那些預報的可信度低，那些的可信度高。 本研究進行機器學習訓練時進入模型的颱風數量上不多，可當作ㄧ初步之研究，文章中亦討論了許多颱風預報相關性分析，並提出了幾個可能的改進方向。總體來說，高解析差時系集預報輔以機器學習可在臺灣西行颱風的防災預警上，提供有效的降水情境，並指出較具可信度的預報。Item 利用高解析度大氣模式與CMIP6高解析度氣候模式探討TC頻率與破壞性之現今模擬與未來變化(2023) 陳冠杰; Chen, Kuan-Chieh本研究利用高解析度大氣與海氣模式，系統性評估模式模擬西北太平洋TC (Tropical Cyclone)活動之表現，及推估未來溫室氣體濃度為CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project 5)中的RCP8.5 (Representative Concentration Pathways 8.5)與CMIP6中的SSP5-8.5 (Shared Socioeconomic Pathways 5-8.5)暖化情境下，近未來(2021-2050)與21世紀末(2075-2099)西北太平洋TC活動及登陸東亞沿岸地區之變化，並利用GPI(Genesis Potential Index)與SSE (synoptic-scale eddy)能量診斷等工具，分析TC變化機制。結果顯示25~50公里高解析度大氣與海氣模式均可以模擬現今氣候TC生成與軌跡頻率。然而，模式仍低估TC平均最大強度及強烈TC數目，其中海氣模式更低估TC強度。經由SSE能量診斷分析，顯示ISO(Intraseasonal Oscillation)與SSE尺度交互作用，在TC強度增強過程中，扮演重要的角色。海氣模式模擬ISO提供顯著較少的能量給TC發展。ISO南側較弱的水氣通量，較不利TC潛熱釋放，TC可用位能轉換成較少的TC動能，限制TC強度發展。高解析度氣候模式有助於TC活動模擬表現。高解析度海氣(大氣)模式推估在CMIP6 SSP5-8.5 (CMIP5 RCP8.5) 暖化情境下，近未來(2021-2050) (21世紀末(2075-2099))的TC生成數目減少4.3%(50%)，強度增強0.8%(14%)，及伴隨降雨增加5.8%(35.4%)。TC登陸東亞沿岸地區的頻率減少4.5%(51.9%)。暖化效應影響下，高解析度海氣與大氣模式推估近未來與21世紀末西北太平洋TC活動的變化趨勢一致，但變化幅度仍具有不確定性。經由GPI與SSE能量診斷分析，發現高解析度大氣模式推估在21世紀末TC主要生成位置上，中層大氣較乾燥，季風槽減弱伴隨中層下沉運動異常及SSE活動減弱，限制TC生成。然而，在21世紀末，較暖海溫與較弱垂直風切，及SSE動能產生效率增加，有利TC更快速的增強，更具有破壞性。Item 滇西高黎貢造山帶板塊架構與其構造動力之演化(2023) 邱宇平; CHIU, Yu-Ping從東喜馬拉雅構造結(EHS)到滇西有著獨特的彎曲造山帶，它凸向被隱沒的歐亞板塊，這一點和西邊的印度-歐亞碰撞帶的其他邊界相異，也和東邊的新特提斯洋的海溝不同。位於滇西的騰沖地塊內有兩條彎曲造山帶，最顯眼的是位於騰沖地塊東緣的高黎貢造山帶；而在騰沖地塊西側有另一條規模較小的彎曲岩漿帶，其岩漿活動和特提斯洋隱沒作用相關。本研究藉由分析四期塑性變形事件的時間和動力機制，發現高黎貢造山帶是一條非典型的彎曲造山帶。最早的D1事件使早白堊紀(鋯石鈾鉛定年為118-78 Ma)的花岡岩變形，且在新特提斯洋閉合期間形成直立褶皺，在高黎貢造山帶北段為西北西-東南東走向，而在南段為南-北走向。淡色花岡岩質副片麻岩(06CG20)的鋯石鈾鉛定年結果結合主要元素分析結果顯示，沉積物源自124 Ma的花岡岩，之後經歷風化、侵蝕和沉積，在110 Ma到73 Ma之間沉積，然後在65 Ma深融形成S型花岡岩；隨後在45-40 Ma時於中度角閃岩相以上的環境發生混合作用(migmatization)。本研究對騰沖地塊南部東河岩體附近的角閃岩、花岡閃長岩、片麻岩和淡色花岡岩進行岩石學和地球化學分析。變質閃長岩和角閃岩等暗色體(melanosome)具有SiO2含量低 (50-60%)、融化溫度高(920-1100°C)和CaO/Na2O比值高 (變質閃長岩為4.35、角閃岩為1.40-2.03) 的特徵，代表這些暗色體是由角閃岩脫水之後的殘留物集合而成。中色體(mesosome)和新體(neosome)具有高Na2O+CaO含量但較低的K2O含量。本研究結合岩石學分析和板塊重建結果，提出在新特提斯洋板片回滾(rollback)和斷裂(break-off)造成地殼減薄時，地函熱源上湧，伴隨東河犁型斷層(D2)發生混合作用。隨後，由於Great India板塊的碰撞，東河滑脫面於40-28 Ma期間在高度角閃岩相的環境形成西北-東南走向、向東北逆衝的褶皺與逆衝斷層帶(D3)，並產生近水平的S3A葉理。此為高黎貢造山帶成形的最初的階段。然而，位於東側的奧陶紀基盤阻擋此褶皺與逆衝斷層帶，因此形成了鏟型的逆衝剪切面。當這個鏟型的逆衝剪切面沿著奧陶紀基盤被侵蝕和出露後，使得高黎貢造山帶成為看似沿著奧陶紀基盤彎曲的造山帶，因此為一「非典型」的彎曲造山帶。在D3的後期(35-28 Ma)，褶皺與逆衝斷層帶的前翼(forelimb)被高角度向東傾的左移走滑剪切帶(D3B)重利用，成為因印度向北擠壓而向東南拖曳的塊體邊界。左移走滑剪切帶(D3B)的S/C組構由白雲母和蠕狀石(myrmekite)所定義，顯示為中到低度角閃岩相的變質環境。之後，板塊架構因藏南下部地殼拆層而發生劇烈變化。從高黎貢片麻岩和同D4形成的長英質岩脈中挑出來的白雲母(34-31 Ma)、黑雲母(23 Ma)和鉀長石(33-21 Ma)的氬氬定結果可連結礦物的封存溫度建立降溫曲線，發現溫度從約34 Ma時的550°C降到32Ma時的350°C，在22 Ma時再降溫到275°C。再連結由同構造礦物定義的變形溫度和降溫曲線，結果發現了「從碰撞擠壓(collision-extrusion; D3B)過渡到地殼碎裂流(crustal cataclastic flow; D4)」的混合模式。陡峭的南-北走向、右移走滑斷層於28 Ma到15 Ma期間，在高黎貢造山帶北段形成高黎貢剪切帶(D4)，並成為該區域最顯著的構造。綠泥石化的黑雲母和形成串腸的矽線石沿著D4的S/C組構排列，顯示環境從角閃岩相退變質到綠片岩相。這反應了增厚的西藏重力垮塌，造成沿著EHS順時針旋轉的碎裂流為中到上部地殼的變形環境。至於另一條規模較小的彎曲岩漿帶，XRF主要元素分析和鈾鉛鋯石定年結果顯示其為63-62 Ma形成的I型花崗岩(A/CNK值為0.94-1.02)。整合了整個區域的岩漿事件之後，發現岩漿活動有隨時間和空間向西從S型花崗岩過渡到I型花崗岩的現象，反應板片從低角度隱沒轉變為高角度隱沒的回滾過程；顯示新特提斯洋的隱沒作用的確發生在騰沖地塊下方，且可能導致彎曲的岩漿帶形成。因此，本研究提出不對稱的「不規則的板片側緣模型 (irregular lateral slab edges model)」來解釋騰沖地塊的彎曲岩漿帶。這個模式必須隨時間逐漸累積變化，最後在60 Ma時於隱沒帶兩側產生高角度的板片回滾和海溝後撤(retreat)，而位於隱沒帶中段的騰沖地塊則是位於相對突出和板片低角度隱沒的位置，也因此會發生板片從低角度回滾演變為高角度回滾的狀況。然而，西藏下方的新特提斯洋板片斷裂(~50 Ma)和藏南下部地殼拆層(~28 Ma)使得這個「不規則的板片側緣模型」的隱沒系統被破壞，導致東南亞的地體架構在新生代發生劇烈改變，啟動數條地殼尺度的大型走滑斷層。Item 臺灣梅雨季鋒面對流渦旋個案尺度交互作用之模擬與診斷研究(2022) 黃心怡; Huang, Shin-Yi本研究探討梅雨鋒面與其伴隨之中尺度過程，包含低層噴流、中尺度渦旋以及深對流等多重尺度交互作用下，各尺度在影響渦度貢獻上所扮演的角色。選擇兩個梅雨鋒面個案作為研究，個案一為2003年6月6至7日自華南和南海北部移入臺灣南部近海的四個中尺度對流系統（MCSs），MCSs強度持續增強且向東移，為中南部地區帶來豪（大）雨事件。個案二為2014年5月19至20日受梅雨滯留鋒面影響，於華南附近形成一中尺度對流系統沿鋒前分布排列與發展，並逐漸向東移動至臺灣。使用CReSS模式模擬兩個個案，結果顯示梅雨鋒面及其中尺度對流系統模式結果皆有不錯的掌握，無論地面梅雨鋒面的位置、風場以及中尺度對流系統與觀測空間尺度相符，雖在時間尺度上有30～60分鐘的落後，使24小時累積雨量分布有所差異，但其強度一致。在中尺度渦旋之區域做垂直渦度收支分析結果顯示，在中尺度渦旋最顯著時，個案一局地渦度趨勢項正貢獻為低層扭轉項、中低層渦度輻合及中高層垂直平流項，顯示低層強垂直風切與輻合是渦度增加的原因；個案二北部區域局地渦度趨勢項正貢獻為低層渦度輻散項、中低層扭轉項以及水平平流項，顯示低層輻合與中層強垂直風切是渦度增加的原因之一；南部區域則為整層的渦度輻散項、垂直平流項與水平平流項，顯示低層輻合與垂直上升運動是渦度增加的原因。利用帶通濾波法將兩個案的數值模擬結果做大尺度、中尺度與對流尺度的分離，結果顯示該方法能有效保留個案中各尺度的特徵。尺度分離後渦度收支各項分析顯示，個案一正渦度貢獻為渦度輻散項與扭轉項，各項皆以對流尺度最為重要，中尺度為輔。個案二北部區域正渦度貢獻為渦度輻散項與扭轉項，各項以中尺度加乘對流尺度為主。尤其在中尺度渦旋發展期，渦度輻合項與水平平流項中的對流尺度其值能與中尺度相當，可見深對流胞在空間分布上比例雖少，但提供的正渦度卻不可忽視；南部區域分析顯示，正渦度貢獻為渦度輻散項與渦度垂直平流項。渦度輻散項以對流尺度加乘大尺度；渦度垂直平流項為大尺度加乘中尺度，顯示大尺度環境已有相當程度的背景渦度值，深對流的潛熱釋加強低層輻合與垂直上升運動，可將渦度回饋至大尺度。Item 探討影響公民海洋素養的因子-從分析政府策略以及行為機制著手(2023) 劉冠英; Liu, Guan-Ying透過海洋教育增進學生的海洋素養，進而激發他們對負責任海洋環境行為的意願，已被認為是解決日益嚴重的海洋環境問題的有效途徑。台灣政府早已意識到海洋教育的重要性，在2006年頒布《海洋政策白皮書》後，國內的海洋教育推動計劃便正式啟動。多年來的努力使台灣的海洋教育在國際學術界得到廣泛關注和認可，並被視為海洋教育推動的先驅之一。透過比較台灣學生與其他國家學生的海洋素養表現，我們不僅可以檢驗台灣學生在當前海洋教育體系下是否展現出相對卓越的成效，還可以利用學生海洋素養的跨國比較結果，與各國的海洋教育發展策略進行對比，從中找出提升海洋素養的核心因素。此外，為了更有效提升台灣的海洋教育品質，本研究亦探討海洋素養對負責任海洋環境行為的影響機制，以深入了解影響台灣學生負責任海洋環境行為的關鍵要素，為未來台灣海洋教育的方向提供有力指引。為了達成這兩個研究目的，本論文分成以下兩項研究：研究一：我們共招募了5443名來自八個國家的高中生，並通過量表測量了海洋素養最具代表性的兩個構面，即知識和態度。結果顯示，臺灣學生在知識和態度兩項測試中的表現均優於其他七個國家。我們進一步比對了文獻回顧統整出的五項推廣海洋教育的關鍵策略，其中包括：政府頒布的海洋教育課綱、中央政府成立的海洋教育推廣機構、教師的海洋素養培訓計畫、海洋素養教材的開發，以及國內非政府組織的積極參與。比對結果突顯了政府頒布的海洋教育課綱的獨特性和重要性。將海洋素養納入國家課綱，不僅確保了教學內容有完整的架構，也將對相應的海洋教育政策實施和後續配套措施產生正向的影響。研究二：本研究旨在深入探討海洋知識及海洋態度對海洋負責任行為意圖的影響機制。我們招募了共266名的高中生和大學生，利用量表評估他們的海洋知識、海洋的態度和負責任海洋環境行為的意圖，並特別調查了潛在的中介效應。結果顯示，對海洋的態度在海洋知識和負責任海洋環境行為的意圖之間起到了中介作用。因此，若要引導人們採取負責任的海洋行為，加強對海洋態度的培育才是關鍵。Item 颱風引起海洋中尺度渦之動力過程(2023) 賀華; Ho, Hua過去有部分關於颱風對預先存在的中尺度渦構成影響之相關文獻，卻鮮少探討當海洋為中性環境時，由於颱風通過所引起之海洋中尺度氣漩渦 (Cyclonic Ocean Eddy, COE)。本研究透過比對1995年到2020年之颱風最佳路徑資料 (Best track) 以及中尺度渦漩軌跡圖集 (Mesoscale Eddy Trajectory Atlas)，找出在西北太平洋中，歷年來颱風經過後由中性環境構成COE幅度變化最大的三個範例進行分析，此三例分別為1997年的Rosie、2009年的Nida以及2011年的Ma-on颱風。我們利用區域海洋模擬系統模式 (Regional Ocean Modeling System, ROMS) 對三個例子進行背景環境重建模擬和理想實驗，以還原颱風當下的海洋狀態，並通過設計實驗去確認COE是否為颱風所致。實驗結果顯示在颱風Rosie期間的COE生成係由當時海洋環境與颱風共同作用下的結果，Nida期間的COE則為颱風主導所致，Ma-on期間之COE為海洋環境所主導生成。在此之中特別針對由Nida颱風所生成的COE去進行更進一步的分析，探討其生成過程之動力機制。Nida颱風在生成COE時行進速度緩慢 (1.5216m⁄s) 小於當時海洋的第一斜壓模相位速度 (2.4534m⁄s)，在緩慢移動的情況下使表層海水幅散，導致海表高度下降，同時引起艾克曼抽汲 (Ekman pumping)，而海表高度下降使海水趨向地轉平衡，導致COE的生成。本研究也針對其生成過程進行能量計算，同樣顯示了相同的結果，在颱風駐留時強大的風力擾動上層海洋，使動能快速上升，並帶動艾克曼抽汲，強大的湧升流使等密度線傾斜，因此動能漸漸轉變為勢能，在颱風過後動能與勢能漸漸趨於平衡，也意味著COE的穩定。另外，透過渦度方程進行收支分析，分析顯示除了地轉平衡所帶來的正渦度以外，湧升以及平流造成的傾斜項也是增加相對渦度促使COE形成的主因之一。Item 臺灣北部中全新世古環境研究：麟山鼻珊瑚骨骼岩芯的穩定碳氧同位素組成及Sr/Ca比值紀錄(2023) Le Thu Minh; Le Thu Minh本研究分析採自新北市麟山鼻附近的珊瑚岩芯（約6100-4100年前但非連續紀錄；U-Th 及AMS 14C定年）的穩定碳、氧同位素成分及珊瑚Sr、Ca的元素含量，重建臺灣北部地區的古環境。珊瑚岩芯自頂部往下可分為A、B（均為Porites）、C及D（均為Cyphastrea）四段，本研究沿著標本X光相片辨識出的最大生長軸方向鑽取碳酸鈣粉末標本，共完成245個穩定氧碳同位素成分及245個Sr/Ca比值分析。穩定氧同位素成分數值介於-5.4‰和1.8‰之間，穩定碳同位素成分數值介於-2.8‰ 和 3.5‰之間。A、B、C、D段的氧同位素平均值分別為-4.2 ± 0.5‰（1σ；N = 74）、-4.4 ± 0.5‰（N = 56）、-2.6 ± 0.3‰（N = 31）及-4.2 ± 0.6‰（N = 84）。整體而言，C段（約5.2ka年前）的氧同位素數值比A、B及D段的氧同位素數值大， C段的碳同位素數值（0.5‰ - 3.5‰）比A、B及D段的碳同位素數值（-2.8‰ - 1.3‰）大，而C段的Sr/Ca比值（10.2 至 10.9 mmol/mol）也比A、B及D段的Sr/Ca比值（8.8 至 10.5 mmol/mol）大。C段Sr/Ca比值海表溫度（0.9oC- 9.2oC）比A、B及D段Sr/Ca比值海表溫度（5.3oC - 27.4oC）為低，與中央氣象局2007-2022麟山鼻海表溫資料比較，臺灣北部於6.1-4.1ka 年前的海表溫整體而言較現今為低。根據穩定氧同位素數值及Sr/Ca比值海表溫度數據估算，臺灣北部6.1-4.1ka 年前的海水氧同位素數值介於-1.2‰ 和 1.5‰（SMOW；0±0.5‰, N=245）之間，以現代開放大洋的0‰為參考基準且6.1-4.1ka 年前至今的全球冰川體積的變化可略，低於0‰的區間代表較強降水的環境（約6.0ka及4.2ka年前），反之，高於0‰的區間代表較弱降水及強蒸發的環境（約6.1ka及5.2ka年前）。約5.2ka年前C段珊瑚岩芯所紀錄的低溫及蒸發作用較強的古環境紀錄亦見於東亞地區的洞穴石灰岩紀錄，伴隨高碳同位素數值，或許當時於臺灣北部有較強的湧昇流，導致較低溫及高基礎生產力的環境。Item 使用數值模擬深入了解颱風引起臺灣東北海域降溫(2023) 吳欣茹; Wu, Hsin-Ju夏季颱風通過後，多次在臺灣東北角龍洞外海引起海表溫下降。2001~2020年18個第5類颱風中有3個颱風路徑十分相似，分別是2001年的尤特(Utor)、2008年的如麗(Nuri)和2008年的哈格比(Hagupit)。然而透過龍洞浮標海表溫資料觀察發現這3個颱風對龍洞海域造成的降溫幅度卻差異甚大，尤特颱風期間下降最多達8.8℃，如麗期間降溫為2.7℃，而哈格比期間海表溫下降幅度僅1.4℃。前人文獻指出，臺灣周遭海域颱風引起之海表降溫與颱風行進軌跡間有良好之關係，為了進一步釐清為何相近軌跡之颱風卻引起近岸海表溫降有如此顯著之差異，本研究使用區域海洋模擬系統模式(Regional Ocean Modeling System, ROMS)，重建此三相近軌跡颱風個別引起之上層海洋響應。同時，為了瞭解潮汐可能對颱風引起降溫過程造成之影響，本研究於數值實驗中亦納入了潮汐作用。透過實驗設計以及熱收支守恆方程診斷分析，探討各物理過程對三個颱風期間海表降溫所造成之影響。模擬結果顯示在尤特颱風期間，東海黑潮入侵最為顯著，亦驅動較強的次層冷水抬升，進而導致較大幅度的海表溫降，如麗東海黑潮入侵幅度最小，次層冷水抬升較不明顯，海表溫降幅度亦較弱，表東海黑潮入侵在近岸海表溫降中扮演著重要的角色，而模擬在納入潮汐效應會強化冷卻響應，並使其更接近真實情況。這三個相似路徑和強度的颱風在臺灣東北海域引起不同的區域風，尤特期間龍洞海域出現強東北風，為三者之中最有利於東海黑潮入侵之風力條件，此與颱風半徑有關。另外，從理想實驗可以得知區域風為主要驅動東海黑潮入侵的因素，海洋的部分初始場對降溫影響較小，潮時則影響較為明顯。熱收支分析結果顯示，三個颱風降溫過程溫度變化主要是受到垂直平流項影響，而潮餘流則會透過垂直平流項強化近表層的冷卻響應。最後，當颱風移動至南海時，流向轉為西北，進而造成臺灣海峽流速增加，流速快且溫暖的臺灣海峽流流經龍洞海域，使海表水溫回復。Item 星際介質熱力學之數值實驗(2023) 林迺芥; Lin, Nai-Chieh在本研究中，我們調查了冷星際介質(ISM)的冷卻和加熱過程對其熱力學和動力學的影響。狀態方程描述了形成恆星的分子雲中冷ISM的溫度和密度之間的關係，當數量密度小於每立方公分 10^4 時，其多變熱指數為 γ ∼ 0.7，當數量密度大於每立方公分 n< 10^4時，其多變指數為γ ∼ 1。然而，觀測結果與理論預測存在些許差異，因為這些理論假設加熱或冷卻時間尺度比動態過程時間尺度短因而不考慮壓縮或膨脹所做的功。為了解決這個問題，我們使用自適應網格(AMR) 數值程式 RAMSES 進行數值模擬，以找出有效的動態指數。我們的模擬採用分子雲中主要的發射線冷卻函數和參數化冷卻函數。當使用分子雲中主要的發射線冷卻函數時，分子雲迅速達到平衡。然而，當把冷卻功率降低以模擬低金屬豐度環境時，分子雲偏離了狀態方程的描述。我們還探討了參數化冷卻函數的使用，並找到了滿足分子雲坍縮的特定參數設置，也就是有效的多變指數需小於 4/3。我們的結果顯示，在研究原始冷 ISM 時，應將動力過程所做的功納入理論模型中，因為在低金屬豐度環境的情況下冷卻效率不高。總結來說，我們的研究強調了對冷 ISM 的動力學和熱力學的更全面的理解的需要，以及考慮冷卻和加熱過程對這些系統的影響的重要性。Item 海流發電機最佳化配置研究(2023) 黃柏豪; Huang, Bo-Hao由於尾流的存在使得在大面積佈置海流發電機時將降低各個機組的效率，且很難通過物理手段消除尾流的影響，因此在佈置海流發電機前，去預測每部機組之間造成的影響和總發電量並優化排列方式是十分重要的課題。本研究參考風力發電機組的配置方式，利用尾流的計算公式與模擬退火演算法，提出出一套專門針對海流發電機配置與優化的模擬系統，並用產生之結果與其它案例進行比較，以此來驗證此系統的準確度與可行性。而實驗結果表明，此模擬系統不僅能提供海流發電機配置的方式，也能計算出在受尾流的影響下的總發電量，且在比較幾種配置方案後，模擬系統與其他配置方案比較皆有更好的表現，可為未來更複雜的環境模擬提供基礎。