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臺灣東部海岸颱風長浪群波引致之港灣振盪

臺灣東部海岸颱風長浪群波引致之港灣振盪

  • 統一編號GPN:1011000125
  • 出版日期:2021/02
  • 作/編/譯者:莊文傑
  • 語言:中文
  • 頁數:263
  • 裝訂:平裝


書籍介紹

本研究應用亞重力波的生成理論與波動特性,結合交通部運輸研究所港灣技術研究中心長年在臺灣5 個國際商港海域執行海氣象監測之長期性紀錄,針對颱風期間,透過花蓮港及蘇澳港外亞重力波源的頻譜分析與辨識,再藉低頻激振波動之協振盪作用,將港內、外之波動振盪特性與型態作聯結,並經相互之對照比較後,對於花蓮港及蘇澳港在颱風侵襲影響期間發生港灣振盪之相關課題,可得結論與建議如后。
1. 颱風波浪,振幅大,非線性高,本質具有高、低頻成分,其中,高頻波動之尖峰週期,主要集中在10~20 秒之長浪區間,因而由颱風長浪成分所構成之群波,週期一般也會大於100 秒,這意謂颱風波浪近最大波高期間,低頻的亞重力波( 0.2~2 cpm)會較彰顯,並容易造成港灣振盪!。
2. 國內港灣之規劃設計,大多針對屏蔽高頻波動為主,而造成港灣振盪及不靜穩之主因,往往是低頻波動,特別是由伴隨高頻群波之波揚與波降所陳示之約束長波或亞重力波。
3. 颱風長浪影響期間,花蓮港及蘇澳港內、外,經協振盪作用而引致港灣振盪之低頻波動源,實際皆係港外閉鎖於高頻群波下之波揚與波降效應所衍生。
4. 花蓮港與蘇澳港,港外颱風波浪之群波,自然會伴生波揚與波降效應,以致港灣振盪,無論在颱風期或季風期,皆必須經常面對,有所不同的,只是振盪程度之強弱與振盪振幅之大小,會隨港外颱風長浪高頻群波之波高大小變化而已。
5. 花蓮港之港灣振盪現象,應用MIKE21-EMS 緩坡方程式數值模式,可藉模擬計算方式,確認花蓮港與其港外的灣澳海域,具港灣振盪之整體性,因而會顯著受港外亞重力波之協振盪作用支配。
6. 花蓮港之港灣振盪,從港域內不同碼頭區及港域外波浪測站之振幅增幅反應曲線綜合研判,當港外亞重力波之激振週期約為100、130、160 及190 秒時,花蓮港內各碼頭區皆將面對振盪程度不等之港灣振盪。其中,當港外亞重力波之激振週期約為195 秒,且具有大於25 公分之較顯著波動振幅時,則花蓮港內各碼頭區將面對振盪程度最大的港灣共振。
7. 花蓮港外,亞重力波次要之自然振盪週期約是160 秒,在該激振頻率上,若其波動振幅大於10 公分,則因港內部分碼頭區之振幅增幅反應率約可達10 左右,因此,該頻率成分之亞重力波所可激發之港灣振盪,反而最顯著且嚴重。
8. 蘇澳港外,激發公務船渠產生港灣振盪之颱風長浪波源,主要之激振頻率對應之週期分別是273~429 秒(4.5~7.2 分鐘)、143~171 秒、92~103 秒、60~75 秒,皆係為港外閉鎖於群波下伴隨波揚與波降效應所衍生之約束長波。
9. 蘇澳港外,在強季風期間,閉鎖於港外高頻群波下的約束長波,主頻略高,趨近於0.3cpm,週期約200 秒,由於其略偏離蘇澳港激發港灣共振之自然振動頻率,以致公務船渠之港池振盪強度普遍偏弱。
10.花蓮港與蘇澳港之外港,可激發港灣共振之自然頻率約0.12~0.15 cpm,週期分別約為8.5分鐘與7 分鐘,只是具有該激振頻率之港外亞重力波源,因其振幅不大,故而不易促成激烈之港灣振盪。
11.閉鎖於港外高頻群波下之波揚與波降低頻波動,其頻率( 0.1~2 cpm)偏屬亞重力波頻段,振盪型態具有緣波特性,這在防制港灣振盪及釐訂改善對策時,值得特別注意。
12.在花蓮港與蘇澳港外,由於閉鎖於高頻群波下之約束長波,其振幅會隨群波波高之高低而改變大小,因此,對於防制港灣振盪之對策與改善建議,基於港灣配置之硬體層面調整不易,而僅就韌體層面,可藉臺灣東部海域颱風長浪演化特性的充分瞭解,在颱風長浪之侵襲影響期間,無論是否為發佈警報的颱風,當花蓮港或蘇澳港的逐時監測波浪,若其尖峰週期大於10 秒、示性波高大於1.5 公尺,即可依據莊、曾(2019)研提的瘋狗浪預警準則,對駐港船舶,警示加強繫纜或採取現況之避湧措施。
研究成果之效益:
(1) 學術成就(科技基礎研究)方面:發表國內研討會論文3 篇,出版研究報告1 冊。掌握科研課題之廣度與深度,擴展分析觀點,結合海岸專業知識,發揮波浪專業學能,辦識造成蘇澳港與花蓮港港灣振盪之長浪波源,並確認亞重力波主要係源自於高頻波群伴隨非線性效應所衍生之波揚與波降;
(2) 技術創新(科技整合創新)方面:以國內、外關於近岸海域長浪衍生之往昔研究成果為基礎,溫故知新,學以致用,並針對颱風長浪影響期間,應用時頻分析,詳實探討颱風長浪之群波特性,掌握關聯港灣振盪之主要波動源;
(3) 在經濟效益(經濟產業促進)方面:配合「災害防救法」,針對導致港灣振盪之關鍵影響因素,研提降減颱風長浪所造成港域不靜穩及港灣振盪影響之防制措施或改善對策,強化港灣功能,縮減颱風長浪影響期間之駐港船舶疏泊規模,具體落實總體性之港灣防災策略,樽節颱風長浪之防災與減災成本;
(4) 在社會影響(社會福祉提升、環保安全)方面:促成國家海氣象觀測資源之永續利用,詳實探討並瞭解颱風長浪在近岸海域之演化特性,精進海岸管理策略,有效施行港灣防災應變措施,強化港灣效能,提昇國際商港之港灣形象;
(5) 在其它效益(政策管理及其它)方面:因應氣候變遷與海岸災害風險,維護港灣運輸環境,落實「整體海岸管理計畫」,推動「海岸防護」與「海岸保護」目標,綜整海岸管理之課題與對策,導引海岸防災措施,健全海岸管理,提昇港灣災防技術。
可供本所或其他政府機關後續應用情形:
本研究配合本所推展「海洋及交通運輸防災技術研究」目標,落實「運輸環境災防
技術發展研究」項目,面對颱風長浪經常侵襲而造成港灣振盪之蘇澳港與花蓮港,有效應用國家海氣象觀測資源,結合海岸專業知識,發揮波浪專業學能,詳實探討颱風長浪之群波特性,掌握關聯港灣振盪之主要波動源,針對導致港灣振盪之關鍵影響因素,發揮海岸專業學能,學以致用,研提降減颱風長浪所造成港域不靜穩及港灣振盪影響之防制措施或改善對策,強化港灣功能,縮減颱風長浪影響期間之駐港船舶疏泊規模,具體落實總體性之港灣防災策略,樽節颱風長浪之防災與減災成本,降低港灣營運風險。相關具體成果可做為交通部、各港務分公司及各工程顧問公司等相關產、官單位從事港灣規劃、設計、擴建、維護及港灣防災的應用參據。

目次

中文摘要 ....................................................................................................... I
英文摘要 ................................................................................................... IV
目 錄 ......................................................................................................... VI
圖目錄 ......................................................................................................... IX
表目錄 .................................................................................................... XXV
第一章 緒論 .............................................................................................. 1-1
1.1 研究緣起 ................................................................................. 1-1
1.2 文獻回顧 ................................................................................. 1-3
1.3 工作項目 ................................................................................. 1-7
1.4 研究成果之效益與應用 ......................................................... 1-7
1.4.1 研究成果效益 ------------------------------------------------ 1-7
1.4.2 在業務施政上的應用 --------------------------------------- 1-8
第二章 臺灣東部近海之波浪與風速監測 .............................................. 2-1
2.1 蘇澳港及花蓮港之海氣象監測 ............................................. 2-1
2.2 風與波浪監測紀錄匯整 ......................................................... 2-3
2.2.1 風 --------------------------------------------------------------- 2-3
2.2.2 波浪 ------------------------------------------------------------ 2-8
2.3 波壓紀錄之轉換處理 ........................................................... 2-16
2.4 風浪監測與分析資料之檢選 ............................................... 2-27
2.5 颱風波浪特性分析 ............................................................... 2-29
2.5.1 臺灣近海之颱風長浪監測 -------------------------------- 2-29
2.5.2 臺灣東部海域颱風波浪之關聯特性 -------------------- 2-40
2.5.3 颱風長浪之傳播速度 -------------------------------------- 2-46
2.5.4 近岸颱風長浪之演化歷程 -------------------------------- 2-47
2.5.5 颱風長浪之判識 -------------------------------------------- 2-64
2.6 季風波浪特性分析 ............................................................... 2-67
2.6.1 臺灣近海之季風波浪監測 -------------------------------- 2-67
2.6.2 東北季風與區域風浪之關聯特性 ----------------------- 2-75
2.6.3 西南季風與區域風浪之關聯特性 ----------------------- 2-90
2.6.4 東北季風波浪之演化歷程 ------------------------------ 2-100
第三章 花蓮港颱風長浪群波引致之港灣振盪 ...................................... 3-1
3.1 花蓮港域之配置 ..................................................................... 3-1
3.2 颱風影響期間之港外與港內波動紀錄分析 ......................... 3-4
3.3 颱風影響期間之港灣振盪型態與特性分析 ......................... 3-9
3.4 地震引起之港灣振盪特性分析 ........................................... 3-17
3.5 花蓮港內外颱風長浪之波動特性分析 ............................... 3-22
3.6 花蓮港外激發港灣振盪之亞重力波源辨識 ....................... 3-33
3.7 花蓮港外之颱風波浪與港灣振盪模擬 ............................... 3-39
3.8 研提防制措施及改善對策 ................................................... 3-46
第四章 蘇澳港颱風長浪群波引致之港灣振盪 ...................................... 4-1
4.1 蘇澳港域之配置 ..................................................................... 4-1
4.2 颱風影響期間之港外與港內波動監測紀錄整理 ................. 4-2
4.3 蘇澳港公務船渠在颱風影響期間之港灣振盪特性分析 ..... 4-6
4.4 颱風影響期間港外之亞重力波辨識 ..................................... 4-8
4.5 港灣振盪與港外波動源之關聯性 ....................................... 4-12
4.6 研提防制措施及改善對策 ................................................... 4-20
第五章 結論與建議 .................................................................................. 5-1
5.1 結論與建議 ............................................................................. 5-2
5.2 研究成果之效益 ..................................................................... 5-4
5.3 可供本所或其他政府機關後續應用情形 ............................. 5-5

編/著/譯者簡介

主辦單位:港灣技術研究中心
主管:蔡立宏
計劃主持人:莊文傑
研究人員:莊文傑
參與人員:傅怡釧、蔡世璿

序言/導讀

本研究應用亞重力波的生成理論與波動特性,結合交通部運輸研究所港灣技術研究中心長年在臺灣5 個國際商港海域執行海氣象監測之長期性紀錄,針對颱風期間,透過花蓮港及蘇澳港外亞重力波源的頻譜分析與辨識,再藉低頻激振波動之協振盪作用,將港內、外之波動振盪特性與型態作聯結,並經相互之對照比較後,對於花蓮港及蘇澳港在颱風侵襲影響期間發生港灣振盪之相關課題,可得結論與建議如后。 1. 颱風波浪,振幅大,非線性高,本質具有高、低頻成分,其中,高頻波動之尖峰週期,主要集中在10~20 秒之長浪區間,因而由颱風長浪成分所構成之群波,週期一般也會大於100 秒,這意謂颱風波浪近最大波高期間,低頻的亞重力波( 0.2~2 cpm)會較彰顯,並容易造成港灣振盪!。 2. 國內港灣之規劃設計,大多針對屏蔽高頻波動為主,而造成港灣振盪及不靜穩之主因,往往是低頻波動,特別是由伴隨高頻群波之波揚與波降所陳示之約束長波或亞重力波。 3. 颱風長浪影響期間,花蓮港及蘇澳港內、外,經協振盪作用而引致港灣振盪之低頻波動源,實際皆係港外閉鎖於高頻群波下之波揚與波降效應所衍生。 4. 花蓮港與蘇澳港,港外颱風波浪之群波,自然會伴生波揚與波降效應,以致港灣振盪,無論在颱風期或季風期,皆必須經常面對,有所不同的,只是振盪程度之強弱與振盪振幅之大小,會隨港外颱風長浪高頻群波之波高大小變化而已。 5. 花蓮港之港灣振盪現象,應用MIKE21-EMS 緩坡方程式數值模式,可藉模擬計算方式,確認花蓮港與其港外的灣澳海域,具港灣振盪之整體性,因而會顯著受港外亞重力波之協振盪作用支配。 6. 花蓮港之港灣振盪,從港域內不同碼頭區及港域外波浪測站之振幅增幅反應曲線綜合研判,當港外亞重力波之激振週期約為100、130、160 及190 秒時,花蓮港內各碼頭區皆將面對振盪程度不等之港灣振盪。其中,當港外亞重力波之激振週期約為195 秒,且具有大於25 公分之較顯著波動振幅時,則花蓮港內各碼頭區將面對振盪程度最大的港灣共振。 7. 花蓮港外,亞重力波次要之自然振盪週期約是160 秒,在該激振頻率上,若其波動振幅大於10 公分,則因港內部分碼頭區之振幅增幅反應率約可達10 左右,因此,該頻率成分之亞重力波所可激發之港灣振盪,反而最顯著且嚴重。 8. 蘇澳港外,激發公務船渠產生港灣振盪之颱風長浪波源,主要之激振頻率對應之週期分別是273~429 秒(4.5~7.2 分鐘)、143~171 秒、92~103 秒、60~75 秒,皆係為港外閉鎖於群波下伴隨波揚與波降效應所衍生之約束長波。 9. 蘇澳港外,在強季風期間,閉鎖於港外高頻群波下的約束長波,主頻略高,趨近於0.3cpm,週期約200 秒,由於其略偏離蘇澳港激發港灣共振之自然振動頻率,以致公務船渠之港池振盪強度普遍偏弱。 10.花蓮港與蘇澳港之外港,可激發港灣共振之自然頻率約0.12~0.15 cpm,週期分別約為8.5分鐘與7 分鐘,只是具有該激振頻率之港外亞重力波源,因其振幅不大,故而不易促成激烈之港灣振盪。 11.閉鎖於港外高頻群波下之波揚與波降低頻波動,其頻率( 0.1~2 cpm)偏屬亞重力波頻段,振盪型態具有緣波特性,這在防制港灣振盪及釐訂改善對策時,值得特別注意。 12.在花蓮港與蘇澳港外,由於閉鎖於高頻群波下之約束長波,其振幅會隨群波波高之高低而改變大小,因此,對於防制港灣振盪之對策與改善建議,基於港灣配置之硬體層面調整不易,而僅就韌體層面,可藉臺灣東部海域颱風長浪演化特性的充分瞭解,在颱風長浪之侵襲影響期間,無論是否為發佈警報的颱風,當花蓮港或蘇澳港的逐時監測波浪,若其尖峰週期大於10 秒、示性波高大於1.5 公尺,即可依據莊、曾(2019)研提的瘋狗浪預警準則,對駐港船舶,警示加強繫纜或採取現況之避湧措施。 研究成果之效益: (1) 學術成就(科技基礎研究)方面:發表國內研討會論文3 篇,出版研究報告1 冊。掌握科研課題之廣度與深度,擴展分析觀點,結合海岸專業知識,發揮波浪專業學能,辦識造成蘇澳港與花蓮港港灣振盪之長浪波源,並確認亞重力波主要係源自於高頻波群伴隨非線性效應所衍生之波揚與波降; (2) 技術創新(科技整合創新)方面:以國內、外關於近岸海域長浪衍生之往昔研究成果為基礎,溫故知新,學以致用,並針對颱風長浪影響期間,應用時頻分析,詳實探討颱風長浪之群波特性,掌握關聯港灣振盪之主要波動源; (3) 在經濟效益(經濟產業促進)方面:配合「災害防救法」,針對導致港灣振盪之關鍵影響因素,研提降減颱風長浪所造成港域不靜穩及港灣振盪影響之防制措施或改善對策,強化港灣功能,縮減颱風長浪影響期間之駐港船舶疏泊規模,具體落實總體性之港灣防災策略,樽節颱風長浪之防災與減災成本; (4) 在社會影響(社會福祉提升、環保安全)方面:促成國家海氣象觀測資源之永續利用,詳實探討並瞭解颱風長浪在近岸海域之演化特性,精進海岸管理策略,有效施行港灣防災應變措施,強化港灣效能,提昇國際商港之港灣形象; (5) 在其它效益(政策管理及其它)方面:因應氣候變遷與海岸災害風險,維護港灣運輸環境,落實「整體海岸管理計畫」,推動「海岸防護」與「海岸保護」目標,綜整海岸管理之課題與對策,導引海岸防災措施,健全海岸管理,提昇港灣災防技術。 可供本所或其他政府機關後續應用情形: 本研究配合本所推展「海洋及交通運輸防災技術研究」目標,落實「運輸環境災防 技術發展研究」項目,面對颱風長浪經常侵襲而造成港灣振盪之蘇澳港與花蓮港,有效應用國家海氣象觀測資源,結合海岸專業知識,發揮波浪專業學能,詳實探討颱風長浪之群波特性,掌握關聯港灣振盪之主要波動源,針對導致港灣振盪之關鍵影響因素,發揮海岸專業學能,學以致用,研提降減颱風長浪所造成港域不靜穩及港灣振盪影響之防制措施或改善對策,強化港灣功能,縮減颱風長浪影響期間之駐港船舶疏泊規模,具體落實總體性之港灣防災策略,樽節颱風長浪之防災與減災成本,降低港灣營運風險。相關具體成果可做為交通部、各港務分公司及各工程顧問公司等相關產、官單位從事港灣規劃、設計、擴建、維護及港灣防災的應用參據。

分類 其他詳細資訊
  • 適用對象:成人(學術性)
  • 關鍵詞:亞重力波、群波、包絡波、波揚與波降、港灣共振、時頻分析、自由長波、約束長波
  • 附件:無附件
  • 頁/張/片數:263
授權資訊
  • 著作財產權管理機關或擁有者:交通部運輸研究所
  • 取得授權資訊:聯絡處室:交通部運輸研究所港灣技術研究中心 姓名:周于楨 電話:04-26587150 地址:台中市梧棲區中橫十路2號