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背景與目的

本項工作針對全球氣候模式中的海洋數值模式 (Parallel OceanProgram version 2, POP2)進行診斷,並改進海洋模式的參數化與演算法等,以增進全球氣候耦合模式的整體模擬能力。另外,我們也將嘗試把CCSM/CESM中現有的海洋模式(POP2)更換為較高數值精度以及較符合真實海洋低耗散、高雷諾數特性之TIMCOM (TaIwan Multi-scaleCommunity Ocean Model),利用不同的海洋模式提供多元的參數化與演算法,可以藉由觀察不同之耦合模式是否更貼近實測資料,以改進全球氣候系統模式對未來氣候推估(climate projection)之能力。


檢驗數值模式的模擬能力,需要利用現有以及過去觀測資料進行比較與驗證,對於全球範圍的模式而言,海洋上的觀測資料是相當缺乏,海洋觀測資料可以透過船測、浮球或錨碇等方式得到,但現場觀測的花費成本甚高,取得的資料也受到空間與時間上的限制,時常被侷限於一小部份區域或是一小段時間。而透過衛星觀測所測得的資料,雖然能夠得到時間與空間上較為連續的資料,但僅侷限於海面數公分內之海表面。由於海洋運動包含了各種不同時空尺度、不同特性的運動過程,只有海表面資訊實在不足以驗證三度空間的數值模式。現階段最完整(包括大範圍的空間量測與長時間的監測),並且可以提供科學研究使用的資料庫是赤道太平洋的實測資料—TropicalAtmosphere Ocean (TAO) array。我們將使用TAO array 資料與CCSM/CESM 中的POP2 海洋模式輸出資料作深入的比較與驗證,並觀察數值模式在兩種不同聖嬰年之下所展現的洋流情況是否和觀測相符。同時也和其它常見的全球海洋模式輸出(如SODA、GODAS、OFES、CFS 等)作比較,歸納各個模式的優劣,以作為下一個階段模式改進的依據。除此之外,我們計畫利用全球模式的輸出結果作為各個區域模式的邊界條件,藉以研究臺灣周邊海域的流況與機制。另外,區域模式也將用來從事海氣交互作用的研究,探討西太平洋海域颱風和海洋之間的相互關係。
以下背景說明將簡介太平洋的洋流系統,尤其著重於與本研究相關的赤道太平洋與台灣鄰近的西太平洋海域。


太平洋洋流

太平洋南北長約 15900 公里,東西最大寬度約19900 公里。海岸線自西邊的印尼一直延伸到東邊的哥倫比亞、祕魯附近。南北則從北極一直延伸至南極,其西邊分布的陸地為亞洲、大洋洲,東邊則為美洲。太平洋所占面積約1 億7000 萬平方公里,覆蓋着地球約46%的水面及約32%的總面積。赤道把太平洋分成北太平洋以及南太平洋兩部份,而在10°N~20°N 之間,由於東北信風的推動,產生一股由東向西的洋流,稱為北赤道洋流(North Equatorial Current, NEC)。NEC流至太平洋的西邊界(菲律賓附近)時開始分支,往南稱為民答那峨海流(Mindanao Current),往北則形成黑潮(Kuroshio)。黑潮在日本的南邊開始轉向,往東流到太平洋的東邊界(美國、加拿大附近)時開始往南北分支,往北的稱為阿拉斯加洋流(Alaska Current),往南的稱為加利福尼亞洋流(California Current),最後匯入北赤道洋流。此即為北赤道洋流系統。

而在南太平洋,由於東南信風的推動,也產生一股向西的洋流,稱為南赤道洋流(South Equatorial Current, SEC),SEC 流至新幾內亞後轉向南流,稱東澳洋流(East Australian Current);此洋流流至45°S附近轉向往東,一直到太平洋東邊界(智利、祕魯附近)又轉而向北,稱為秘魯洋流(Peru Current),最後向北流至赤道又遞補至南赤道洋流,周而復始。此即為南赤道洋流系統。


赤道太平洋之洋流系統


太平洋赤道地區包含 140°E~80°W,20°N~20°S。NEC 橫跨10~20°N。SEC 分布範圍較廣,自20°S~6°N,因此也有人把赤道以北的部份稱為「南赤道洋流北支」,赤道以南的部分稱為「南赤道洋流南支」。南、北赤道洋流均為東風所造成的風生環流,自東向西流,在海表面明顯可見,而海水被這兩股洋流自東往西送,在西太平洋堆積,因此造成海平面高度西高東低的現象。

海平面高度的差異造成了東西海表面壓力的不平衡,因此產生一股自西向東傾斜的壓力梯度力。為了釋放這股壓力,在赤道至10°N之間就出現了一股由西向東的洋流,由於其流向和北赤道洋流相反,我們稱之為北赤道反流(North Equatorial Countercurrent, NECC),北赤道反流向東流入巴拿馬的海灣當中,且在哥斯大黎加附近轉向,一支往北注入北赤道洋流,一支往南注入南赤道洋流(Lukas, 2001)。

由於自東向西的洋流包括NEC 和SEC,自西向東的洋流僅NECC 並不足以平衡東西壓力梯度的差異。因此,在赤道附近、SEC的正下方,產生另一股自西向東的洋流,只有少數時間和地點才會浮出水面,此洋流稱為赤道潛流(Equatorial Undercurrent, EUC),其分布範圍在3°S~3°N。


北赤道洋流(North Equatorial Current, NEC)


Kim 等(2004)自OGCM(Ocean General Circulation Model)的模式結果觀察指出,NEC 的分支點隨著深度與時間而改變,自海表面至500m 深處,平均緯度在15.5°N。夏季時分支點的緯度最偏北,冬季時最偏南。Wang 等(2009)的研究中,使用EOF(Empirical OrthogonalFunction)研究來自Aviso 的觀測資料指出,NEC 的分支點位置平均位於13.3°N,且1 月時最偏北,約14.0°N;7 月時最偏南,約12.5°N。年際變化方面,NEC 的分支點在El Niño 發生時會往北偏移,La Niña發生時則會往南偏移(Kim et al., 2004; Wang et al., 2009)。
北赤道反流(North Equatorial Countercurrent, NECC)
西太平洋的 NECC 在12 月水平速度最快,中太平洋則是在8 月水平速度最快,東太平洋的NECC 是速度最慢的,自12 月到隔年2月之間幾近消失(Johnson et al., 2002)。在傳輸量方面,NECC 自西太平洋流至中太平洋時沒有太大的改變,到了東太平洋開始減少(Johnson et al., 2002)。聖嬰年時,NECC 的位置有南移的現象,傳輸量增加了約25%(Picaut et al., 1996);反聖嬰年時,NECC 的位置則往北偏移(Johnson et al., 2002)。


南赤道洋流(South Equatorial Current, SEC)


SEC 在北半球的夏季、秋季時最強,此時溫躍層在3°N~10°N 最明顯;在春季時最弱,此時南北的熱壓力梯度最小,東南信風也跟著減弱(Philander, 1987)。近期有某些學者把SEC 分成北邊部分(SECn)、南邊部分(SECs)來討論,由實測資料觀察出,SECn 和SECs 均在中太平洋最強,西太平洋次之,東太平洋最弱。季節變化方面,SECn 和NECC 相似。SECn 於東太平洋在8~10 月最強,中、西太平洋在12 月最強;SECs 則有些不同,於東太平洋在12 月最強,西太平洋在2~4 月最強(Johnson et al., 2002)。年際變化方面,聖嬰年發生時,SECn 和SECs 都會減弱,反聖嬰年時則會增強(Johnson et al.,2002)。


赤道潛流(Equatorial Undercurrent, EUC)


研究顯示 EUC 自西向東,流速越來越快,至140°W 達到最大值,約90~105cm/s,自此以東開始減慢(Yu and McPhaden, 1999a; Yu andMcPhaden, 1999b),且越往東流,EUC 的深度位置越來越淺(Johnsonet al., 2002)。以季節變化來看,一年四季中,4~6 月速度最快,1~3月次之(Johnson et al., 2002)。年際變化方面,早期學者發現EUC 在聖嬰年會減弱,且深度位置有淺化的跡象,甚至在1982~1983 年的強聖嬰年,EUC 向東流至159°W 即消失不見,這被認為和西太平洋的西風爆發有關(Firing et al., 1983)。

近期研究顯示EUC 流至赤道97°W 附近的加拉帕哥群島(Galapagos Islands)西岸時,有湧升的現象,此湧升流成為當地冷水團的主要來源(Eden and Timmermann, 2004)。但Wyrtki(1966)研究指出,EUC 在加拉帕哥群島附近,有一半海水湧升,另一半的海水則是往南匯入了SEC。


黑潮


發源自北赤道太平洋的黑潮是台灣附近海域上非常重要的海流。當北赤道洋流由東向西流至菲律賓東岸時,大約在北緯12 至15度間分成南北兩支流,向北的支流(即黑潮)繼續向北流經呂宋海峽,台灣東岸,東海陸棚及日本東岸,最後流至日本東方成為黑潮續流(Kuroshio Extension)(Nitani,1972)。由於黑潮源自較溫暖的赤道太平洋,將溫暖的海水向北輸送,因此,黑潮在全球海洋大氣的熱平衡上扮演非常重要的角色 (Qu,2003)。自1970 年代至今,海洋學家們曾利用現場觀測資料(包含水文及流速資料)來研究流經台灣東岸的黑潮,研究包含了黑潮的流速、流軸、流幅和傳輸量等之量值及變化。Chu (1974)利用8 個航次的水文調查發現台灣東邊海域上的黑潮具非常大的時間與空間變異性。例如:在北緯23.75 度,黑潮流軸與台灣東岸的距離變化範圍為30 至120 公里,且其最快流速最小為60 cm/s,最大為120 cm/s,差距近2 倍之多,這些觀測事實顯示向北流的黑潮本身會有不同時間尺度的經向擺動情形。

目前為止有關台灣東部黑潮最完整的觀測資料是世界海洋環流實驗(World Ocean Circulation Experiment,WOCE)計劃下施行的一組長達20 個月(1994 年9 月至1996 年5 月)的錨碇陣列,名為PCM-1。由此陣列測得之流速資料顯示,黑潮之流向變化很大,通過東台灣通道(East Taiwan Channel,ETC)之平均流量為21.5 ± 2.5 Sv,且具有3~4 個月(約100 天)的振盪週期 (Johns et al., 2001; Zhang et al.,2001)。在太平洋內部生成後向西傳播的中尺度渦漩常被認為是造成黑潮100 天振盪的主要原因(如:Yang et al., 1999; Zhang et al., 2001;Yang and Liu, 2003 和Hwang et al., 2004)。在季節的時間尺度上,Leeet al. (2001) 提出在PCM-1 計劃中,通過東台灣通道之流量的最大值與最小值分別發生在夏季與秋季。由水文及船碇式都卜勒流剖儀資料之結果顯示 (Tang et al.,2000;Liang et al.,2003),在台灣東北方,夏季時黑潮流速較強且流軸較為離岸,冬季時黑潮流幅較寬且向陸棚區擴展。Tang et al. (2000) 進一步提出黑潮主軸的季節性擺動是造成台灣東北海域低壓渦漩(冷水團)消長的主要原因,此過程具有顯著之年際變化。

由近年來的數值模式及水文資料研究顯示了黑潮的變異性與其上游區域的狀態之關係;研究結果顯示,黑潮之流量隨著北赤道流的流量及分支點的位置而變 (Qiu and Lukas,1996;Qu et al.,1998;Kimet al.,2004)。在黑潮流量的季節性變化方面,流量之最大值通常發生在秋季(9~10 月),此時,北赤道流之分支點向北移至最北端 (Qiuand Lukas,1996;Qu et al.,1998)。由於黑潮與赤道海流系統的連結,黑潮之3~7 年時間尺度的變化可遡源到北赤道流之變化上 (Qiu andLukas;1996)。例如:在1997~1998 年聖嬰事件發生的時候,台灣東南方之流量有極小值;在反聖嬰事件發生的1995 及2000 年,則有流量極大值發生 (Gilson and Roemmich,2002)。Hwang and Kao (2002)計算由衛星高度求得之流量與ENSO SST 指標之間的相關係數,發現在台灣東北方ENSO SST 指標領先黑潮流量的變化一個月(相關係數為0.6);在台灣東南方,則是黑潮流量的變化領先ENSO SST 指標有9~10 個月(相關係數為-0.6)。

 

研究目的


1.針對太平洋赤道地區(140°E~80°W,20°S~20°N)主要洋流的流況,以及其在正常年與聖嬰年、反聖嬰年之間的差異,並深入比對 TAO array 和POP2 海洋模式輸出資料之間的相符性。除了年際變化以外,也探討冬季與夏季太平洋流況之異同。同時也和其它常見的全球海洋模式輸出(如SODA、GODAS、OFES、CFS 等)作比較,歸納各個模式的優劣,以作為POP2 海洋模式改進的依據。

 

2.調整並修改氣候模式中海洋模式的參數化與演算法等,持續改善POP2 的模擬能力。同時利用模式的輸出結果來探討兩種不同的聖嬰年之下,海流流況產生差異之物理機制。藉著模式的水平流22場,我們可以探究兩種不同型態的聖嬰發生時,太平洋主要海流之間遞補情況的差異與年際變化;藉由垂直流場我們可以探究兩種型態的聖嬰是否造成不同程度的湧昇流與沉降流,進一步推敲其生成機制以及影響溫躍層深度的差異。

 

3.利用全球模式的輸出結果作為各個區域模式的邊界條件,藉以研究臺灣周邊海域的流況與機制。另外,區域模式也將做海氣交互作用的研究,探討西太平洋海域颱風和海洋之間的相互關係。

 

4.針對CCSM/CESM 全球海氣耦合模式, 將海洋模式換為TIMCOM,觀察模式結果是否更接近實測資料,並拿來做前述的研究。在模式建構完成後,可以使用模式研究在全球暖化的效應之下,臺灣附近海域與黑潮的流況變化等。

 

研究方法、進行步驟及執行進度


POP2 海洋模式的驗證比較


本研究將評估CCSM與CESM是否能模擬出觀測之海流特徵。重要的特徵如下。


流速距平值之比較


太平洋有許多洋流,綜合比較有些複雜,故我們先選擇觀察EUC。Keenlyside and Kleeman(2002)研究中用TOGA (Tropical OceanGlobal Atmosphere)的TAO array 資料觀察EUC 在西太平洋、中太平洋與東太平洋赤道附近的流況。EUC 在165°E、140°W 和110°W 的東西向流速距平值之季節變化在5、6 月份最強,其軸心在165°E 約為23200 公尺深,在140°W 約為120 公尺深,在110°W 約為80 公尺深。EUC 在西太平洋、中太平洋及東太平洋,春季4~6 月的東西向流速都是最快的。

 

流速之比較


EUC 在0°N 東西向流速在165°E 的軸心位於200m 深處,約0.45~0.6m/s;140°W 的軸心在120m 深處,約0.9~1.05m/s;110°W 的軸心在80m 深處,大約0.75~0.9m/s(Yu and McPhaden, 1999a)。
Knauss(1966)測量EUC 位於140°W、118°W、96°W、93.4°W、92.27°W 以及87°W 的水平流速,發現EUC 在以上位置的流速大小和軸心深度大致如下:140°W 的流速為1.05m/s,深度120m;118°W 的流速為1.1m/s,深度70m;96°W 的流速為0.85m/s,深度65m;93.4°W的流速為0.7m/s,深度60m;92.27°W 的流速為0.15m/s,深度105m;87°W 的流速為0.2m/s,深度200m。

 

兩種聖嬰現象


除了實測資料以外,我們還會將POP2 和其它常見的全球海洋模式輸出 (如SODA、GODAS、OFES、CFS 等) 作比較,舉例來說,自GODAS 的模式結果中聖嬰年冬季(由1991、1994、1997、2002、2004、2006 合成) 的太平洋流況可見(圖3.1),SECn 的流速減弱,其流量大致分為三部份。一部份匯入NECC,一部份往南流入SECs,另一部份在100°W 忽然轉向,自西往東流至太平洋東邊界。針對SECn 在聖嬰年冬季此種特殊流況,我們觀察以後發現: 1991、1994、2002、2004、2006 等5 個聖嬰年冬季的太平洋流況十分相似,以2002 年為典型代NECC。但是1997 年的流況有些不同,原本應該變弱的SECn 和EUC,流至中太平洋後速度大幅增快,因此在170°W 附近造成對衝的現象。另外SECn 一部分洋流在100°W 轉向,流到太平洋東邊界。而南邊的SECs 在110°W~140°W 則突然消失了(圖3.2b)。

3.1

圖3.1 GODAS模式結果之太平洋在聖嬰年冬季(1991、1994、1997、2002、2004、2006合成)50公尺深處的流況(底圖代表大小,箭頭表示流向,單位:m/s)

3.2a


圖3.2 (a)赤道太平洋地區在2002聖嬰年(底圖代表大小,箭頭表示流向,單位:m/s)

3.2b


圖3.2 (b)赤道太平洋地區在1997聖嬰年冬季之流況(底圖代表大小,箭頭表示流向,單位:m/s)

 

圖3.3 為太平洋在2002 年冬季與1997 年冬季在140°W 處的水平流場剖面。2002 年的流場剖面中可見(圖3.3a),EUC 特別弱,NECC 則增強,與6個聖嬰年冬季的平均結果非常類似。1997 年的流場剖面則非常不一樣,EUC的深度延伸到1000m 以下,且SECs 和SECn 均異常地增強(圖3.3b)。

3.3a

圖3.3 (a)2002聖嬰年冬季在140°W的水平流場剖面(單位:m/s)

3.3b


圖3.3 (b)1997聖嬰年冬季在140°W的水平流場剖面(單位:m/s)

 

近幾年的研究指出,聖嬰年有兩種不同的形態 (Ashok et al. 2007; Kug et al. 2009; Kao and Yu 2009)。1982/83 以及1997/98 兩個超強的聖嬰,屬於傳統的典型聖嬰(或者稱做Eastern-Pacific El Niño,Cold Tongue El Niño),海表面溫度異常起源於東太平洋,接著往西邊擴張(見圖3.4a);1994/95、2002/03、2004/05、2006/07 屬於新的聖嬰現象(或稱做El Niño Modoki,Central Pacific El Niño,Warm Pool El Niño),其海表面溫度異常則發生於中太平洋,逐漸往兩邊擴張(見圖3.4b)。文獻中指出,EP El Niño 的起源來自於赤道太平洋的溫躍層變化,和海洋垂直運動較有關係;CP El Niño 則和局部的海氣交互作用較相關 (Kao and Yu, 2009; Kug et al. 2009; Yu and Kim, 2010)。兩種聖嬰年的形成因迥然不同,我們可以推想在兩種聖嬰之下的太平洋流況,必定也有很大的差異。

3.4a

圖3.4 (a)CP-ENSO的溫度場異常示意圖(Kao and Yu, 2009)

3.4b


圖3.4 (b)EP-ENSO 的溫度場異常示意圖(Kao and Yu, 2009)

 

進一歩觀察兩種型態聖嬰年下的太平洋流況可見,正常年冬季時,SECn 在東太平洋最強,流至中太平洋約160°W 時最弱,而EUC自西向東流至130°W~150°W 左右速度最快(圖3.5a)。CP 型聖嬰年冬季時,SECn 和EUC 的流速趨勢與正常年冬季差不多,但是速度明顯減弱了約0.1m/s(圖3.5b)。EP 型聖嬰年冬季時的太平洋流況則特別不同。原本在中太平洋很弱的SECn,流速突然大增,而EUC 主軸最強的位置也由東太平洋往西移至170°E ~180°E,因此流速變化形成雙峰的型態(圖3.5c)。
隨著氣候的改變,聖嬰現象也發生了變化,尤其新的聖嬰現象更與大氣海洋之間的交互作用有著密切關係。因此未來兩種聖嬰之下海洋流況如何演變,將是我們極需關注的重要議題。

3.5a

圖3.5(a) 赤道太平洋地區在正常年冬季的流速變化圖(藍線為SECn,紅線為EUC,單位:m/s)

3.5b


圖3.5(b) 赤道太平洋地區在CP-ENSO的流速變化圖(藍線為SECn,紅線為EUC,單位:m/s)

3.5c


圖3.5(c)赤道太平洋地區在EP-ENSO的流速變化圖(藍線為SECn,紅線為EUC,單位:m/s)


另外,以下簡介本計畫將要建構的海洋數值模式:


TaIwan Multi-scale Community Ocean Model (TIMCOM)


TIMCOM是一個相當靈活且穩定的海洋模式並且是放置於開放網域提供有興趣的使用者免費下載,能使用各種邊界條件模擬各種尺度下的實際與理想化洋流系統,使用者也可以自行更改設定以及區域。它同時也是台灣社區海洋模式 (Taiwan Community Ocean Model, TaiCOM,http://mom.tori.org.tw/taicom/) 內的主要海洋環流模式。TIMCOM是由DieCAST (Dietrich Center for Air Sea Technology) 海洋模式 (Dietrich,1997; Dietrich et al., 2004) 逐漸改進演化而成,DieCAST 改進二十多年前美國能源部 Department of Energy sponsored Subseabed WasteDisposal Program 所發展的 the Sandia Ocean Modeling System(SOMS)。這些模式皆源於最早著名的 Bryan-Cox-Semtner class 的海洋模式。DieCAST/SOMS 家族的所有成員皆使用四階精準度的演算法。而 TIMCOM 的最新版本在 control volume 架構下使用 Arakawa ‘A’(collocated) 和‘C’ (staggered) 的網格組合,其中包含由 control volume格點平均轉為 control volume 面平均的嚴謹四階方法推導出各種守恆量(動量、鹽度、熱和其它用於特殊用途的守恆量如:氧氣、漂浮物等)。另外 TIMCOM 的最新版本是以獨一無二且高效率的多網格架構為基礎,在維持合理的電腦資源運算量下能同時處理多種尺度的海洋動力機制,並有方便的使用介面可以提供非專業用戶讓使用者能夠容易的設定、執行各種實際海洋的模擬,同時也支援多種數值運算方法。


TIMCOM 使用 Boussinesq 近似法求解球面座標或直角坐標上的三維流體方程式。另一個non-hydrostatic 版本已經被用在研究數個海岸與湖泊區域的動力機制 (e.g., Tseng et al., 2005)。TIMCOM 主要使用Z-level 結構的垂直座標以及球面座標為系統、非緯向均勻的網格。同時也採用 Immersed Boundary Module (IBM) 改進了 bathymetry 的描繪 (Tseng and Ferziger, 2003)。

 

進行步驟及執行進度

 

第一年:


使用 TAO array 實測資料驗證 POP2 的模式輸出資料,觀察模式在兩種不同聖嬰年之下所展現的洋流情況,是否和觀測相符。同時也和其它常見的全球海洋模式輸出 (如 SODA、GODAS、OFES、CFS 等) 作比較,歸納各個模式的優劣,以作為下一個階段模式改進的依據。

 

第二~三年:


調整並修改模式的參數化與演算法等,持續改善 POP2 的模擬能力。同時利用模式的輸出結果來探討兩種不同的聖嬰年之下,海流流況產生差異之物理機制。藉著模式的水平流場,我們可以探究兩種不同型態的聖嬰發生時,太平洋主要海流之間遞補情況的差異;藉由垂直流場我們可以探究兩種型態的聖嬰是否造成不同程度的湧昇流與沉降流,進一步推敲其生成機制以及影響溫躍層深度的差異。
除此之外,我們計畫利用全球模式的輸出結果作為各個區域模式的邊界條件,藉以研究臺灣周邊海域的流況與機制。另外,區域模式也將做海氣交互作用的研究,探討西太平洋海域颱風和海洋之間的相互關係。


第三~五年:


更換 CCSM/CESM 的海洋模式 (TIMCOM ),觀察模式結果是否更接近實測資料,並拿來做前述的研究。在模式建構完成後,可以使用模式研究在全球暖化的效應之下,臺灣附近海域與黑潮的流況變化等。

 

預期完成之工作項目及成果

  1. 比較並驗證 POP2 的模式輸出資料
  2. 瞭解在不同的聖嬰年之下,赤道太平洋海流產生差異之物理機制
  3. 改善 POP2 的模擬能力
  4. 建立數值資料庫供海洋學者使用
  5. 使用全球模式結果作為區域模式的邊界條件,研究臺灣周邊海域的流況與機制
  6. 研究西太平洋海域颱風和海洋之間的相互關係
  7. 更換 CCSM/CESM 的海洋模式為 TIMCOM
  8. 增進全球氣候耦合模式的整體模擬能力
  9. 本研究計畫完成之後,能夠率先建立一個臺灣自有的全球氣候耦合模式。
  10. 參與之博士後研究員與博、碩士生,將會學習並建立海洋模式以及全球氣候耦合模式