112 年 國立成功大學水利及海洋工程學系碩士班乙組《海洋物理學》

湧升流（Upwelling）是指海洋中，由於風應力、科氏力、地形或海水密度差異等因素，將表層或中層的冷水或富含營養鹽的海水向上推升至表層的現象。

湧升流的形成機制主要有：

1. 風力驅動的湧升（Wind-driven upwelling）：當風吹拂海面時，會產生風應力，進而帶動表層海水移動。若遇到海岸線，海水會向外海移動，為了補充流失的海水，下方的冷水或深層水就會被向上推升。例如，離岸風（offshore wind）吹拂海岸時，會將表層海水吹離海岸，引發沿岸湧升。
2. 輻合湧升（Convergence upwelling）：在兩個洋流匯合處，表層海水會被推擠而向下沉降，為了維持連續性，其周圍的海水則會向上湧升。
3. 離散湧升（Divergence upwelling）：在洋流離散處，表層海水會向外擴散，下方的深層海水則會向上補充。

裂流（Rip current）是一種強勁、狹窄、快速且不規則的離岸水流，通常發生在海岸線附近，特別是海灘或岩石海岸。它是由海浪拍打海岸後，海水在漲潮時堆積在近岸，然後尋找最短路徑回歸大海時所形成的。

裂流的形成與特徵：

1. 形成原因：當海浪持續拍打海岸，將大量海水推向岸邊，導致近岸水體水位升高。當水體壓力過大，海水就會尋找最容易流出的地方，通常是海灘的低窪處、海堤的缺口、或兩個離岸流之間的區域，形成一股強勁的離岸水流。
2. 結構：裂流通常包含三個部分：
   • 源頭區（Feeder channel）：海水在離岸方向流動的區域。
   • 頸部（Neck）：水流最急、最窄的區域，也是最危險的部分。

暴潮（Storm surge）是指由強烈風暴（如颱風、颶風、溫帶氣旋）引起的，造成海平面異常升高的現象。它與風暴本身造成的波浪（風浪）不同，暴潮是指整個水體的抬升。

暴潮的形成機制：

1. 風壓效應（Wind stress）：風暴中的強風吹拂海面，將大量海水推向海岸方向，造成近岸海平面堆積上升。這是暴潮最主要的成因。
2. 氣壓效應（Low atmospheric pressure）：風暴中心的低氣壓也會導致海平面有輕微的抬升。氣壓每降低一毫巴（mb），海平面約抬升一公分，但相較於風壓效應，其影響較小。

全日潮（Diurnal tide）是指在一個潮汐日（約24小時50分鐘）內，只有一次高潮和一次低潮的潮汐現象。這種現象主要發生在某些特定地理區域，與月球和太陽的引力作用以及地球自轉有關。

潮汐的分類：
根據一天內高潮和低潮的次數，潮汐可分為：

• 全日潮（Diurnal tide）：一天有一次高潮和一次低潮。
• 半日潮（Semidiurnal tide）：一天有兩次高潮和兩次低潮，且時間間隔大致相等。
• 混合潮（Mixed tide）：一天有兩次高潮和兩次低潮，但其高度和時間間隔差異很大，或一天只有一次高潮和一次低潮。

內波（Internal wave）是指發生在海洋內部不同密度海水層之間的波浪。與我們在海面上看到的表層波（Surface wave）不同，內波的振幅和能量集中在海水內部，其運動不會直接影響海面。

內波的形成與特徵：

1. 形成原因：
   • 密度分層：海洋內部存在密度差異，通常較暖、鹽度較低的海水密度較小，漂浮在密度較冷、鹽度較高的海水之上，形成密度躍層（thermocline/halocline）。
   • 擾動：當這些密度層受到擾動時，就會產生內波。擾動的來源包括：
     • 潮汐作用：潮汐流流經海底地形（如海脊、大陸棚邊緣）時，會擾動密度層，產生內波。
     • 風力：強風吹拂海面，雖然主要產生表層波，但其能量傳遞也會影響到內部密度層。

溫鹽圖（T-S diagram, Temperature-Salinity diagram）是一種將海水溫度（T）和鹽度（S）兩個參數繪製在同一張圖上的工具，用以分析和呈現海水的物理特性。圖上的一個點代表一個特定海水的溫度和鹽度值，而一組點則可以描繪出一個水團（water mass）的特性或某海域的垂直結構。

溫鹽圖的用途：

1. 識別水團（Water mass identification）：不同的海水來源（如深層水、表層水、極區水、赤道水等）通常具有獨特的溫度和鹽度組合。在溫鹽圖上，同一個水團的數據點會聚集在一個特定的區域，形成一個「水團指紋」。透過比較不同地點或不同深度的溫鹽圖，可以追蹤水團的來源、運動和混合過程。
2. 分析海水混合（Analysis of water mixing）：當兩個不同的水團混合時，混合後的水體的溫度和鹽度值會介於原始兩個水團之間。在溫鹽圖上，混合過程通常表現為數據點沿著連接兩個原始水團點的直線（或近似直線）移動。

台灣周遭海域的海洋物理特性受到地理位置、季風、地形、洋流交互作用等多重因素的影響，呈現出複雜且動態的變化。

1. 波浪（Waves）：

• 季風影響：台灣位於季風帶，冬季東北季風盛行，東北部及東部海域波浪較大，常有湧浪（swell）傳入。夏季西南季風影響較小，但可能有颱風帶來巨浪。
• 颱風影響：颱風是台灣周遭海域最主要的巨浪來源，可造成極大的破壞性波浪。
• 地形影響：沿岸地形（如海灘、岩岸、海灣）會影響波浪的傳播和破碎方式。淺水區波浪會變得更高、更陡峭，並可能發生破碎。
• 海流影響：海流與波浪的傳播方向和速度有關，可能影響波浪的特性。

2. 潮位（潮汐差）（Tides）：

• 半日潮為主：台灣周遭海域的潮汐主要為半日潮，即一天有兩次高潮和兩次低潮。
• 潮差變化：潮差（高潮位與低潮位之差）因地區而異。西南部沿海（如台南、高雄、屏東沿海）因受地形和海洋盆地影響，潮差較大，可達數公尺。北部及東部海域潮差相對較小，約1-2公尺。
• 特殊現象：部分區域可能出現混合潮的特徵。

3. 海流（Currents）：

• 黑潮（Kuroshio Current）：台灣東部海域為全球最大的暖流之一——黑潮流經的主要區域。黑潮是一股強勁、溫暖、鹽度較高的洋流，大致由南向北流動，對台灣東部和北部海域的溫度、鹽度和生態環境有重要影響。

海洋中的水溫垂直變化通常不是均勻的，而是呈現出明顯的分層結構，主要受太陽輻射加熱、熱量傳輸、海水混合以及洋流等因素影響。典型的水溫垂直變化可以分為三個主要區域：

1. 表層混合層（Mixed Layer）：

   • 深度：通常位於海面以下數十公尺到數百公尺之間，深度受季節、風力、海況等影響。
   • 特性：在這個區域，由於風力攪拌和波浪作用，海水溫度相對均勻，與海面溫度接近。
   • 季節變化：夏季時，太陽輻射加熱較強，表層混合層溫度較高，且可能因為太陽加熱而與下層海水形成明顯的溫度梯度。冬季時，表層海水因輻射冷卻和風力攪拌，溫度較低且混合更均勻。

2. 溫躍層（Thermocline）：

   • 定義：位於混合層之下，深層冷水之上，是一個溫度隨深度急劇下降的區域。
   • 特性：在溫躍層內，溫度隨深度增加而快速降低。這個區域的溫差變化是衡量海洋分層穩定性的重要指標。
   • 類型：

聖嬰現象（El Niño），又稱厄爾尼諾現象，是一個發生在熱帶太平洋地區的氣候事件，其名稱源自西班牙語，意為「聖嬰」（指耶穌基督）。它指的是在特定時間（通常是聖誕節前後）發生的一種太平洋赤道地區海面溫度異常偏高的現象。

聖嬰現象的主要特徵和過程：

1. 正常狀況（非聖嬰年）：

   • 在正常情況下，熱帶太平洋的東部（如秘魯沿岸）盛行離岸的東北信風和東南信風。
   • 信風將表層暖水吹向太平洋西部（如印尼、澳洲附近），導致西部海面溫度較高，東部海面溫度較低。
   • 東部太平洋因湧升流將冷水帶至表層，水溫較低，但富含營養鹽，漁業資源豐富。
   • 大氣環流也呈現出「沃克環流」（Walker Circulation），即西太平洋上升氣流，東太平洋下沉氣流，並伴隨東西向的信風。

2. 聖嬰現象發生時：

   • 信風減弱或反向：聖嬰年時，熱帶太平洋的信風會顯著減弱，甚至出現反向的西風。
   • 暖水東移：信風減弱導致原來被吹到西太平洋的暖水不再被有效維持在西部，而是開始向東擴散，影響到東太平洋的秘魯沿岸地區。

海水鹽度是指溶解在海水中的鹽類總量與海水總量的比值，通常以千分率（‰）或實際鹽度單位（psu, Practical Salinity Unit）表示。影響海水鹽度的因子主要包括：

影響海水鹽度的因子：

1. 蒸發（Evaporation）：

   • 作用：蒸發會將純水帶走，留下鹽分，因此蒸發量越大，鹽度越高。
   • 影響：在赤道地區和副熱帶高壓帶（約20°N-30°N和20°S-30°S），蒸發量大，鹽度相對較高。

2. 降水（Precipitation）：

   • 作用：降水是淡水，會稀釋海水，降低鹽度。
   • 影響：在赤道地區（對流雨多）和高緯度地區（冰雪融水和降雨），降水量大，鹽度相對較低。

3. 河川徑流（River Runoff）：

   • 作用：河川將陸地上的淡水注入海洋，顯著降低近岸海水的鹽度。
   • 影響：在大型河流入海口附近，鹽度會顯著降低。

4. 冰川形成與融化（Sea Ice Formation and Melting）：

   • 作用：
     • 結冰：當海水結冰時，鹽分會被擠出，導致周圍未結冰的海水鹽度升高。
     • 融化：冰川（特別是淡水冰）融化時，會釋放大量淡水，稀釋海水，降低鹽度。
   • 影響：在高緯度地區，冰川的形成和融化對鹽度有顯著影響。

5. 洋流（Ocean Currents）：

   • 作用：洋流可以輸送具有不同鹽度特徵的海水，影響區域的鹽度分布。

波浪觀測是了解海洋狀況、進行海岸工程設計、預報天氣及航運安全等的重要環節。波浪觀測的方法多樣，可分為直接觀測和間接觀測，以及現場觀測和遙感觀測。

以下是常見的波浪觀測方法：

1. 直接觀測法（Direct Measurement）：

• 浮標式波浪儀（Buoy-based wave gauges）：
  • 原理：將波浪儀固定在漂浮的浮標上，浮標隨海浪起伏，儀器記錄其垂直位移，從而推算出波浪參數（如波高、週期）。
  • 類型：包括測量垂直位移的裝置（如加速度計、GPS）或測量波浪高度的裝置。
  • 優點：可部署在遠離海岸的海域，獲得真實的開放水域波浪資訊。
  • 缺點：成本較高，維護不易，易受惡劣天氣損壞。
• 固定式波浪儀（Fixed wave gauges）：
  • 原理：將儀器固定在海底、碼頭、海上平台或樁柱上，測量通過儀器點的波浪高度。
  • 類型：
    • 壓力傳感器（Pressure sensors）：測量波浪通過時引起的水壓變化。
    • 聲納儀（Sonar/Acoustic Doppler Profilers）：利用聲波測量水面高度。
    • 雷達波浪儀（Radar wave gauges）：利用雷達波測量水面高度。
    • 超聲波波浪儀（Ultrasonic wave gauges）：利用超聲波測量水面高度。
  • 優點：長期穩定觀測，不受浮標漂移影響。
  • 缺點：觀測範圍僅限於儀器所在點，且部署受水深和海底條件限制。
• 潮位計（Tide gauges）：
  • 原理：雖然主要用於測量潮汐，但其高精度和連續記錄的特性，也可以用來觀測長週期波浪（如湧浪）。

颱風期間，湧浪（swell）之所以比颱風（風浪，wind wave）更早傳遞至海岸邊，主要是由於湧浪和風浪在生成、傳播和能量衰減機制上的差異。

1. 湧浪（Swell）的生成與傳播：

• 生成：湧浪是由遠離海岸的強風（可能來自颱風的眼牆區域之外，或由颱風在海上長距離傳播後形成的）長時間作用於海面而產生的。當風吹拂海面時，會將能量傳遞給海水，形成波浪。
• 傳播：一旦波浪離開了產生它的風區（fetch），就成為湧浪。湧浪的傳播速度（波速）主要取決於其波長（或週期），長週期、長波長的湧浪傳播速度更快。
  • 波速公式：在深水條件下，$c = \sqrt{\frac{g\lambda}{2\pi}}$，其中 $c$ 是波速，$g$ 是重力加速度，$\lambda$ 是波長。這表示波長越長的湧浪，速度越快。
• 能量衰減：在傳播過程中，湧浪的能量衰減相對較慢，尤其是在沒有其他擾動的情況下。

2. 風浪（Wind Wave）的生成與傳播：

• 生成：風浪是直接由當地風力作用於海面產生的。風浪的特性（波高、週期）與風速、風持續時間以及風區長度（fetch）直接相關。
• 傳播：風浪是隨風而動的，其能量主要由風力不斷補充。
• 能量衰減：風浪的能量會隨著風的減弱或風區的縮短而迅速衰減。同時，風浪的能量也容易被其他波浪系統（如湧浪）吸收或干擾。