2017年10月6日 星期五

所以我說那個海洋深層水到底哪裡「深」了?


其實我一直蠻好奇國內的「海洋深層水」為何選擇定在「200公尺」深度以下呢?因為就小弟對於海洋學的認識,所謂的「深層海水」在科學上雖沒有特別精準的「幾公尺以下可以算是深層水」這種操作型定義,但是在海洋學中提到深層海水時,大多是指「溫鹽環流」中的深層的海水。至於為什麼會有「溫鹽環流」,在談此名詞前,先快速提一下我們怎麼科學的區分「不同的海水」?又如何探討海水流動?

關於洋流和水團
氣象報導中常聽到大陸冷氣團、太平洋暖氣團這些名詞,這些氣團代表的就是一大團性質接近的空氣。而海水中的「水團」,也是類似觀念,就是一個範圍內溫度、鹽度等性質相近的水體,就會被歸類為一個水團。而大致上不同水團密度都不會相同,在海中的情況是,兩個密度不同的水團若相會,大的會往下沉,小的會往上浮,並不是那麼容易可以均勻混合的,所以海中會有不同密度的海水上升下沉的情況,請先記著這點,我們先談另一種海水流動。

而一般常說的「洋流」在現在國高中地科或地理課本中多少都有提及,我們常聽到的灣流、黑潮這類的洋流,主要驅動力是來自於風吹帶動,其來源包括行星風系、高低壓分布等等,然後受到地形也會有影響,這些表層的洋流就成了大家在念書時經常要背誦的名詞(所以應該大家都不太喜歡吧?)。

表層海水流動時,性質也會有些改變,簡單來說有河流注入、降雨量大時海水密度就會下降,而蒸發量大時密度則會上升,而蒸發量大不但會發生在熱的地方,在變冷時也會,而且如果到更冷的地方,當水結冰後剩下的鹽分會讓海水的密度再更高,因而就成了容易下沉的「水團」了!

重點來了:溫鹽環流
上面提到那些下沉的海流,它的起點就在北大西洋的挪威附近,故又叫「北大西洋深層水」(North Atlantic Deep Water,英文縮寫:NADW),到這邊終於出現了「深層水」的專有名詞了,大約在2000~4000m的深度(所以如果定200m找遍世界也這不到這水團的),而環流從北慢慢往南流到南極那邊,性質又有點不一樣了(密度又再高了一點),叫「南極底層水」(Antarctic Bottom Water, AABW),之後這團水往北走並且分叉,分別在印度洋和太平洋上升,然後再循表層的洋流運動,有些海水會再被洋流送回北大西洋,上述這段溫鹽環流遊記,至少是一千年起跳(約莫1600年)。

簡化的北大西洋深層水流動循環圖,藍色的線表示海底的寒流,紅色的線代表海面的暖流圖片取自維基,使用者Brisbane,創用CC 姓名標示-相同方式分享 3.0,
早期似乎有些營利事業將深層水和上述NADW扯在一起(參考魔法泉水還是產業的海市蜃樓?-海洋深層水一文),但實際上前述溫鹽環流的主要部分可是沒有經過台灣附近海域,真要抽那管子可能伸到公海都還抽不到啊(笑),所以後來好像也沒再提這作為賣點了。

所以目前臺灣採到的「海洋深層水」是怎麼樣的水?
至少,我可以確定臺灣能採到的不是溫鹽環流中的「深層海水」,那麼是有名的的「黑潮」嗎?可能勉強有機會是,黑潮的主流寬約170公里,然後中心最大流速區距離陸地約20~50公里(Liang et al., 2003),所以算是擦邊吧!黑潮的鹽度最大處也差不多在200公尺深的地方,不過實際上採水的管線沿著海底到600多公尺處,管線長不到5km,好像也不容易採到黑潮最核心、鹽度最高部分的水體。而且黑潮的水溫頗高,和等下要提的「低溫安定」又有點違背,,所以也就談到這吧。

另外附帶一提,記得有聽過海洋深層水(暫拿600多公尺來談)有個「低溫安定」的說法,為什麼說它「安定」呢?或許是因為它的深度所在的溫度已經超過「溫躍層」了吧?所謂溫躍層就溫度變化很劇烈的地方,從下圖海水的垂直深度變化可以發現表層和下層水的溫度會突然有個變化很大區間,稱為溫躍層(thermocline),在台灣東部附近的確到了500公尺以下就是接近低溫的直線了,但是營養鹽類(這個等一下談)最多的的地方卻還是要到1000公尺深。

溫躍層的示意圖,By Welcome1To1The1Jungle at English Wikipedia, CC BY 3.0

那「營養鹽」是什麼?吃了會頭好壯壯嗎?
其實我無法回答吃了是不是對身體真的好,這個留給其它領域專家。不過,營養鹽一詞,卻是來自於海洋生物化學的作用,由於海洋生物需要磷、鈣、矽、鎂、鈣、硫等元素,所以一般會把磷酸鹽、硝酸鹽、亞銷酸鹽、銨鹽等成分稱作「營養鹽」,所以它的名字的營養之處跟人體並沒有直接關聯,或許可能有人會去研究它對人體是否有益,然而這些東西和所謂微量元素的一些重金屬礦物質,我們在很多時候都可以接觸到,如果要靠喝特別的水來補充,效率會比較好嗎?(我也非營養專家,就暫持保留態度吧)

再偷偷說一件事,要說台灣附近營養鹽多的海水位置,我想應該不在花東外海,而是在臺灣海峽,只是它的深度就不可能達到200公尺了…另外還有湧升流帶上來的營養鹽也是很豐富(下圖的東海East China Sea地區),深度當然也不到200公尺,所以我說那個200公尺畫分的也還真「剛好」啊(笑)!但到底是為什麼呢?還是要問定出這個深度的人了~~
台灣與西太平洋的表層海還營養鹽分布位置,可以看到東海、還有中國沿岸和台灣海峽有較多營養鹽啊!(圖片重新編修自Chen, 2003)


之所以寫了這篇文章,並沒有打算叫大家不要喝____的水,畢竟這東西也無害,大家喜歡喝就喝。純粹是因為不是很喜歡過度的誤用科學詞彙,光以海洋深層水的定義而言,原本科學上並沒有完全一樣的名詞,但也有類似的定義,而目前看起來國內像經濟部給定的200公尺深的操作型定義和主流學界仍有落差,而過往的地科人們又太低調,不才小弟只好跳出來說一下定義正名一下,順便提供大家對於水團、營養鹽的相關知識。若科學上有什麼需要補充處,也請不吝建議~~



參考文獻與延伸閱讀

W.-D Liang, T.Y Tang, Y.J Yang, M.T Ko, W.-S Chuang, Upper-ocean currents around Taiwan, In Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, Volume 50, Issues 6–7, 2003, Pages 1085-1105.
C.-T Chen, Distributions of nutrients in the East China Sea and the South China Sea Connection. Journal of Oceanography. 64., 2003, Pages 737-751.


2017年9月12日 星期二

【國語日報專區】颱風愛轉彎?氣象預報技術也有極限的!



颱風侵襲前後常常會發現,颱風總是不會照著預測的路徑行走,這可不是因為氣象預報技術落後,而是氣象預報的科學有一定的極限,我們仍無法百分之百完全掌握颱風!而近百年以來,也從來沒有兩個颱風走的路徑是一模一樣的,這也代表著大氣環境的複雜難以掌握。

要了解其中「門道」,就讓我們看看近代氣象預報的發展史。

電腦讓氣象預報更準
氣象預報隨著電腦可以進行複雜的運算後,便開始有了「數值天氣預報」,氣象預報的能力便不斷提升。因此,在一九六○年代初時,氣象學家覺得百分之百的天氣預報是非常有可能!然而美國的數學家、氣象學家勞倫茲在某次利用電腦程式計算天氣時,卻發現了一項驚人的現象!他將前次計算到一半的數據抄下來,在第二次重新計算時,為了節省時間,直接跳到上次計算到一半的地方繼續接下去,但當他去泡了咖啡,休息一小時後回來看計算結果,卻發現模擬結果完全不同!

氣象預報並非萬靈
經過檢查,勞倫茲才發現電腦運算時會計算到小數點以下第6位,而列印或顯示只會到小數點第3位。但他也因此發現,由於大氣的系統十分複雜,只要有一點微小的改變,像是儀器的微小測量誤差,都有可能使結果截然不同。勞倫茲用「蝴蝶效應」來比喻:「一隻蝴蝶在巴西輕拍翅膀,可以導致一個月後美國德州的一場龍捲風。」因此,氣象預報雖然經常可以準確預測隔天的天氣,但如果要預報一星期後的天氣,卻很容易失準,就像是弓箭很容易射中很近的靶心,但如果把箭靶的位置移到很遠的地方,只要一開始偏了一點,就有可能完全射不中靶,這就像是氣象預報的困難之處,只要觀測有點誤差,結果就會差很多,有時便很難預測!

影響颱風路徑的因素
夏天時,太平洋高壓的勢力較強,會影響颱風路徑。對颱風而言,大氣壓力高的高壓,就像個龐大的柱子一樣,所以海面上的颱風,便會順著太平洋高壓的邊緣移動,一開始颱風的走向會比較明顯的朝向西方,經常到了臺灣附近,就會開始轉向,高壓的勢力如果較強,颱風就會比較晚偏移,當高壓減弱就有可能會提前轉向,而有時高壓減弱的太多,颱風失去了氣流導引,就有可能變得飄忽不定。偏偏要準確提前好幾天預測高壓的變化十分困難,而高壓的一點點變化都有可能對路徑造成很大的影響。

了解颱風路徑的呈現方式
當看到「預報潛勢圖」以某個範圍預測颱風未來的路徑時,
扇形的區域越大,就代表這個颱風未來的不確定性還很大,
有可能未來會修正,颱風的不確性也很高。
假如只依靠電腦預報颱風路徑,常會因為觀測誤差、天氣系統不穩定導致預報失準,所以現在各國氣象單位都會與其它單位比較參考,有時還要仰賴研究人員的經驗修正,但也偶爾會發生意料之外的情況。現在包括臺灣之內的許多國家,都在嘗試調整用機率的方式呈現颱風的路徑預報,一般會使用70%可能侵襲的機率來告訴民眾颱風「可能的路徑範圍」,代表颱風的路徑比較有可能在這個範圍之內,可能稍微會有轉向,但大致會在某個範圍內。這樣的做法也讓我們對於預防颱風災害有更多的彈性,假如我們只為了某一個預測的路徑作準備,要是颱風的路徑、速度發生變動,有些地區可能會措手不及,但如果我們準備夠充足,就能適時減少災情。


留意隨時可能修正的路徑
真實的天氣預報與實際發生的情況比較,並沒有較準確或不準確的差別,只有比較容易預報和不易預報的差異,某些颱風的70%可能侵襲的範圍較廣闊時,就代表它的路徑的不確定性越大,此時就要更留意颱風轉向的可能,隨著侵襲的時間越來接近,預報的路徑可能也會隨時修正,多注意一分,也就等於多了一分準備!
 
實際上颱風不一定會走在潛勢區域的中心藍色的線上,經常會偏離路徑,以這張預測和實際路徑來看,颱風後來的路線和預測有點誤差,但並不能算是預報完全失準。