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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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 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 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 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。Item 蘇迪勒颱風(2015)之數值模擬與研究(2017) 張君瑋; Chang, Chun-Wei摘要 臺灣夏季常受到颱風侵襲,因中央山脈地勢高聳,地形因素使颱風路徑預報困難。本研究以蘇迪勒颱風(2015)進行個案研究,利用WRF模式針對蘇迪勒颱風進行數值模擬實驗,同時也使用Nguyen and Chen(2011)的颱風初始化模組(簡稱NC2011)進行模擬測試,改善颱風初始結構偏弱的狀態,並針對模擬結果進行分析。 研究結果指出NC2011方法可以加強颱風初始強度,在模式初期不論是颱風(CTL組)的水平結構和垂直結構均較未經過初始化的颱風(NCI組)完整,使颱風整體結構更接近真實颱風,且渦漩結構在海上可以維持一段時間。 本研究也針對地形高度進行敏感度測試,在颱風結構的方面,發現當地形越高,颱風環流受到破壞的程度較嚴重,出海後的中心氣壓也較高;而地形越低,颱風環流受到破壞的程度較小,出海後的中心氣壓相對較低。在颱風路徑方面,當颱風強度越強、結構越深,駛流對路徑造成的效應大於通道效應,使颱風在登陸後路徑南偏;當地形加高,通道效應大於駛流對路徑造成的效應,使颱風在登陸前路徑南偏。Item 季內振盪對颱風伴隨西南氣流之影響(2017) 陳怡秀; Chen, Jennifer摘要 颱風離臺後所伴隨的西南氣流,往往同時伴隨長時間的強降雨,有時甚至比颱風本身造成之降雨更為劇烈。然而並非所有颱風個案皆與西南氣流共伴,為瞭解大尺度環境(包括MJO、QBWO等季內振盪)是否在其中扮演重要角色,本研究選取發生西南氣流共伴之颱風個案,如敏督利(2004)、卡玫基(2008)、鳳凰(2008)、莫拉克(2009)、潭美(2013),使用WRF模式模擬,並進行系集平均分析。 移除MJO環流後對颱風駛流的改變並不顯著,但臺灣海峽附近之西風、水氣量、水氣通量的輻合均變小,使西南氣流降雨減少。而QBWO對伴隨西南氣流颱風個案最顯著之影響在於路徑與駛流,當移除QBWO後,使颱風路徑改變,颱風環流與南海的豐沛水氣無法互相連結,且西南風不足的情況下無法將對流雨帶推往陸地;亦或是颱風路徑大幅偏離,導致颱風中心遠離臺灣,皆致使大量降雨發生於海面上。而路徑差異較小之個案,移除QBWO後的模擬結果在臺灣海峽之西南氣流強度明顯不如移除MJO之結果,故臺灣西南方的共伴降雨大幅減少。以中尺度之觀點分析,QBWO對颱風伴隨西南氣流的影響明顯大於MJO。歸納上述,季內振盪改變亞洲與西北太平洋地區大尺度環境場,產生有利颱風伴隨西南氣流之條件,進而使共伴降雨增強。關鍵字:颱風,季內振盪,西南氣流,數值模擬Item 不同氣候情境對長江流域暖季東移雨帶的影響與評估(2016) 張鳳茹; Chang, Feng-Ru觀測資料顯示,5月至7月在青藏高原東部產生的降雨,常有沿長江流域(29°N–34°N, 100°E–120°E) 向東邊傳播的現象。針對此現象,本論文主要探討的議題有二。其一為利用Weather Research and Forecasting (WRF) 區域模式,對2009年5月的長江流域東移雨帶進行三種不同氣候條件下的模擬,以求瞭解氣候變遷對長江流域東移雨帶可能造成的影響。其二為探討在計算資源充足的情況下,如何有效提高WRF模式模擬長江流域東移雨帶個案的能力。 針對議題一,本論文的研究結果發現: (1) 在現今的氣候條件下(現代情境),WRF對長江流域東移雨帶的模擬結果與觀測資料相似; (2) 在加入過去氣候變異的情況下(過去情境),WRF模擬的東移雨帶個數明顯減少,東移距離明顯變短,降雨強度明顯變弱; (3) 在加入未來氣候變異的情況下(未來情境),WRF模擬的東移雨帶個數、東移距離與現代情境下的模擬結果無明顯差異,但降雨強度明顯增強。分析平均環流場的差異顯示,在過去情境下,高層西風的減弱會造成東移雨帶個數減少與東移距離變短,而水氣傳輸的減弱是造成降雨強度變弱的主因。在未來情境下,因為高層西風無明顯變化,所以東移雨帶個數與東移距離與現代情境下的模擬結果無明顯差異,而水氣傳輸的增強(減弱)會造成東移雨帶降雨強度變強(變弱)。針對議題二,本論文選用不同解析度、不同嵌套方式、不同積雲參數法及雲物理方案,對WRF模擬長江流域東移雨帶的能力進行敏感度測試。結果證明提高水平解析度最能夠顯著改善模擬長江流域東移雨帶的結果。在相同解析度的情況下,雙向嵌套優於單向嵌套。而使用不同的積雲參數法或雲物理方案,則對模擬結果無顯著影響。Item 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。