學位論文
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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 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 遠域颱風對臺灣東北龍洞海域降溫之影響(2022) 陳毅睿; Chen, Yi-Rui颱風生成於廣大的熱帶海洋上，當其經過海洋時，沿著颱風附近的海表面溫度，會因颱風的經過而有明顯的海表溫下降，並且前人文獻指出颱風造成海表降溫通常發生在颱風行進路徑右側附近( Price, 1981 )。然而，我們通過龍洞氣象浮標過去20年 ( 1998至2017年)的連續觀測資料，發現行經呂宋海峽的遠域颱風多次在遠在颱風軌跡420 km外的龍洞海域造成6 ℃以上的降溫，為了釐清其中的機制，本研究使用區域海洋模擬系統模式 ( Regional Ocean Modeling System, ROMS )，模擬2001年至2018年具備類似路徑之6個颱風案例，分別為2001年的尤特( Utor )、2003年的杜鵑( Dujuan )、2005年的珊瑚( Sanvu )、2011年的南瑪都( Nanmadol )、2013年的天兔( Usagi )及2016年的莫蘭蒂( Meranti )；並搭配龍洞潮位站之潮位資料與浮標之海溫資料對模擬進行驗證，系統性分析遠域颱風在龍洞地區造成上層海洋冷卻響應之過程。此外，由於龍洞位於近岸區域，潮汐作用對颱風引起冷卻響應過程可能造成之影響，亦為此研究欲釐清之重點。研究結果顯示，遠域颱風在龍洞引發較為強烈之降溫，主要透過颱風引起臺灣東北海域黑潮入侵之機制，並且，敏感度實驗顯示，臺灣東北海域當地風力為決定黑潮入侵是否形成之關鍵因素。同時，結果亦顯示，在未加入潮汐作用之實驗當中，颱風引起降溫在六個研究範例當中平均較觀測資料弱6.8 °C。在納入潮汐作用後，颱風引起近岸區域降溫趨於強烈，與觀測資料對比，溫度平均差異大幅度縮小至1.0 °C，整體而言，納入潮汐作用後，颱風引起近岸區域降溫之過程模擬獲得系統性改善。最後，透過系統性分析發現，加入潮汐作用主要透過底下機制增強颱風引起上層海洋降溫之過程，包含: (1) 在半個潮汐週期性振盪內會有上升流，因此潮汐作用可以加強上升流的強度，而且潮汐混合會破壞水體分層，提供有利環境供次層冷水上升，加上颱風通過時造成此區的強烈的上層混合和上升流，更容易使冷水抬升至較淺的水層、(2) 潮流與海底地形的交互作用，導致底部水層動能增強且底部應力增大。此外，底部應力也可以驅動額外的底部艾克曼傳輸( Bottom Ekman transport )，弱化底部水體分層，容易產生較強的上升流，進而使颱風通過後造成的海表降溫更強、(3) 龍洞次表層的南向潮餘流引發向下的底部艾克曼流( Bottom Ekman flow )，造成底部向東的艾克曼傳輸( Bottom Ekman transport )，而後因海底地形的關係，在離岸約20公里處產生向上的流，整體構成一逆時針環流，由於該區域上下翻轉流作用，使潮餘溫呈現次層水冷卻而下層水增溫之情形。綜合上述效應，我們建議後續在模擬颱風對近岸上層海洋冷卻響應時，納入潮汐作用可相當程度改善近岸降溫之情形並使之更符合真實之海洋狀態。Item 投落送數量與排列對於杜鵑颱風(2015)模擬的影響(2022) 蔡杰珉; Tsai, Chieg-Min杜鵑(Dujuan)颱風於 2015 年 9 月 20 日形成，並於 28 日登陸台灣，經過中 央山脈後路徑向南偏移再往北進行。27 日飛機偵察及投落送觀測實驗 (Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region ;DOTSTAR)，又名追風計畫以「全球定位衛星投落送」(GPS Dropsonde)進行飛機觀測。本研究採用 NCEP 之 GFS 全球模式初始場資料進行 數值模擬實驗，並利用 WRF 模式以及 3DVAR 資料同化方式針對杜鵑颱風進行模 擬，除了投落送觀測資料之外，還另外以 Bogus 虛擬渦漩強化後的初始場作為 虛擬投落送並以不同的數量以及排列共設計了 8 組實驗，藉以探討投落送位置 以及數量對於杜鵑颱風模擬的影響。模擬結果顯示，投落送同化個數為 14 個的真實投落送 Real Drop 組與其相同 經緯度但投落送資料取自於渦漩初始化後的初始場的 Sim Drop 組，兩組表現上 不只颱風模擬路徑較為偏北以及颱風模擬強度上皆弱於觀測，所以另外設計了 也為強化後初始場而取得的虛擬投落送且數量分別為 26 個的 Bogus Drop1、32 個 Bogus Drop2 組別，根據此結果探討投送送的數量以及排列對於杜鵑颱風路 徑的影響，利用 500 hPa 以及 850 hPa 的駛流場分析出 Real Drop 有更多往北 的向量，而進一步發現垂直結構上的不對稱為影響杜鵑颱風路徑之關鍵因素。此外，使用 Bogus Drop2 的結構下衍生出 IHOL、IHOM、IHOH、ILOL、ILOM、 ILOH 六組實驗，虛擬投落送涵蓋範圍從 Bogus Drop2 的半徑 600km 縮小到 300km，也分別做出排列與數量上的差異，為內核區虛擬投落送數量為 6 個的 IH 組、2 個的 IL 組;外核區虛擬投落送數量為 12 個的 OL 組、18 個的 OM 組、 36 個的 OH 組，而模擬結果顯示 IHOH 組別在平均路徑誤差上有較佳的模擬結 果，在此個案中內核區以及外圍區有較多的虛擬投落送，能獲得更好的模擬路 徑。Item 西北太平洋颱風是否因黑潮而變強？(2021) 何欣勇; He, Hsin-Yung1945年以來，西北太平洋每年平均有29個颱風生成，其中每年約有8個颱風會侵襲臺灣，進而使臺灣居民生命財產安全；而這些颱風在侵襲臺灣之前，有很大的比例會通過北太平洋的西方邊界流：黑潮。筆者回顧論述颱風與黑潮交互作用，大部是基於單一颱風案例的討論，是故筆者以長時間、大量數據的統計，並輔以將黑潮分區討論其颱風通過黑潮之後的改變。筆者發現颱風通過黑潮的次數逐年增加，且約有30年的週期變化；颱風停留在黑潮的時間也有逐年增加的趨勢，並輔以40年的週期；而這些通過黑潮的颱風的在大量統計之下，發現颱風本身中心氣壓升高、最大一分鐘持續風速降低，亦即颱風通過黑潮後是減弱其本身的強度，且減弱的幅度有10年的周期性，而其減弱趨勢則發現數值逐年減少，換言之颱風通過黑潮後雖減弱強度，但變弱幅度逐年減少。若分區觀察，颱風在通過各區的黑潮大都為減弱強度的情形，惟颱風通過臺灣東方海域黑潮與日本南方海域黑潮的風速減弱幅度是最高的兩區，共通情形是此兩區都會讓颱風通過黑潮時接觸到陸地；另四區的減弱趨勢是逐年縮小。再者，討論黑潮海表面溫度是否颱風的強度有關，筆者統計後發現關聯不大，但有趣的是日本南方海域之黑潮的海表面溫度上升是四區內最快的，但其颱風減弱程度變小當中。Item 颱風對臺灣地區遠距降雨之影響－梅姬與馬鞍颱風個案分析(2013) 廖思瑩為了解颱風與臺灣地區遠距降雨之相關性，本研究選取2010年梅姬颱風與2011年馬鞍颱風進行個案模擬與結果分析，兩個案期間颱風中心均距離臺灣甚遠，但於臺灣地區皆有強降水發生。此外，為增進預報之準確性，分別比較三維變分資料同化(3D-Var)與格點統計內插系統(GSI)兩種資料同化方法之模擬結果，並選取表現較佳的GSI模擬組別為本研究的控制組。 梅姬颱風個案中，宜蘭地區發生強降水時期，颱風位於臺灣西南方海面，與東北季風於臺灣東方海面輻合後形成對流，對流隨東北風吹送進入臺灣陸地後受地形舉升而增強降下豪雨，颱風環流主要的影響有：(1)使大陸高壓位置較為北偏導致東北季風影響範圍僅至東北方海面，(2)使臺灣東方海面形成水氣輻合帶而令東北風得以將海面上水氣及對流向西傳遞進入宜蘭地區，造成宜蘭地區強降水的發生。馬鞍颱風個案中，颱風位於日本南方海面，與華南低壓環流、西南季風與地形三者交互作用造成臺灣地區之強降水，颱風環流主要的影響有：(1)使西南氣流由臺灣海峽處進入臺灣西南部地區造成降水，(2)使華南低壓中心東移出海後較為靠近臺灣，造成臺灣海峽處出現西風，促使對流移入臺灣地區造成第二波降水。 歸納上述結果，有利於臺灣出現遠距降雨情形之條件為(1)於颱風行經臺灣周圍期間，於綜觀環境場同時存在其他天氣系統。(2)颱風強度較強且環流較廣，而使颱風環流能影響到較遠處。(3)除颱風外，有其他天氣系統向臺灣周圍傳遞水氣或形成對流。Item 雙颱環境下台灣海峽中尺度線狀對流之個案研究(2010) 林偉文2006年8月9日桑美、寶發颱風之環流輻合區位於台灣上空，東吉島南方出現橫跨台灣海峽且生命期長達18小時的中尺度強線狀對流（Mesoscale Convective Line，以下簡稱MCL）。根據雷達觀測可將其生命期之0～5 h定義為「發展期」，為寶發留下之微弱雨帶在原地發展；第5～8 h定義為「成熟滯留期」，特徵為大於50 dBZ之回波近似滯留，且其西側向西南方彎曲，內部的對流胞由東側發展向西側傳送。第8-15 h為「成熟移動期」，此期MCL往北移動約80 km，且回波之中段垂直結構隨高度向南傾斜，強度仍維持在50 dBZ以上。第15-18 h為「消散期」，在MCL南北兩側出現張裂分離且回波迅速減弱。 WRF模擬顯示，在MCL生成之前，雙颱之外圍環流越過中央山脈後，因絕熱增溫作用，於背風側產生南北兩個中尺度低壓。同時，桑美外圍風場在台灣海峽北部受到地形管道效應影響，低層產生東北風噴流，而寶發外圍氣流在中央山脈南部附近出現繞山作用，在高屏近海產生低層東南風噴流，兩者造成風速風切，導致台灣西部近海處北側、南側分別生成一個氣旋式、反氣旋式渦漩，且與兩中尺度低壓疊合，使台灣海峽呈現鞍形氣流場分佈。模擬顯示MCL對流胞激發位置是兩渦漩之南北風輻合處，且較強的偏北風遇到較冷偏南風被迫抬起產生上衝流。此外，兩颱風為MCL持續提供一南一北對流不穩定與高可用位能之環境。成熟移動期因北風向中層延伸，隨高度向南傾斜之MCL的南側低層出現伴隨冷池的中尺度高壓，此與MCL往北移動有密切相關，亦使MCL由PS型轉為TS型。當動力、熱力作用明顯減弱時，MCL進入消散期。Item 太陽活動對西北太平洋冬半年颱風之影響(2018) 李雅菁; Li, Ya-Jing颱風（typhoon）是生成於熱帶洋面上的熱帶氣旋（Tropical Cyclone, TC），對人類生命財產或是環境都構成嚴重威脅性，特別是在西北太平洋區域。過往研究颱風大多專注於5月至10月的夏半年，而11月到隔年4月的冬半年颱風較少有相關研究，然而即便在冬半年的環境不利於颱風生成與發展，但還是有機會發展成具破壞性的強烈颱風。因此，本研究探討冬半年期間生成於西北太平洋的颱風在過去30年間（1985年至2014年）的年際變化，並針對大氣動力和海洋熱力條件上的可能影響因素進行研究，其中包含海洋表面溫度（Sea Surface Temperature, SST）、暖水層的厚度、外逸長波輻射（Outgoing Longwave Radiation data, OLR）、相對渦度場、垂直風切（vertical wind shear）、太平洋副熱帶高壓（Pacific Sub-tropical High, PSH）強度及間熱帶輻合區（Intertropical Convergence Zone, ITCZ）位置，冀望能提供冬半年颱風預測之參考依據。本研究發現冬半年的強烈颱風個數與太陽活動週期有顯著的關係存在，其中太陽黑子活躍時期會產生成較多的強烈颱風，進一步發現海洋熱力條件並非主要影響因素，而是受到大氣環境的改變影響颱風的生成與發展，亦即太陽黑子活躍時期在大氣的動力條件上較有利於颱風發展為強烈颱風。Item 氣候變遷對西北太平洋颱風發展之影響(2016) 吳鈺涵; Wu, Yu-Han由於全球暖化的影響，使得海洋應能提供更多能量讓颱風發展，因此颱風強度也應逐年增強，但在西北太平洋颱風平均最大風速增強趨勢並不顯著，故本研究針對此現象進一步分析。 本研究使用衛星觀測資料和實測資料進行分析研究，發現在西北太平洋颱風發展區 (Main Development Region, MDR) 之海表面高度異常值 (SSHA) 上升趨勢分布並不均勻，尤其在MDR北側之渦漩活躍區 (South Eddy-Rich Zone, SERZ) 的SSHA為下降趨勢，此現象反映出26°C海水深度 (D26) 變淺，造成可提供給颱風的能量減少，因此SERZ之SSHA的下降趨勢使得颱風在通過此區域後颱風受到海洋條件的抑制其發展，而此區域SSHA下降是由於冷渦數量增加及暖渦數量減少所造成。 另外，由颱風通過SERZ之機率可發現在2002年以前及2003年以後趨勢有明顯不同，2002年以前颱風通過機率逐年增加，而2003年後颱風通過機率則逐年減少，但統計颱風平均最大風速後發現2002年以前颱風平均最大風速的上升趨勢比2003年以後之上升趨勢大，故針對颱風滯留時間、大氣條件以及海洋條件去探討，結果顯示在2003年以後颱風在SERZ滯留時間增長，又因SERZ之D26在2002年以前逐年變深，較有利於颱風發展，而2003年以後D26逐年變淺，進而抑制了颱風發展。