109 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）》

本題為解釋名詞題，旨在測試考生對物理海洋學基本名詞的理解程度。每個名詞需要簡要定義並輔以實例說明。

1. dB & db:

   • dB (decibel): 分貝 (decibel) 是對數單位，用來表示兩個量（通常是功率或強度）的比值。在聲學和信號處理中，常用來衡量聲音的強度或信號的衰減程度。例如，人耳能聽到的最小聲音強度定義為 0 dB，而噴射機引擎的噪音可能高達 140 dB。
   • db (decibar): 分貝 (decibar) 是壓力單位，等於 0.1 個大氣壓力 (bar)。在海洋學中，壓力通常以分貝 (db) 或 dbar 來表示，因為它與深度大致成線性關係（約 1 db/m）。例如，在 1000 米深處，壓力約為 1000 dbar。
   • 【答案】: dB 是對數單位，表示比值；db (dbar) 是壓力單位，常用於海洋學。

2. Deep Sound Channel (DSC):

   • 定義: 深層聲道（也稱為 SOFAR Channel，Sound Fixing and Ranging Channel）是海洋中一個聲波傳播效率極高的區域。在這個區域，聲速在某個深度達到最小值，然後隨著深度增加或減少而增加。這種聲速結構使得聲波在這個深度附近被約束，能夠長距離傳播而衰減較少。
   • 形成原因: DSC 的形成與水的溫度和壓力（進而影響聲速）分布有關。在表層，溫度較高，聲速較快；隨著深度增加，壓力增大，聲速也增大；但在中層（約 1000-2000 米深），溫度降低到一個最小值（稱為最低溫層），導致聲速在該深度達到最小值。
   • 舉例: 在 DSC 中發出的聲音，例如軍事聲納信號或鯨魚的叫聲，可以在數千公里外被偵測到。
   • 【答案】: 深層聲道是海洋中聲速梯度導致聲波能長距離傳播的區域，例如 SOFAR Channel。

3. CTD & XBT:

   • CTD (Conductivity, Temperature, Depth): CTD 儀器是一種用於測量海水導電度 (Conductivity)、溫度 (Temperature) 和深度 (Depth) 的儀器。這些測量值可用來計算海水的鹽度 (Salinity) 和密度 (Density)，是海洋學研究中最基本的剖面測量工具。
   • XBT (Expendable Bathythermograph): XBT 是一種一次性的溫深儀，通常由一艘船或飛機投放到海中。它會將溫度數據透過細線傳回船上，直到用完即沉入海底。XBT 主要用於快速獲取海水的溫度剖面，尤其是在大範圍調查或即時監測時。
   • 【答案】: CTD 測量導電度、溫度、深度以計算鹽度和密度；XBT 則是一次性測量溫度的剖面儀。

4. Thermohaline circulation:

   • 定義: 溫鹽環流 (Thermohaline circulation) 是由海水溫度 (thermo-) 和鹽度 (-haline) 差異所驅動的全球性海洋環流系統。密度差異是其根本原因：冷、高鹽度的海水密度較大，會下沉；暖、低鹽度的海水密度較小，會上浮。
   • 機制: 主要發生在高緯度地區，那裡的表層海水冷卻並因蒸發或海冰形成而鹽度升高，變得足夠重而下沉，形成深層水。這些深層水在全球海洋中緩慢移動，經過漫長的循環後，最終在其他地方重新上升到表層。
   • 舉例: 大西洋經向翻轉環流 (Atlantic Meridional Overturning Circulation, AMOC) 是溫鹽環流最顯著的例子，其中北大西洋的冷卻海水下沉，推動全球海洋的熱量和鹽度輸送。
   • 【答案】: 由溫度和鹽度差異驅動的全球性海洋環流，例如大西洋經向翻轉環流。

5. Ekman Transport:

   • 定義: 艾克曼傳輸 (Ekman Transport) 是指在風力作用下，海洋表層海水運動的平均淨方向。由於科氏力 (Coriolis force) 的作用，表層海水會相對於風向偏轉約 90 度（北半球向右，南半球向左）。

本題分為兩部分，(a)考察海洋在地球水循環和熱能平衡中的作用，以及假設海洋介質改變對地球環境的影響；(b)則關注當前海洋面臨的環境問題。

(a) 海洋的水量、熱能平衡及角色，以及假設海洋介質改變的影響

• 海洋的水量平衡式:
  海洋的水量平衡主要由以下幾個通量決定：

  • 流入 (Inflow):
    • 河流淡水輸入 (Riverine freshwater input)
    • 降水 (Precipitation)
    • 來自其他水體（如河流、冰川融水）的輸入
  • 流出 (Outflow):
    • 蒸發 (Evaporation)
    • 進入其他水體（如大氣、冰川）的輸出
  • 淨效應: 在一個穩定的氣候系統中，海洋的總水量保持相對穩定，因此，流入的總量約等於流出的總量。
  • 簡化平衡式:
    $\frac{d V_{\text{ocean}}}{dt} = \text{Inflow}_{\text{freshwater}} - \text{Outflow}_{\text{freshwater}}$
    其中 $V_{\text{ocean}}$ 是海洋的總水量。在長期穩態下，$\frac{d V_{\text{ocean}}}{dt} \approx 0$。
    主要的淡水輸入是降水，主要的淡水輸出是蒸發。因此，對於海洋整體而言，淡水通量平衡可以寫為：
    $\text{Evaporation} - \text{Precipitation} = \text{Net Freshwater Flux}$
    對於海洋的總水量平衡，還需要考慮陸地徑流和冰川融水的影響。

• 海洋的熱能平衡式:
  海洋的熱能平衡主要涉及太陽輻射的吸收、熱量的儲存、輸送以及與大氣和地球內部的交換。

  • 流入 (Heat Input):
    • 太陽短波輻射吸收 (Absorption of solar shortwave radiation)
    • 大氣長波輻射、感熱和潛熱的交換 (Exchange of longwave radiation, sensible and latent heat with the atmosphere)
    • 來自河流和海底熱泉的熱量輸入 (Heat input from rivers and hydrothermal vents)
  • 流出 (Heat Output):
    • 向大氣的長波輻射、感熱和潛熱交換 (Longwave radiation, sensible and latent heat exchange with the atmosphere)
    • 蒸發帶走潛熱 (Latent heat loss through evaporation)
    • 向深層地殼和地幔的熱傳導 (Heat conduction to the deep crust and mantle)
    • 洋流輸送至其他區域 (Transport to other regions by ocean currents)
  • 簡化平衡式:
    $\frac{dQ_{\text{ocean}}}{dt} = Q_{\text{in}} - Q_{\text{out}}$
    其中 $Q_{\text{ocean}}$ 是海洋儲存的熱能。在長期穩態下，$\frac{dQ_{\text{ocean}}}{dt} \approx 0$。
    $Q_{\text{solar}} + Q_{\text{atm-ocean}} + Q_{\text{geothermal}} + Q_{\text{advection}} = Q_{\text{out}}$
    其中 $Q_{\text{solar}}$ 是吸收的太陽輻射， $Q_{\text{atm-ocean}}$ 是與大氣的熱交換， $Q_{\text{geothermal}}$ 是來自地球內部的熱量， $Q_{\text{advection}}$ 是通過洋流帶來的熱量。 $Q_{\text{out}}$ 是向外散失的熱量。

• 海洋在地球熱能平衡中所扮演的角色:
  海洋是地球上最大的熱量儲存庫，其巨大的熱容量使得它能夠吸收和釋放大量的熱量，從而調節地球的溫度，減緩氣候變化。

  1. 熱量調節: 海洋吸收了大部分入射的太陽輻射，並通過洋流將熱量在全球範圍內重新分配。這使得熱帶地區不會過熱，而高緯度地區也不會過冷，從而維持了地球的平均溫度。
  2. 氣候緩衝: 海洋緩慢的升溫和降溫速率，使得地球的年平均氣溫變化相對平緩，起到了氣候緩衝器的作用。
  3. 碳循環: 海洋是重要的碳匯，吸收大約四分之一的人為排放的二氧化碳，參與地球的碳循環，對減緩溫室效應有重要貢獻。

本題為圖示標示題，共分為兩個部分，(a) 要求標示臺灣周邊的地理特徵與海流，(b) 要求標示太平洋區域的地名、風場與海流。此處僅提供 (a) 部分的詳解，(b) 部分則在下一題組中詳述。

(a) 臺灣周邊海域島嶼、海底地形/海域及海流標示

此部分需要根據提供的地圖圖像，辨識並標示出各個編號對應的地理名稱。由於無法直接在此處繪製圖標，以下將根據常見的地理知識和地圖資訊，列出各標號的可能名稱。考生需對照原卷的圖像進行確認。

臺灣周邊海域島嶼 (標號 1-6)

• 1: 蘭嶼 (Lanyu / Orchid Island)
• 2: 綠島 (Green Island)
• 3: 澎湖群島 (Penghu Islands / Pescadores Islands)
• 4: 琉球嶼 (Liuqiu Island / Siaolin Island)
• 5: 太平島 (Itu Aba Island) - 位於南沙群島
• 6: 釣魚臺列嶼 (Diaoyutai Islands / Senkaku Islands) - 雖然爭議較大，但在此區域地圖上常標示

海底地形或海域 (標號 7-17)

• 7: 臺灣海峽 (Taiwan Strait)
• 8: 東海 (East China Sea)
• 9: 沖繩海槽 (Okinawa Trough)
• 10: 呂宋海峽 (Luzon Strait)
• 11: 菲律賓海 (Philippine Sea)

本題為綜合題，要求考生標示太平洋區域的地名、風場和海流，並進行描述。這需要結合地圖、風場圖和海流圖，綜合運用地理、氣象和物理海洋學的知識。

第一部分：太平洋及其鄰近海域名稱標示 (圖 a)

考生需要根據圖 a 中的數字標號，辨識並標示出指定的太平洋區域和鄰近海域。以下是可能對應的名稱，請對照原卷圖像確認：

• 3: 太平洋 (Pacific Ocean) - 總稱
• 4: 太平洋 (Pacific Ocean) - 廣闊區域
• 30: 俾斯麥海 (Bismarck Sea)
• 31: 珊瑚海 (Coral Sea)
• 32: 印度尼西亞海 (Indonesian Seas) - 包含爪哇海、蘇拉威西海等
• 33: 帝汶海 (Timor Sea)
• 34: 蘇祿海 (Sulu Sea)
• 35: 菲律賓海 (Philippine Sea) - 參見 III.題的標示
• 36: 南海 (South China Sea) - 參見 III.題的標示
• 37: 東海 (East China Sea) - 參見 III.題的標示
• 38: 黃海 (Yellow Sea)
• 39: 日本海 (Sea of Japan)
• 40: 鄂霍次克海 (Sea of Okhotsk)
• 41: 北太平洋 (North Pacific Ocean)
• 44: 墨西哥灣 (Gulf of Mexico) - 雖然是附屬海，但與太平洋有聯繫
• 46: 斐濟 (Fiji) - 國家，但在此圖中可能指代其周邊海域
• 47: 紐西蘭 (New Zealand) - 國家，指代其周邊海域

第二部分：太平洋風場標示與描述 (圖 b)

圖 b 顯示的是二月的風場。考生需要標示出風場的名稱並進行描述。

• a: 副熱帶高壓帶 (Subtropical High) - 在北太平洋和南太平洋中緯度地區，通常與信風帶相對。
• b: 季風槽 (Monsoon Trough) / 赤道對流帶 (Intertropical Convergence Zone, ITCZ) - 在赤道附近，是信風匯聚的區域。二月時，此區域會偏向南半球。
• c: 盛行西風帶 (Westerlies) - 在中高緯度地區，風向大致由西吹向東。
• d: 東北信風帶 (Northeast Trade Winds) - 在北半球副熱帶高壓帶和赤道對流帶之間，風向由東北吹向西南。

描述:
二月是北半球的冬季，南半球的夏季。

• 東北信風 (a): 在北太平洋，副熱帶高壓帶（例如夏威夷高壓）南側，吹動東北信風，將暖濕空氣從赤道附近帶到高緯度，並受到科氏力影響向西南偏轉。
• 赤道對流帶 (b): 二月時，ITCZ 位於赤道以南，是東南信風與東北信風匯聚的區域，常伴有對流活動和降水。
• 盛行西風 (c): 在北太平洋中緯度地區（約 30°N-60°N），盛行西風，風向自西向東。
• 東南信風: 在南半球副熱帶高壓帶（例如亞熱帶高壓）南側，吹動東南信風，向西北偏轉。

第三部分：太平洋海流系統標示與描述 (圖 c)

圖 c 顯示的是二月的海流系統。考生需要標示出海流的名稱和類型，並進行描述。

• e: 喲西奧洋流 (Oyashio Current) - 位於北太平洋西北部，是從北極方向流來的寒流。
• f: 北太平洋暖流 (North Pacific Current) - 橫貫北太平洋的暖流，是太平洋環流的一部分。