臺灣師範大學地球科學系學位論文
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@_@杜鵑(Dujuan)颱風於 2015 年 9 月 20 日形成，並於 28 日登陸台灣，經過中 央山脈後路徑向南偏移再往北進行。27 日飛機偵察及投落送觀測實驗 (Dropwindsonde Observation for Typhoon Surveillance near the TAiwan Region ;DOTSTAR)，又名追風計畫以「全球定位衛星投落送」(GPS Dropsonde)進行飛機觀測。本研究採用 NCEP 之 GFS 全球模式初始場資料進行 數值模擬實驗，並利用 WRF 模式以及 3DVAR 資料同化方式針對杜鵑颱風進行模 擬，除了投落送觀測資料之外，還另外以 Bogus 虛擬渦漩強化後的初始場作為 虛擬投落送並以不同的數量以及排列共設計了 8 組實驗，藉以探討投落送位置 以及數量對於杜鵑颱風模擬的影響。 模擬結果顯示，投落送同化個數為 14 個的真實投落送 Real Drop 組與其相同 經緯度但投落送資料取自於渦漩初始化後的初始場的 Sim Drop 組，兩組表現上 不只颱風模擬路徑較為偏北以及颱風模擬強度上皆弱於觀測，所以另外設計了 也為強化後初始場而取得的虛擬投落送且數量分別為 26 個的 Bogus Drop1、32 個 Bogus Drop2 組別，根據此結果探討投送送的數量以及排列對於杜鵑颱風路 徑的影響，利用 500 hPa 以及 850 hPa 的駛流場分析出 Real Drop 有更多往北 的向量，而進一步發現垂直結構上的不對稱為影響杜鵑颱風路徑之關鍵因素。 此外，使用 Bogus Drop2 的結構下衍生出 IHOL、IHOM、IHOH、ILOL、ILOM、 ILOH 六組實驗，虛擬投落送涵蓋範圍從 Bogus Drop2 的半徑 600km 縮小到 300km，也分別做出排列與數量上的差異，為內核區虛擬投落送數量為 6 個的 IH 組、2 個的 IL 組;外核區虛擬投落送數量為 12 個的 OL 組、18 個的 OM 組、 36 個的 OH 組，而模擬結果顯示 IHOH 組別在平均路徑誤差上有較佳的模擬結 果，在此個案中內核區以及外圍區有較多的虛擬投落送，能獲得更好的模擬路 徑。
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@_@臺灣島位於歐亞板塊及菲律賓海板塊斜向聚合及隱沒反轉之交界帶上，活躍的構造活動促使原位於地下深處岩石被快速掘升至地表，同時也將地下蘊藏的豐富熱能攜帶上來，並以多種地熱徵兆呈現於地表，如溫泉、噴氣孔、泥漿泉…等。為了能更加瞭解臺灣東部地熱地質構造及後續地熱能源之可發展性，本研究以臺東鹿野溪紅葉谷溫泉地區為例，進行總長約2公里之地表地質調查並建構該地區之地質模型，同時利用數值高程模型判釋地表構造線型，並以三角網格法計算地表構造線型位態，搭配震源機制反演大地應力解算各構造線型面之活化趨勢以及研判潛在的地熱導水裂隙。 地質調查結果顯示本研究區域地層主要岩性為板岩，偶夾薄層變質砂岩，區域主要中視地質構造以發達的板劈理為主，劈理平均位態為010/20E，並常伴隨急折帶構造。此區溫泉露頭多位於鹿野溪沿岸，調查顯示有熱水流出之溫泉裂隙多半隨正斷層構造出露，且石英脈常富集於斷層周圍。另一方面，震源機制解反演結果顯示，鹿野溪地區大地應力狀態以逆斷層應力場為主，最大主應力方向為近南－北方向擠壓。數值高程模型判釋之地表構造線型經球型變異分析及投影角篩選後，存在255條構造線型，主要位態分布為西北－東南方向及東北－西南方向。本研究區域構造線型擴張趨勢方位以東－西走向傾角三十至九十度為高活化值區，滑動趨勢及裂隙不安定性高活化值則以東－西走向為主，並依傾沒方向不同區分成高角度向南傾及低角度向北傾兩區。現地測量溫泉裂隙並計算其活化趨勢值，結果顯示擴張趨勢平均值為0.9、滑動趨勢值為0.35及裂隙不穩定性值為0.85，說明鹿野溪地區導水裂隙活化於裂隙不安定性及擴張趨勢數值較高地區。 綜合遙測判釋、地質調查以及活化趨勢分析，本研究認為鹿野溪地區地熱潛能良好，經遙測三維地表構造線型及野外考察，研判具備地熱發展潛勢之導水裂隙位態以西北－東南方向裂隙為主。結合磷灰石核飛跡定年及井下溫度數據，結果顯示地下熱資源即使再使用兩百萬年依然可維持上百度。紅葉谷溫泉地區地熱地質構造以低角度正斷層為主要構造，早期形成低角度正斷層時，應有超額液壓驅使低角度正斷層產生滑動，平均超額液壓值為31MPa以及標準差為16MPa。
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@_@紅河發源於中國雲南省，流經揚子地塊西南緣，最後匯入南海。它被認為是從青藏高原東部和中國南部輸送沉積物進入東京灣(南海)的重要通道。由於紅河水系與構造、氣候，尤其是青藏高原的隆升關係密切，學者長期以來對其起源和演化進行了研究。然而，以前的研究主要集中在紅河河道的演化上，因為以前可能存在大陸尺度的水系系統，其中東亞的主要大河(即雅魯藏布江、湄公河、薩爾溫江、長江上游和中游)都曾經可能是古紅河的主要支流。然而，由於構造抬升、河道被捕獲，大規模的古紅河失去了源頭。儘管進行了許多研究，但尚未就紅河的演變情形達成一致共識，這意味著該系統的演變非常複雜。儘管紅河中下游位於越南北部領土，直接流經紅河剪切帶；相比之下，紅河的起源研究很少被探討，紅河在越南流域的可用數據仍然有限。 因此，本研究收集了越南盆地的沉積物，這些盆地保存了近乎完整的新生代古紅河紀錄，包括來自安沛盆地(紅河中游)的5個礫岩層樣本、1個安沛的現代河沙和2個河內盆地(紅河下游)的鑽井岩心樣本。具體而言，安沛礫岩有4個晚中新統礫岩基質樣本，1個晚中新統之前的礫石樣本。兩口鑽井岩心被分成4個樣品，其中3個在中新統晚期沉積，1個在上新統-第四系沉積。在這項研究中，本研究利用雷射剝蝕感應耦合電漿質譜儀(LA-ICP-MS)碎屑鋯石的鈾-鉛年定年，結合一系列可用的鋯石鈾-鉛年代學數據，試圖了解紅河水系的起源和發展。 總體而言，鋯石顆粒產生的年齡範圍從太古宙到新生代(3171±17到24.9±0.6 Ma)，表明沉積物輸入來自多個來源。鋯石年齡的統計分析顯示，南揚子地塊可能是晚中新世以來安沛和河內盆地最重要的源區。相比之下，松潘-甘孜和蘭坪-思茅地塊是晚中新世之前沉積的礫岩的主要物源來源。此外，這項研究提出了現代紅河的主要支流瀘江(Lo river)和李仙江(Da river)分別在晚中新世和上新世-第四紀時期與紅河主河道相連接的可能性。本研究還建議任何大陸尺度的古水系系統應可能存在於晚中新世之前，任何大規模的紅河捕獲至少應該在晚中新世之前發生。此外，在多維尺度(MDS)圖上，安沛盆地上中新統前樣品的年代頻譜與劍川盆地和貢覺盆地始新世地層的年代頻譜具有很強的相似性，此二盆地位於長江上游擬定捕獲點下方和上方。這意味著在始新世時期發生了古長江和古紅河連接。有趣的是，MDS圖上安沛上中新統前樣品與劍川盆地的始新世最後期(即劍川組)的樣品相差甚遠。這一結果表明，古紅河的捕獲很可能發生在始新世晚期，並且可能一直持續到早漸新世，正如安沛上中新統前樣品的最大沉積年代(大約 29 Ma)所顯示的那樣；且現代長江很可能誕生於漸新世早期。最後，本研究在晚中新統樣品中發現了在紅河平移斷層的前、同剪切過程中產生的大量鋯石；這可能表明在此期間有強烈的侵蝕作用，因此這些鋯石可以有如此大的數量。此外，變質鋯石鈾-鉛年代峰值約在30.6 Ma，可能表明紅河斷層系統從前剪切到同剪切期間發生強烈的變質作用。
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西爪哇位在爪哇島西部，為印度-澳洲板塊隱沒至歐亞板塊下所產生的新生代巽他-班達隱沒帶之一部分，其基盤岩石為巽他古陸大陸基盤，由板塊間的相互運動隨著時空演化，展現了不同的地體構造與演化階段，使得岩漿活動沿著平行與垂直島弧方向，在年代或地球化學上都有系統性的變化。過去研究工作都以巽他島弧東段整體討論，但針對局部地區相關研究顯少，特別是自中新世以來持續有岩漿活動的西爪哇西部。因此，本研究在西爪哇西部5個火山岩體（Danau火山群、Gede火山群、Bayah Dome地區的北部、南部，以及Ciemas地區）採集了58個火山岩樣本，藉由鋯石鈾鉛定年結合全岩地球化學數據，以了解此區域火山岩漿的地球化學特徵、來源與成因機制，以及其地體構造與演化階段。 西爪哇西部新生代以來岩漿活動隨時間區分為三期，依序為中新世中期（17.0-11.4百萬年）、中新世晚期（9.8-5.4百萬年）及更新世（2.4-0.7百萬年），當中捕獲了白堊紀（145-140百萬年）與漸新世（26.0-22.1百萬年）的繼承鋯石，隨空間分布，中新世兩期出露在Bayah Dome地區，而更新世為西爪哇最年輕的火山岩體，並且遍布於整個西爪哇西部。在全岩地球化學上，三期岩漿皆為鈣鹼性序列的岩漿活動，由基性的玄武岩至中酸性的石英安山岩所構成（SiO2=50-69 wt.%），礦物組成有斜長石、角閃石、輝石類斑晶，部分酸性樣本含有少量的石英，並且都具有輕微的輕稀土元素相對富集（LREE/HREE=1.56-2.77）、微銪負異常（δEu=0.73-0.97），以及高場力鍵結元素虧損的現象，呈現典型的島弧岩漿地球化學特徵，代表在西爪哇西部三期岩漿的地球化學特徵大致相似。在全岩鍶釹同位素的比值上，中新世中期岩石具有εNd(0)值為+2.04至+3.78及87Sr/86Sr為0.7042至0.7057，中新世晚期岩石具有εNd(0)值為-0.80至+2.82及87Sr/86Sr為0.7043至0.7059，而更新世岩石具有εNd(0)值為-2.01至+3.61及87Sr/86Sr為0.7044至0.7069。 本研究的實驗結果，發現印度-澳洲板塊在西爪哇西部呈現多階段的隱沒作用，並可將島弧火山的空間分布與噴發時間相聯結，由Bayah Dome南部往北的Bayah Dome北部與Danau火山群，以垂直島弧方向有遠離海溝年代從17至2.4百萬年逐漸年輕的現象，並且推論三期的岩漿皆為地函楔和隱沒沉積物發生不同程度的部分熔融後形成的岩漿，混和後經結晶分異作用而噴發，繼而重建西爪哇西部新生代的地體演育過程與模擬圖。隨著巽他-班達島弧由東至西的地體構造演化，西爪哇西部源區早已在17百萬年前受到混染（εNd(0)值為+1.6至+3.8），並形成了中新世中期至更新世（17-2.4百萬年）岩漿，後來因中-東爪哇有斷裂的板塊隱沒至島弧下方過程中，以及隨著巽他海峽開始擴張，使得中-東爪哇與東蘇門答臘的岩漿活動停止，反映由東蘇門答臘至中-東爪哇（含西爪哇）的隱沒板塊相對較難隱沒，且其隱沒角度逐漸平緩，西爪哇西部岩漿活動以垂直島弧方向，由南往北的年代有逐漸年輕的現象。直到在2.4百萬年後，因中-東爪哇的斷裂板塊已隱沒至島弧下方，與從地球物理中發現東蘇門答臘-西爪哇隱沒板塊存有一個間隙，反映西爪哇西部曾發生隱沒板塊回捲，且角度再次變徒峭，從而有大量來自軟流圈的熱流上湧至源區，且在隱沒板塊上方有更多的沉積物熔體熔融，形成不同岩漿來源的特徵（εNd(0)值為+0.81至-2.01），以及更新世火山活動遍及整個西爪哇西部（由南部往北部）。
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根據IPCC的氣候變遷科學評估，當大氣受到暖化的影響，全球降雨型態也隨之產生改變，大部分陸地上的強降雨事件發生頻率有增加的變化，不過各地局部的變化趨勢還是有所不同。本研究以氣候變遷偵測與指標專家小組所制定的極端降雨相關指標，使用高解析度網格觀測資料，調查近60年臺灣不同季節的極端降雨特性變化；並使用兩個動力降尺度模式，分析其對於極端指標在現今氣候的模擬能力及未來變化的推估。 我們發現，對於近60年的長期趨勢變化，冬季東北角極端降雨的強度跟頻率增加，且極端降雨增加的區域延伸到南部；春季則是北部降雨強度跟總降雨量增加，冬春季皆受到東北海域水氣通量輻合增強所致。梅雨季降雨天數減少，可能由於臺灣到西北太平洋一帶水氣通量輻散。颱風季臺灣附近有氣旋異常環流，南部及花蓮北部的降雨強度、大雨日數統計上顯著增加。 對於現今氣候的模擬，WRF-MRI跟WRF-HiRAM在梅雨季皆和觀測資料有較低的相關係數，其餘各季的降雨指標，模式大多能模擬其空間分布。未來變化推估方面，預期春季東北部及颱風季全台降雨天數有統計上顯著的減少；梅雨季跟颱風季在西部極端降雨強度跟頻率增加。對於天數改變的原因，颱風季主要受副熱帶高壓在未來增強所致；對於極端降雨強度跟頻率的變化，則是受西南氣流增強影響。
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人為活動產生的污染可能是造成極端天氣現象加劇的因子之一，而風向、洋流和降雨量的變動都會導致全球各地天氣型態的改變，其中又以人為排放的溫室效應氣體與懸浮微粒為最主要因子，因此懸浮微粒不僅會對人類健康造成危害，也會對環境產生影響。 其中空氣中的懸浮微粒(如空氣汙染物：PM2.5 以及 PM10)會透過輻射作用以及雲微物理效應來改變雲的生命週期抑或是降水分布的變化，但迄今為止對於空氣汙染物增加會導致降水如何改變的估計仍有非常大的不確定性。因此本研究藉由中央氣象局的地面觀測資料與衛星資料來挑選出 2016 年至 2019 年台灣雨季：6 月到 9 月的午後對流個案與無降雨個案，接著再整合行政院環保署的空氣品質監測數據來計算個案期間降水量與空氣汙染物的相關性分析。深入研究不同時間段、不同濃度對於日累積降水量、降水強度與降水總時長的相關係數。最後使用日本名古屋大學所發展的雲解析風暴模式(Cloud-Resolving Storm simulator，以下簡稱為 CReSS)來進行不同粒子濃度的模擬。 分析結果顯示，PM2.5 在午後對流個案的空污粒子當日逐時之分布較為收斂，且粒子濃度的最大值落在當地時間中午 12 點到 13 點之間，整體分布為鐘形曲線，降水前會累積到最大值，降水後則有快速下降的趨勢，而 PM10 因為粒子粒徑尺寸大，被雨水沖刷的程度也更大，因此有更顯著的下降趨勢；無降雨個案除了分布較為發散之外，粒子濃度的最大值落在當地時間下午13 點到 14點之間，達到最大值濃度的時間較午後對流個案晚 1 個小時，其不同個案之間在凌晨與夜晚兩個極端值會有更大的差異性，顯示出午後對流個案比起無降雨個案，懸浮微粒的變化更有規律性。 PM2.5 以及 PM10 對於降水量的相關性檢定統計結果有三個重要發現：(一)上午 0000-1000 LST 空污粒子濃度最小值，會影響午後對流的降水強度，兩者的相關係數為 0.48。(二)1100-1500 LST 空污粒子濃度最大值，則會影響午後對流當日降水總時長，兩者的相關係數為 0.473。(三)最小值與最大值之間的升幅變化，會影響午後對流的降水總時長，兩者的相關係數為 0.564。 最後 CReSS 模擬結果與上述統計結果的第一點及第二點相符，整體而言，本研究能夠透過統計與模擬的方式來知悉兩個空氣汙染物與雲微物理作用的重要機制：當雲凝結顆粒數愈少時，微粒能夠抑制毛毛雨現象的程度愈明顯；當顆粒數愈多時，微粒能夠使雲的生命週期愈持久。
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在5-6月的梅雨季是台灣每年除了颱風季以外重要的降水來源，但其短時間累積的強降雨也是不可忽略的災害之一。在嘗試不同實驗去更了解影響梅雨季降雨各種因素的同時，人們也為了提升定量降水預報能力的方法上從預報的不同角度去切入，例如初始場資料、邊界條件、模式種類、模式設定等。所以本研究利用同化反演參數產生的初始場資料，在不同個案中與無同化資料的控制組定量降水模式的表現差異。 選取個案的區間是從2016-2019年5-6月中滑動24小時累積雨量大於200mm的個案為標準。最後選取出了6個個案其中有3個鋒面型和3個西南氣流型的個案，評估12小時定量降水預報技術。 實驗設計中有五個預報成員，主要差異在預報初始時間前12小時內不同的方式產生初始場，分別有2個無同化成員-冷啟動、提前12小時預報和3個WRF同化成員-純物理過程、同化GTS、同化GTS和衛星，都是用CReSS做預報。 本論文比較無同化組和同化組成員的定量降水預報技術，同化組成員對於梅雨季的強降雨事件較過度預報但也有較好的預報技術。不過同化組成員中，同化GTS和衛星的成員也有最好的預報技術，即 ｢同化衛星資料對於台灣梅雨季定量降水預報技術有提升｣。
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瑪莉亞颱風(Maria)於 2018 年 7 月 3 日於關島東南方海面生成，從 5 日至 6 日，其強度迅速增強進入快速增強(Rapid Intensification; RI)過程，並於 RI 結束後不到 24 小時便進行了一次眼牆置換。本研究利用 WRF 模式搭配歐洲中期天氣預報中心 (European Centre for Medium-Range Weather Forecast;ECMWF)之 ERA5 全球模式資料為初始場，同時利用颱風動力初始化方式，分析瑪莉亞颱風 RI 過程以及結構變化。 模擬結果顯示， RI 的發展主要受到內外兩對流區強度的影響。在 RI 開始前，內核區高層的對流活動，以及較低的環境垂直風切,使得潛熱能夠有效釋放，形成高層暖心結構，進而使颱風中心最低氣壓下降，高層暖心與中心最低氣壓之間的正回饋，有效提高颱風的強度,使颱風進入 RI階段。在 RI 後期，即便颱風對流強度沒有顯著的減弱，但是由於強對流活動主要集中在外圍，能量無法有效傳遞至內核區，導致內核區對流減弱，使得高層暖心結構無法維持，颱風強度停止增強。 為瞭解海表溫度以及海表通量傳輸對於 RI 的影響，本研究進行改變海溫以及改變海表通量計算方式之敏感度實驗。結果顯示，當海溫降低2°C 以上時，不會發展 RI 。當海溫降低1°C 時，依舊會發展 RI ，但是受限於海表熱通量不足及垂直結構傾斜等影響，高層暖心結構以及 RI 持續時間較短。當海溫增加1°C 時，颱風強度不論是在 RI 前、中、後都有更為顯著的增強，高層暖心結構更能夠維持，且垂直結構較不為傾斜。而改變海表通量計算方式，使得海表面阻力減小以及海表向上傳輸的熱通量增加，對於 RI 後期的增強更為顯著，且高層暖心結構更為明顯。
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海岸山脈地層層序中都鑾山層為島弧火山層序，其最上層為石梯坪凝灰岩，屬於島弧火山演化末期的岩相，此層出露為中性至酸性的中酸性凝灰岩，而利吉層為大陸邊緣沉積物與海洋地殼蛇綠岩系之殘塊所組成，並於弧陸碰撞過程中堆積在海岸山脈地層層序中。本研究於月眉火山嶺頂地區上層的中酸凝灰岩層，以及下層的火山角礫岩層當中採集數個安山岩岩塊；於石梯坪地區的中酸凝灰岩層中採集一個輝長岩質包體，以及夾雜於岩層當中的安山岩岩塊，使用全岩地球化學與鋯石鈾鉛定年法分析，以討論其位於海岸山脈岩漿活動中的角色；在利吉地區以及電光地區利吉層的溪床上採集數顆蛇綠岩岩塊以及一顆沈積岩，透過定年以及地球化學特徵之結果，以討論其形成年代以及物質可能的來源。 本研究在嶺頂地區並未獲得來自呂宋島弧的岩漿鋯石年代可做後續討論，而位於石梯坪凝灰岩層中的玄武質安山岩（SiO2 ＝ 55.9 wt.%）以及石門火山角礫岩的安山岩（SiO2 ＝ 60.6 wt.%），兩個樣本皆為低鉀的鈣鹼序列，且呈現大離子半徑元素（如：銫、銣、鈾、釷、鉀、鋇、鍶等）富集以及高場力鍵結元素（如：鈮、鉭、鈦等）虧損，屬於島弧岩漿的訊號。石梯坪地區共存於中酸性凝灰岩當中的輝長岩包體與安山岩的年代皆為4百萬年，輝長岩質包體為低鉀的鈣鹼序列，二氧化矽含量為48.3 wt.%，四個安山岩岩塊為中鉀的鈣鹼序列，二氧化矽含量為53.0至58.0 wt.%，所有的微量元素皆呈現大離子半徑元素富集以及高場力元素虧損。利吉層當中的蛇綠岩套年代為18百萬年，蛇綠岩套二氧化矽含量36.4至63.6 wt.%，岩性從基性到酸性都有，且微量元素含量變異很大，包括有銪正異常（18CWC01-1B）與負異常（18CWC01-2B）、MORB類型（18LC01-1B）以及E-MORB類型（18LC03-1B、18NSC01-1B）。而砂岩的年代結果呈現多峰值頻譜，包含火山活動期間所形成的岩漿鋯石年代，以及與華夏陸塊沈積物相似的訊號。全岩釹同位素的結果，在嶺頂地區釹值為+9.5及+9.8、石梯坪地區的安山岩質釹值為+1.3至+2.2，而輝長岩包體釹值為+0.8，利吉層的蛇綠岩套釹值為+8.7至+11.1。 綜合實驗結果，本研究在嶺頂地區的結果為與前人研究相同，都屬於島弧岩漿的產物，但無法在年代部分給予新的討論。石梯坪地區所發現之安山岩岩塊以及輝長岩包體，與前人研究中北呂宋島弧岩漿末期噴發之地球化學特性與年代相近，本輝長岩為同時期之岩漿侵入所形成，本研究並提出在奇美火山4百萬年以來的岩漿活動模式應為三個階段：第一階段經較高程度部分熔融產生的基性岩漿上升至淺層的儲存庫，並發生地殼混染作用；第二階段經較低程度部分熔融產生的岩漿再次注入先前形成的路徑，結晶分異後形成中性岩漿；第三階段因再次注入的岩漿引發原儲存庫中的安山岩質岩漿上湧噴發，並捕獲了已形成圍岩的輝長岩，噴發後形成中酸性凝灰岩當中共存著輝長岩包體以及安山岩質的角礫岩。本研究分析的利吉層樣本，其中包含了東台灣蛇綠岩套以及沈積岩，蛇綠岩套中的岩石種類，地球化學數據因不同岩石來源而有差異，其年代分析結果指出，東台灣蛇綠岩年代為18-16百萬年，相較前人年代偏老，而在沈積岩中碎屑鋯石年代頻譜結果，則顯示其具有北呂宋島弧與華夏陸塊主要岩漿活動年代峰值的訊號。