理學院
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學院概況
理學院設有數學系、物理學系、化學系、生命科學系、地球科學系、資訊工程學系6個系(均含學士、碩士及博士課程),及科學教育研究所、環境教育研究所、光電科技研究所及海洋環境科技就所4個獨立研究所,另設有生物多樣性國際研究生博士學位學程。全學院專任教師約180人,陣容十分堅強,無論師資、學術長現、社會貢獻與影響力均居全國之首。
特色理學院位在國立臺灣師範大學分部校區內,座落於臺北市公館,佔地約10公頃,是個小而美的校園,內含國際會議廳、圖書館、實驗室、天文臺等完善設施。
理學院創院已逾六十年,在此堅固基礎上,理學院不僅在基礎科學上有豐碩的表現,更在臺灣許多研究中獨占鰲頭,曾孕育出五位中研院院士。近年來,更致力於跨領域研究,並在應用科技上加強與業界合作,院內教師每年均取得多項專利,所開發之商品廣泛應用於醫、藥、化妝品、食品加工業、農業、環保、資訊、教育產業及日常生活中。
在科學教育研究上,臺灣師大理學院之排名更高居世界第一,此外更有獨步全臺的科學教育中心,該中心就中學科學課程、科學教與學等方面從事研究與推廣服務;是全國人力最充足,設備最完善,具有良好服務品質的中心。
在理學院紮實、多元的研究基礎下,學生可依其性向、興趣做出寬廣之選擇,無論對其未來進入學術研究領域、教育界或工業界工作,均是絕佳選擇。
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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 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 黑潮流域海底山之克赫波(Kelvin-Helmholtz billows)對海洋上層生態系統的影響(2022) 桂思緹; Acabado, Cristy Sales克赫波可以驅動流經貧營養鹽黑潮在海底山周邊小尺度的海水混合。本研究目標主要探討不同之克赫波强度(或大小),包括「間歇小型」的小波狀況(small billow case; SBC)與「穩定大型」的大波狀况(large billow case; LBC)之克赫波對本海域硝酸鹽垂直通量的影響,並進一步瞭解其在海底山周遭生態系,不同環境條件下對超微型浮游生物及浮游動物組成之影響(第一章)。克赫波所造成之亂流動能耗散率 (turbulent kinetic energy dissipation rate; ε = O (10-7–10-6) W kg-1) 及渦流擴散率 (eddy diffusivities; Kρ = O (10-4–10-3) m2 s-1) 明顯高於無克赫波(時),利用在此波內 Kρ 所估算之平均硝酸鹽通量最大值為 10.0 mmol m-2 day-1,此值遠高於黑潮流域之平均值(第二章);在較淺層形成的克赫波所攜入的硝酸鹽通量,將豐富次表層海域的無機營養鹽濃度;而靠近海底山頂較深的克赫波,則將會更有效率的從更深層水體中垂直向上傳輸豐富的硝酸鹽。另一方面,海底山周遭海域的超微浮游生物主要以異營性細菌為主(>50%; 第三章);然而,由於聚球藻生物量的增加,在海底山測站超微浮游生物的結果顯示出與近岸海域相似的生物碳量;此結果建議在貧營養鹽水體的黑潮流域,其海底山及其周圍海域有類似沿岸海域海水的特性。另外,在冬季航次時黑潮有較強勁流速,其浮游動物生物量(SKC; 104.5 ml 100m-3)較夏季航次黑潮流速較弱時(WKC; 33.7 ml 100m-3)高出60%以上,但此差異可能主要是受到季節性的影響所致(第四章);另外,由浮游動物豐度的分布結果,顯示出海底山地形所形成的「阻塞效應」(blocking effect),會將它們聚集在海底山周遭與其側翼;然而,較強的黑潮海流時(例如SKC)可消除阻塞效應,並將浮游生物快速帶往下游。而在海底山周遭亦觀測到仔稚魚個體早期發育階段,顯見海底山有利於作為魚類產卵和繁殖的棲地。整體而言,本研究顯示黑潮流域海底山之克赫波,對海底山生態系统之養分循環與垂直混和,對此海域的生產力與下游能量具有重要貢獻,並顯示海底山在貧養鹽黑潮海域扮演生命綠洲的角色。Item 亞洲沙塵暴對臺灣東北方―黑潮海域生態系有機碳循環之影響(2009) 陳富群; Fu-Chun Chen為探討亞洲沙塵暴 (Asian dust storm)如何影響黑潮海域有機碳循環的生成與變動,本研究在2006年三月沙塵暴可能侵襲期間,於臺灣東北方黑潮海域定點測站 (123° 10’ °E ; 25° 5’ °N)進行採樣研究。為便於分析比較,在此利用大氣懸浮微粒鋁元素 (Al)濃度做為判定沙塵暴事件之標準,並將其時程定義如下:「沙塵暴前」為沙塵暴侵襲之前三天的時期;「沙塵暴中」為Al濃度 > 3000 ng m-3時;「沙塵暴後」為沙塵暴侵襲之後三天的時期。研究結果顯示,「沙塵暴中」時期水體中的硝酸鹽 (0.16 ± 0.04 μM)、葉綠素甲濃度 (Chl-a;0.50 ± 0.16 mg Chl m-3)、初級生產力 (PP;9.95 ± 4.73 mg C m-3 d-1)、異營性細菌生物量 (BB;5.61 ± 0.56 mg C m-3)、及異營性細菌生產力 (BP;1.01 ± 0.12 mg C m-3 d-1)均較「沙塵暴前」有明顯提升的現象,其中異營性細菌生物量更在「沙塵暴後」時期達至相對高值 (5.93 mg C m-3)。進一步分析顯示黑潮海域植浮群聚可能受到沙塵暴帶來的微量金屬元素的刺激而促進其生長,此推測可由大氣所沉降的溶解性鐵元素濃度 (Fe-soluble)分別與PP (r = 0.94, p< 0.05)及浮游植物置換率 (Pμ) (r = 0.90, p < 0.05)之間有著顯著正相關得到佐證。此外,分析結果也顯示研究期間溶解態有機碳 (DOC)對Chl-a及BB積分平均值之間有一顯著關係式存在:IDOCavg = 1762.4 × IChl-aavg - 487.3 × IBBavg + 3302 (r2 = 0.94, p < 0.01);此關係式建議在浮游植物大量生長的同時,水體中溶解態有機碳的濃度會隨浮游植物量的變化而改變,而此大量供應的基質(例如:溶解態有機碳)則會受到異營性細菌的利用。而初級生產力 (PP)與群聚呼吸率 (CR)之比值 (P/R ratio)為0.45 ± 0.40,據此研判研究期間,本海域是屬於異營性生態系,但值得注意的是「沙塵暴中」時期表層水體 (25 m以淺)的P/R ratio約為2左右,顯示此時水體中自營作用旺盛,浮游植物行光合作用所生合成的有機碳量足夠提供整體浮游生物群聚消耗,並可能有多餘的有機碳輸出。Item 春夏季貧營養黑潮海域浮游細菌群聚組成之變化(2009) 謝懷貞; Huai-Zhen Xie細菌群聚結構的呈現是與其它生物及自然環境間交互作用的結果,本研究為探究春、夏季貧營養鹽黑潮海域於不同季節及其伴隨的氣象擾動所引發的效應,對此海域的物理、化學水文和生物相關參數所造成之改變,及上述因子可能對浮游細菌群聚組成的影響。研究主要利用2008年三月至七月共計四次航次於黑潮固定測站 (123°10’ °E;25° 5’ °N)進行。結果顯示本水體於春、夏季皆處於無機氮鹽限制的環境 (N/P ratio=3.52~6.02),細菌群聚結構組成不論時節與空間 (表水與50 m水樣)皆以泛菌屬 (Pantoea)為大宗,其次為遠洋桿菌屬 (Pelagibacter)。然而若就代表生物多樣性的細菌歧異度指數 (Shannon; H')及均勻度指數 (Evenness; E)進行分析,皆呈現春季高 (H':2.61~3.11;E:0.48 ~0.72)、夏季低 (H':1.87;E:0.32)的趨勢;細菌歧異度指數中的單套基因型歧異度 (haplotype diversity,Hd)與核苷酸歧異度 (nucleotide diversity,π)也皆呈現春季 (Hd:0.87~0.95;π:0.34~0.70)高於夏季 (Hd:0.67;π:0.20)的趨勢,唯有優勢度指數 (Simpson; D)呈現夏季高 (0.34)、春季低 (0.06~0.14)的現象,說明春季水體有較高的細菌物種豐富度及遺傳歧異度,而夏季水體則有明顯優勢種存在。此外,表水Shannon指數與無機氮鹽 (DIN)有一相似之變化趨勢,推測春季較頻繁且劇烈的氣象擾動事件提高水體中無機營養鹽濃度,舒緩細菌生長的限制,可能是使春季水體細菌物種豐富度提升的原因之一;而夏季氣候狀態穩定,營養鹽的供應逐漸匱乏,細菌物種豐富度隨著物種彼此間的競爭而下降,此時泛菌屬 (Pantoea)的比例甚至超過50 %,推測可能是因泛菌屬 (Pantoea)具固氮能力,且夏季的高溫接近其最適生長溫度,使其在高溫且營養鹽貧乏的黑潮海域更具競爭優勢。Item 台灣東部黑潮海域顆粒性有機碳時空變異之研究(2014) 黎思吟; Li szu yin本論文主要探討顆粒性有機碳在台灣東部黑潮海域的時空變異。研究利用2012年9月、11月和2013年6月、9月,共四個航次於台灣東部黑潮海域橫斷面上八個測站進行,藉以探討此海域的物理、化學水文、生物相關參數的時空變異,以及上述因子對顆粒性有機碳的影響。結果顯示黑潮海域顆粒性有機碳濃度的空間分布呈現近岸高、離岸低,並在100公尺以深濃度遽減。就時序變化而言,顆粒性有機碳水體積分平均值在2013年的6月最高,2012、2013年9月次之,2012年11月最低。進一步分析顯示顆粒性有機碳和葉綠素甲濃度、聚球藻及真核超微浮游植物豐度有顯著正相關,但將葉綠素甲濃度、聚球藻及真核超微浮游植物豐度計算其碳含量後發現其總和不到顆粒性有機碳的十分之一,推測此海域的顆粒性有機碳可能因其它浮游生物群聚 (例如原生生物或浮游動物)所貢獻而非浮游植物生物量多寡所影響。Item 黑潮入侵東海之研究(2013) 林永富; Yomg-Fu Lin黑潮是北太平洋中最重要的西方邊界流,北赤道洋流由東向西流,遇到民答那峨島分支成南北兩股海流,向北的支流為黑潮,流經菲律賓東岸、呂宋海峽與台灣東部海岸。當黑潮流經台灣東北時,因遇到東西走向的東海陸棚,使得原本向北流動轉而向東流,大約沿著200公尺等深線流往日本東岸,黑潮在台灣東北部有季節性擺動的現象,在夏季時,容易向離岸(向東)方向擺動;在冬季時,容易向靠岸(向西)方向擺動,並進而入侵東海陸棚。本研究主要是利用1993年至2010年的衛星觀測資料來研究台灣東北部海流的時空變化,尤其是黑潮入侵東海陸棚的現象,我們定義經度121.67°E至122.5°E,緯度25.5°N至26.4°N之平均流速為黑潮入侵東海陸棚的指標 (Kuroshio Intrusion index, K. I. 指標),結果發現在年際變化上K. I. 指標與氣候指標(如ENSO、PDO和PTO等)有顯著的相關性,在1997/98年與2002/03年的冬季,當PDO與ENSO皆呈正向時,入侵量有明顯減少的現象。進一步分析,在1997/98年的冬季,是受到熱通量梯度的改變所影響。2002/03年的冬季則是受到由東向西傳的中尺度渦漩靠近黑潮所影響,反氣旋渦漩容易造成黑潮向東蜿蜒,使得入侵量減少。Item 西北太平洋渦旋偵測與統計分析(2014) 李博硯西北太平洋渦漩的生成與傳遞,不僅影響了該區域的海高變化,也會影響到海洋生地化作用。本研究利用20年(1993-2012) 的衛星高度計資料,對此區域中尺度渦漩進行偵測,並且根據渦旋特性進行一系列相關統計。結果顯示,在此區域中,暖渦數量(16435) 明顯多於冷渦的數量(12333) ,除了在北緯19-21°範圍之內(冷渦數量多於暖渦數量),暖渦主導了大部分的海域。一般而言,冷渦半徑稍大於暖渦半徑,兩者皆在20°N達到最大,並向南北逐漸減少,另外,暖渦之中心海表面高度異常變化 (Sea Level Anomaly, SLA) 平均較大於冷渦,並且隨經度向西增加,在黑潮附近達到最大,同樣地,渦旋受到向西傳播的影響,在黑潮附近數量最多,而渦旋動能(EKE)明顯在台灣東部海域為高值,主要是受到渦旋數量及中心SLA變化的影響。季節上,除了渦旋中心SLA外,冷暖渦之間差異不大。進一步分析渦旋的傳播,渦旋的平均移動速度為8.3cm/s,主要朝著西方移動,冷暖渦分別向北及向南偏轉,最後受到黑潮的阻隔,在此速度減弱,甚至消散。渦旋的傳播不僅受到背景的影響,冷暖渦獨特的性質更會造成傳播上的差異,根據傳播的統計結果,顯示暖渦擁有更完整的發展過程在長生命週期上,隨著季節的不同,冷暖渦傳播特性的差異更會影響到進入台灣東部海域的渦旋路徑。Item 利用數值試驗探討黑潮入侵南海的機制(2011) 許珮慈黑潮是北太平洋的西方邊界流,屬於北赤道洋流碰到西邊界陸地後向北的分支,途中經過菲律賓東岸、呂宋海峽後,再沿著東台灣通道繼續往東北流。在流經呂宋海峽時,有時會發生入侵至南海的情形。透過分析AVISO衛星資料發現,黑潮在呂宋海峽的入侵現象,存在著季節變化,當冬季東北季風強盛時,黑潮較常被發現到會入侵至南海內部,而西南季風盛行的夏季期間,並未發現有入侵的情況。 本研究透過模式試驗,發現黑潮入侵南海的現象與臺灣西南邊的風應力旋度有關。冬季時,臺灣西南邊負的風應力旋度轉為強烈,黑潮會明顯偏向西側,進而入侵至南海。反之,夏季時,臺灣西南邊的風應力旋度微弱甚至消散,黑潮則會沿著呂宋海峽東側一路向北前進,並未入侵至南海。 進一步將臺灣西南邊(119.5。E~121。E、21。N~22。N)的風應力旋度,與黑潮入侵至南海所流經區域(120。E~122。E、21。N~20.5。N)之動能計算其相關性,得到的相關係數達0.67,呈現顯著正相關,再次證實,臺灣西南邊的風應力旋度與黑潮入侵南海存在著密不可分的關係。Item 東海傳輸量變化之研究(2011) 彭書憶本研究利用一個海洋數值模式的輸出結果來分析進出東海主要通道的傳輸量變化及原因。另外,鰻苗是透過黑潮一路從赤道往北輸送,我們更進一步探討黑潮的年際變動是否會影響臺灣東岸鰻苗的漁獲量。 季節變化部分,各通道的傳輸量變化以夏冬季為主,夏季傳輸量增強,冬季則減弱,而黑潮流經的東臺灣通道與圖克拉海峽的傳輸量變化主要是受到東太平洋往西運動的渦漩所影響。藉由經驗正交函數(EOF)分析,我們發現東海各通道傳輸量變化亦呈現出春秋季的變化型態。年際變化部分,聖嬰年時,臺灣海峽受到東北季風減弱的影響,傳輸量會比反聖嬰年強,另一方面,黑潮流經的東臺灣通道與圖克拉海峽,在聖嬰年時傳輸量會比反聖嬰年弱。 東臺灣通道的黑潮受到年際變動會有強弱的差別,我們將臺灣東岸鰻苗的漁獲量與黑潮做比對,發現兩者有一定的相關性。當1998到2000的反聖嬰年黑潮傳輸量增強時,漁獲量也有增多的情形,然而在1998年黑潮傳輸量達到最強時,漁獲量卻沒有達到最大值,反而是到了2000年時達到最大,推測此原因是在1997聖嬰年黑潮傳輸量減弱時,鰻苗減少,加上過度捕撈使得鰻魚洄游之數量減少所致。