研究


  • 海洋雷達海洋回波一階峰框定技術
  • 基於三倍標準差的台灣海洋雷達雷達徑向資料品管程序發展
  • 應用雷達測流推估南灣海域珊瑚配子漂流路徑
  • 海洋雷達系統改善
  • 海流渦旋偵測
  • 海洋雷達表面海流與錨碇資料比較
  • 海洋雷達系統改善雷達表面海流與漂流浮標比較

  • 海洋雷達海洋回波一階峰框定技術

    海洋雷達海洋回波一階峰框定技術雷達的工作原理是無線電波接觸海面水波發生後向散射和布拉格共振,通過分析海洋回波都卜勒譜之一階峰,分析海洋回波受海流速度造成的的都卜勒頻偏。單個雷達只能觀察靠近雷達或遠離雷達方向的徑向流速,但通過使用多個站點的結果進行合成,可以獲得海流速度的矢量。由於海洋雷達具有長距離,大範圍和低成本的優點,HF雷達最近已被廣泛應用於測繪表面海流。

    TOROS於2009年至2015年在台灣建立了使用CODAR系統為主的台灣海洋雷達觀測網,該系統的特點為集成式天線系統,大幅降低架設雷達所需的土地需求。海洋雷達觀測網中包括12組5-MHz系統和5組13/24-MHz系統。台灣位於歐亞大陸架和西太平洋的邊緣,周圍的水深度變化很大。此外,潮汐現象在台灣海峽占主導地位,而台灣東海岸是西方邊界流--黑潮的主要通道,向北速度可達2至3節以上。因此,觀察區域中的海流時空分佈非常複雜。此外,此區域之表面海流明顯的受季風變遷特性影響。因此,正確有效的框定代表海流訊息的都卜勒譜一階峰,對於HF雷達產出的海流數據質量至關重要。

     

    在這裡,我們提供了一種方法來驗證CODAR SeaSonde 一階峰框定設置的最大徑向素的(Vmax),它能夠將表面海流訊息與其他訊息妥善的分離,以利萃取所關注的海流訊息,提高徑向流速的觀測質量。首先,基於資料品質管制(QC)程序去除不合理的數據,依海氣象特性(每月/季節/颱風事件),對資料進行空間連續性,時間連續性和即時徑向速度的時間梯度等檢查。透過徑向速度的統計分佈,使用觀測速度分佈標準差來決定常態分佈下的速度極值,這就是所謂的“最大徑向速度”

     

    我們選擇三倍標準差(3σ)來劃定異常值的界線,並保留正確的結果。 我們利用HF雷達測流數據與GPS漂流浮標比對之驗證結果來描述QC的改進。如右圖中,可看出雷達測流的技能得分(skill score)的空間分佈。圖中顯示隨著品管機制的導入與發展,我們可以看出數據質量逐漸提高。

     

     


    基於三倍標準差的高頻雷達徑向資料品管程序發展

    台灣海洋雷達觀測系統(TOROS)是一個基於CODAR的運行HFR海洋觀測網,於2015年達成環繞台灣主要海域的HF覆蓋。近年來,我們開發了具有ISO 9001標準程序認證的QA / QC管理系統。因此,包括系統維護、數據質量控制和數據發布等一系列流程,並提出提高徑向精度的比對驗證後處理程序。

    後處理程序是基於三倍標準差統計的資料品管程序,用於過濾每月徑向速度的可能雜訊。我們分析了前一個月即時徑向速度的統計參數,包含平均值,標準差,最大值和最小值等,以及距離單元裡有效數據的百分比和產出率超過50%的有效觀察半徑。然後,我們根據統計結果精細的設定一階峰參數,並使用SeaSonde“Spectra Analysis”重新處理都卜勒譜資訊。

    我們每年不定時佈放帶有1.5米長拖曳傘的GPS定位及衛星通訊浮標,以提供雷達比對驗證所需的實測數據。我們由漂流浮標位移所推算的海流速度被投影到雷達方向。並與雷達的徑向速度相比較,結果顯示,經過後處理的徑向速度與漂流浮標實測海面流速間有更好的一致性。

     
    資料品管程序對雷達測流品質的影響

    為了評估TOROS HFR表面海流數據用來進行漂流軌跡推估的品質,採用了Liu和Weisberg(2011)提出的技能評分(Skill Score; SS)。此方法基於時間和空間維度,通過使用模擬軌跡和實際漂移軌跡之間的距離和時間堆疊來計算SS值。當該值接近1時,意味著模擬軌跡非常接近真實的漂流軌跡。自2013年12月至2016年11月,在TOROS觀測區內部署了21個漂流浮標,併計算了SS值。結果顯示,TOROS網絡的SS值落在0.15-0.99,其平均值是0.81。

     
    使用2013年至2016年間之TOROS TUV流場及OQ025N漂流浮標進行拉格朗日模擬的技能評分

     


    應用雷達測流推估南灣海域珊瑚配子漂流路徑

    本研究嘗試評估2015年珊瑚產卵期間珊瑚配子在海中的擴散路徑。在2015年5月8日至15日的珊瑚產卵期間, TORI在南灣海域進行了一場聯合觀測。我們通過將HFSWR表面海流和WRF風場數據耦合的GNOME模型(General NOAA Operational Modeling Environment),模擬珊瑚配子漂流軌跡和著床位置的空間分佈評估。

    模擬漂流120小時後,這些質點(綠色點)隨著表面海流和風的動態漂流擴散到不同的區域。根據IOP期間的海流進行漂流模擬結果顯示,我們估計約有40%的珊瑚配子能停留在南灣海域。

    結果顯示,珊瑚配子停留位置的估算與墾丁國家公園管理處調查的珊瑚分佈情況相當吻合。

     

     


    海洋雷達系統改善

    發射天線之鞭型天線改良以對抗惡劣天氣並提高系統穩定性

    原廠發射天線的頂部鞭型天線由鈦合金製成。然而,質地較軟,易變形,易斷裂,並且蓋壓的組裝方法會因強風而斷落。根據過去的經驗,頂部鞭型天線的原始設計經常失敗並影響雷達系統的訊號發射品質。因此,TOROS工程師參考了天線設計文件並提出了改造頂部鞭型天線。新設計的頂部鞭型天線採用316不銹鋼,直徑增加10%。而且,組裝方法改為螺紋旋入固定。由於天線材料和尺寸的改變,天線電阻略為發生變化。工程師需要在針對特定無線電工作頻率進行現場天線匹配測試後優化頂部鞭型天線。

     
    原廠頂部鞭型天線(左)及本團隊開發之改良版頂部鞭型天線

     

    TOROS改良的頂部鞭型天線表現。 在4.5MHz系統的電壓駐波比(VSWR)(左)和傳輸功率優化(右)

     

    背景噪聲監測與運行頻率決定流程的發展

    表面海流和波浪等海洋表面狀況的估計是從海面散射回波中提取的。然而,通常海洋回波的能量與來自無線電台的信號相比並不明顯。這意味著環境無線電波以相同的頻率運行可能覆蓋了海洋雷達回波。為了最大限度地減少其他無線電系統的干擾並在每個站點找到優化的海洋雷達頻率,TOROS工程師開發了一種監測背景噪聲的技術和確定工作頻率的過程。由於5-10MHz之間的48小時無線電掃描顯示,該站點有無線電波覆蓋,其頻率落在5.7-7.7MHz和9-10MHz。為了獲得無線電海洋觀測系統良好的射頻環境,該技術成為TOROS團隊選址過程中不可或缺的過程,並將掃描的結果找出較乾淨的頻段向國家通信傳播委員會申請頻率許可。

     
    高頻頻段的背景噪訊掃描

     


    渦旋偵測

    本研究嘗試從高時空分辨率的逐時表面海流流場去瞭解南灣冷水湧升的現象。自2014年7月台灣海洋科技研究中心(TORI)在南灣周遭建造了三套13 / 24MHz集成式高頻海洋雷達觀測了南灣周遭海域的海流流場。本研究採用Vu等人(2107)開發的角動量渦動檢測和追踪演算法(The Angular Momentum Eddy Detection and tracking Algorithm ; AMEDA)自動渦流檢測方法,由雷達表面海流觀測數據檢測南灣海域的渦流生成、消散與移動等變化。 此外,在這項研究中,我們將2017年4月間位於南灣近岸錨錠的溫深鹽儀(CTD)所收集不同深度的海水溫度變化與流場渦旋變動,期望從表面海流渦旋與冷水侵入及其垂直混合之間找出可能的關聯。

    結果表明,AMEDA方法在渦流檢測中具有可靠性,可以作為未來海洋渦流數據庫的分析。另一方面,在有限的數據資料中,我們發現表面海流流場的強度和渦流特性似乎可與冷水湧升和上下層之間的混合現象有關。

     

     


    高頻雷達表面海流與錨碇資料比較

    針對台灣東南、蘭嶼近海海域TOROS 所測得之表面流速,與ADCP 錨碇測得30 公尺水層處之流速分析比對,兩者之間流場變化趨勢相當一致,流速平均值的相關係數(correlation coefficient) 為0.81,隨水層深度之增加其相關性漸小,至200 公尺水層處南北V 分量相關係數為0.7。

     

     


    高頻雷達表面海流與漂流浮標比較

    為瞭解TOROS 於觀測海域內之觀測品質,以106 年間通過臺灣西南海域之世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO) 所收集GDP(Global Drifter Program) 表面漂流浮標軌跡,並利用逐時二維平面雷達測流結果推估漂流軌跡進行比對,採用Liu and Weisberg (2011) 所開發之正規化累積Lagrangian分離評分(Skill Score; SS) 方法進行比對分析,SS 值在0~1 之間,當數值為1 時,表示漂流模擬軌跡與實際浮標軌跡完全相符。比較結果顯示,TOROS 在東部海域的觀測品質(平均SS 值約0.48,最佳單一浮標平均SS 值約0.64) 與美國HF 海洋雷達觀測網的測流品質(最佳平均SS 值約0.61) 相比毫不遜色,與美國衛星測高計推算墨西哥灣深水區的品質(深水區SS 值介於0.49–0.51) 有更值得信任的漂流推測效果。