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與海神對話 環繞台灣海疆的海洋雷達網

TOROS

近即時環台海流觀測成果示意圖。圖/TOROS 團隊提供。

人類離開了海洋幾千年之後,又回過頭來試圖了解海洋,於是海洋科學家在各個領域與海神對話,「海洋雷達就是我們與海神對話的其中一個工具。」計畫主持人、國研院海洋中心副研究員賴堅戊說。

國研院海洋科技研究中心歷時6年,環著台灣1200公里長的海岸線建造17座雷達測站(全部共20座,另外三座分別歸屬教育部與中科院),花費兩億,完成「環台岸基海洋雷達系統」(Taiwan Ocean Radar Observing System, TOROS),全天候偵測環台海域1至2公尺深的表層海流資訊,觀測距離達150~200公里,涵蓋的海域大小相當於5.4倍的台灣島面積。

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今年1月甫建完新北市貢寮區馬崗測站,TOROS海洋雷達網終告完工!圖/TOROS團隊提供。

中國沿岸流、南海海流、黑潮流過台灣周圍海域,且夏冬兩季流況不同,這些海流深深影響著台灣的氣溫、濕度等氣候條件,也影響航海、漁場與海洋能源開發等經濟活動,若能長期監測海象環境,對研究與實際應用的助益都相當大。

海洋的「索倫之眼」

雷達是二戰產物,自1970至1980年代,科學家開始將雷達技術導入海洋環境監測,賴堅戊戲稱:「戰後科學家也要找出路,繼續申請研究經費補助。」從八零年代到現在,美國已建置了141座海洋雷達站,數量居世界之冠;韓國與日本分別建了24與21座;台灣的20座在數量上居世界第四,但建置密度最高,也是唯一雷達網環繞全部海岸線的國家。

雷達會發射電波訊號至觀測區域,以都卜勒效應的原理分析回波訊號,便能得到物體的大小、距離、方位、高度、速度等資訊,整合兩座雷達的觀測數據,就能取得海流速度與方向資訊。海洋中心沿著海岸線,每隔70至90公里建置一座雷達站,台灣東西岸的雷達測站採用頻率為5MHz,台灣島南北則因地形限制,無法如東西岸大規模「掃描」,遂改採用13MHz的頻率,提高資料解析度。

傳統多利用研究船、漂流浮標或錨碇浮標執行海象觀測任務,但單點量測的範圍侷限於觀測設備通過的路線上,傳統方式不僅成本較高,海象變幻不定也增添任務風險。TOROS則可大面積、近即時、全天候不間斷的「掃描」,偵測表層海流資料。

雷達與探測船比較

TOROS與研究船海觀測成果差異圖。藍色箭頭為TOROS觀測的海流資訊,紅色軌跡為研究船獲取的資訊。研究船主要提供航線上的流速觀測,需要長時間連續航行;TOROS則能在短時間內大範圍觀測。圖/賴堅戊提供。

「追逐潮流」的任務 就找TOROS支援前線

黑潮相關主題是台灣最活躍的海洋研究題材之一,建置TOROS系統的最初目的也是為了黑潮相關研究,後來延伸出許多應用。掌握海流的速度與方向可以做什麼呢?TOROS除了提供氣象、海洋研究、海洋工程所需的第一手觀測資料,對各機關監測海洋環境、海洋汙染擴散、海難搜救、海洋遊憩風險管理等領域也是一大助力。

中央氣象局海象測報中心主任滕春慈說,海流之於船舶猶如風之於飛機,精確的海流資訊能幫助船舶制定航線,更準確地安排停靠港口的時程,判斷要跟隨或避開主要海流;海流加上海溫對漁業是很重要的資訊,冷暖海流交會處是良好的漁場所在,知道海流流向也就知道魚群動態。滕春慈表示,目前氣象局的海流預報是整合潮汐、流體運動模式等等的模擬結果,若引進TOROS實際觀測的數據,會先用於驗證現行的模擬系統。

TOROS也是海上救援的得力助手!炎炎夏日,大家一窩蜂湧向陽光、沙灘、海浪,但意外時有所聞,根據海巡署統計,2008至2014年七年之間,執行救生救難案件達3301件。去年六月,TOROS團隊剛在墾丁建置三座雷達站,南灣發生遊客落水失蹤事件,海巡署向TOROS團隊尋求幫助,希望協助分析海流流向。團隊根據雷達觀測數據模擬物體漂流方向,推估失蹤者仍在南灣海域內,尚未被帶離海灣、隨黑潮被帶往東部,最後海巡署果真在推測地點附近尋獲失蹤者。未來若將TOROS的資訊導入海巡署的海難搜救系統,海難預防與搜救都會更有效率。

墾管處於「岸際海域活動管理作業要點」中制定戲水限制,當持續浪高一米,就會插紅旗、禁止遊客戲水。但戲水者會不會被海浪捲走,依據海流流向判斷會更準確,浪高也有可能流向往內。海洋中心已與墾管處合作,提供墾丁周遭海域的表層海流觀測資訊,協助墾管處管理遊憩風險,雙方去年就架設了資訊交換平台作為測試(此平台目前暫停中,今年夏天會再度開站)。不過,突發性的「瘋狗浪」就不在TOROS的「守備範圍」內了。

南灣海流

(左)海洋中心為墾管處架設的「遊憩風險管理資訊交換平台」 (右)2014年6月墾丁發生遊客落水失蹤事件時,海洋中心根據雷達觀測數據模擬漂流方向。圖/TOROS 團隊提供。

觀察海洋生物行蹤也是TOROS著力點,賴堅戊說,近期計畫是五月與墾管處及海洋生物學家合作,觀察墾丁海域的珊瑚產卵。日後雷達觀測如果在特定海域看到魚苗,也可以依據海流資訊反推魚兒的迴游路徑,協助海洋生態研究。

環島三圈尋測點 盡走有蛇出沒的偏僻海邊

TOROS團隊成員近十人,背景領域來自海洋工程、海洋科學、電子、電機,團隊環島三圈,走遍台灣1200公里的海岸線,尋覓建測站的適合地點。因為雷達易受地形影響,海岸線的突出處是設立測站的理想地點,這些地方多為風景區或軍事碉堡,大多為國家單位所有,土地取得過程相當複雜;因位處偏僻,建設水電與電信等基礎設施也相當麻煩,「而且草裡面都有蛇!我們要常常與蛇為伍,但位在保護區又不能除草!」賴堅戊笑說,他與另一個成員工作時兩度差點踩到蛇,「他都不想跟我一起工作了!」

當團隊找到合適地點,會先將雷達擺在那裡一星期,進行一連串測試,看看該地的訊號品質、是否太多干擾、與相鄰測站資料整合結果如何,若該地訊號品質不佳,就要換個地方。較另類的經驗是在貓鼻頭,成員發現訊號被另一股訊號覆蓋了,轉開收音機,調至儀器顯示的頻段,結果是從外國傳來的廣播節目,團隊只好寫信請廣播電台調整波段(NCC主管頻譜分配,於法有據);後灣的測站還曾遭竊,蘋果電腦被偷,幸好資料數據都有備份保存。

雷達站

海洋雷達的發射天線(左)與接收天線(右)。圖/取自海洋環境資料庫網站。

流場圖逐時更新 未來增加海嘯預報

團隊成員廖建明博士說,未來計畫在離島增建測站,多一個測站的資訊可讓數據更清晰精確,也可充作備援系統,萬一某測站故障「罷工」,仍有兩座雷達可以合成資訊。日本311的災難掀起許多地震與海嘯的討論,菲律賓西方南海的馬尼拉海溝被視為潛在風險,未來團隊也將開發海嘯波預警偵測功能,提供一兩百公里外海嘯波傳遞的觀測訊息,因應馬尼拉海溝發生地震時可能引發之海嘯。

TOROS觀測所得的資料「圖像」會登於「海洋環境資料庫」網站上,每小時更新一次周圍流場圖,但海流數據是軍事敏感資訊,若需要詳細的流速與流向數值,須向國研院申請。海洋中心另設有一個「海象模擬平台」,更新頻率與大氣預報同步,一天兩次(颱風天會增加預報頻率),亦有未來72小時的海象預測。TOROS的原始資料則依照「國家機密保護法」暫不開放,國防部與科技部尚在研擬資料釋出的方式。

關於作者

劉珈均

PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。