南灣海域位處台灣最南端，面向呂宋海峽，為一處半封閉型海灣，東南鄰接太平洋，西為台灣海峽及中國南海，從海洋環流來看，南灣海域恰巧位於南海環流與黑潮邊緣之一端，各種水團，如黑潮、南海中層水及近岸混合水交匯於此，水團衍變因而呈現複雜的季節變化。台電公司第三核能發電廠建廠於此，並將溫排水口設於近貓鼻頭角，為了解溫水排放是否對當地海域生態及珊瑚造成影響，已有長期之水溫及其它環境影響因子的監測調查。本文首先整理前人在南灣海域所貢獻之水文調查資料，以供研判南灣水溫升降之過程及動力機制。在前人的研究中，可能受限於資源設備，因而資料不足，或因受限於使用之資料分析工具，而未能探討物理機制。
本報告採用南灣台電核三廠出水口處之水溫資料做訊號的分析。對於非線性和非穩態資料分析，本報告採用黃鍔博士等人倡導而衍生的HHT方法(希伯特黃轉換，Hilbert-Huang transform) 。HHT包含處理的經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)，利用該分解法可以把原始資料分解成多個內建模態函數(Intrinsic Mode Function，簡稱IMF量)。本文利用Hilbert轉換及IMF解析能譜分佈在時間歷程之變化，可以更清楚了解核三廠水口處水溫升降的原因，並且就HHT 前處理方法所得到的分量，進一步研究各個分量的特性。分析的水溫資料，共有14組，時間涵蓋約4年(由1999到2003年) 。由資料分析的結果顯示造成該處海域溫度升降的主因，主要是由潮汐與風速所造成，是否受到內波、水團或地形等其它因素影響，則需更多的資料來做進一步的分析與探討。本報告同時比較傳統的頻域分析法FFT與HHT對同一筆水溫資料的異同，進而比較兩者的優缺點，以供後續研究採用。

Nan Wan is a half-closed embayment in the most southern part of Taiwan. While facing the Luzon Strait, it also connects to the Pacific Ocean in its southeast, and is adjacent the Taiwan Strait and the South China Sea . In view of general oceanic circulation, Nan Wan Bay happens to lie to the rim of South China Sea circumfluence and Kuroshio where a variety of water mass exchange has taken place, causing saline intrusion and mixed of water. Seasonal variation and tidal fluctuations also contribute to the exchange of water masses.
The Third Nuclear Power Station of Taiwan Power Company is located in Nan Wan with its thermal discharge outlet adjacent to Maobitou to the west of the bay in order to minimize the effect of warm water discharge on the local marine ecology and coral . A long-term monitoring program on water temperature and other environmental factors has been set up implemented .this research report will first describe the archives regarding the hydrology in Nan Wan in support of monitoring the process in temperature variation . Previous research efforts are found somehow unable reveal precisely the physical mechanism leading to water temperature variations in the bay, due to limited facilities, short of information or poor analytical tools.
This report adopts 14 records of water temperature at the thermal outlet of the Third Nuclear Power Station for signal analysis. As to non-linear and unstable data analysis, it is based on the Hilbert-Huang Transform. HHT includes Empirical Mode Decomposition, EMD which could decompose the raw data into numerous Intrinsic Mode Function, IMF. It is allowed to comprehend the main causes for the rising and dropping of water temperature based on the variation of spectroscopy by transferring through Hilbert and analyzing via IMF. Furthermore, the characteristic of each quantity could be developed according to the quantities acquired from the former method of HHT. The analytical report of water temperature covers 14 records dating from 1999 to 2003. In light of the analytical report, tide and wind account for the main cause of the temperature variation in waters while demanding information to ensure whether it is influenced by other factors like internal waves, water masses or landforms, etc. In addition, the report compares the difference in the same of data between FFT and HHT and moreover concludes the advantages and disadvantages as reference for researches.

謝誌......................................................i
中文摘要..................................................ii
英文摘要.................................................iii
目錄......................................................v
圖目錄..................................................viii
表目錄...................................................xii
第一章 緒論.............................................1
1.1 前言...........................................1
1.2 南灣地形.......................................1
1.3 南灣潮汐.......................................2
1.4 文獻回顧.......................................3
第二章 研究目的與資料來源...............................5
2.1 研究目的.......................................5
2.2 資料來源.......................................6
第三章 研究方法.........................................8
3.1 快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform).............9
3.2 希伯特黃轉換(HHT)分析法之原理.................11
3.2.1 瞬頻(Instantaneous Frequency)..........................11
3.2.2 本質模態函數(IMF)..................................14
3.2.3 經驗模態分解法(Empirical Mode Decomposition)..........15
3.2.4 完整性與正交性(Completeness and Orthogonality).........22
3.2.5 希伯特(Hilbert)能譜分析..............................26
第四章 分析結果........................................28
4.1 資料1-1999年4月溫度資料........................28
4.2 資料2-1999年7∼8月溫度資料.....................32
4.3 資料3-2000年2∼4月溫度資料.....................35
4.4 資料3-2000年7∼8月溫度資料.....................38
4.5 資料5-2000年10∼12月溫度資料...................41
4.6 資料6-2000年12月∼2001年1月溫度資料............44
4.7 資料7-2001年3∼5月溫度資料.....................47
4.8 資料8-2001年4∼6月溫度資料.....................50
4.9 資料9-2001年7∼9月溫度資料.....................53
4.10 資料10-2001年9∼10月溫度資料..................56
4.11 資料11-2002年2∼3月溫度資料...................59
4.12 資料12-2002年4∼6月溫度資料...................62
4.13 資料13-2002年6∼7月溫度資料...................65
4.14 資料14-2003年1∼2月溫度資料...................68
第五章 討論............................................71
5.1 潮汐的影響....................................71
5.2 溫排水的影響..................................79
5.3 季風的影響....................................80
5.4 水團的影響....................................93
5.5 內波的影響....................................95
第六章 結論與建議...................................98
6.1 結論..........................................98
6.2 建議.........................................100
參考文獻................................................102
附錄(一) HHT程式之組織架構............................104
附錄(二) HHT方程式(林柏青，2003) .....................105
附錄(三) 溫度資料.....................................127
圖目錄

圖1-1 南灣海域測站位置(摘錄自Lee，1999)....……………………………….2
圖3-1 平面相位X(t)= a+ sin(t)之物理示意圖(Huang et al.,1998)……..……..13
圖3-2 X(t)= a+ sin(t)之相位平面圖(Huang et al.,1998)……………..…..……13
圖3-3 X(t)= a+ sin(t)之瞬時頻率圖(Huang et al.,1998).…………..……..…...14
圖3-4 典型的本質模態函數(Huang et al.,1998).……………………………..15
圖3-5 資料移動處理之圖解(a)原始資料X(t)，(b)均值包絡線 ，(c)經處理後之 序列(Huang et al.,1998).……..…………..………………………..17
圖3-6 原始資料經過第二、三次處理後之 、 圖(Huang et al.,1998)..…..19
圖3-7 一組風速的原始資料(Huang et al.,1998).……..………..……………..21
圖3-8 原始風的資料經處理後得到的IMF九個分量(Huang et al.,1998)..…..22
圖3-9 IMF分量逐步疊加重建與原始資料之比較(Huang et al.,1998)…..…..25
圖4-1(a) 資料1之原始溫度時序列(1999年4月)…………..…………………….29
圖4-1(b) 資料1之IMF頻域分量組合.....................................................................30
圖4-1(c) 資料1三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………….………..……..31
圖4-1(d) 資料1時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)…….……….31
圖4-2(a) 資料2之原始溫度時序列(1999年7∼8月)……...……………..………32
圖4-2(b) 資料2之IMF頻域分量組合………………………………..…………..33
圖4-2(c) 資料2三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖…………………...……..34
圖4-2(d) 資料2時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)…….….……34
圖4-3(a) 資料3之原始溫度時序列(2000年2∼4月)…………….………………35
圖4-3(b) 資料3之IMF頻域分量組合………………………..…………………..36
圖4-3(c) 資料3三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………………….……...37
圖4-3(d) 資料3時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)………..….37
圖4-4(a) 資料4之原始溫度資料之時序列(2000年7∼8月)………………...38
圖4-4(b) 資料4之IMF頻域分量組合…..…….…………………….……...……..39
圖4-4(c) 資料4三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖……….……….………...40
圖4-4(d) 資料4時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線) …………..40
圖4-5(a) 資料5之原始溫度資料時序列(2000年10∼12月)……...……...……...41
圖4-5(b) 資料5之IMF頻域分量組合…..……….…………………….…...……..42
圖4-5(c) 資料5三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖……….….………...……43
圖4-5(d) 資料5時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……..…...…43
圖4-6(a) 資料6之原始溫度時序列(2000年12月∼2001年1月) ….…..….....44
圖4-6(b) 資料6之IMF頻域分量組合…………………………………………….45
圖4-6(c) 資料6三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………………………….46
圖4-6(d) 資料6時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)………..……46
圖4-7(a) 資料7之原始溫度時序列(2001年3∼5月)……………………….……47
圖4-7(b) 資料7之IMF頻域分量…………………………………………………48
圖4-7(c) 資料7三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖…………………………49
圖4-7(d) 資料7時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………..49
圖4-8(a) 資料8之原始溫度時序列(2001年4∼6月)…………………………….50
圖4-8(b) 資料8之IMF頻域分量組合……………………………………………51
圖4-8(c) 資料8三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖…………………………52
圖4-8(d) 資料8時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………..52
圖4-9(a) 資料9之原始溫度時序列(2001年7∼9月)…………………………….53
圖4-9(b) 資料9之IMF頻域分量組合……………………………………………54
圖4-9(c) 資料9三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖…………………………55
圖4-9(d) 資料9時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………..55
圖4-10(a) 資料10之原始溫度時序列(2001年9∼10月)………………………….56
圖4-10(b) 資料10之IMF頻域分量組合…………………………………………..57
圖4-10(c) 資料10三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖…………….………….58
圖4-10(d) 資料10時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………58
圖4-11(a) 資料11之原始溫度資料之時序列(2002年2∼3月)…………………...59
圖4-11(b) 資料11之IMF頻域分量組合…………………………………………..60
圖4-11(c) 資料11三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………………………..61
圖4-11(d) 資料11時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………61
圖4-12(a) 資料12之原始溫度資料之時序列(2002年4∼6月)…………………...62
圖4-12(b) 資料12之IMF頻域分量組合…………………………………………..63
圖4-12(c) 資料12三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………………………..64
圖4-12(d) 資料12時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………64
圖4-13(a) 資料13之原始溫度時序列(2002年6∼7月)…………………………...65
圖4-13(b) 資料13之IMF頻域分量組合…………………………………………..66
圖4-13(c) 資料13三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖………………………..67
圖4-13(d) 資料13時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)……………67
圖4-14(a) 資料14之原始溫度資料之時序列(2003年1∼2月)…………………...68
圖4-14(b) 資料14之IMF頻域分量組合…….……………………………………..69
圖4-14(c) 資料14三維Hilbert時域－頻域－能量能譜圖……….………………..70
圖4-14(d) 資料14時序列的邊際能譜圖(實線)與傅立葉頻譜(虛線)…….………70
圖5-1 14筆溫度資料之年度趨勢(橫軸代表月份，縱軸代表溫度℃)……….74
圖5-1(a) 相對應於資料3之原始潮汐資料之時序列(2000年2∼4月)………….76
圖5-1(b) 相對應於資料11之原始潮汐資料之時序列(2002年2∼3月)………...76
圖5-1(c) 相對應於資料14之原始潮汐資料之時序列(2003年1∼2月)………...77
圖5-1(d) 相對應於資料3之潮汐邊際頻譜圖(2000年2∼4月)………………….77
圖5-1(e) 相對應於資料11之潮汐邊際頻譜圖(2002年2∼3月)………………...78
圖5-1(f) 相對應於資料14之潮汐邊際頻譜圖(2003年1∼2月)…………………78
圖5-1(g) 相對應於資料8之原始水溫資料之時序列(2003年1∼2月，鵝鑾鼻海上浮標所測)……..………………………………………………….……..79
圖5-3(a) 相對應於資料3之原始風速資料之時序列(2000年2∼4月，恆春測站)…………………………………………………………………….…83
圖5-3(b) 相對應於資料11之原始風速資料之時序列(2002年2∼3月，恆春測站)……………………………………………………………………….83
圖5-3(c) 相對應於資料14之原始風速資料之時序列(2003年1∼2月，恆春測站)……………………………………………………………………….84
圖5-3(d) 相對應於資料6之原始風速資料之時序列(2000年12月∼2001年1月，鵝鑾鼻海上測站)……………………………………………….………84
圖5-3(e) 相對應於資料7之原始風速資料之時序列(2001年3∼5月，鵝鑾鼻海上測站)…………………………………………………………………….85
圖5-3(f) 相對應於資料8之原始風速資料之時序列(2001年4∼6月，鵝鑾鼻海上測站)…………………………………………………………………….85
圖5-3(g) 相對應於資料9之原始風速資料之時序列(2001年7∼9月，鵝鑾鼻海上測站)…………………………………………………………………….86
圖5-3(h) 冬季原始風速資料之時序列(2002年10∼2003年3月， 鵝鑾鼻海上測站)……………………………………………………………………….86
圖5-3(i) 相對應於資料3之風速邊際頻譜圖(2000年2∼4月，恆春測站)………87
圖5-3(j) 相對應於資料11之風速邊際頻譜圖(2002年2∼3月，恆春測站)…….87
圖5-3(k) 相對應於資料14之風速邊際頻譜圖(2003年1∼2月，恆春測站)……88
圖5-3(l) 相對應於資料6之風速邊際頻譜圖(2000年12月∼2001年1月，鵝鑾鼻海上測站)……………………………………………………………….88
圖5-3(m) 相對應於資料7之風速邊際頻譜圖(2001年3∼5月，鵝鑾鼻海上測站)………………………………………………………………………...89
圖5-3(n) 相對應於資料8之風速邊際頻譜圖(2001年4∼6月，鵝鑾鼻海上測站)………………………………………………………………………...89
圖5-3(o) 相對應於資料9之風速邊際頻譜圖(2001年7∼9月，鵝鑾鼻海上測站)………………………………………………………………………...90
圖5-3(p) 冬季風速邊際頻譜圖(2002年10∼2003年3月，鵝鑾鼻海上測站)……90
圖5-3(q) 相對應於資料14之原始風速資料之時序列(2003年1∼2月，鵝鑾鼻海上測站)……………………………………………………………………...91
圖5-3(r) 相對應於資料14之風速邊際頻譜圖(2003年1∼2月，鵝鑾鼻海上測站)...………………………………………………………………………91
圖5-3(s) 相對應於資料14之IMF頻域分量組合(2003年1∼2月，鵝鑾鼻海上測站)……………………………………………………………………….92
圖5-4 台灣附近海域海底地形圖(海洋科學研究中心提供)…………...…….94
圖5-5(a) 水深溫度變化圖(Yang et al.,2004)…………………………………….96
圖5-5(b) 資料1之水溫時序列………………………………………..………….96
圖5-5(c) 水深溫度變化圖(許明光教授提供)…………………………………...97
圖5-5(d) 資料8之水溫時序列………………………………………….……….97
圖6-1 SAR衛星影像圖(許明光教授提供)…………………………………..101
表目錄

表2.1 南灣核三廠出水口處溫度資料………………………..……………………7
表5.1 14筆溫度資料之最大能量週期……………………..…….………………73
表5.2 最高、低溫度時間對照表……………………………………..………….75

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