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 臺灣梅雨季鋒面對流渦旋個案尺度交互作用之模擬與診斷研究(2022) 黃心怡; Huang, Shin-Yi本研究探討梅雨鋒面與其伴隨之中尺度過程,包含低層噴流、中尺度渦旋以及深對流等多重尺度交互作用下,各尺度在影響渦度貢獻上所扮演的角色。選擇兩個梅雨鋒面個案作為研究,個案一為2003年6月6至7日自華南和南海北部移入臺灣南部近海的四個中尺度對流系統(MCSs),MCSs強度持續增強且向東移,為中南部地區帶來豪(大)雨事件。個案二為2014年5月19至20日受梅雨滯留鋒面影響,於華南附近形成一中尺度對流系統沿鋒前分布排列與發展,並逐漸向東移動至臺灣。使用CReSS模式模擬兩個個案,結果顯示梅雨鋒面及其中尺度對流系統模式結果皆有不錯的掌握,無論地面梅雨鋒面的位置、風場以及中尺度對流系統與觀測空間尺度相符,雖在時間尺度上有30~60分鐘的落後,使24小時累積雨量分布有所差異,但其強度一致。在中尺度渦旋之區域做垂直渦度收支分析結果顯示,在中尺度渦旋最顯著時,個案一局地渦度趨勢項正貢獻為低層扭轉項、中低層渦度輻合及中高層垂直平流項,顯示低層強垂直風切與輻合是渦度增加的原因;個案二北部區域局地渦度趨勢項正貢獻為低層渦度輻散項、中低層扭轉項以及水平平流項,顯示低層輻合與中層強垂直風切是渦度增加的原因之一;南部區域則為整層的渦度輻散項、垂直平流項與水平平流項,顯示低層輻合與垂直上升運動是渦度增加的原因。利用帶通濾波法將兩個案的數值模擬結果做大尺度、中尺度與對流尺度的分離,結果顯示該方法能有效保留個案中各尺度的特徵。尺度分離後渦度收支各項分析顯示,個案一正渦度貢獻為渦度輻散項與扭轉項,各項皆以對流尺度最為重要,中尺度為輔。個案二北部區域正渦度貢獻為渦度輻散項與扭轉項,各項以中尺度加乘對流尺度為主。尤其在中尺度渦旋發展期,渦度輻合項與水平平流項中的對流尺度其值能與中尺度相當,可見深對流胞在空間分布上比例雖少,但提供的正渦度卻不可忽視;南部區域分析顯示,正渦度貢獻為渦度輻散項與渦度垂直平流項。渦度輻散項以對流尺度加乘大尺度;渦度垂直平流項為大尺度加乘中尺度,顯示大尺度環境已有相當程度的背景渦度值,深對流的潛熱釋加強低層輻合與垂直上升運動,可將渦度回饋至大尺度。Item 以機器學習研究台灣梅雨季不同降水型態之時空分布與環境分析(2023) 楊立宇; Yang, Li-Yu台灣於梅雨季內常伴隨鋒面與中小尺度系統,常發生劇烈降水事件。為了解並統整受梅雨鋒面影響下不同降水型態對應的大氣環境狀態,本研究先尋找近十年台灣受梅雨季鋒面影響之時段,從中篩選出大量降水事件。由於降水事件個數眾多,本研究先以事件之降水極值進行初步分類;再以主要降水區域的空間差異,以機器學習方法將前述分類結果再逐一細分。從結果可見,部分類別間的主要降水區域分布相似度高,但亦有類別的降水區過於零散且發生頻率偏低。因此本研究從中挑選、整併出4種降水極值、6種主要雨區共計24種雨型,並刪除一種事件數甚少的雨型,最終以23種雨型進行後續分析。分析結果可見,平地雨區與山區雨區之間無論時序變化、環境特徵均差異大,顯見平地與山區的降水事件發生機制明顯不同,不過南部平地、中南部山區雨區之間受海陸風與背景西南風之輻合影響,其日夜變化明顯相互關聯。北部平地雨區之發生頻率時序為所有雨區中最顯其獨特性,在季內變化上,較集中於5月發生;在日夜變化上,較集中發生於凌晨至早上時段。所有山區雨型於近中午至午後時段有較多大降水極值事件出現,顯示有明顯之日夜變化現象。從環境條件分析之結果可見,熱力或水氣性質參數在台灣附近之位置或指向通常與各雨區位置有所相關,即途經或指向該雨區,且地理位置與之相近的平地雨區,其大氣特徵與隨降水極值變化下之大氣變化趨勢有彼此相近的現象。本研究另使用中央氣象局之梅雨季豪大雨檢查表的部分項目,統計與各雨型之間的相關性。自結果可見,位置較南的雨區即越適用此些項目,顯示位置較北的雨區或需另行訂定其他項目或僅使用少數項目,以利預測該地的豪大雨事件。本研究可提供台灣梅雨季不同降水類型下的環境特徵,並提出現有豪大雨檢查表的不足之處,期盼未來能依其資訊進一步製作預測指標,以協助預報員在預報實務上的運作。Item 2017年六月1-3日梅雨鋒面個案之數值模擬研究(2021) 張竣堯; Chang, Chun-Yao2017年六月1-3日梅雨鋒面個案所帶來的強降水事件區域遍及全台,北中南地區皆有傳出災情,也造成相當大農業與民間設施損失。因此本文使用Weather Research and Forecasting (WRF) 數值模式搭配Ensemble Transform Kalman Filter (ETKF)資料同化系統,分析強降雨事件發生原因,並且進一步探討鋒面移動之機制。 在此個案之降水分析中,透過系集成員分組之合成平均比較並利用相關係數分析,發現造成此個案強降水發生之原因包含:鋒前與中南部山區迎風面出現旺盛低層水氣通量;鋒面南下並且出現北退現象造成臺灣地區第二波降水;低層西南西風場與山脈走向交角較大導致水氣於中南部山區出現明顯輻合現象。此外進一步發現在華南之低壓愈強,導致上游水氣通量愈旺盛輸送至臺灣地區。 至於鋒面移動分析,透過相關係數與渦度收支診斷,發現鋒面北退現象之關鍵與華南地區低壓再次增強有關,使得西南風於臺灣海峽再次增強,造成鋒面北退現象。此外也發現鋒面位置受華南低壓延伸方向所影響,而低壓延伸方向也受中高層槽向南延伸程度所影響,另外關於華南低壓勢力範圍,也與地面溫度有所相關。Item 臺灣梅雨季滯留性雨帶之模擬研究:2017年6月2日個案(2021) 葉亭妤; Yeh, Ting-Yu2017年6月2日有一梅雨鋒面與伴隨雨帶在臺灣北海岸地區造成超大豪雨事件,鋒面在凌晨接近臺灣北部近海緩慢南移且呈現類似滯留的現象,對流系統在北海岸造成的12小時累積雨量高達641毫米,受此強降雨的影響在北部地區出現多處淹水的災情。綜觀環境分析顯示,低層有噴流存在、低層鋒面擾動輻合配合高對流層輻散,有利於對流系統形成與加強。雷達回波與色調強化雲圖顯示,臺灣北部上空的對流發展旺盛,類似颮線的鋒面對流帶滯留在北海岸與臺灣海峽北部,其上的對流胞不斷東移登陸造成持續的強降雨。本研究使用日本名古屋大學的雲解析風暴模式(CReSS 3.4.2版)模擬此個案探討造成高累積雨量的原因。3公里解析度的模擬顯示,模式對於綜觀環境的表現及鋒面接近臺灣北部時移動緩慢近似滯留的現象有不錯的掌握,累積降水值可達到近400毫米。透過地形敏感度實驗的比較,顯示地形噴流的形成可產生較強的輻合帶使對流發展與增強,移除臺灣地形後只有西南風與東北風產生的輻合,其強度較弱且生成對流較少,只移除北部地形的影響則差別甚小。利用前述3公里模擬與預報的一個成員所驅動的1公里高解析度模擬顯示,前者在24小時同樣可累積近400毫米的雨量,但高解析度預報則可超過600毫米,更接近實際觀測值。可能造成兩者累積雨量差別的結果為高解析度預報因雨帶在相同地方持續較久的時間,故在小區域可以累積集中更多降雨;而儘管模擬的鋒面移動同樣慢、降雨強度也相似,但因較屬移行性雨帶,較未停留在相同地方而導致降雨較分散。高解析預報有低壓擾動的生成在臺灣西北外海使臺灣北部近海的輻合帶長時間沒有移動,低壓南側西風與西南風產生輻合,西南西風被增強同時也增強與東北風輻合強度,海峽北部的輻合帶位置不變,降水可以集中且累積降雨較多;而模擬缺少低壓擾動的形成,為西南風和東北風產生的輻合,導致輻合帶不持續位置也不固定,雖然整體的降水多但雨帶多為移行性,因此無法集中在北海岸地區。Item 不同梅雨鋒面走向與移速對臺灣北部地區降雨影響之理想模擬研究(2019) 謝竣安; Hsieh, Chun-An每年5、6月梅雨季為臺灣重要的降水來源,此期間常受到鋒面影響而出現連續性的降雨,其中不乏有豪大雨個案。然而,不同梅雨鋒面所造成的降雨多寡以及分布不盡相同,而此結果受到許多複雜的因素影響,包括水氣含量、西南氣流、鋒面與地形效應以及中尺度擾動等影響,難以比較釐清單一條件在不同降雨個案的角色。因此,本研究利用理想化模擬的方式簡化複雜的鋒面系統,排除其他因素,探討在真實地形下,不同鋒面走向與移速對臺灣北部降雨的影響。 為製作出理想化模擬的初始場,本研究先從分析資料平均得到鋒面前後的大氣垂直狀態,之後藉調整鋒後東北風的風向及風速,設定不同鋒面走向與移速。將東北風700 hPa以下的低層風場固定為均勻風場,其中,東北風風向與鋒面走向間維持45°夾角,意即隨鋒面走向而變化;東北風風速則對應鋒面移速,風速隨鋒面移速加快而增加。之後經由地轉風平衡式與地球大圓距離公式等計算,將東北風與西南風的大氣垂直狀態擴展為三維經緯網格資料。最後合併鋒前西南風場與鋒後東北風場兩個三維資料場得到理想化模擬的初始場,進行理想化模擬實驗。實驗設計8種鋒面走向,以角度表示,東西走向為0°,順鐘向為負,逆鐘向為正,分別為-20°、-10°、0°、10°、20°、30°、40°與50°。加上3種鋒面移速,分別為快(20 km/h)、中(15 km/h)以及慢(10 km/h)的鋒面移速,共24種組合,代表不同的鋒面情境。 為探討各鋒面模擬結果在臺灣北部的降雨情形,本文藉由實驗模擬結果分析不同鋒面情境下,臺灣北部降雨的強度與空間分布。並選取臺灣北部特定的區域範圍進行空間平均,並且依照實驗模擬結果選取臺灣北部因為梅雨鋒面系統發生降雨的時段,得到實驗的累積雨量、降雨強度以及降雨時間長度,進行臺灣北部降雨分析。 分析結果顯示在相同鋒面移速的情況下,鋒面的走向越接近20°與30°走向,降雨強度越高;鋒面的走向越接近-20°走向,則降雨時間越長,而在相同的鋒面走向情況下,鋒面的移動速度越快則降雨強度越高;而降雨時間長度則減少。臺灣北部累積降雨較多的實驗的可以分為長降雨時間以及強降雨強度兩個類,其中長降雨時間類型較為符合觀測,且有所有實驗中最多的累積雨量。另外本研究也發現,在特定的鋒面走向時,儘管鋒面移速慢,臺灣北部雖可有鋒面通過但是幾乎沒有降雨發生。然而相同的鋒面走向,當鋒面移速提高後,北部又出現降雨,顯示為鋒面走向、東北風強度與北部地形間的非連續交互作用。另外,經由垂直速度與輻散得時序分析,得知20°與30°時的上升運動與低層輻合較其他走向更強,有利於對流發展造成更高的降雨強度。Item 臺灣北部梅雨季極端降水個案之系集分析與可預報度研究(2020) 李名翔; Li, Ming-Siang本研究針對2017年6月初的梅雨個案,並著重於6月2日當日北部地區的極端降雨事件,進行系集敏感度分析(ensemble sensitivity analysis, ESA)與可預報度的探討。該事件在短短12小時的最大累積雨量就達到641毫米的驚人雨量,並造成北部地區多處產生積、淹水現象。但在事件發生前,多數的數值模式都無法很好掌握北部地區的極端降雨,嚴重低估雨量,不利於事前的防災準備。 本研究採用45個成員的系集預報,透過5種技術得分(TS、BS、POD、FAR、FSS)的計算,來評估各成員的表現。結果顯示相較於24小時累積雨量,12小時累積雨量的得分都較低,且北部地區BS得分大多小於1(預報不足),顯示模式對於北部的短時強降雨較難以掌握,可預報度偏低。 而在系集敏感度分析方面,選取北部地區(東經120.9-122.1度,北緯25.0-25.5度)的平均6小時累積降雨量(6月2日0300-0900 LST)當作反應函數(response function)的結果顯示,影響北部地區降雨的因子主要有(1)鋒面位置和移速(2)鋒面強度(3)環境水氣含量(4)低壓擾動(5)中低層槽線,而這些因子彼此之間也互相影響。中低層槽線的位置與移速會影響到地面鋒面的位置和移速,進而導致主要降雨位置的差異,而低壓擾動的生成與發展又與對流密切相關,當低壓擾動生成後,除了會改變降雨位置的分布,也有助於將鋒後冷空氣帶至較南邊的位置,若鋒面因此南移至臺灣西北近海一帶,再配合地形阻擋使得海峽西南風增強,讓此區域的輻合作用增強,此區域恰好為北部地區降雨的上游位置,加上因輻合而加強的鋒生作用,使鋒面強度增強,而鋒生作用又會影響到鋒面的移動速度,使鋒面移動速度較慢並增強對流發展,造成北部地區產生較多的降雨。 透過高解析度實驗,顯示了提高模式的解析度是有助於改善此極端降雨事件的預報結果。另外,初始與邊界條件的品質好壞對於模式結果也有重大影響。當初始與邊界條件能較好地反映真實大氣的情況時,模式才較有機會能預報出較好的結果,進而提高可預報度。Item 台灣梅雨季強降水系統激發與移行機制之個案模擬研究(2012) 許捷勝2008年「西南季風實驗」(SoWMEX)第八次密集觀測 (IOP-8) 期間,台灣地區先後發生兩波豪雨,其綜觀環境由同一道梅雨鋒面所主宰。第一波豪雨為 6月 14 至 15 日,在大陸東南沿岸與台灣海峽上有組織良好的中尺度對流系統(颮線) 發展,並由西向東往台灣地區移行。第二波於 6 月16至17 日,則是在台灣西南方海面上形成一局地對流系統,兩波對流皆造成台灣中南部地區的豪大雨。 地面天氣圖與分析資料顯示,梅雨鋒面於 14 日時最接近台灣地區,其個案期間鋒面皆無通過台灣。第一波降水之綜觀條件於中層有明顯的槽脊系統,並於槽前的正渦度平流區伴隨著低層噴流(LLJ)之發展。此LLJ一方面補充水氣支持對流的持續發展;另一方面則提供低層垂直風切,組織對流使其向東移行。第二波降水之綜觀條件較不顯著,LLJ位置隨時間由東向西退,與第一波相比則較不利於降水系統之移行。 本研究使用日本名古屋大學之非靜力雲解析風暴模式(CReSS),模擬 2008 年 6 月 12 日至 18 日台灣地區之暖季降水個案。進一步透過唯有綜觀環境變化(全海洋表面)、及唯有局部環流日夜變化等(全、無地形)敏感度測試實驗進行比對。結果發現,於無綜觀有利條件下(唯有日夜變化),將不利於降水系統之移行,顯示此個案期間主要由綜觀環境在控制大部分降水的時間與位置,但局部環流對於降水移行仍有一定的調節作用。 此外,實驗結果亦顯示,低層盛行氣流因受到台灣地形的阻擋產生繞流現象,有利降水系統於台灣海峽上輻合增強,使降水集中於台灣中部平原。透過平坦地形及全海洋表面實驗,降水系統於海峽上增強現象則較不明顯,降水易發生於台灣偏北處、甚至移至東北部。且因地形阻擋所造成之冷池現象,對於第二波之後造型降水系統發展與維持亦扮演著重要的角色。Item 2006年6月9日豪雨個案之模擬分析(2008) 梁育儒2006年6月8日至6月11日梅雨鋒面滯留於台灣地區,在6月9日帶來大量的降水,造成中南部地區有嚴重的水災以及造成許多農作物的損失。為了解造成豪雨的原因以及鋒面滯留、北退的情況,我們使用WRF模式模擬此個案,分為兩個部份,第一部分初始時間為2006年6月8日0600 UTC(Run1),分析鋒面降水、滯留、北退的情形。第二部分初始時間為2006年6月9日1200 UTC(Run2),分析鋒面消散的過程。 從綜觀環境、水平風場、台灣東西兩側鋒面結構以及西南氣流的垂直剖面、加上風場和氣壓場隨時間的變化等獲得結論如下:造成強降水的原因有低層輻合高層輻散、西南氣流帶來暖濕的水氣,加上鋒前屬於對流不穩定區,當鋒面南移激發對流的產生,因而在9日上午於中部地區造成豪雨。而在鋒面北退期間,西北風分量減弱,即東南風分量增強而使得鋒面有短暫北退的情形。到了對流後期時,由於低層噴流(LLJ)東移,鋒面也移至南部地區,而使得降水多集中在南部,直到LLJ減弱,南來的水氣減少,供應鋒面輻合所需的水氣下降,因而對流帶逐漸消散。Item 台灣梅雨季後造型雨帶之個案模擬研究:對流胞擾動氣壓之角色(2014) 邱炳魁; Bing-Kui Chiou2012年6月11日在梅雨鋒前強西南氣流影響下,臺灣海峽屬於有利輻合環境,兩波線狀對流系統於臺灣北部外海組織生成並移入台灣。該對流系統於桃園及臺北等區域降下超大豪雨,24小時累積最大降水量達510毫米,雨區呈現東西線狀分佈,造成沿海及都會區多處淹水損失慘重。本文即針對此梅雨季超大豪雨個案,分析降水事件時空背景,從分析圖的判斷我們認為後造型對流系統為導致北臺灣淹水主因之一。我們使用日本名古屋大學研發之雲解析風暴模式(CReSS)完整解析六一二北部水災事件,高解析度模擬結果除成功掌握本個案之鋒面位置及線狀對流發展、移行等,也合理模擬後造型對流胞發展過程,並發現舊對流胞移速減緩隨後與新胞合併之現象。 進一步探討後造型對流系統上游新生對流胞激發原因,利用Klemp (1987)擾動氣壓分離法分別求出浮力擾動氣壓與動力擾動氣壓,氣壓診斷結果顯示新生胞擾動氣壓配置,與浮力項較一致,主要由擾動虛位溫所主導。而動力擾動氣壓主要透過西風垂直風切與垂直輻合兩項作用反應在上衝流兩側,可使舊胞移速減慢,有利新胞與舊胞之合併,對於上游新胞的激發過程則僅有間接角色。本個案對流胞上衝流隨高度向東傾斜,降水位於東側,西側並無冷池可以激發新對流胞,與過去Doswell et al.(1996)提到的中緯度常見的冷池外流邊界激發新胞過程不相同。舊胞中高層伴隨絕熱與蒸發冷卻,使中高層為一個冷區,加上對流不穩定環境,同時底層輻合有利舉升,以及潮濕環境容易達飽和而產生潛熱釋放。熱力因素使對流胞西側浮力隨高度減弱,西側高低層產生相對擾動高壓與低壓的氣壓配置,並產生向上的浮力擾動氣壓梯度力,有利垂直加速度增強,新生胞隨後激發。