Seaglider觀測黑潮發現中層水層疊水文構造

 
 

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2015年科技部支助黑潮探測計畫採購水下滑翔機Seaglider並建立觀測技術,成功地在花東外海取得細緻的黑潮水文資料,助黑潮研究首次精準解析黑潮強流底下的千層糕狀水文結構及背後的動力機制,成果於8/6發表在《Nature》系列期刊《Scientific Reports》(https://rdcu.be/bNa16),此項成果對改善氣候模擬模式深具潛力。

2016年12月15日下午大約1:45,美國海軍測量艦「鮑迪奇」號(USNS Bowditch)正在菲律賓蘇比克灣西北方50海浬的國際水域回收兩具水下滑翔機,即水下自主觀測載具(Unmanned Underwater Vehicle,UUV),同時在另一頭約450公尺遠的中國大陸海軍救難艦(ASR-510)瞄到後立即放下小艇"攔截"其中一具水下滑翔機,「鮑迪奇」艦長立即以無線電通知中方救難艦馬上歸還,但遭已讀不回。事後美方稱中共海軍"偷"了這具中方堅稱"救回"的水下滑翔機,雙方隔空叫囂引起不小風波,最後中方循外交管道還機了事,這場海上探測引起的鬧劇才告落幕,但此事掀起的漣漪,意外地引起大眾好奇這支兩公尺長的黃色"大玉米"有什樣好爭的?glider真有那麼厲害嗎?

2016年由海研一號貴儀中心下購入全臺第一具水下滑翔機Seaglider,並由本所所長帶領團隊負責控制Seaglider黑潮觀測(照片1),這是海洋所歷經5-6年協助美國大學研究機構收、放Seaglider的"代工"期後,頭一遭鼓起勇氣跟科技部伸手要錢買。首航從2016年12月到2017年3月之間在東部海域黑潮區跑了兩回合三角形測線(圖1),沿途上上下下記錄水文、溶氧、螢光(可換算葉綠素濃度)、光背散射等參數。這具Seaglider預定回收前幾天竟被臺東延繩釣漁船"釣"到,所幸平安歸來。87天期間總共完成434次下潛(至1000公尺深)跟上升,航程2095公里,相當於從臺北跑到東京。一具Seaglider售價相當於用海研一號研究船16天的成本費,以一樣的觀測來比,Seaglider的性價比相當高,但研究船的功能也有其不可取代之處。

由Seaglider觀測資料,研究團隊發現花東外海黑潮強流之下的水團層疊水文結構,徹底顛覆了四、五十年來大家對黑潮裡水文分佈的印象,進而揭發黑潮區兩個溫、鹽度互異的水團遭遇時,不是立即混合成新水團,而是從水團界面上的擾動,藉著複雜的雙擴散過程(Double diffusion),在黑潮斷面裡(尤其在500-800公尺深之間)發展成兩股水團上下交錯層疊的水文結構,每層水平長度從10到100公里不等,層與層的厚度大約50公尺(圖2)。事實上,越來越多的觀測顯示這類型的海洋次中尺度過程(Submesoscale processes)對調節海洋物理、生物、地球化學等參數的時空分佈相當重要,當然也是影響數值模擬氣候變遷的關鍵因子。本項成果除了為各大洋西方邊界流(如黑潮之於北太平洋西邊)帶來新穎的物理與生地化研究課題外,也提供了改善氣候模式的全新動力因子。此外,雖然這種次中尺度的水團層疊現象在北極海、大洋和近赤道海域等低流速的環境裡、水團交匯處常被觀測到,但在西方邊界流等強流區之觀測和研究目前仍然非常稀少,更凸顯本篇論文的創新價值。

另方面,藉由觀測技術的建立與論文發表,促成臺大海洋所研究團隊獲邀加入國際合作全球海洋邊界流觀測網(OceanGliders Boundary Ocean Observing Network,BOON),負責臺灣東邊的黑潮長期觀測,海洋所所長亦受邀擔任BOON任務指導團隊(Steering Team)成員。這支兩公尺長黃色紡垂機殼體內的水下類人工智慧行為(AI)及強韌的耐海性能,可以說把臺灣海洋探測技術及大洋觀測能力推向一個嶄新的紀元,Seaglider也為海洋所的西北太平洋浮標觀測網帶來機動性。

照片1. 科技部補助海研一號貴儀中心採購之全臺首支水下滑翔機Seaglider,2016年12月由海研一號釋放下海進行首航探測

圖1. 2016年12月到2017年3月Seaglider觀測黑潮航跡

圖2. 在臺灣東邊三角形測線連續進行兩次觀測所得到之各斷面鹽度分布,(a)-(c)為第一趟觀測之北、東、南三邊,(d)-(f)第二次觀測結果。