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水下滑翔機Seaglider帶回精細水文資料 發現黑潮結構跟千層糕很像

Seaglider水下滑翔機是台灣近年新引進的水下研究設備,鵝黃色的外型堪稱海洋界的保時捷,一台售價超過新台幣650萬元。長200公分、神似釣魚浮標的它沒有任何動力裝置,卻能潛入1,000公尺深的海中,帶回寶貴的水文資料!
 
 

Seaglider(水下滑翔機)是臺灣新引進的水下研究設備,一台售價超過650萬,沒有動力裝置卻能潛入1,000公尺的深海中,帶回寶貴的水文資料。(圖/臺大海洋所提供)
▲Seaglider(水下滑翔機)是臺灣新引進的水下研究設備,一台售價超過650萬,沒有動力裝置卻能潛入1,000公尺的深海中,帶回寶貴的水文資料。(圖/臺大海洋所提供)

 

在科技部補助下,臺灣大學海洋研究所在2016年購入全臺第一台Seaglider,沿東部海域進行黑潮斷面量測,傳回水文(海水溫度、鹽度)、溶氧量、螢光(可換算葉綠素濃度)、光背散射(藉由光散射的狀況推估海水的濁度)等參數資料,發現黑潮洋流底下「水團層疊」的特殊現象。研究成果今年發表於Nature系列期刊《Scientific Reports》,是黑潮研究的重大里程碑。

 

臺大海洋所所長詹森表示,Seaglider是以鋁製壓力殼幫浦將油灌入尾部的囊袋、增加體積與浮力來控制機體上浮;並藉由內部電池的移動來調控重心,當電池向前後左右移動時,便能改變Seaglider俯仰和滾動角度,使之順著海流滑翔。

 

Seaglider調控浮力的機制,是藉由油囊來調整機體的體積。(圖/臺大海洋所提供)
▲Seaglider調控浮力的機制,是藉由油囊來調整機體的體積。(圖/臺大海洋所提供)

 

Seaglider會依指令起伏遊走於表面到1,000公尺深的海域,並在下潛和上浮的過程中,收集海水的各種參數資料,然後在浮上水面時,透過衛星傳輸水文剖面資料和接收指示。一天約可起伏四至五次,每次橫跨大約5公里的水平距離。

 

Seaglider第一次在東部海域進行黑潮觀測的路徑圖。(圖/臺大海洋所提供)
▲Seaglider第一次在東部海域進行黑潮觀測的路徑圖。(圖/臺大海洋所提供)

 

三年前Seaglider第一次出勤,在87天內跑了2,095公里,下潛至1,000公尺的次數達434次,傳回密集且詳細的水文等海洋剖面資料。詹森表示,以往海研船無法進行這麼多點測量,因此觀測站之間的狀況僅能推估。Seaglider能補充觀測站之間的數據,協助研究團隊剖析黑潮精細的水文結構,進而清楚描繪500-800公尺深的黑潮裡水團層疊的現象

 

海研船(上圖)與Seaglider(下圖)觀測鹽度的解析度差異,從左上跟下圖上方的黑點可看出海研船的觀測點比Seaglider少很多,鹽度分布的解析度也差很多。(圖/臺大海洋所提供)
▲海研船(上圖)與Seaglider(下圖)觀測鹽度的解析度差異,從左上跟下圖上方的黑點可看出海研船的觀測點比Seaglider少很多,鹽度分布的解析度也差很多。(圖/臺大海洋所提供)

 

攪不開的水——黑潮千層糕的秘密

 
一般認為兩個水團相遇,應該會馬上攪和在一起,成為新的水團後密度變大而下沈,這叫「混合增密」現象。但黑潮裡的情況不全然是這樣,詹森表示,研究團隊發現黑潮中密度相同的高溫高鹽水和低溫低鹽水相遇,會產生不同水團交錯層疊的情形,也就是低鹽水與高鹽水層上下交錯出現,如同「千層糕」一樣,每層最厚大約50公尺,水平範圍大約10-100公里。
 
紅圈處為黑潮裡不同鹽度的水互相層疊的狀況,可以看到深淺顏色夾雜在一起,每層水最厚達50公尺,最大範圍可達100公里。黑色曲線是Seaglider記錄的鹽度變化,顏色代表鹽度分布。(圖/臺大海洋所提供)
▲紅圈處為黑潮裡不同鹽度的水互相層疊的狀況,可以看到深淺顏色夾雜在一起,每層水最厚達50公尺,最大範圍可達100公里。黑色曲線是Seaglider記錄的鹽度變化,顏色代表鹽度分布。(圖/臺大海洋所提供)
 
千層糕在學術上稱為「interleaving」(層疊現象),詹森解釋,發生這種現象的環境大都是在海水擾動不劇烈,且兩團密度相似但溫度和鹽度不同的水交會,黑潮匯聚南海、北赤道洋流、菲律賓海等三種水團的海水,由於成分複雜,常有各種水團相遇的狀況。
 
發生層疊現象的原因,是因為物理上溫度擴散比較快,使得兩團水的溫度先混合,但鹽度尚未混和,高溫高鹽水溫度下降、密度提高而跑到低溫低鹽水下面,出現水層互相穿插的現象,是一種以「雙擴散」為主造成的現象。
 
產生千層糕水文結構的示意圖,當溫度混合比鹽度快時,高溫高鹽水因溫度下降,密度提高而發生「鹽指現象」,造而圖中的初始擾動向左右兩方成長,進而導致黑潮中層水有千層糕的水文結構。(圖/臺大海洋所提供)
▲產生千層糕水文結構的示意圖,當溫度混合比鹽度快時,高溫高鹽水因溫度下降,密度提高而發生「鹽指現象」,造而圖中的初始擾動向左右兩方成長,進而導致黑潮中層水有千層糕的水文結構。(圖/臺大海洋所提供)
 
黑潮的千層糕並不平整,會視對流狀況不同而偏向不同方向。在一般人眼中千層糕或許只是個有趣的現象,但水層結構變化對黑潮中層水的環境影響大,連帶會影響營養鹽分布、生物生長和氮氧磷等化學物質合成和分解,是一環扣著一環呢!
 
千層糕的另一個貢獻在於「校驗數值模型」,詹森解釋,研究氣候變遷或海洋生地化反應都要奠基於準確的觀測數據,透過Seaglider直接量測的資料,可跟其他預報資料比較,確認預報資料的準確度。
 
越深入研究,越無法確認黑潮位置
 
「黑潮的變化比想像中大太多!」詹森表示,2012年以前臺灣未長期、系統性的觀測黑潮,起初他也只是抱持著「擴增資料庫」的心情,蒐集相關黑潮相關數據,但研究下去,才發現黑潮的樣貌和變動跟教科書描繪的很不一樣。
 
黑潮並不是一條由南而北的穩定洋流,它的流速、方向和鹽度變化很大。以往我們認為黑潮冬季離臺灣東岸較近,但其實有時也會出現黑潮離岸較遠的狀況,且每一年的情形都不同,很難找出一個模式來完整解釋它的變化。
 
造就黑潮捉摸不定的是太平洋裡的「中尺度渦旋」,我們可將中尺度渦旋視為風力和直徑比颱風小的渦旋,有逆時針轉和順時針轉。以人造衛星看海平面高度,再輔以數值模型推算,可看到渦旋常常在中太平洋長出來,然後向西移動撞向臺灣東岸,這一撞誰是黑潮、誰是渦旋就搞不清楚了!
 
「黑潮的變動量說不定可以達到其長時間平均值的一半以上!訊雜比這麼高,難怪做得越多,看到現象越多,困擾也越多。」詹森苦笑著說,未來還有許多黑潮之謎值得去解開。
 
Seaglider是海洋研究的利器。(圖/臺大海洋所提供)
▲Seaglider是海洋研究的利器。(圖/臺大海洋所提供)
 
「Seaglider是海洋研究的利器,對長期和深海的資料蒐集相當有幫助。」詹森表示,水文、溶氧量等資料用Seaglider觀測的CP值很高,海研一號出船一天需要新臺幣40萬元的人事費與油錢,且每次的船期少有兩週以上,由此可知,能在海中長期觀測的Seaglider所帶來的研究效益極大。
 
他建議,海洋研究可以考慮添購Seaglider。臺大海洋所團隊今年加入「國際合作全球海洋邊界流觀測網」(BOON),計畫每年以兩台Seaglider接力從墾丁外海出發游到呂宋島北方海域,再朝北以「之」字型航線來回橫過黑潮往下游跑,觀測期長達三至四個月。相信Seaglider可以帶回更加豐富的資料,充實我國的海洋研究內容與深度,並與全球海洋研究接軌。
 
 
審閱:詹森教授
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