海洋遙測技術發展 ~ iDream 第二次實海探測記實 2016 年 07 月 19 日 人氣:664

撰文:吳季莊

校稿:賴堅戊

TOROS岸基雷達測流系統

海洋觀測雷達係近代發展的新式海洋觀測技術之一,有別於傳統研究船或錨碇系統觀測受到時間與空間的限制,海洋觀測雷達是相對低成本、全時性且廣範圍的觀測系統。

海洋中心自2009年起,陸續於台灣沿海進行TOROS岸基雷達測流系統測站之架設,並於2015年完成環台海流觀測網,逐時產出環台海域表層流場資料,其觀測範圍包含台灣全域領海與部分經濟海域,如圖1所示。

 

 

圖1、TOROS系統觀測範圍與流場圖

(近即時流場資料展示平台: http://med.tori.org.tw/TOROS)

       

然而,高頻雷達觀測亦受到電離層、極端氣候、人類活動等因素干擾,以致影響海洋雷達系統的穩定度,更可能導致觀測值的誤差。因此,國研院海洋中心及颱洪中心與中央大學地科院合作,在2015年向國研院提出iDream創新研究計畫,計畫獲得審查通過後自2015年7月開始並由中央大學地科院朱延祥院長擔任計畫主持人。本計畫包含兩個主軸方向:其一為利用來自電離層反射訊號與來自海面波浪後向散射訊號可能存在的訊號特性差異,嘗試開發演算法濾除電離層干擾;其二則為結合海氣交互作用與相位陣列雷達技術,開發一套適合於檢證海洋雷達觀測品質的高頻校驗雷達系統。

計畫在朱院長的領導下,分工進行各項研究並於2015年11月於桃園海域進行了第一次的聯合觀測,實海測試雖然受到東北季風的影響,但也獲得了寶貴的經驗與資訊,並擬定了幾個和測海雷達相關的新議題,包括量化各式雷達觀測系統的海洋觀測精度;沖淡水海域流場合成參數最佳化;沖淡水海域之導電度對雷達波傳遞與測流精度之可能影響;海氣邊界層之蒸發導管層出現與風速剖面關聯;蒸發導管層之波導管效應對VHF頻段雷達波傳遞之影響等,因此擬定了第二次的聯合觀測,並配合海洋中心的西南海域觀測計畫及颱洪中心的西南氣流觀測計畫,選定高屏溪至小琉球間之海域進行實海測試的區域。

第二次的聯合觀測的密集觀測期(Intensive Observing Period, IOP)於2016年6月30日進行,iDream計畫兵分三路,第一路為測海雷達系統;第二路為小琉球LiDAR風剖儀臨時站;第三路則為實海觀測作業。

 

聯合觀測作業位置

本次聯合觀測之儀器與臨時測站配置如圖2所示,其中,後灣高頻雷達測站為TOROS長期固定測站之一。

圖2、聯合觀測儀器與測站配置圖

 

測海雷達系統

本次聯合觀測共使用四種測海雷達系統,分別為VHF陣列式雷達系統(頻段為52MHz)、微波雷達觀測車(x-band,頻段為9.4GHz)以及CODAR SeaSonde 5MHz與13MHz的集成式測流雷達系統,外貌如圖3所示。

圖3、投入iDream聯合觀測之雷達觀測系統

 

LiDAR風剖儀臨時測站

LiDAR風剖儀使用都卜勒效應觀測單點垂直風場剖面,可觀測高度介於40-200公尺的風速與風向,儀器外觀如圖4所示。本次觀測設置於小琉球天福漁港安檢所旁,面向大海,將量測海上吹向儀器位置的西南氣流之風場特性,並配合資料浮標進行分析。

圖4、LiDAR風剖儀外觀

圖5、水平風速剖面、紊流強度剖面 、垂直速度與方向差

 

實海觀測作業

為能有效執行本計畫,海洋中心於2016年6月30日執行實海觀測,動用兩艘船艇,分別進行海流調查、表層溫鹽儀與浮標佈放作業,航行路線如圖6所示。

 

(b)

圖6、實海觀測作業計畫與區域圖,圖a黃色虛線為裝載測流儀(ADCP)之船隻航跡,藍色圓點為CTD溫鹽儀探測點;圖b則為浮標佈放船隻的作業範圍。

海流調查部分,使用流剖儀(RDI Workhorse Mariner ADCP 1200kHz)(圖7)、GPS定位浮標(KATO KT-800D)(圖8),與無線電發報定位浮標,表層溫鹽部分則以表層溫鹽儀及CTD溫鹽剖面儀(IDRONAUT Ocean Seven 316 plus)(圖9)進行海面水質探測。

圖7、ADCP外觀 (左圖摘自http://rdinstruments.com/)

圖8、 GPS定位浮標

圖9、CTD 溫鹽剖面儀與表面溫鹽儀

海上觀測困難度高,不但儀器遺失、損壞的風險較陸上儀器高,還要抵抗暈船所帶來的不適,更要在面臨海況變化時,當機立斷修改觀測計畫以應變各種海況可能對儀器運作造成的不良影響。

 

初步成果

在此次的聯合觀測後,我們先就漂流浮標與TOROS觀測站(5MHz與13MHz)的資料進行比對,初步探討了TOROS雷達測流系統所測得的表層海流徑向速度,和浮標所測得的實際海流的投影速度之相關性。對於與漂流浮標佈放位置距離25公里的13MHz系統而言,其相關係數平均約是0.92,而對於距離55公里的5MHz系統而言,相關係數平均約是0.85,比對的時間序列與統計分析如圖10與圖11所示。

而造成兩個TOROS測站與浮標比對的相關係數有差異的原因,推測為13MHz(枋寮站)的角度解析度為兩度,探測間距為1.5公里,5MHz(後灣站)的角度解析度則為五度,探測間距為3.75公里,因此,在相同的條件下,在浮標周圍的雷達測流資料數量將會有所差異,由圖12可見,圖左的13MHz(枋寮站)因資料解析度較高,資料點分布較密集,在浮標漂流的軌跡上有較多的資料可供比對,相對圖右的5MHz(後灣站)則因空間解析度較低,能夠投入比對計算的資料較少,推測此為造成13MHz測站之相關性較5MHz測站高的原因。根據上述結果,我們可以認為TOROS團隊在運作CODAR系統的成熟度以及在參數設定、資料品管方法對遙測海流應該具有一定的水準。

圖10、漂流浮標推算流速與TOROS高頻雷達測流系統(5MHz)徑向速度比對

圖11、漂流浮標推算流速與TOROS高頻雷達測流系統(13MHz)徑向速度比對

 

 

 

圖12、枋寮站(13MHz)與後灣站(5MHz)對漂流浮標的比對資料點,圖中,綠色點線為漂流浮標軌跡,藍色點為該時段之所有產出資料點,桃紅色為納入比對之資料點。

 

結語

實海觀測為傳統海洋最重要的研究項目,透過實海探測所取得的資料,亦無比珍貴。現今雖遙測科技與模擬技術的蓬勃發展,但仍無法全然取代實海探測。一直以來,人類不斷透過衛星、調查船、電腦模擬,以及本計畫的主角測海雷達等方式,以期望能夠獲得更多研究成果與創新研發,滿足人類對海洋知識的渴望。

而了解海洋,除了偉大知識的探勘之外,更能透過研究海洋的特性,來幫助人類與海洋永續生存,諸如災害防治、海難搜救、汙染物擴散防治、海洋環境維護、遊憩安全與生態保護、教育等,都是現階段的重要目的。據此,海洋中心的海洋觀測與研究,將持續不斷地進行下去。