黑潮、台灣

台灣大學海洋研究所 唐存勇

2000年1月高中地球科學教師研習

[回教學研究選單]

演講綱要:

一、海洋環流的形成
二、海洋環流的分佈
三、海流的量測
四、台灣東岸的黑潮
五、黑潮對台灣海域的影響
六、結論

演講人:唐存勇

台灣大學海洋研究所物理組教授兼主任
台灣師範大學地科系兼任教授
美國北卡羅萊納州立大學博士
研究領域 :赤道動力學(聖嬰事件)
南海環流及海溫大尺度分佈及變化
台灣海域流場
內波運動
著作: 88篇(期刊論文22篇)

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一、海洋環流的形成

  黑潮是北太平洋環流的一支,故談黑潮前首先介紹環流的形成及分佈。環流在海洋學中常可分為上層及深海環流,上層海域環流主要是因風吹所引起的,稱為Wind driven Circulation,人們對此類環流有較好的觀察與暸解。深海環流為密度不同引起的流動,一般亦可稱為溫鹽環流(Thermohaline Circulation),人類對其非常不暸解。黑潮屬上層環流,故在僅簡介上層環流。

  上層環流的上層,並無很嚴謹定義,混合層甚或斜溫層以上,或水深淺於數百公尺的海域,皆常可稱為上層海域,此層海流直/間接地受風所引起。首先當風吹拂水面時,水與風之間的摩擦力引起極表面海水流動,而極表面海水又因水分子間摩擦力帶動較下層海水的流動,但摩擦耗能,流速愈往下愈小,如此直接由風引起的水流僅限於上層數十公尺的水層。當風持續地吹,水不斷地流,水流的運動漸感受到科氏力(Coriolis force),水流方向漸偏轉,北半球向右,南半球向左。由科氏力與摩擦力(風)相互作用下產生的海流稱之為艾克曼流(Ekman flow),其特徵是:

  1. 艾克曼海流影響深度大約是數十公尺,並從表面隨深度增加呈指數衰減;
  2. 艾克曼海流表面流速約是風速的3%,因受科氏力影響,故風與流的夾角是45度(在一些假設下的理想情況),流在風的右手方向(北半球)。當風由南向北吹時,表面海流是東北向。
  3. 當深度增加時,除流速隨深度減小,其流向亦隨深度增加而呈順時針(北半球)旋轉。以三維觀之,艾克曼海流於北半球呈一順時針旋轉的螺旋分佈,此稱之為艾克曼螺旋(Ekman spiral)。
  4. 因流速上下非一致,其引起整層水的平均流動方向是位於風向右手90度(北半球)的方向,此即是艾克曼傳送方向。
  5. 艾克曼傳送在岸邊引起水位的堆高或降低,同時亦引起下沈流或上昇流。如台灣海峽冬季盛行東北風,引起之艾克曼傳送是西北方向,水位在大陸沿岸堆積,夏季則相反。又如西南季風在越南外海引起湧昇流,形成漁場。
  6. 艾克曼傳送引起水位的堆積/下降,亦可因風於空間不均勻的分佈引起。

  當水位堆積/下降,引起水平方向的壓力梯度(horizontal pressure gradient),此壓力梯度在物理學上是屬body force,不似風力僅限於表面,而是整水體受力,故引起整水層的運動。壓力差引起水由高壓處流向低壓處,但科氏力將此水流向右(北半球)偏轉,造成流向平行等壓線。

  此類由壓力梯度及科氏力相互作用產生之海流,於海洋/大氣學上稱為地衡流(geostrophic current),此流特性

  1. 大洋中近乎80%的海流可視為地轉流,黑潮即為其一。
  2. 在北半球,高壓在地轉流的右邊,流向是平行等壓線,對一北向流而言,壓力梯度作用由東向西,而科氏力則作用由西向東。
  3. 若將水的密度視為常數,壓力梯度由水面高低引起,水平流速由上下是一致的,此類運動稱之為正壓 (barotropic) 運動。
  4. 由二地密度垂直分佈不同引起之運動稱為斜壓運動(baroclinic motion)。又海水密度主要是受溫/鹽度影響,由量測之溫鹽度即可推算此斜壓海流。
  5. 海表面斜率是與海下等密面斜率相反。

  艾克曼傳送造成的水平壓力差,並不一定須要陸地的阻擋,當風於水平方向不是均勻分佈時即可造成水位堆積/下降(下沈/湧昇流)而形成壓力梯度。例如:中緯度的西風,將海水依艾克曼效應向南傳送,而低緯度的東風但此水層水的流動,將海水依艾克曼效應向北傳送,如此造成水位於中/低緯度處堆積進而造成下沈流。堆積的海水造成中間高壓四週低壓的分佈,根据地衡流特性可造成一反氣旋式流埸,此即在海洋大尺度環流中所謂的sub-tropical gyre。在真實世界中此sub-tropical gyre是東西不對稱的,美海洋學家Henry Stommel 以理論推導証明,此不對稱的分佈緣於科氏力隨緯度變化造成的,此不對稱分佈造成sub-tropical gyre 於其西方邊界上流場增強,故於此部份的流埸稱之為西方邊界較強流,黑潮(Kuroshio)、彎流(Gulf Stream)皆屬此類流系。

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二、海洋環流的分佈

  風是引起上層海流的主因,故在介紹世界上層環流分佈前,先簡略回顧一下世界風場分佈。氣象學家假設地球為一水球,推算所得風場是以赤道為中心,呈南北對稱的理想狀態分佈。於赤道與緯度30間,風是東北(北半球)、東南(南半球)貿易風,此二風於赤道輻合,並於赤道形成一無風帶(doldrums) 。於緯度30至60間,西風盛行,東風則盛行於緯度60至90間。此理想風場與實際風場頗相似,但於某些區間有明題不同,尤以歐亞大陸上。因陸地熱容量(heat capability) 遠較海洋為小,故夏天陸地加熱快,形成低壓,風由海向陸,而冬季則相反,陸地冷氣壓高,故風大都由陸地吹出。歐亞大陸因面積大,故影響顯注,此影響亦延伸至印度洋及西太平洋,形成有名的季風區。東海、台灣週遭海域、南海皆深受此季風影響,海流有明顯的季節變化。同樣地,大陸存在的影響亦可見於其他大洋,只不過其季節性變化不若季風區如此明顯。

  現今對上層海流分佈狀況的暸解,絕大部份是得自於航海者的報告,科學家的量測雖較精準,唯其量太少,只適於某一特殊海流的描述,對全球海洋環流暸解助益不多。而於部份航海者少至的海區,流場是以理論推得,可能與實際流場略有差異。海流分佈應大致可區分為三區;赤道流系、subtropical gyre、極區海流。

  從赤道區間陳述起,西向的南、北赤道海流(North、South Equatorial Current, NEC or SEC)間,夾雜著一東向的北赤道反流(North Equatorial Counter Current, NECC)。南、北赤道海流流幅頗為寬廣,南赤道海流於太平洋及大西洋大致分佈於北緯5、6度至南緯10餘度間,流幅廣但流速較弱。於赤道上(約南北緯3度間),南赤道海流下方存在一與其反向的流(東向流),此流稱之為赤道潛流 (Equatorial UnderCurrent,EUC)。南赤道海流及赤道潛流在大西洋以年變化為主,在太平洋則是年及年際變化皆重要。印度洋因其風場與其他二洋略不同,其南赤道海流遠較其他二洋偏南,約位於南緯7、8度以南。南赤道海流的北方是東向的北赤道反流,在太平洋位其於北緯6、7度至10度間,在大西洋則較不明顯(Guinea Current 亦可視為北赤道反流),在印度洋則位於赤道至南緯7、8度間。北赤道反流有明顯的季節變化,冬季弱夏季強,此季節性的變化緣於風場的變化。

  北赤道反流的北邊即是西向的北赤道海流,幅員分佈可由北緯10度至20餘度。在印度洋的北赤道海流於夏季時,因盛行的印度西南季風影響而反向往東流,此流又稱季風海流。北赤道海流對我國、日本、美國的文化、經濟發展皆有頗大的影響,而對全球熱量平衡亦貢獻良多,因它是黑潮及彎流的起源。於大西洋,較低緯度的北赤道流與Guiana Current匯合流入墨西哥灣,而後經佛羅里達海峽流出,此流出的海流與較高緯度的北赤道海流(Antilles Current可視為此流的一部份)匯合後,沿美國東岸向北流形成著名的彎流,在佛羅里達卅東岸的彎流常稱為Florida Current。彎流流幅狹窄(約100-200公里)流速快(最大速度可達三節)。在此強勁海流的內外側往往可發現反向的南流及渦漩(eddy),早期航海者常利用不同流向的海流,往返美東岸南北二端,對美國經濟文化發展助益良多,且北赤道海流將溫暖的熱帶海水帶往北方,除增進極地與海水的熱交換,亦造就一些不凍港。彎流在美東北角逐漸轉為東北流,流幅漸變寬流速變弱,此時稱之為北大西洋海流。北大西洋海流漸分南北二支,北支的海流將暖水往更極地輸送,其在格陵蘭(Greenland)南方又分成二支,轉向東流的一支稱為Irminger Current,沿挪威西岸繼續北流的稱之為Norwegian Current。極地海水沿Greenland東岸南下與Irminger Current匯合後繼續南流,至Greenland南端後,沿其西岸向北流後與極地南下海流交匯後,形成一loop後沿加拿大東岸南流,此南流稱之Labrador Current。北大西洋海流的南支沿歐、非大都西岸向南流,於熱帶地區再轉向西流,形成北赤道流之源頭(如Canary Current)。北赤道流、彎流、北大西洋流及加那利流形成一順時針轉向的大環流,此環流一般稱之為subtropical gyre。

  於太平洋的北赤道流,西流受菲律賓阻擋分成南北二支,南支稱為民答那峨海流(Mindanao Current),海洋學家至今仍不很暸解此海流,但咸信其最終大部份注入東向的北赤道反流。北支即是耳熟能詳的黑潮,此時的黑潮有稱為黑潮開始(The beginning of Kuroshio)。 黑潮沿菲律賓東岸向北流,當經過呂宋海峽時,可能因驟失陸地邊界的倚靠而有部份彎入北南海,此彎入的流很可能轉一下即於台灣南端流出再注入黑潮。但其仍有部份海流繼續入侵南海或經台灣海峽流入東海。以往海洋學家咸信此類黑潮入侵僅發生於冬季,夏季盛行於南海的西南季風將南海水經呂宋海峽注入黑潮,但最近量測的資料卻顯示黑潮終年經呂宋海峽入侵南海。黑潮經過呂宋海峽後繼續沿台灣東岸北上,至宜蘭外海受東西走向的宜蘭海脊阻檔,而分成二支,一支東轉後沿琉球島弧外緣北上,另一支越過宜蘭海脊繼續沿台灣東岸北上。至於那一分支為黑潮主流,至今仍有所爭議,我個人相信越過宜蘭海脊的一支應為主流。當黑潮離開台灣後不遠即遇一東西走向的陸棚邊緣(shelf break),黑潮受此阻礙又分成二支,主支沿陸棚邊緣向東流而後再沿陸棚邊緣轉往北流,另一支則略轉西北向沿北棉花峽谷入侵東海陸棚。主支黑潮沿東海陸棚邊緣北上至日本南方後再度分支,一支流向西北流入日本海甚或黃海,另一支沿日本南岸向東或東北流,此段海流有學者稱之黑潮延伸(Kuroshio Extension)。黑潮在遇日本陸地驟轉後,常會引起黑潮主軸彎曲( meander ),彎曲的大小隨年而變,一般發現於聖嬰年時彎曲較大。黑潮因直接流經日本,故對其影響頗大,如有學者認為高緯度的日本以稻米為主食,應與黑潮有關。黑潮於日本東或東北與由極地南流的親潮(Oyashio)相會,形成漁場,親潮與Labrador Current應屬同一型海流。當黑潮繼續向西流時,開始稱為北太平洋海流,其一部份轉向西北與阿留申海流(Aleutian Current),另一部份遇北美洲轉向南流,此南流稱之為加卅海流(California Current)。加卅海流在度於熱帶區間轉向西流,為北赤道流的源頭,如此一順時針的環流形成。

  北印度洋陸地較多,風場與其他二洋有所不同,二洋於北半球的subtropical gyre不見於此處,其最有名的海流即是Somali Current,冬季沿岸向南流夏季則反之,此季節變化乃源於季風的變化。在南印度洋,西向的南赤道海流遇大陸阻隔轉向沿岸向南流而後與南極環極地環流相遇,相遇後轉東向流至澳洲西岸轉向北流,此北向海流稱之為西澳大利亞海流(West Australian Current),西澳大利亞海流最終再注入南赤道海流,於南印度洋形成一subtropical gyre。南太平洋及南大西洋亦有類似結構,其西邊流在太平洋是西澳大利亞海流(East Australian Current),在大西洋是巴西海流(Brazil Current)﹔其東邊流在太平洋是祕魯海流(Peru Current),在大西洋是Bongelau Current。此外在南大西洋西邊高緯度處,沿岸有一向北的流場與向南的巴西海流相匯於南緯35度處,稱之為福克蘭海流。

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三、海流的量測

觀測方法:

  1. 航海者/漁民的定期回報:因觀察的方法大都很原始,此觀測資料準確性不足,但資料量大且分佈廣泛,至今仍是人們對大範圍海流的依靠。不少科學家曾奉獻於資料的處理、偵錯等工作上,使此資料為人所用。
  2. 漂流浮標觀測:浮標觀測重於海流空間的分佈情況,早期的浮標就如同小說中的情節,是以空瓶內附一張紙,說明施放的時間與地點,並請拾獲著寄回施放者,施放者往往提供郵資甚或獎金。我們對台灣海峽內流場空間的暸解,仍不少依賴此類資料。隨著科技進步,浮標的製作亦有大改進,基本上不再依賴人去拾獲它,浮標的浮球內裝置全球衛星接收系統(global positioning system, GPS) 及發報器,GPS接收浮標瞬間位置與時間,並以發報器傳回岸站,如今大哥大日漸發達且通話費用降低,己有浮標發報器以大哥大取代。又避免浮標受海風影響,浮標下方掛一像降落傘的布,當受海流衝擊時,布將受力張開,隨水漂流,如此浮標移動即代表該處海水移動,因而測得海流。
  3. 錨碇儀器量測:即將測海流的儀器錨碇於海中某一處,連續量測海流並將所得資料儲存於記憶体中。很明顯地,此方式量測得到的海流資料是用以研究海流時間變化上的特性。目前是科學家最常用也最相信的量測方法。整組量測儀器的樣子類似於廣告氣球,同學們應很容易聯想到組成一套錨碇觀測的要件,其為浮体,量測儀器,錨碇/回收糸統。浮力不足,儀器可能上下擺動,失去定點量測的意義,浮力太大,錨碇纜繩易斷裂。量測儀器一般皆附有壓力計,以確定儀器的位置。儀器隨科技的發展亦有所進步,早期是縲旋槳式,後有電磁式,再進而為音響式。而電池的發展亦使儀器能量測記錄更長期的資。錨碇/回收糸統此部份主要由音響鎖及重物所組成,重物將整組儀器固定於海中,音響鎖接受音響傳輸的指令後,儀器與重物分離後,賴浮力上升至海面,再由人工回收。所有儀器因須承高壓、防水,且須低故障率,故此類儀器价格高昂,也造成窮困國家不易從事海洋研究的原因。
  4. 研究船舶觀測:此類觀測一直到音響式海流儀問世後,才有效地利用觀測海流的時空分佈變化(尤其是空間),船舶底裝置一音響流剖儀,不斷地量測相對於船的海流流速,並同時以GPS記錄船位及時間,求算船速後得知海流對地的絕對流速,因此儀器價格仍高,且未完全自動化,商/漁船使用率仍低,待其普及化後,人們對世界海流的分佈將會有進一步暸解。
  5. 量測海水物理性質後推算海流:海水物理性質如海溫、鹽度、密度等可用以推算海流。如早期我們對黑潮流速的推估,即以其密度分佈再根据地衡假設推估所得。課程中地衡平衡,熱力風方程式皆提供推算的原理、限制、及方法。而謂大尺度溫鹽環流的分佈,几全由海水物理性質推算獲知。
  6. 衛星遙測:此法與前同,亦是根据物理原則推算流速,如量測海面高度變化來求算流速。衛星遙測如今對油污染監測功能頗佳。

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四、台灣東岸的黑潮

早期的研究:

  最早期對黑潮的學術研究應以德裔美人Wyktri及日本人Natnai 教授為代表,而台大海研所故朱祖佑所長及相關學者亦有顯著的貢獻,大陸學者的研究大都注意於台灣以北至日本南方黑潮的研究。因黑潮的動力機制與大西洋的彎流基本上是一致的,故大尺度的現象是類似的,此處所謂研究是以區域性為主。理論上,黑潮大致是符合地衡流的原則,故早期對黑潮的暸解,主要是依賴水文(海溫,鹽度、密度)資料配合地衡流推算而得,此外亦有一些表面海流的觀測資料。此期間對黑潮的暸解歸納如下:

  1. 黑潮源於北赤道海流,沿菲東岸北流至台灣東部;
  2. 黑潮於菲東岸,日人稱為The beginning of Kuroshio;
  3. 在菲台間的呂宋海峽,
    夏季:南海海流經呂宋海峽注入黑潮
    冬季:黑潮入侵南海甚至北流至南台灣海峽;
  4. 黑潮於台灣東岸流幅寬約100餘公里,最大流速約100cm/s;
  5. 黑潮水溫一般高於陸棚上的水溫,亦較鹹;
  6. 黑潮鹽度鮮高於千分之35,有一極大值位於200-300公尺處,一極小值於600-800公尺處;
  7. 黑潮影響深度淺於1000公尺;
  8. 黑潮於台灣東南海域常發現雙主軸現象(double peaks);
  9. 黑潮北流至宜蘭外海,受海脊阻擋,分二支,一支東轉沿琉球島弧北流,一支直接越過海脊沿台灣東岸北流;
  10. 黑潮北流離開台灣後,近東海大陸斜坡北流至日本;
  11. 早期黑潮僅指北流離開台灣後的一段;
  12. 黑潮常沿大陸斜坡入侵東海陸棚;
  13. 黑潮主軸有季節性變化,冬天近台灣,夏天離台灣較遠;
  14. 黑潮有年際(interannual)變化;
  15. 黑潮向北輸送量約20-30x106 m3/s;
  16. 冬季東北季風期間,黑潮除僅表層受影尚,主體是逆風向北流。

  此早期研究雖缺乏直接觀測佐証,但己描繪出黑潮主要現象。

近期研究:

  1980年代中期,以聲學來量測海流的技術問世後,黑潮始可直接以儀器觀測,此技術於1990年初引進台灣並逐漸發展成熟,海洋學家得以進一步研究黑潮特性。唯目前資料量有限,許多現象仍待進一步研究。目前的一些研究結果顯示:

  1. 黑潮似一年四季皆由呂宋海峽入侵南海,唯目前量測區間不夠廣泛,學術上仍待進一步求証;
  2. 入侵的黑潮對南海及台灣海峽的海流有影響;
  3. 黑潮季節變化不明顯,但有一週期近100日的變化;
  4. 黑潮主軸有季節間的移動;
  5. 北太平洋的渦旋(eddy)或長波自東傳入,引起黑潮的變化;
  6. 黑潮流經台灣期間,受北赤道流注入,仍不斷成長;
  7. 黑潮二側有反向流存在;
  8. 春夏期間,黑潮經由北棉花峽谷入侵東海,並於台灣東北海域陸棚邊緣形成一反時針流埸,並產生一長期湧昇流區,造成漁場;
  9. 冬季期間,黑潮經由基隆、棉花峽谷入侵我東北陸棚,於台灣北端形成一強鋒面;
  10. 入侵的黑潮迫使台灣海峽外流水流向東海。

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五、黑潮對台灣海域的影響

  此部份是近期研究最有成果處,但也是研究學者爭議最大之處,其最大的爭議是黑潮對台海流場的影響是有若消防栓噴出的強水柱或僅為撒水器的微弱水柱?盛行於東亞的季風對台海海流的影響為何?早期海洋學者咸信季風主導台海海流的變化,如在10年前進行的『黑潮邊緣海水交換過程』研究計畫初期,人們相信東北季風引起西北向的艾克曼海流是引起黑潮入侵我北部陸棚的主因,但隨著觀測資料的增加,科學家己暸解黑潮入侵我北部陸棚與否與季風無直接關係,其發生原因可能源於大洋的大尺度變化。又早期相信黑潮於冬季經呂宋海峽入侵南海,而夏季南海水經呂宋海峽注入黑潮,此觀念的形成除基於一些水文及表面流埸資料外,理論上亦是以季風引起艾克曼流為基礎。新近的觀測資料並不支持此觀念,黑潮終年入侵。而近期的數值模擬研究亦指出區域性季風對黑潮於呂宋海峽的行為影響不大,源於北赤道洋流的影響反而不可忽略。

  台海海流於冬季期間大都是逆風而流,故個人認為黑潮主導台海流埸,季風在此區間對海流的影響可能非主要因素。故台灣海洋研究可能無法僅『立足台灣』,而必須『放眼世界』。

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六、結論

  台灣四周海域流場自日本人開始量測至今,仍有許多疑問待解。我國近年來在海洋科技的迅速發展,已使我們有能力研究自行研究此海域,唯仍須長時間人力、物力的投入,期許國人能逐漸更愛海,更投入海的研究,海洋環保、海洋建設、以及海洋利用,海洋之永續發展皆有助於進一步了解我海洋國土。

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