108 年 國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系碩士班甲組《物理海洋學（B）》

這一題為單純的名詞解釋題，涵蓋了聲學海洋學、動力海洋學、地球物理學等領域的基礎名詞。作答時需簡潔扼要地定義名詞，並舉出一個具體的例子來闡述其概念。

1. dB (decibel)：

   • 定義：分貝 (decibel, dB) 是一種對數單位，用來衡量兩個物理量（通常是功率或強度）的比值，或者一個量相對於參考值的絕對大小。在聲學中，常用來表示聲壓級或聲強級。
   • 公式：聲壓級 $SPL$ (dB) $= 20 \log_{10} \frac{P}{P_{ref}}$，其中 $P$ 是聲壓，$P_{ref}$ 是參考聲壓 (通常為 $20 \mu Pa$)。聲強級 $SIL$ (dB) $= 10 \log_{10} \frac{I}{I_{ref}}$，其中 $I$ 是聲強，$I_{ref}$ 是參考聲強。
   • 舉例：人耳能聽到的最小聲壓約為 $20 \mu Pa$，其聲壓級為 0 dB。正常交談的聲壓級約為 60 dB。飛機起飛時的聲壓級可達 120 dB，這會造成聽覺上的疼痛。

2. Convergence zone (in ocean acoustic propagation)：

   • 定義：在海洋聲學傳播中，匯聚區 (Convergence zone) 是指聲波經過海底反射後，在特定深度再次匯聚的區域。這種現象主要發生在聲速剖面中存在一個聲速極大值層（通常在表層或深層）時，聲波會向下彎曲，到達海底後向上反射，然後再次向下彎曲，在另一個深度匯聚。
   • 舉例：在淺水中，聲速隨深度增加而增加，聲波向下傳播，碰到海底後反射，然後向上彎曲，在接近海底的某個深度形成匯聚區。在深水中，聲速通常在聲 the SOFAR channel (Sound Fixing and Ranging channel) 附近達到最小值，聲波會在這個聲道內傳播，並在聲道邊緣形成匯聚。

3. db (decibel)：

   • 此處的 "db" 與 "dB" 應為同一概念，可能為印刷或輸入上的小錯誤。如果題目意圖不同，則需要根據上下文判斷。一般情況下，"db" 指代的是 "decibel"。
   • 定義：同 1. dB。
   • 舉例：同 1. dB。

4. Shadow zone (in ocean acoustic propagation)：

   • 定義：陰影區 (Shadow zone) 是指在聲波傳播路徑中，由於聲速剖面或海床地形的影響，聲波無法到達的區域。通常發生在聲速梯度導致聲波彎曲，使其無法穿透的區域。
   • 舉例：在聲速隨深度增加的聲速剖面中，聲波會向下彎曲，離開聲源的較遠區域可能因聲波無法到達而形成陰影區。同樣，若海床有明顯隆起，聲波也可能繞不過去，形成陰影區。

5. Coriolis Force：

   • 定義：科氏力 (Coriolis Force) 是由於地球自轉而在運動物體上出現的慣性力。它並非真實的力，而是觀察者在旋轉參考系中所感受到的效應。在北半球，科氏力使運動物體向右偏轉；在南半球，則向左偏轉。
   • 公式：$\vec{F}_c = -2m(\vec{\omega} \times \vec{v})$，其中 $m$ 是物體質量，$\vec{\omega}$ 是地球自轉角速度向量，$\vec{v}$ 是物體相對於地球的運動速度向量。

本題分為兩大部分，(a) 要求解釋地球的熱能平衡及其在其中的角色，(b) 則關注特定的世界海洋日主題與當前海洋環境挑戰。

(a) 地球之熱能平衡式與海洋的角色

• 地球之熱能平衡式：
  地球的熱能平衡指的是地球系統（包括大氣、海洋、陸地和冰雪）接收到的太陽輻射能與其散發的熱輻射能之間達到一個動態的平衡狀態。簡單來說，地球接收的能量等於散失的能量，使得地球的平均溫度保持相對穩定。
  其基本形式可以表示為：
  $\text{Incoming Solar Radiation} = \text{Outgoing Thermal Radiation}$
  更詳細地，地球接收的太陽短波輻射，一部分被反射（反照率，Albedo），大部分被吸收；散失的能量則主要是地球向太空長波輻射。
  $\text{Net Incoming Radiation} = \text{Net Outgoing Radiation}$
  $(1 - \alpha) S_0 = \sigma T_{eff}^4$
  其中，$\alpha$ 是地球的平均反照率， $S_0$ 是太陽常數（單位面積接收到的太陽輻射強度），$\sigma$ 是斯特藩-玻爾茲曼常數，$T_{eff}$ 是地球的有效輻射溫度。
  然而，地球大氣層的溫室效應使得地表溫度高於根據其有效輻射溫度計算的溫度。因此，更精確的平衡考慮了溫室效應：
  $\text{Absorbed Solar Radiation} = \text{Emitted Thermal Radiation to Space}$
  $\text{Absorbed Solar Radiation} = \text{Surface Outgoing Radiation} - \text{Greenhouse Effect}$

• 海洋在地球熱能平衡中所扮演的角色：
  海洋是地球氣候系統中最重要的能量調節者。它扮演以下關鍵角色：

  1. 巨大的熱能儲存庫：海水比熱容遠大於空氣，因此海洋能夠吸收和儲存大量的太陽能。這使得海洋成為一個巨大的熱能緩衝器，減緩了地表溫度的劇烈波動。
  2. 能量的運輸者：洋流（如墨西哥灣流、黑潮）能夠將赤道地區吸收的熱量傳輸到高緯度地區，同時將高緯度的冷水帶到低緯度地區，從而實現全球範圍內的能量再分配，調節全球氣候。
  3. 影響反照率：海冰、積雪覆蓋的海面以及海洋本身的顏色和紋理都會影響地球的總體反照率，進而影響地球吸收的太陽輻射量。
  4. 參與蒸發散：海洋表面的蒸發是水循環的重要環節，蒸發過程會吸收大量的潛熱，並將這些能量以水蒸氣的形式輸送到大氣中，影響大氣的能量收支和水汽含量。
  5. 吸收和釋放二氧化碳：海洋吸收大氣中的二氧化碳，參與碳循環，進而間接影響地球的溫室效應和熱能平衡。

  總結來說，海洋通過其巨大的熱容量、能量運輸能力以及在水循環和碳循環中的作用，極大地影響著地球的熱能收支和氣候的穩定性。

本題包含兩個小題，(a) 要求標示台灣周邊海域和洋流，(b) 則探討東海與南海的爭議。作答時需結合提供的圖示進行標示。

(a) 標示臺灣周邊海域與海流

這部分需要根據圖示 III. 圖示 來完成。圖中標示了數字 1-5 作為海域，以及字母 A-C 作為海流。

• 海域標示 (1-5)：

  • 1: 位於臺灣西南部，靠近中國大陸東南沿海，應為 南海北部 (Northern South China Sea) 或 臺灣海峽 (Taiwan Strait) 的一部分。
  • 2: 位於臺灣海峽南部，靠近廣東沿海，應為 南海北部 (Northern South China Sea)。
  • 3: 位於臺灣島東南方，菲律賓以西，應為 南海 (South China Sea) 的一部分，或更具體地指 呂宋海峽 (Luzon Strait)。
  • 4: 位於菲律賓東方，太平洋海域，應為 菲律賓海 (Philippine Sea)。
  • 5: 位於臺灣島東方，琉球群島南方，應為 東海 (East China Sea) 的一部分，或更具體地指 琉球海溝 (Ryukyu Trench) 附近海域。

• 海流標示 (A-C)：

  • A: 箭頭指向北方，流經臺灣東側，這是 黑潮 (Kuroshio Current) 的一部分。
  • B: 箭頭指向東方，流經臺灣東北部，這是黑潮主幹或其分支，可能與 東海洋流 (East China Sea Current) 或 親潮 (Oyashio Current) 的影響有關（但親潮主要在更北邊，此處應為黑潮影響下的水系）。
  • C: 箭頭指向北方，流經臺灣西南側，應為 南海的洋流，可能與 南海季風環流 (South China Sea Monsoon Current) 或 臺灣海峽流 (Taiwan Strait Current) 有關，通常受到季風影響而南北向流動。

本題要求標示北太平洋和南太平洋的特定區域與洋流，並進行描述。這部分需要仔細對照圖示 IV. 圖a 和 IV. 圖b。

(北太平洋及其鄰近海域標示與描述)

根據圖 IV. 圖a，需要標示的標號為 3, 34-41, 44。這些標號代表北太平洋及其鄰近陸地或海域的名稱。

• 標示與描述：

  • 3: 位於菲律賓東北方，太平洋廣闊海域，應為 菲律賓海 (Philippine Sea)。
  • 34: 位於馬來半島東側，泰國灣西部，應為 泰國灣 (Gulf of Thailand) 或 馬六甲海峽 (Strait of Malacca) 附近海域。
  • 35: 位於蘇門答臘島西部，印度洋東部，應為 印度洋西部 (Western Indian Ocean) 或 安達曼海 (Andaman Sea) 附近。
  • 36: 位於爪哇島南部，應為 爪哇海 (Java Sea) 或 印度洋南部 (Southern Indian Ocean)。
  • 37: 位於澳洲西部，印度洋東部，應為 印度洋東部 (Eastern Indian Ocean)，靠近西澳。
  • 38: 位於中國大陸東南部沿海，應為 南海 (South China Sea)。
  • 39: 位於中國大陸東部沿海，台灣東方，應為 東海 (East China Sea)。
  • 40: 位於朝鮮半島東側，日本海西部，應為 日本海 (Sea of Japan)。
  • 41: 位於日本群島東側，太平洋西北部，應為 太平洋西北部 (Northwestern Pacific Ocean) 或 北太平洋 (North Pacific Ocean)。
  • 44: 位於北太平洋中部偏東，應為 北太平洋 (North Pacific Ocean) 的一個區域，或與 北美洲西岸 相關的區域。

• 北太平洋環流系統簡述：
  北太平洋主要受副熱帶高壓帶控制，形成一個巨大的順時針方向的副熱帶環流 (North Pacific Gyre)。其主要洋流包括：

  • 黑潮 (Kuroshio Current)：西太平洋的暖流，由南向北流動，流經臺灣東側。
  • 北太平洋暖流 (North Pacific Current)：黑潮向東延伸，流經北太平洋中部。
  • 加州洋流 (California Current)：東太平洋的寒流，由北向南流動，流經北美洲西岸。
  • 北赤道洋流 (North Equatorial Current)：西太平洋的暖流，由東向西流動，位於赤道附近。