瓶中信漂往哪裡

 
2017/10/06 陳思樺 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
廖建明 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
賴堅戊 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心
楊文榮 | 國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心     1,248
 

現行使用的衛星漂流浮標與瓶中信作用類似,主要是利用衛星短時報位確定漂流物的位置,就可得知漂流物的軌跡,再從移動軌跡推算出海流的速度與方向。

 

瓶中信與海流觀測

 

「我把思念寫在紙上,裝入瓶中,希望透過這片大海,把我的心意傳遞到你手上……」這是在小說或電影中常見的情節,希望透過瓶中信把作者的情感與思念傳遞給對方。

 

不過英國普利茅斯海洋生物協會(The Plymouth Laboratory of the Marine Biological Association)會長拜德(George Parker Bidder)為了觀察海流與經濟魚類的行為,曾於1904到1906年間在英國和挪威之間的北海投擲了一千多個裝有明信片的瓶(稱為海流瓶),瓶身並特別設計成可略高於海床漂浮。他還在瓶中放入卡片註明拋入海中的時間與地點,請拾獲的人也記錄時間與地點,這樣就可以知道從起點到終點所花費的時間與漂流的方向。

 

其中有一個瓶中信經過了108年4個月又18天,在德國北海岸的阿姆羅島(Amrum)被一對夫妻拾獲,這封信被金氏世界紀錄(Guinness World Records)認定是最古老的瓶中信。透過實驗科學家發現,在英國和挪威之間布放的海流瓶,靠近海床的大多被沖到英國沿岸,浮動的則大都穿過北海朝向歐洲大陸。由此推斷,可能是因為河流出口導致海流瓶向鹽度密集處流動,這是最早的海流觀測實驗。

 

現行使用的衛星漂流浮標與瓶中信作用類似,主要是利用衛星短時報位確定漂流浮標的位置,就可得知其軌跡,再從移動軌跡推算出海流的速度與方向。或是在漂流浮標上裝載溫鹽感測儀器,可量測溫度與鹽度垂直分布的變化,以收集更多種的海洋物理參數。

 

漂流浮標與海上搜尋

 

在海上布放衛星漂流浮標可用來觀測並推算當地海流的流速與方向,根據漂流浮標的設計與拖曳傘深度可觀測不同深度的海流,如全球漂流浮標計畫(Global Drifter Program)就保存了1979年以來全球海洋漂流浮標的資料。所獲得的寶貴數據除可重現海流走向外,也可應用於海洋數值模式或其他觀測系統的比對驗證,以改善海流推算資料的品質。

 

因此美國海岸防衛隊或台灣海巡署在搜救海難時,都會在事故發生地點布放自我定位的基準浮標。透過浮標取得當地即時的海流資訊,並配合歷史資料評估落水標的物可能漂流的路徑,藉以規劃較準確的搜索區域,希望能提升搜救的成功率。

 

海上搜尋的理論起源於第二次世界大戰,當時盟軍在大西洋的交通運輸受到德國潛艇嚴重的威脅,為了反潛戰的需要,盟軍成立了反潛戰研究組,蒐集當時所有的科學方法和技術來提高海上搜索的效率。

 

Koopman於1946年以數學方式發展出第一個搜索理論,運用空中巡邏機目視搜索敵軍水面船艦與浮航潛艦,假設目視者對目標一瞥的機率正比於目標的長方形尾跡相對於目視者的立體角(the solid angle of the wake)。美國海岸防衛隊在1950年代把它應用在一般的搜救任務中,這方法於1959年納入第一版的美國國家搜救手冊,很快地被其他國家海上搜救機構接受使用。

 

國際海事組織與國際民航組織則於1999年聯合出版《國際海空搜救手冊》,並提出Automated Manual Solution (AMS)搜救方法。這方法會使搜索範圍隨著時間受風場及流場的影響逐漸地擴大,屬於早期利用人工計算的搜救方式。

 

在海面上漂流的物體主要是順著海流移動,但也受到風和波浪引起的拖曳影響。一般而言,後者引起的漂流速度分量比海流的小,但也算是影響漂流路徑的關鍵因素。

 

軌跡推算的基本概念是目標物從最後已知位置會受到總水文量(包含風吹流、潮汐流及其他類型水流)影響而漂流移動。目標物因露出水面的部分會受到風力的影響而往下風處移動,並在移動過程中同時受到風力擾動可能產生的左右風壓差而造成偏移。最後,運用總水文向量與風壓差總和可以推估目標物於下一個時刻的位置,而隨著推算時間的增加,計算所產生的累計誤差就是可能的搜救範圍。

 

以人工計算來規劃搜尋範圍,事實上很難符合實際的搜救行動。因此自20世紀70年代起,隨著電腦的普及與計算能力的顯著提高,科學家也開始發展利用電腦運算規劃海上搜救的技術,如美國海岸防衛隊現行使用的搜救優選規劃系統(SAROPS)、美國ASA公司所研發的海上搜救軟體SARMAP,以及美國國家海洋暨大氣總署(NOAA)發展的一套質點擴散追蹤模式(GNOME)。

 

然而若利用上述的AMS方法進行搜救規劃,隨著推算的時間增加,搜索範圍也會隨之擴大,這就失去了規劃搜救範圍的參考價值。為了解決因為累積誤差所產生的不確定性,科學家引入蒙地卡羅(Monte Carlo)方法來進行隨機模擬,在落海點周圍固定範圍內設定符合常態分布的亂數起始座標,再依據偏航(Leeway)特性、當地風場及流場資料,推算其模擬漂流角度及距離,最終則以機率分布的方式呈現目標物出現的區域。這一方法提供了一個比較適合海上搜尋作業方式的範圍。

 

海巡署於2016年引進美國海岸防衛隊現行用以協助各項海難搜救案件的搜救優選規劃系統,把它運用在台灣本地的海難事件搜救上。這系統運作的流程是:當有海難事件通報時,相關機關在接收了有關事故的情資後,運用這系統的操作介面,利用蒙地卡羅隨機方法產生了約1萬個不同位置點的漂移情境。再考量隨時間改變的海流、風力及不同漂流物所產生的偏航因素,計算物體每間隔20分鐘漂移的情形,並以一個動態的機率密度地圖來展示漂移過程與可能出現漂流物位置的機率分布。

 

此外,這系統還可以輸入搜救能量(如搜救船艦、飛行器、搜救人員等)的資料,結合不同方式的搜救寬度,並配合現場的天候與人員因素,規劃出最佳的搜救方案與搜索區域,以達到最佳的尋獲成功率。

 

除了海上搜尋預測之外,因應不同的案件也可能需要回溯推算漂流物從哪裡漂來。在這種情況下,會利用漂流物的已知位置與時間,加上可能偏航因素,使用已知的海流與風力進行時間回溯的積分,就可獲得過往時間的漂流物位置,進而追蹤漂流物可能的來源。這類模擬計算大多使用在海灘上的漂流物被拾獲後的追蹤,如大量垃圾、不明物體、汙染物等。

 

基本上,由於拾獲時間的不精確、偏航所造成的漂流方向不確定等因素,推算出的漂流物起始位置會呈現散亂的分布。此外,海上漂流物的移動過程會受到海流與風力的影響,物品的形狀大小也會影響其受海流與風力的推移,因此漂流物移動速度與海流、風速之間應有某種關係。若把流速、風速及漂流速度的關係利用單一係數來代表,由不同加成係數的模擬結果會發現漂流物位置集中的情況是不同的,而如何合理地追蹤漂流物的起始位置,就需要經過多種方案的測試了。

 

例如在某案例中,發現所有的物品都漂向台灣西南部海域,而不同加成係數所形成的漂流物起始位置的分布形狀都不同,因此在最佳方案選擇上,選擇了漂流物品數量較多(數量與全體數量比較大),且位置較集中(位置標準偏差較小)的方案做為漂流物可能的來源。

 

海洋環境資料支援海上搜尋

 

海上搜救是非常困難的,幾百公尺長的失事船隻在海上就如同臉盆裡的一粒沙,更遑論動輒方圓數十海里範圍(1海里約1.853公里)的搜救搜尋工作。緊急的海難救助搜尋工作,除了要投入大量的人物力與優秀的搜救技術外,更需事故地點的詳盡環境資訊,特別是海面風和海流的現況和預測資訊,藉以規劃符合現況的搜救計畫。

 

台灣位處西太平洋邊隅,除了波浪與潮汐外,附近還包括黑潮主流、中國沿岸流、南海海流等主要洋流。洋流的季節變化與強勁潮流的交互作用,導致了台灣海域海流流況多變。這些海洋特性影響台灣特別深,需仰賴長期且密集連續的觀測與模擬資料。

 

國家實驗研究院台灣海洋科技研究中心(以下簡稱海洋中心)已建置了環臺岸基海洋雷達測流系統與開發台灣海象預測數值模擬系統,更對台灣周遭海域進行波浪、海流、溫度、鹽度等海洋物理參數的觀測與模擬,並提供作業化的產出。

 

近即時觀測資料 2009年海洋中心成立之初,就展開「台灣四周海域表層海流即時觀測平台計畫」,在海巡署、國產署、軍備局、工業局、墾管處、東管處、海博館、新北市等機關協助提供適當場址下,6年間在台灣沿海共建置了17座集成式高頻海洋雷達(CODAR SeaSonde)系統,完成「環臺岸基海洋雷達測流系統」。目前這觀測平台可逐時提供台灣周遭約150公里範圍內,相當於5.4倍台灣島面積大小海域的表層海流資訊,開啟了我國前瞻海洋科技支援海洋事務管理及海洋科學研究的新世紀。

 

作業化數值預測模式 台灣海域高解析度海象預測模式整合大氣預測與觀測資料,每日兩次提供未來72小時內的波浪、海流、海洋水文變化等預測模擬資訊。同時,積極發展海洋資料同化技術,改進現有作業化海象預測流程。利用AVISO衛星測高偏差資料,轉化為溫度、鹽度偏差同化至模式中,透過巢狀格網計算方式,使用西北太平洋與台灣海域網格,逐步縮小計算範圍,強化台灣海域海象預測的精確度。

 

海象資料GIS平台 海洋觀測與模擬的資料數據量非常驚人,一般人難以熟悉應用。為了讓使用者能快速查詢海象資料,海洋中心整合海洋雷達觀測與數值模擬預測資料,把各種資料檔匯入資料庫,並利用Google Maps與資料庫環境為架構,提供各種資料參數即時的查詢與圖形繪製。

 

海洋中心建立一海象資料GIS瀏覽平台,以強化海象資訊的運用便利性,創造資料應用價值的極大化。由於海上搜尋漂流物體的應用日益增加,如海難搜救、汙染物外洩等,在海洋中心所具有的海洋觀測與模擬能量基礎上,增加海上漂流物軌跡模擬功能可創造海象資料的最大價值。

 

而海上搜救或汙染物擴散的問題相當複雜,海洋與大氣環境、漂流物的種類,以及軌跡模擬的計算方式,都會影響最終的模擬結果。且現有模擬都架構於相當複雜的模擬軟體,一般使用者若未經訓練是無法使用的,因此質點漂流軌跡模擬的功能可以提供一套簡單且快速的評估方式。透過海洋中心所提供的高品質觀測與模擬資料,並利用表面海流驅動質點運動,使用者只要經由簡單的操作與選擇,即時查詢資料庫中的海流資料,就可進行漂流物軌跡計算模擬。

 

本土化參數建置 依美國海岸防衛隊搜救手冊記載,海難遇險時規劃人、船的搜索需要考量到風場、表面海流、潮汐等因素的影響。因為漂流物在水中時暴露在空氣中的部分會受到風吹產生偏航,而每一漂流物的受風面積不同,偏航值自然也不同,如此就會影響搜救範圍的劃定。Allen和Plourde利用現場風速、風向,歸納出95種漂流物(人、船、小艇)因偏航而產生的漂流偏移角度,並建立了偏航分類表,但其中船隻以動力小艇和帆船居多。

 

然而台灣在近岸漁業上大多以舢舨或管筏(塑膠管材料建置的漁筏)為主,如何把外國行之有年的搜救經驗合理地移植至本地使用仍需加以確認。因此除了歷史海上搜救事件資料的分析外,也需透過現地實驗建立適於台灣本地的偏航參數。

 

精確詳實的海洋環境資料在海上搜尋規畫中扮演舉足輕重的角色,顯著影響搜尋目標的漂移軌跡。而確認調查台灣各種海上搜尋單元的探測能力與數量,也可增加搜救規劃的效率,節省搜救所動員的人力與物力。為了提高海上搜救成功的機率,可以利用更多實證案例,討論調整找出最佳化的海洋環境參數,並透過海上搜救模擬演練,驗證搜救規劃的準確性,進而提升海上搜尋區域的預測精度與更有效率的搜尋方式,建立真正屬於台灣本土化的海上搜救模式。

 

深度閱讀

  1. 尹雅楓(民104)古老瓶中信帶你一窺108年前的海流探測科學,科技新報。
  2. 居哲農(民99)SARMAP海難搜救軟體應用於歷史案例,中山大學海洋環境及工程研究所碩士論文,9-14。
  3. 徐月娟(民102)海流與搜救的有關問題討論,行政院海岸巡防署海巡雙月刊,65,30-34。
  4. 楊献璋(民101)論我國海難搜救規劃資訊系統建置,中山大學海洋環境及工程研究所碩士論文,15。
  5. The International Aeronautical and Maritime Search and Rescue (IAMSAR manual), 2016.