臺灣大學海洋研究所學位論文
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單位漁獲努力量（catch-per-unit-effort, CPUE）可視為資源豐度的指標之一，然而CPUE容易受到作業時間、漁撈位置和目標魚種漁撈策略變化等因素而影響，因此需要進行標準化，得以作為資源評估中相對資源豐度的指標。臺灣遠洋延繩釣漁業資料為多漁獲魚種CPUE資料，因1970年代超低溫鮪釣漁船之加入，衍生臺灣延繩釣漁業於太平洋海域發展出不同的目標魚種漁撈策略，因此進行CPUE標準化分析時必須考慮漁撈策略改變之情況。本研究利用2007¬－2017年臺灣太平洋遠洋鮪延繩釣作業報表，應用作業組別資訊於GLM之類別解釋變數，並假設其結果為參考相對豐度指標，以此評估四種考慮目標魚種漁撈策略之方法：應用每筐鉤數、集群分析及主成份分析作為 GLM之類別及連續解釋變數，以及有限混合模式（Finite Mixture Modeling）於南太平洋長鰭鮪CPUE標準化。結果顯示四種方法皆消除CPUE資料之變異，但利用偏差度量（bias metric）及平均絕對誤差（mean absolute error, MAE）之結果顯示，主成份分析及有限混和模式與參考相對豐度之結果最為接近。因此本研究建議使用主成份分析或有限混和模式建構南太平洋長鰭鮪歷史豐度資訊，以供後續資源評估及漁業管理使用。
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砷為一類金屬元素，在環境中由於對生物體具有毒性而受到重視。砷在海洋中屬於類營養型的垂直分布，有光層裡受到生物吸收作用影響而濃度較低，但在深度大於有光層的海水中，砷的濃度穩定，約為20 nM。過去的研究已顯示，五價砷為海水中砷物種存在的主要型態；其餘砷物種如三價砷或甲基砷等，多出現於缺磷海域之有光層。然而過往的海洋砷物種研究，多是依據化學方式界定砷物種，並未從砷所存在分子量大小進行探討，即無從得知海水中是否存在膠體態（1 kDa–0.45 μm）砷。本研究即透過交流過濾法，搭配砷物種化學分析，探討西菲律賓海與南海的砷物種型態。 溶解態無機砷物種在西菲律賓海與南海，均呈現類似類營養鹽型的垂直分布。其中，10 – 20%的溶解態無機砷存於膠體態，而五價砷為膠體態無機砷的主要物種，三價砷則多存在於真溶解態（< 1 kDa）。南海的溶解態有機砷濃度在表水為3.2±1.1 nM，且濃度在上部有光層隨深度增加而降低；其中56%屬於膠體態有機砷。藉由分子量大小的物理分離，搭配化學物種分析，我們重新確立海水裡溶解態砷物種型態。 在西菲律賓海的時序觀測中，發現膠體態砷濃度在上部有光層有明顯的日夜變化現象，顯示膠體態砷在海水中的變化快速。此外，在西菲律賓海及南海的觀測中，都發現膠體態砷及膠體態有機磷於上部有光層具有正相關，表示磷對砷在海洋生地化循環相當重要，而膠體則在其中扮演著橋樑的角色。
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在浮游生物食物網中，橈足類捕食原生生物時會使原生生物對浮游植物的捕食壓力降低，並引發營養級聯(trophic cascade)效應。然而，該營養級聯在自然環境下的強度變化仍鮮少被探究。本研究提出四項因子會增加橈足類對浮游植物的攝食強度，進而降低營養級聯的強度：大型浮游植物的相對濃度、浮游植物化學計量品質、溫度及橈足類捕食壓力。較高濃度的大型浮游植物使橈足類能直接攝取大型浮游植物。較高的浮游植物品質(亦即化學計量；例如，較低的C：N比率）會增加橈足類對浮游植物的偏好。較高的溫度增強了橈足類的代謝及碳營養的需求，因此使橈足類傾向攝取浮游植物碳營養。較高的攝食者和獵物之密度比增加了橈足類對浮游植物的捕食壓力。本研究採甲板培養橈足類攝食實驗，比較沒添加及有添加橈足類的組別間浮游植物濃度減少之差異來量化營養級聯的強度，並研究該強度與浮游植物群聚的體型大小頻譜之斜率、溫度、攝食者和獵物之密度比和顆粒有機物 C：N之關係。我們發現營養級聯的強度與浮游植物群聚的體型大小頻譜之斜率、溫度或顆粒有機物的C：N比率沒有任何顯著關係。營養級聯的強度與攝食者和獵物之密度比呈負相關，但該關係在統計上並不顯著。本研究結果並不支持大型浮游植物的相對濃度、浮游植物品質、溫度和橈足類捕食壓力會影響營養級聯的強度。我們認為其他關鍵因子，像是原生生物的豐度，可能於影響東海浮游生物食物網中營養級聯效應發揮更重要的作用。
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臺灣西南海域每年接收來自臺灣南部島嶼型河川四千九百萬噸陸源沈積物，加上具有狹窄陸棚及多條海底峽谷，被認為是研究陸源物質源到匯的最佳場所。2006年屏東地震及2009年莫拉克颱風所觸發之海底濁流或異重流，將大量沈積物傳輸至深海，進而促使深海事件沈積層的碳埋藏較非事件時期高出近兩個數量級，顯示海底地質災害所致之快速堆積對於陸源有機碳埋藏十分重要。本研究挑選2006~2013年期間海研一號和海研五號採集的11根岩心，範圍包括高屏海底峽谷、枋寮海底峽谷及高屏陸坡，以生物指標中最為廣泛且常見的正烷類作為探討依據。由於正烷類能提供生產者的資訊用以推敲其來源，且因其耐降解而不易消失的特性，因此被廣泛的應用。分析結果顯示，枋寮海底峽谷上段、陸坡盆地及高屏海底峽谷下游岩心具有明顯的海源正烷類（碳數小於25的正烷類）偶數碳訊號（0.11~1.34 μg /g），主要為正十八烷（Octadecane, C18）及正二十烷（Icosane, C20），而陸源長正烷類（碳數大於等於25的正烷類）訊號相對低（n.d.~0.58 μg/g）。除陸源訊號強度低之外，再加上高屏溪本身傳輸入海之CPI趨近於1特性，使得大部分岩心正烷類指標研究結果相近，CPI值變化介於0.74 ~ 2.07之間，唯獨包含植物碎屑的沈積層CPI值才大於5。岩心正烷類指標值分析結果顯示，當極端事件與高屏溪輸出有關時，呈現與一般沈積層相似的迴歸線。但當事件堆積與河流輸出無關（如屏東地震事件）時，則具有斜率明顯不同的趨勢分布，顯示正烷類指標趨勢與誘發沈積物傳輸的機制有關。基本上遵循離海底峽谷越近，陸源訊號越強的趨勢，而且顯示沈積物循峽谷傳輸並往深海匯集，此一結果與之前海底電纜斷纜事件的相關調查相呼應。總結所觀察到的結果，各岩心碳鏈訊號在事件和非事件層之間特徵變化並不太明顯，但利用多根岩心綜合討論仍可以分辨出特定事件層。而正烷類分析結果，提供了沈積物因極端事件循峽谷傳輸的有利證據。
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國際海洋探測計畫367航次(IODP Expedition 367)在南海北部珠江峽谷下游水深3760.2公尺處的站位點U1499取得沈積物岩芯，其中表層50公尺處在船上以生物地層方法得知年代約為四十萬年，並以367航次現有觀測資料如岩芯攝影、岩芯描述與多重感應元岩芯紀錄儀資料辨識出七十餘個重力流沈積物層位，而重力流沈積物再依其厚度區分成大於5公分厚事件層與小於5公分薄事件層。其中厚事件層出現於特定層位，應為古海洋環境影響南海北部沈積物傳輸有關。為瞭解厚事件層分布與古海洋環境之關係，本研究分析U1499岩芯表層50公尺的碳氮含量與有機指標變化來重建站位U1499四十萬年來的古海洋環境，並分析重力流沈積物的有機碳特徵，進而追蹤重力流所夾帶的有機碳來源。從事件層的分布顯示，事件層由50公尺處至表層變得越來越少且薄，這暗示著南海北部四十萬年來的沈積環境可能由較動態的環境轉趨穩定，或是能傳輸至站位U1499的重力流變得愈來越少。而厚事件層僅出現在岩芯中較高碳酸鈣濃度的層位，說明產生厚事件層之重力流幾乎都發生在南海北部深海可以較好保存碳酸鈣的時期。而這時期可能為冰期，因海平面下降的關係導致珠江河口銜接至珠江峽谷，使陸源物質更有機會藉由重力流的機制與珠江峽谷的通道傳輸至深海。此結果顯示古海洋環境與厚事件層在岩芯中分布的關係。至於有機碳特徵上，岩芯中有兩種不同有機碳特徵之層位，分別以陸源有機碳為主的0-45 m層位與海源有機碳為主的45-48.85 m層位。而薄事件的有機碳特徵較接近0-45 m層位；厚事件的有機碳特徵則較接近45-48.85 m層位，說明兩種事件層所夾帶的有機碳來源不同。形成厚事件層之重力流夾帶較多陸源有機碳，其沈積物來自陸地；而形成薄事件層之重力流含有較多的海洋有機碳，因此可能為海床沈積物再搬運的結果。而正烷烴指標應用上，四十萬年的沈積物仍能表現出明顯的新鮮陸源植物訊號，說明正烷烴指標仍能適用於南海北部深海沈積物四十萬年以內的時間尺度。
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鎘為一金屬元素，因其對生物具有毒性及易產生生物累積作用而受到科學家的重視。在人類活動中，鎘可作為幾種常見工業產品之原料，例如：電池、金屬鍍層、染料、塑膠製程穩定劑，導致鎘容易因為工業活動而直接或間接地釋放至環境中，進而通過水體流動而將鎘輸送至海洋。本研究於2017年11月於淡水河河口進行實驗，探討在河口地區強烈潮汐變化下，鎘的動態變化。 本研究利用孔徑為0.45μm之正壓過濾法及分子量1000之交流過濾法將鎘區分為溶解態鎘與真溶解態鎘；又使用雙管柱離子交換法進行化學親和性分離。研究結果顯示：在淡水河河口地區的鎘，約有70％為真溶解態鎘且超過90％的化學親和性為Chelex-labile。進而發現溶解態鎘濃度隨氯離子濃度增加而增加，這表明了溶解態鎘強烈受到氯離子配位的控制。將分析結果以化學平衡模型(MINEQL+ vr. 5.0)進行計算，顯示河海水混和過程中溶解態鎘主要物種：氯化鎘表現出不同的物種組成，如CdCl1+、CdCl2、CdCl3-，且隨鹽度增加氯化鎘物種占比迅速上升。 在顆粒鎘的分析上使用了三步驟序列式酸解法，將顆粒態鎘分為三種化學特性，分別為顆粒表面吸附相、鐵錳載體相及鋁矽礦物相，研究結果顯示：在淡水河河口地區的顆粒態鎘平均有78％為顆粒表面吸附相，且隨鹽度增加有降低之趨勢；鐵錳載體相及鋁矽礦物相中的顆粒態鎘濃度基本維持一至，且不隨鹽度有變化。分布係數 (log Kd) 範圍是 5.0至6.3，且隨鹽度增加有良好的負相關。這意味著顆粒表面吸附相鎘受到鹽度影響有脫附現象發生。 綜合溶解態鎘與顆粒態鎘之變化，顯示控制鎘於淡水河河口地區之動態變化主要因素為顆粒脫附作用及氯離子配位化學。
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臺灣的造山運動，係因菲律賓海板塊與歐亞大陸板塊之間的碰撞作用而引起，以變形前緣做為地質區塊的分界，也是應變作用的交界，在變形前緣以西沒有顯著的地層變形，而變形前緣以東是剛發育的褶皺逆衝帶。 在臺灣造山帶與中國被動大陸邊緣之間的過渡帶在壓應力的作用下產生褶皺逆衝帶，同時發育年輕的斷層與斷層相關褶皺。在褶皺逆衝帶發育的斷層與斷層相關褶皺多為表皮構造，代表在淺部地層發育，並未深入的基盤而是在滑脫面之上。 在前人的研究中，有許多描述臺灣西部與西南部因造山運動而岩石圈側向聚合應變的構造特徵，顯少聚焦在鄰近變形前緣的表皮構造，宋國士（2017）研究中顯示臺中－彰化外海有受到擠壓應力所形成的海底臺地，同時觀察到一系列的構造線型，此處即為褶皺逆衝帶。在上述褶皺逆衝帶發育的岩層條件中，可推測對應力的累積較不易，因此地震活動規模不會太大（M < 5），如在宋國士（2017）的研究中，其研究區域內自1900 年以來芮氏規模大於5 的地震僅有一個事件。 本研究延續宋國士（2017）的研究，透過電花波源和海底地形資料，結合震源機制，以觀察中彰外海之淺層構造特徵及地震活動機制，並探討區域應力的作用與沿岸平臺形成的成因。
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本研究以三維的海洋數值模式(Regional Ocean Modeling System, ROMS)探討Thomas and Linden (2007 ; 以下簡稱為TL07)所提出的浮力驅動沿岸流結構理論，理論中考慮兩層流體近似下，一層低密度的均勻流體於另一層高密度的均勻流體上，沿著海岸往開爾文波方向傳遞，並假設沿岸流中任何地方都要滿足零位渦度且地轉平衡。TL07表示，基於這些假設下，只要給定二流體的密度差(即減重力)與流量，即可以決定沿岸流的厚度、寬度以及厚度平均流速。 本研究的結果顯示，ROMS模擬的浮力驅動沿岸流滿足了TL07理論中所提及的地轉平衡假設，代表非絕熱(如流體介面上的剪應力(interfacial stress))，與平流效應在沿岸流的跨岸方向動量平衡中，為次要的物理過程，另一方面，沿著流線上的位渦度值也接近守恆。在一系列的流量實驗中，研究結果顯示模式模擬的沿岸流厚度與理論預測的結果有良好的一致性，然而，在沿岸流寬度上的預測結果則顯現出較明顯的差異，大致上預測結果有10～20％的低估情形，在靠近河口源頭的小部分地區有超過50%的低估情形，上述的研究結果顯示TL07理論在模式模擬的海洋環境下依然有合理的預測結果。然而，本研究發現模式結果並不滿足TL07理論中的零位渦度假設，此外，沿岸流中的鹽度場有著連續的變化，也意謂著兩層流體近似的前提在模式中並不適合。進一步的分析發現，因零位渦度與兩層流體近似假設而產生的兩誤差大致上互相抵消，因此，TL07理論對沿岸流結構的預測性並非基於正確的物理假設，而是兩誤差相互抵銷的結果。
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珊瑚礁生態系含有豐富的生物多樣性並具有相當重要的生態與經濟價值，向來有「海洋中的熱帶雨林」之稱。然而隨著全球氣候變遷與人為活動影響逐漸加劇，珊瑚也持續面臨難以忽視的威脅。尤其是全球暖化造成的海水溫度上升，即使僅攝氏1~2度的溫度上升也可能形成大規模的珊瑚白化事件。然而，隨著珊瑚中共生群聚的組成不同、生長區域的熱環境差異以及本身的生活史策略，不同的珊瑚也有著不同程度的熱忍受能力。本研究為了能更深入瞭解生活於不同熱環境歷史中的不同物種所發展的調適能力，並進而預測未來氣候變遷下可能的影響，使用細枝軸孔珊瑚與鐘形微孔珊瑚兩種形態及生活史策略相異的物種進行熱逆境實驗。實驗所用的珊瑚採自水溫擾動變異性高的環境(核三廠出水口)以及相較穩定的環境(萬里桐)，並模擬三種不同的熱逆境狀態，分別為過去的白化溫度—以1998年聖嬰現象所帶來的大規模珊瑚白化事件為參考(29 ºC)，現今的珊瑚白化溫度—以近兩年來白化事件為參考(31 ºC)，以及IPCC所預測未來升溫溫度—以IPCC於2050年所預測之上升溫度為參考(33 ºC)，與實驗期間維持水溫不變的控制組（以近期年均水溫為參考26 ºC)，並將在環境溫度下馴化一週的珊瑚於水缸中逐步升溫至實驗溫度，維持溫度一週後降回控制組溫度並等其恢復。於實驗期間取樣分析其總蛋白質表現量、共生藻種類、密度以及葉綠素濃度，以及每日進行共生藻光合作用效率的測量，以瞭解實驗物種的生理響應以及調適能力。而觀察結果顯示，控制組、29 ºC以及31 ºC的處理組，兩種珊瑚經一週熱逆境後皆仍未有明顯白化，33 ºC的處理組中鐘形微孔珊瑚發生白化但仍存活至實驗結束，而來自萬里桐與出水口的細枝軸孔珊瑚則有不同程度的耐熱反應，出水口的細枝軸孔珊瑚即使與較耐熱的共生藻屬共生，並且白化反應較萬里桐的珊瑚慢，仍在加溫一週後死亡，推測在溫度壓力下珊瑚宿主雖能與較耐熱的共生藻共生而提升其熱耐受能力，但此適應或調適能力或許無法趕上未來環境的變遷，並且珊瑚宿主本身的熱耐受能力可能對於未來可否生存佔有更重要的關鍵。
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本研究以2014夏季6月2日至6月14日間東沙環礁海表層溫變為例，以實測資料配合三維的海洋數值模式(Regional Ocean Modeling System, ROMS)探討此區溫變機制。模式作用力包含真實的海表淨熱通量與淨淡水通量、潮汐、風應力、大洋環流，並以實際觀測進行驗證，包括海面高度變化、流場、溫度場。 首先針對東沙環礁海表層的溫度變化做傅立葉分析，結果顯示環礁海表層溫度有明顯日變異性。對於日周期溫變訊號而言，潮汐與海表淨熱通量此二短周期作用力為關鍵的影響因素。本研究使用熱收支方程進一步了解此二作用力影響形式，並分析熱收支子項佔比，揭開溫變之控制機制。 熱收支子項分析結果顯示由海表淨熱通量主導的垂直熱通量項為海表層溫變的主導項，次要項則為平流項。統計上顯示垂直熱通量項貢獻8～9成的溫變，說明海表層溫變主要控制機制為垂直一維加熱。 次要的平流項整體時序統計雖僅有1～2成的溫變貢獻，但在某些時段可達3～4成，因此亦不可忽略平流項的影響力。本研究以東北瀉湖區為例，揭示平流項重要性隨時間變化的原因。 研究結果顯示前期(6/2～6/8)平流項之溫變重要性隨時間遞減，原因為M2與O1分潮與此地主要分潮K1隨時間產生相位偏移導致潮流變弱。在此地東西側溫差日變化強度大致相同之情況下，潮流變弱，則平流項也逐漸減小，其對溫變的重要性亦隨之下降。 後期(6/10～6/14)平流項之溫變重要性隨時間逐漸回升，雖潮流於後期亦逐漸增強，但單考慮潮流無法解釋此變化。分析結果顯示，海表淨熱通量與水深的相對相位亦對水平熱傳輸有顯著影響: 當兩者為反相位時，海表淨熱通量加熱與冷卻效果明顯，造成溫變遽增，進而使得平流項隨時間遞增。 綜合上述，東沙環礁水平熱傳輸的時變性主要受海表淨熱通量與潮汐(K1,M2,O1三個分潮)間之相對相位所控制。