黑潮上游地區(qū)海洋動力學(xué)實驗-子計畫七黑潮上游地區(qū)衛(wèi)星測高觀測

1、黑潮上游地區(qū)海洋動力學(xué)實驗-子計畫七：黑潮上游地區(qū)衛(wèi)星測高觀測摘要本計畫第一年已將KUDEX區(qū)之geoid以衛(wèi)星測高、重力資料求得，自1993年1月到2000年4月的TOPEX/POSEIDON（T/P）測高資料已處理完並於KUDEX海域求出每隔10天一次之KUDEX相對地轉(zhuǎn)流流場及渦漩分布，有助於解釋渦漩之時空演變及其與黑潮之交互作用。本計畫並於臺灣東北及東南T/P經(jīng)過之處，以超幾何函數(shù)擬合黑潮剖面之動力高而求出長達7年之黑潮運通量、寬度、中心流速及位置之時間序列。1. 測高資料處理本計畫重新處理TOPEX/POSEIDON（T/P）之cycle 10（1992年12月）到cycle 279

2、（2000年4月）之全球測高資料。處理時以理論軌道（nominal orbit）為參考位置，而求得約7年的沿軌跡海水位平均值。對於每一cycle，則以EGM96 （Lemoine et al., 1998）之geoid值為海水梯度參考值，將每一觀測之海水面高（SSH）約化至上述之參考軌道位置而計算海水位異常（SLA）。另外ERS-1及ERS-2之軌道則經(jīng)過交叉點平差，以T/P之軌道修正之。用和T/P同樣的原理，吾人亦求得ERS-1及ERS-2各約2年的沿軌跡平均海水位及海水位異常以為本計畫分析用。2. KUDEX區(qū)之水準(zhǔn)面模式本計畫以最小二乘配置法（least-squares collocat

3、ion）計算KUDEX海區(qū)之geoid模式，使用之資料為船測重力，Seasat , Geosat, ERS-1 和T/P測高資料。使用公式為(Hwang , 1996) （1）其中N為計算之geoid高，Nref為EGM96之geoid，e及g為geoid梯度（由測高資料求得）及重力異常，為梯度及重力異常之協(xié)變方矩陣，為梯度重力異常之協(xié)變方矩陣，為及g之誤差協(xié)變方矩陣。圖1為KUDEX區(qū)之22 geoid圖。由圖1知, 因海底地形臺灣東部之geoid相當(dāng)複雜， 在此處所決定之geoid精度（約5 - 40）較其他地區(qū)為差。3. 黑潮運通量、寬度、中心軸速度之時間序列本計畫依Hwang（1996

4、）之方法求得黑潮在臺灣東北部及東南部附近之運通量寬度、中心軸速度 約7年（1992年12月到2000年4月）之時序列。所 使用之動力高（dynamic height）可以下式近似之（Tai，1990；Hwang，1996）： ()+0 （2） 其中可由海水面高減去上述之geoid高而得，且運通量= 100H (Sv)，寬 度=1.89 L (km)中心軸速度= (cm/sec)X0=沿軌跡之主軸位置為地球自轉(zhuǎn)速度，為緯度），為重力值。圖2顯示, 通過臺灣東北部及東南部的兩 T/P pass分別為d119及d081。在實際求上述時間序列時，吾人必給定黑潮流過此兩處大概之範(fàn)圍，否則計算時將發(fā)散。圖

5、3及圖4分別顯示於臺灣東北，東南部由T/P求得之黑潮參數(shù)時間序列。表一為列序之統(tǒng)計值。其時間間隔為一個月。吾人將drifter d21160之軌跡繪於圖2中，發(fā)現(xiàn)其軌跡恰好經(jīng)過由T/P定出之中心軸位置，而速度分常吻合。為進一步瞭解此些參數(shù)之分量，吾人採用小波分析（wavelet analysis）技術(shù)，以Morlet小波將上列時間序列轉(zhuǎn)換為小波係數(shù),如圖5圖6所示。小波係數(shù)可顯示序列之時間與頻率而有別於Fourier分析。由圖3至圖6之 結(jié)果，吾人製成表2，分析上述時間序列中，半年、一年、跨年（interannual）分量出現(xiàn)之時及強弱度.表一 黑朝參數(shù)於臺灣東北、東南處之平均值及標(biāo)準(zhǔn)偏差運通

6、量（Sv）寬度（km）中心軸速度（cm/sec）臺灣東北196112275011臺灣東南26596139212表二 黑潮於臺灣東北、東南方處之運通量、寬度、中心軸速度分量出現(xiàn)時間(a)運通量分量東北東南半年1993-1996（弱）1993-2000（弱）一年1993-1996（弱）1993-1997 (強)跨年1993-2000（強，週期2年）無(b)寬度分量東北東南半年1993-1996（弱）1993-2000（弱）一年1993-2000（弱）1993-2000（弱）跨年1993-2000（強，週期: 2年）無(c)中心軸速度分量東北東南半年1995-2000（弱）1993-2000（弱）一

7、年1993-2000（強）1993-2000（弱）跨年1993-2000（弱，週期: 2年）1993-2000（弱，週期: 2年）4. KUDEX相對地轉(zhuǎn)流在KUDEX區(qū)，除黑潮附近外，平均流均甚小，為避免geoid誤差，吾人可採用Hwang and Chen（2000）在南海的經(jīng)驗，用相對動力高計算相對地轉(zhuǎn)流。相對動力高定義為海水位高與平均海水位高之差。相對地轉(zhuǎn)流分量之計算公式為（Apel, 1987）： (3) (4)其中為東西，南北流之分量，為相對地轉(zhuǎn)流，其他變數(shù)之定義則與（2）式中者相同。吾人每10天（即 1 T/P cycle）製作一張KUDEX區(qū)之相對地轉(zhuǎn)流圖，公布於網(wǎng)站：中。例如

8、，圖7為由cycle 82（約於1994年12月5日）之T/P資料求得之相對地轉(zhuǎn)流場。吾人將drifter d459之軌跡重疊於圖7中，發(fā)現(xiàn)d459之軌跡非常符合臺灣東方之 warm- cored eddy. 再者，吾人於KUDEX區(qū)域 根據(jù)T/P每10天之相對地轉(zhuǎn)流 得下列初步結(jié)論：(1) 冬季(12-2月)：1992-1993年，大部份研究區(qū)域之SLA為負值，且伴隨著冷渦漩，只在北赤道流(North Equatorial Current, NEC)(8N-16N)及 (25N、134E)處有零星的暖渦漩存在。1993-1994年，於北赤道反流(North Equatorial Counte

9、rcurrent, NECC)(0N-8N)及臺灣東方外海為負SLA，且伴隨著冷渦漩，此年之負SLA強度小於1992-1993年，且冬季末時，負SLA只出現(xiàn)於22N以北。1994-1995年的狀況與1992-1993年類似。1995-1996年，NECC及NEC為正SLA，且伴隨著暖渦漩，主要之負SLA出現(xiàn)於22N左右，且伴隨著冷渦漩。1996-1997年，主要之負SLA出現(xiàn)於NEC及Kuroshio ，且伴隨著冷渦漩，其它海域則有零星之暖渦漩出現(xiàn)。1997-1998年的狀況與1992-1993年類似。1998-1999年的狀況與1995-1996年類似。此季節(jié)之渦漩於南大致向西流動，而接近陸

10、地時則朝北流動。(2) 春季(3-5月)：1993年，於NECC及臺灣東方外海為負SLA，且伴隨著冷渦漩，正SLA只出現(xiàn)於NEC，且伴隨著暖渦漩。1994年，大部份海域為正SLA，且伴隨著暖渦漩，主要之負SLA出現(xiàn)於24N左右，且伴隨著冷渦漩。1995年，春初大部份海域為負SLA，春末，冷渦漩之?dāng)?shù)目及盤據(jù)之面積減少，而暖渦漩之?dāng)?shù)目及盤據(jù)之面積增加。1996年，正SLA大都出現(xiàn)於19N以南，且伴隨著暖渦漩，而主要之負SLA出現(xiàn)於19N以北，且伴隨著冷渦漩。1997年，春初大部份海域為負SLA，春末，正SLA出現(xiàn)於22N左右，且伴隨著暖渦漩。1998年，春初大部份海域為負SLA，主要的暖渦漩位於(

11、25N、134E)處，春末之海洋現(xiàn)象與春初相反。此季節(jié)之渦漩於南大致向西流動，而接近陸地時則朝北流動。(3) 夏季(6-8月)：1993年，大部份海域為正SLA，且伴隨著暖渦漩，冷渦漩出現(xiàn)於24N左右，夏末，NECC出現(xiàn)負SLA。1994年之狀況類似1993年，但比1993年強烈。1995年之狀況類似1994年，但比1994年強烈。1996年之狀況類似1995年，但比1995年強烈。1997年之狀況類似1993年。1998年之狀況類似1996年，但比1996年強烈。此季節(jié)之渦漩於南大致向西流動，而接近陸地時則朝北流動。(4) 秋季(9-11月)：1993年，此時大部份海域為暖渦漩，而臺灣東南方

12、海域及NECC出現(xiàn)冷渦漩。1994年，秋初，大部份海域為暖渦漩，於臺灣東方外海有冷渦漩之逐漸成長，秋末，冷渦漩已佔據(jù)研究區(qū)域之中央海域。1995年，大部份海域之SLA為正值，而北赤道流流域特別強勁。1996年之狀況類似1995年，但更強烈。1997年，正SLA大都出現(xiàn)於19N以北，且伴隨著暖渦漩，而主要之負SLA出現(xiàn)於19N以南，且伴隨著冷渦漩。1998年之狀況類似1996年，但更強烈。此季節(jié)之渦漩於南大致向西流動，而接近陸地時則朝北流動?；旧希撕Ｑ芯繀^(qū)域之SLA及渦漩的變化受ENSO之影響非常顯著，於1995-1996年La nia事件時及1997-1998年El nio事件後之夏季，研

13、究區(qū)域大部份海域之SLA為正值，且暖渦漩之?dāng)?shù)目及盤據(jù)的面積遠大於冷渦漩。1997年秋季，即El nio事件發(fā)生時之秋季，正SLA大都出現(xiàn)於19N以北，且伴隨著暖渦漩，而負SLA出現(xiàn)於19N以南，且伴隨著冷渦漩，George et al.(1997)於其研究中指出NECC於1987年 El nio發(fā)生時，其強度減弱。於本研究區(qū)域含NECC、NEC、HE(Halmahera Eddy)(3N、130E)、ME(Mindanao Eddy)(7N、130E)、Kuroshio及STCC(Subtropical Countercurrent)(19N-27N)，根據(jù)Qiu(1999, Fig 1)之研

14、究吾人得知， STCC之海水面變化大於NEC及NECC，即STCC有較大之EKE，特別是STCC，因此於STCC海域，其渦漩活動應(yīng)非常強烈，此由本研究亦可得證此論點。5. 結(jié)論本計畫於第一年已完成KUDEX區(qū)之geoid模式，且由T/P 測高資料計畫算得黑朝在臺灣東北、東南處之運通量、寬度、中心軸速度、位置等參數(shù)之7年時間序。亦由相對地轉(zhuǎn)流得知KUDEX區(qū)地轉(zhuǎn)時空流演變之情形。第二年計畫將加強上列分析，並分析黑潮參數(shù)與其他現(xiàn)象，如ENSO之交互作用。本計畫之詳細結(jié)果公布於。Figure 1: Contours of the geoid model over KUDEX. Contour int

15、erval is 0.5 m.Figure 2: Distribution of TOPEX/POSEIDON tracks over KUDEX. Passes d119 and d081 passes thru the Kuroshio Current at the northeast and southeast of Taiwan, respectively. Circles indicate the locations of the axes of the Kuroshio Current as derived from T/P altimeter data and the geoid

16、 model over the period 1993-2000. Stars indicate the trace of drifter d21160 from WOCE.Figure 3: Time series of volume transport (top), width (middle) and axis velocity of the Kuroshio Current derived from the along-track dynamic heights of T/P pass d119.Figure 4: Time series of volume transport (to

17、p), width (middle) and axis velocity of the Kuroshio Current derived from the along-track dynamic heights of T/P pass d081.Figure 5: Wavelet coefficients of the time series given in Fig. 3 for transport (top), width (middle) and axis velocity. The Morlet wavelet is used. The color scale is such that

18、 zero implies the maximum negative correlation between the Morlet wavelet and a component, 130 implies the maximum positive correlation, and 65 impies zero correlation.Figure 6: Wavelet coefficients of the time series given in Fig. 4 for transport (top), width (middle) and axis velocity. The interpr

19、etation of the coefficients is the same as in Figure 5.Figure 7: Relative dynamic heights and relative geostrophic velocities derived from T/P over KUDEX around December 5, 1994. Stars indicate the trace of drifter d459.6. 參考文獻Apel, J. R., Principles of Ocean Physics, Academic Press, New York, 1987.Hwang, C., A study of Kuroshios seasonal variabilities using a gravimetric-altimetric geoid and TOPEX/POSEIDON altimeter data, J. Geophys. Res., 101, 6313-6335, 1996.Hwang, C., and S.A. Chen, Fourier and wavelet analyses of TOPEX/POSEIDON-derived sea