地球科學系(含 海洋環境科技研究所)

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本系設立的宗旨,首在養成學生具備地球科學五大學術領域–地質學、大氣科學、海洋科學、天文學和地球物理–充分之本職學能;本系的教育目標,則首重致力培養有志從事地球科學之專精人才,以培育優秀之地球科學研究人才和實務工作的專業人才為主軸,並以培養優良的中學地球科學師資為輔。特別是在國內各地球科學相關系所中,本系是唯一同時涵蓋五大地球科學研究領域,並擁有師範大學在科學教育專業基礎的高等學術機構,此為本系之特色。若志在從事中等學校地科教學,本系亦可提供地科教學知能和教育專業知識,充分培育健全之地球科學師資。

在課程上,為營造更優質的學習與研究環境,本系已適度調整原以師資培育目標為主的舊有課程架構,整合各地球科學次領域之基礎課程,降低本系必、選修課程之比例,大幅減少各次領域之必修課程學分,以增加學生在各次領域課程選修之自由度及彈性,進而充分落實各次領域之專業進階課程。此外本系並積極鼓勵學生,實際參與實驗、撰寫論文、從事專題計畫研究等,以豐富其研究經驗,訓練學生使其具備獨立研究之精神與能力。經由選修本系提供之更多進階專業課程,進而厚植學生之理論基礎、充實其專業背景,並強化其選定目標次領域之學術養成和專業訓練;連同充足的研究經驗,本系學生的未來發展,將更具時代性與面對挑戰時的競爭力,進一步達到「博而精、廣而深」的終極目標。近來本系更積極增聘優秀外籍專任師資,以全英語教學方式授課,期能增加學生之國際觀與國際競爭力。

本系在碩、博士班研究所的教育上,採一系多所之架構,除地球科學研究所外,還包括海洋環境科技研究所。本系研究所的研究重點與發展方向,首在地球科學各領域之深耕與研究發展,並加強各次領域間之跨學門合作,以進一步提升本系之學術研究及國際化,並為本系學生的訓練和學習,提供全面全方位的考量,以訓練學生從容面對多變的世界,因應未來的挑戰。

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    璨樹颱風(2021)路徑與駛流分析
    (2024) 吳玠均; WU, Chieh-Chun
    颱風對臺灣地區具有重大的影響,其路徑往往會決定臺灣的災害程度。本研究利用WRF數值模式,透過NC2014颱風動力初始化技術,以ECMWF的ERA5再分析資料作為初始與邊界條件,針對2021年璨樹颱風(Typhoon Chanthu, 2021)的移動路徑進行數值模擬分析。本研究採用駛流分析與地形敏感度實驗,著重分析於颱風環流與地形對其路徑及結構的影響。結果顯示,颱風移動路徑受到環境駛流與地形的雙重影響。當太平洋副熱帶高壓向東退縮時,創造了一條有利颱風向北移動的氣流通道,來引導颱風北上,使其向臺灣東方海域移動。當颱風接近臺灣地形時,由於中央山脈阻擋颱風的環流,颱風路徑出現了偏東且加速北轉的現象,最終沿著臺灣東部近海向北行進。地形敏感度實驗中,探討了臺灣和菲律賓的地形對颱風路徑的影響。結果顯示,地形在調節颱風的移動速度和方向扮演關鍵角色,當颱風遇到地形障礙時,若其北/南側環流減弱,則會導致颱風向東/西偏移。此外,地形效應亦會減緩颱風移動速度。本研究增加了我們對於颱風路徑與複雜地形之間的關係的了解,有助於提高颱風在接近複雜地形時的動態預測,對改善颱風預報提供了重要參考。
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    臺灣北部秋季長時間連續降雨個案之合成分析研究
    (2024) 盧昮佑; Lu, Chung-Yeu
    本研究探討臺灣北部秋季長時間降雨的類型並分析成因。利用測站與再分析資料進行合成分析,以探討不同降雨類型下各種氣象參數的特徵與演變。根據統計2009至2022年臺北測站連續七日以上降雨個案之降雨類型、發生頻率,結果顯示臺北測站總降雨日數為655日,其中連續七日以上降雨日數為214日,約佔總降雨日數的32.6%。因多數超個案係由不同類型組合而成,其中,颱風為54日、鋒面30日、純高壓102日、分裂高壓則為28日,這表示在2009年至2022年秋季多日連續降雨期間,發生頻率為純高壓>颱風>鋒面>分裂高壓。 本研究將2009至2022年臺北測站連續七日以上降雨個案分成6種降雨類型(颱風類型一:北移颱風並登陸臺灣、颱風類型二:北移颱風並未登陸臺灣、颱風類型三:西移颱風通過巴士海峽、鋒面、純高壓及分裂高壓),類型之合成探討不同降雨類型之天氣演變與垂直剖面的時序變化。 颱風類型之合成分析結果顯示,當彭佳嶼測站東北風風速達10 m s-1時,臺灣北部將產生降雨且東北風增強北部降雨量會增多。 高壓類型個案合成分析顯示,此類型有以下相同特徵,當彭佳嶼測站東北風風速達7m s-1時,臺灣北部將產生降雨且東北風增強北部降雨會增多。
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    冬季東北季風對宜蘭地區降水與氣流分佈影響之理想模擬研究
    (2023) 李俊賢; Li, Chun-Hsien
    秋冬季(9~2月)東北季風降雨為臺灣東北部與東部地區重要的降雨來源之一。由於宜蘭地區特殊的口袋狀地形使平原內氣流形成偏轉、產生輻合,而在東南側山區迎風面造成大量的降雨。本研究欲探討單純的東北風對宜蘭地區降雨及風場造成的影響,利用2020年宜蘭劇烈降雨觀測實驗(Yilan Experiment for Severe Rainfall in 2020,YESR2020)期間東北風事件的大氣環境為基礎,以CReSS模式的理想化模擬,探討不同環境濕度、風速及風向下的降雨及風場分佈。本研究以臺灣東北方海面之分析資料時空間平均,製作水平向均勻、無氣壓梯度的模式初始場及邊界條件,進行東北風理想模擬實驗。實驗設計了3種相對濕度(80%、70%、60%)、3種風速(12、8、4 m s-1)及7種風向(0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°),共63種大氣環境組合,探討各實驗在蘭陽平原及其周圍山區局部環流與降雨之間的關係。 各實驗分析結果顯示,當環境相對濕度改變時,對大氣穩定度、降雨量、氣流遇地形障礙後的運動方式等都有顯著影響。當空氣濕度較高時,其具有豐沛的水氣及較低的穩定度,各地山區迎風面均有較大的降雨量,且較容易爬升越過地形。氣流進入平原西南側後,由於空氣的質量堆積及沿地形舉升後的絕熱冷卻造成氣壓上升,形成較大的擾動氣壓及擾動氣壓梯度,導致氣流產生逆鐘向水平繞流,使平原東南側山區輻合降雨增強。 當環境風速改變時,對降雨強度、擾動氣壓梯度、氣流遇地形障礙後的運動方式等都有明顯改變。當環境風速較高(12 m s-1),氣流容易沿著地形爬升、產生較大氣壓擾動,導致平原內形成水平繞流及東南側輻合增強。而當環境風速較低(4 m s-1)時,水氣供應減少,降雨強度減弱,風場較容易受擾動氣壓影響。在東北風到偏東風情境,近地面的離岸氣壓梯度力範圍越向外海移動,使輻合雨帶向東移。當環境風向改變時,降雨區域、擾動氣壓分佈、平原內氣流運動情形亦有明顯不同。當環境風向為東北風時(30°~60°),氣流較容易進入蘭陽平原西南側形成較大擾動氣壓,導致平原內形成逆鐘向繞流增強。在環境風向較偏東風時,平原內有較大的擾動氣壓,且在高濕度、高風速情境下,平原西南側有較大的擾動氣壓梯度,在沿海地區搭配海陸地面磨擦差異,形成較強的輻合帶。
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    尼伯特颱風(2016)離台後的西南氣流和強降雨之數值模擬研究
    (2021) 郭章億; KUO JANG YI
    尼伯特颱風於2016年7月8日開始影響台灣,登陸期間在台灣全台降下豪大雨,隨後在2016年7月9日至12日期間,尼伯特颱風離開台灣後,引入西南氣流為台灣西南部區域降下豪大雨,造成嚴重的土石流及水災。本研究使用WRF模式來模擬尼伯特颱風個案以及後續的西南氣流,來探討西南部山區強降雨之成因,並且針對尼伯特颱風離台之後,在西南部外海及南海北部上空大氣環境與西南氣流及颱風外圍環流造成強降雨進行敏感度實驗。 模擬結果顯示,有兩波中尺度對流系統分別出現在模擬第一天時颱風外圍環流(西風)及西南氣流(西南風)在台灣海峽上輻合並隨著西南風氣流移入台灣地區,但台灣西南部迎風面區域環境呈現對流穩定之狀態因此對流移入迎風面地區較不易持續發展,模擬第三天時西南氣流及地形輻合,隨後受到地形效應影響,使得低層水氣凝結,與西南部外海移進的對流雨帶合併,使得對流發展增強,於西南部山區及平原降下強降雨。 隨後本研究使用了3DVAR加入虛擬探空資料,於南海北部上空加入風速及濕度虛擬探空資料,來提升CTRL組第二天西南氣流較弱的情形。模擬結果顯示,增加水氣及風速後於南海北部、台灣西南部地區及外海區域水氣通量皆明顯增高,且位溫高,大氣環境呈現不穩定且暖濕,因此有利於西南氣流從南海北部移動至台灣西南部地區時能夠持續發展,並且西南部外海區域強西南風,將對流移入台灣地區,隨後受到地形效應影響,使得上升運動明顯增強,強對流為台灣西南部區域降下強降雨。 本研究也利用改變地形高度來進行測試,從地形移除到高度提升,臺灣的降雨區域有隨著地形高度的增加出現愈來愈向南部區域集中之趨勢,由福如數可以得知福如數<0.5時,中央山脈阻擋效應明顯增加,此時的阻塞現象非常明顯,且出現了降水極值減少及降水區域往上游後退並且降雨區域變大之情形。
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    芭瑪颱風(2009)與東北季風共伴效應之數值模擬分析
    (2012) 蕭羽利
    芭瑪(Parma)颱風於2009年10月3-7日通過呂宋島北方,颱風中心與台灣南端最近距離雖達250 km,仍在宜蘭以及花蓮地區造成超大豪雨。為了解降水機制,本研究利用數值模式(WRF)進行模擬,以探討東部地區強降水之成因,並針對颱風環流,與東北季風的共伴效應,以及台灣地形進行敏感度分析。   當颱風環流的暖溼空氣通過台灣東側,與東北方冷乾空氣輻合後西移,輻合氣流受地形抬升後舉升凝結,使對流發展旺盛而降下豪雨。其中宜蘭地區於颱風開始南移後有共伴效應加強水氣傳送,使降水持續。花蓮地區由於山脈緊鄰海岸且夫如數較宜蘭地區小,氣流不易被舉升,使降水量少且集中於外海。此外,芭瑪颱風移速緩慢,使對流系統通過台灣東側的時間加長,也是造成超大豪雨的原因之ㄧ。 本研究也利用改變地形高度、環流強弱等因素進行測試,發現 當地形降低時,於東岸低層氣流輻合減弱,同時氣流被舉升形成的對流胞亦減弱;當地形高度增加時,雖輻合強度增加,但此時夫如數僅0.4,低層氣流因不易被舉升而轉為繞山,使降水量減少。當環流減弱時,台灣東側之輻合強度、風速以及水氣混合比皆相對減弱,此時颱風內對流系統以及共伴效應所產生之對流胞強度亦較弱。同時,東北季風受地形舉升為東北部帶來持續且穩定的降水,經移除地形或移除芭瑪颱風的敏感度實驗,在宜蘭地區降水皆僅剩原本的1/3左右,顯示宜蘭地區之強降水主要是由地形與共伴效應交互作用而形成,芭瑪颱風外圍環流的對流系統對此區影響相對較小。
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    梅雨季西南氣流特性對台灣降水分佈影響之理想模擬研究
    (2017) 陳詩庭; Chen, Shi-Ting
    台灣位於東亞大陸和西北太平洋交界,氣候深受海陸分布差異、季節變化轉換之影響。每年5、6月的梅雨季,常受鋒面影響而出現連續性的降雨,而期間的豪大雨則往往與西南氣流密切相關。由於梅雨季期間的降水常同時與鋒面、西南氣流、不同大小尺度的大氣運動、水氣含量等均有關,其機制十分複雜,不易加以區分。因此,本研究希望單純探討西南氣流與台灣地形兩者間的效應,故選用2008年西南氣流密集觀測實驗(Southwest Monsoon Experiment,簡稱SoWMEX)在南海北部,台灣上游地區之收集之具有代表性探空觀測資料,簡化後獲得一個理想、均勻且穩定的環境背景氣流場,來進行本次西南氣流模擬實驗研究。 本研究選取東沙島與台灣西南方研究船共6個時間探空之平均,並根據其簡化(平滑)後之垂直結構,依地轉風關係建構理想之三維環境背景流場與其他參數。實驗共設計了4種不同低層水氣含量,當水氣含量950 hPa以下相對濕度為100%、85%、70%、55%,3種風向210∘、240∘、270∘,與3種風速10、15、20 ms-1,共36種組合搭配的背景流場下,研究受真實台灣地形影響下,所造成的台灣降水之分布特徵。同時,為更進一步定量探討降水分佈關係,依地理位置將台灣分成北部、中部、南部及東部四個區域,再依地勢高低分成平原(0~250 m)、山坡(250~1000 m)及山區(1000 m以上)等三種高度分區,來討論各區域之降水分佈。另外,本研究也比較上述各環境之夫如數(Froude Number,簡稱Fr),與氣流遭遇地形之反應,及降水分佈特徵之間的關係。 由模式分析可知,在水氣含量影響下,當相對濕度高時,CAPE高,大氣穩定度低。當相對濕度100%時,全台平均降水較高。其在偏南風時,主要降水區在東部和中部山區,隨著風向轉為偏西,主要降水則漸漸集中於中部和南部山區。而當相對濕度低時(70%、55%),CAPE低,而大氣穩定度相對較高,此時盛行風轉為偏南風時,主要降水在東部和北部山區,隨著盛行風轉向偏西時,降水逐漸改為集中在南部山區。 在風向改變情況下,當210∘偏南風時,由於Fr皆小於0.2 ,氣流繞山而在背風面輻合產生降水,在東部及北部有明顯降水。240∘吹西南風時,氣流直接迎面受中央山脈抬升影響,是故為平均降水最多的情況,Fr 約為 0.4時,氣流有爬山的趨勢,因受地形阻擋尤其中部和南部山區有劇烈降水。270∘偏西風時,其Fr約在0.4~0.5間,因氣流受地形抬升現象明顯,且直接垂直撞向中央山脈,主要降水在中部和南部,但降水分佈有從山坡往山區延伸的趨勢。 在風速改變的情況下,並非單純的風速越大降水就越多。在相對濕度100%時,有風速越強,降水量越多的趨勢,但在其餘相對濕度情況下,15 m s-1的降雨量反而最少。
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    台灣地形對冬季冷鋒個案影響之數值研究
    (2003) 林勝峰
    摘要 本文使用MM5模式針對1996年1月7日至9日的冬季冷鋒個案進行數值模擬,以探討台灣地形對冬季冷鋒之影響。該冷鋒呈東北東—西南西走向之淺鋒面結構,在1月7日2200UTC以後抵達台灣,導致溫度驟降,形成寒潮爆發。衛星雲圖及地面的觀測均顯示該鋒面受台灣地形阻擋,造成在東西部鋒面的強度及移動速度上出現差異。地面觀測顯示鋒面在西岸自梧棲以南逐漸減弱並且移速減慢,東部則較能維持原來之鋒面結構。鋒面出海後受到洋面之地表通量影響而產生變性,使鋒後低層呈現濕冷的環境,在抵達台灣之後受地形阻擋的抬昇作用影響,北部迎風面以及東部沿岸出現零星的降雨;而台灣西南部在鋒面通過期間並沒有雲冪及降雨現象的發生。 中尺度模式 MM5的模擬結果顯示,通過台灣東西部之鋒面受地形影響的機制並不相同。跨越大陸武夷山之鋒前氣流受台灣地形阻擋而轉為北風,造成台灣在西南部及海峽上鋒前北風提前增強的現象。其次,台灣西南部地表受日間輻射增溫的影響,使得鋒面之結構變得不顯著且移速減慢,但海峽處之鋒面則受管道效應影響而加速南移。在東部沿海由於冷空氣受地形阻擋而形成高壓脊,加強了花蓮沿海之非地轉北風的強度,並造成鋒面在蘇澳以南加速南移。 以台灣地形及地表通量為變因所進行的敏感度測試中,顯示在沒有中央山脈的阻擋下,通過台灣本島之鋒面結構較為完整。並且鋒後之風場並未出現受地形增強的現象,鋒面的移動速度則隨著鋒面南移而減慢。而在無地表通量的模擬中,鋒面的溫度梯度並未受到暖洋面的影響而減弱,因此在低層具有較強的壓力梯度與水平風切,顯示出較強且淺的鋒面結構。而鋒後更穩定之環境則減弱了對流的強度並使鋒後降水強度明顯減弱,可見地表通量在冬季冷鋒出海之後對鋒面結構之修正扮演極為重要的角色。