學位論文
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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 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 瑪莉亞颱風（2018）快速增強及結構演變之數值模擬研究(2022) 林庭州; Lin, Ting-Zhou瑪莉亞颱風(Maria)於 2018 年 7 月 3 日於關島東南方海面生成，從 5 日至 6 日，其強度迅速增強進入快速增強(Rapid Intensification; RI)過程，並於 RI 結束後不到 24 小時便進行了一次眼牆置換。本研究利用 WRF 模式搭配歐洲中期天氣預報中心 (European Centre for Medium-Range Weather Forecast;ECMWF)之 ERA5 全球模式資料為初始場，同時利用颱風動力初始化方式，分析瑪莉亞颱風 RI 過程以及結構變化。模擬結果顯示， RI 的發展主要受到內外兩對流區強度的影響。在 RI 開始前，內核區高層的對流活動，以及較低的環境垂直風切,使得潛熱能夠有效釋放，形成高層暖心結構，進而使颱風中心最低氣壓下降，高層暖心與中心最低氣壓之間的正回饋，有效提高颱風的強度,使颱風進入 RI階段。在 RI 後期，即便颱風對流強度沒有顯著的減弱，但是由於強對流活動主要集中在外圍，能量無法有效傳遞至內核區，導致內核區對流減弱，使得高層暖心結構無法維持，颱風強度停止增強。為瞭解海表溫度以及海表通量傳輸對於 RI 的影響，本研究進行改變海溫以及改變海表通量計算方式之敏感度實驗。結果顯示，當海溫降低2°C 以上時，不會發展 RI 。當海溫降低1°C 時，依舊會發展 RI ，但是受限於海表熱通量不足及垂直結構傾斜等影響，高層暖心結構以及 RI 持續時間較短。當海溫增加1°C 時，颱風強度不論是在 RI 前、中、後都有更為顯著的增強，高層暖心結構更能夠維持，且垂直結構較不為傾斜。而改變海表通量計算方式，使得海表面阻力減小以及海表向上傳輸的熱通量增加，對於 RI 後期的增強更為顯著，且高層暖心結構更為明顯。Item 天鴿颱風(2017)快速增強之模擬與渦度分析(2021) 周振潮; Chao, Chan-Chio天鴿(Hato)颱風於2017年8月22至23日通過南海時，其強度迅速發展達到快速增強(Rapid Intensification，RI)，於23日0600 UTC登陸澳門並造成當地有史以來最嚴重的災情。本研究利用WRF模式以歐洲中期天氣預報中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecast ; ECMWF)之ERA5全球模式為初始場，動力降尺度輸出空間解析度為3 km預報場，分析颱風內部結構與發展過程，藉以探討其RI之成因。 結果顯示，於RI初期，慣性穩定較低觸發徑向加速，在颱風中心強迫上升運動，加上環境垂直風切減弱，建立有利環境，使對流爆發(Convective Bursts，CBs)形成。於RI發展期，加速對流爆發(w>2 m⋅s^(-1)，B>0.25 m⋅s^(-2))是促進RI發展的重要角色，透過底層輻合上升與潛熱釋放，使高層暖心形成，其相對低壓又促進對流產生，產生由熱力效應所主導之正回饋，有效提高颱風的強度。於RI成熟期，慣性穩定度達到最大值後3小時裏，底層輻合再度增加，搭配中層大量的輻散作用，造成以動力效應為主導的對流，與此同時颱風強度到達峰值，受地形抬升後，颱風登陸澳門。對流分佈與垂直風切有關，上升對流主要集中在下風區，佔有面積雖少，卻完成大量的質量通量傳輸，而下沉對流則集中在上風區左側，有壓抑暖心的作用。 此外，為瞭解海表溫度(Surface Sea Temperautre，SST)對RI的影響，本研究也進行有關海溫敏感度實驗。結果顯示，當SST降低1度時，因加速對流爆發數量減少，導致暖心無法形成，雖仍有RI發展，但高層增溫不明顯。當SST降低2度以上，對流爆發數量大量減少而沒有RI發展。因此，在本個案中高的SST有利於更多的加速對流爆發產生，其導致暖心結構的形成，所以在過程中扮演著主導角色，其數量與成熟度，將影響RI的強度。Item 影響泰利颱風(2017)路徑北轉關鍵因素之研究(2020) 卓均奐; JHUO, Jyun-Huan泰利(Talim)颱風於2017年9月9日形成，雖未登陸台灣，但中央氣象局與全球多個預報中心針對泰利颱風路徑預報皆未預測其路徑北轉現象。本研究利用WRF模式針對泰利颱風進行數值模擬實驗，採用NCEP FNL及ECMWF ERA5兩種不同全球模式初始場資料進行不同初始時間之系集預報，藉以探討泰利颱風路徑北轉之關鍵因素。 模擬結果顯示，EN_ERA5組較EN_FNL組在平均路徑誤差方面有較佳之模擬結果，根據此結果探討環境場中西北太平洋周遭天氣系統與泰利颱風北轉之間的關係，利用EN_ERA5組系集成員500 hPa高度場與轉向角α之相關性檢驗分析，顯示環境場中杜蘇芮颱風存在、副高系統東退與北方高層槽東移三因素為影響泰利颱風路徑北轉之關鍵因素，且杜蘇芮颱風對泰利颱風路徑北轉之貢獻程度約為副高系統東退與北方高層槽東移的兩倍。 此外，使用ECMWF ERA5較NCEP FNL資料提早預報杜蘇芮的生成，其原因為ECMWF ERA5相對NCEP FNL在初始場中同化更多觀測資料且具備較多有利於颱風生成條件，提供颱風生成初期良好之發展環境。Item 南海與呂宋海峽渦漩動力之研究(2009) 許瑋真Satellite observations have shown the abundance of generally westward-propagating eddies in the subtropical regions in the North Pacific Ocean, especially north of 10°N. Eddies transport mass, and can significantly impact the circulation as well as the heat, salt and nutrient balances of the western Pacific marginal seas. This study uses a numerical model to examine the conditions when eddies can or cannot freely propagate westward through the Luzon Strait into the South China Sea (SCS). Composite analyses on the 10-year model data show that the fates of eddies depend on the strength and path of the Kuroshio. In one path which exists mostly during fall and winter, the Kuroshio loops westward into the SCS, the potential vorticity (PV) across the current is weak, and eddies are likely to propagate freely through the Luzon Strait. In another path which exists mostly during spring and summer, the Kuroshio tends to leap directly northward bypassing the SCS, the PV across it strengthens, and eddies are then blocked and are constrained to also follow the northward path. Nonlinear eddy-current interaction and the existence of a cyclone north of the Luzon Island during the looping phase explain why eddies of both signs can pass through the strait. It is shown also that the upstream state of the Kuroshio in the western tropical Pacific plays an important role in dictating the different paths of the Kuroshio. The looping (leaping) path is caused by a weakened (stronger) Kuroshio transport related to the northward (southward) shift of the North Equatorial Current in wintertime (summertime). During El Niño/Southern Oscillation (ENSO) events, the Kuroshio weakens and a large portion of the Philippine Sea water passes through the Luzon Strait. The intensity of the Kuroshio is capable of influencing the seasonal upwelling in the SCS. Seasonal upwelling events along the east coast of Vietnam and west coast of Luzon have been demonstrated by satellite data. In a normal year, a strong eastward jet is associated with the cooling and upwelling off Vietnam. Strong ENSO events have been recorded in the years 1997 and 1998: the satellite data clearly show a vigorous upwelling off Vietnam in August 1997, but a wan one in August 1998. Abnormal warming interrupts the normal upwelling generated off Vietnam and Luzon. Two defined indicators of sea surface temperature anomaly (SSTA), the upwelling off the coast of East Vietnam in summer and off the coast of west Luzon Island, reveal seasonal upwelling activities. Both these upwellings appear in normal years, but they diminish during the active warming period. The seasonal upwelling dynamics is dependent on ENSO and is also coherent with the South Eastern Tropical Indian Ocean (SETIO). The intensity of prevailing monsoon varies the proportion of the response to oceanic circulation and heat content, that is, weak monsoons do not promote water in vertical motion and less heat is released. The ocean heat content anomaly (OHCA) indicates whether the budgets for both the ascending and descending heat content are initiated at the western boundary. Although the OHCA in conjunction with the vortex has not been directly reported, the results of model dynamics studies are favorably comparable with the satellite data. Large-scale Indian-Pacific Ocean meteorological variations have certain strong impacts on the SCS. The teleconnection between ocean and atmosphere shows that the seasonal upwelling is controlled by the complex interplay between the internal and external sea-air interacting processes. The regional monsoon system changes rapidly in response to oceanic variations. The weak wind stress curl during the evolution of the La Niña cycle of 1998 affects the atmosphere-ocean coupling and hampers the generation of the upwelling. Variations in both the large-scale air-sea interaction and the strength of the Kuroshio transport impact (1) the generation of vortices over the SCS and (2) the path of movement vortices in the Luzon Strait.Item 台灣周邊海域海流之數值研究(2008) 辛宜佳; Yi-Chia HsinA multiple grid-size nesting ocean model system is developed in this work to perform studies on the variations of the flow in the Taiwan Strait and the Kuroshio east of Taiwan. The transport in the Taiwan Strait is studied using the East Asian Marginal Seas (EAMS) model. Three model experiments using different wind data sets (ERA40, NCEP Reanalysis version 2, and QuikSCAT/NCEP blend wind) were performed. Model experiments suggested that the best simulation is achieved when the model is driven by the QuikSCAT/NCEP blend wind forcing. Involving the strong wintertime southward flow events in the Taiwan Strait, the annual averaged modeled transports through the Taiwan Strait is 1.09 Sv (1 Sv=106 m3/s). The result suggests that shipboard Acoustic Doppler Current Profiler (sb-ADCP) observations are biased toward estimates in summer and fair weather since bad weather during the winter northeast monsoon often prevents seagoing observations. Linear regression lines are also proposed to give simple relations between transport and wind stress for roughly evaluating the transport through a known wind stress value. The spatial and temporal variations of the Kuroshio east of Taiwan are investigated using model outputs, surface drifter trajectories, satellite-based altimetric data, and wind data. From the simulation of the EAMS model over a span of 24 years from 1982 to 2005, the variability of the Kuroshio east of Taiwan is studied in detail. Between 22 and 25°N, the mean state and variability of the Kuroshio, such as the two paths observed in the trajectories of surface drifters southeast of Taiwan and the branching of the Kuroshio northeast of Taiwan, are well reproduced by the model. Southeast of Taiwan, the Kuroshio is mostly in the top 300 m in the inshore path but extends to 600 m in the offshore path. Northeast of Taiwan, the Kuroshio follows the shelf edge in the East China Sea, but sometimes branches along a path south of the Ryukyu Islands. The latter path often meanders southward, and a significant portion of the Kuroshio transport may be diverted to this path. The Kuroshio extends from the coast to 123°E ~ 123.5°E between 22°N ~ 25°N with currents reaching a depth of 1000 m at some latitudes. The Kuroshio transports averaged over five sections east of Taiwan are 28.4 ± 5.0 Sv and 32.7 ± 4.4 Sv with and without the contribution from the countercurrent, respectively. Using satellite data and the Seas Around Taiwan (SAT) model simulation, the intra-seasonal variation of the Kuroshio southeast of Taiwan is further studied. Superimposed with the main stream of the Kuroshio, two intra-seasonal signals longer than 2 weeks are revealed in the study region, 20 ~ 30 days and 40 ~ 90 days. The variation of 20 ~ 30 days is only significant between Taiwan and the Lan-Yu Island. Amechanism is proposed to describe how the wind stress curl in the northeastern South China Sea modulates the circulation southeast of Taiwan on this timescale. The fluctuation with a longer period of 40 ~ 90 days is resulted from the westward propagating eddies.Item 台灣北部夏季午後降雨機制與地形影響之探討(2010) 歐安祥為了瞭解夏季台灣北部午後降雨機制，本研究以WRF Model針對2008年夏季午後降雨個案進行數值模擬，共挑選3個午後強降雨個案進行天氣分析，分別為2008年6月28日、8月17日以及8月23日。研究結果顯示，數值模式可掌握北部區域午後對流胞的生成、移動到消散之環境動力與熱力機制，且發現夏季對流系統發展受北部地形影響明顯，包括環境風場與地形輻合作用、淡水和基隆河口於白天海風的建立、午後雪山山脈西側下坡風的發展，以及台北盆地日間之增溫效應等。 利用模擬氣流線變化，發現上游氣流遇中央山脈南端地形分流角度不同，於台灣北部海域合流位置也有所不同，於台灣西南海域之氣流越接近南-北走向，下游合流區越靠近台灣北方海域，若西南海域風場之西風分量較多，合流位置則較靠近宜蘭東方海域，綜觀環境流場與合流區位置不同，將影響台灣北部風場結構，進而改變對流激發型態與發展趨勢。模擬近地面風場受地形影響之強輻合帶比較，發現對流發展期近地面輻合帶位置各不相同，隨後對流發展與此時輻合帶位置有密切關係。 發現上午盆地加熱率增加，建立平原往盆地之風場，對於盆地風場變化扮演重要角色。由對流垂直結構分析，發現對流胞內有強盛上升氣流，且中層有水平強風區存在時，環流風場隨高度向水平風下游方向傾斜，並將部分雨滴帶到雲區下游，使降雨範圍延伸較廣。而海風環流與山風界面於模擬中有一鋒區存在，依空氣性質差異，區分為淡水河口至雪山山脈切面的山風鋒區，與台北盆地至基隆河口切面的海風鋒區，鋒區上方垂直速度較強，並於近地面伴隨強輻合區，因此強對流胞多發生於鋒區位置。Item 奈格颱風引起遠距降雨之個案研究(2014) 林士然; LIN SHIH-JAN秋颱奈格(Nalgae)於2011年10月1日至3日間影響臺灣，颱風中心距離臺灣甚遠，但臺灣東北部地區降下超大豪雨，排汛不及造成水災。本研究利用WRF模式模擬，藉以分析臺灣東北部劇烈降雨成因、測試颱風存在與否對環境氣流及水氣傳輸的影響，並改變臺灣地形高度進行敏感度實驗，此外，亦選取同年份相似路徑之納莎(Neseat)颱風做環境場之對照比較，討論環境場與臺灣地區降雨的關聯。 模擬結果顯示，臺灣東半部發生強降水可分為兩個時期，第一為颱風環流與來自太平洋的東風輻合後形成對流，對流隨氣流方向進入臺灣陸地，在迎風面降下豪雨；第二為颱風東側的南風環流與東風氣流匯合後，兩者北偏與乾冷之東北季風輻合，發展出旺盛對流，加以宜蘭地區的地形效應，使該處出現劇烈降水。另外，若將颱風移除，臺灣南側暖溼氣流北送的情勢減弱，使累積雨量降低、降水區域改變。而將奈格颱風與納莎颱風的環境場相互對照後發現，東北季風對於東北部出現超大豪雨有重要貢獻。 歸納上述結果，本個案造成臺灣出現遠距降水之原因有：(1)颱風環流將南邊的暖濕水氣北送。(2)南來的暖溼氣流與乾冷的東北季風交會提供對流發展之有利條件。(3)對流系統移入時，受到地形抬升而增強。(4)宜蘭地區之地形利於氣流匯集，輻合現象顯著。