國立成功大學近海水文中心
Coastal Ocean Monitoring Center, National Cheng Kung University (COMC, NCKU)

海氣象觀測樁 Offshore Pile Station

在海上收集海氣象資料遠較陸地困難，因此國際上發展多種平台承載觀測儀器進行，觀測樁為其中一種，可將海氣象觀測樁視為海上固定式自動海氣象觀測站。除了設置海氣象專用的觀測樁以外，有時也會利用既有的海上固定式平台觀測，例如：測風塔、外海卸煤碼頭等。
常見的海象觀測項目包含水溫、潮汐、波浪…等，氣象觀測項目包含氣溫、氣壓、風…等，本中心在成立以前即研究在觀測樁遙測水位進而分析方向波譜技術，專用的觀測樁設置於台中與台西外海，並應用於高雄與七股外海海氣象觀測樁、台電興達電廠卸煤棧橋、中油新竹國光平台、台電興達電廠外海卸煤碼頭與彰化外海離岸風電測風塔。除了開發與運用分析方向波譜技術之外，本中心亦積極導入新式的遙測儀器以及發展系統整合技術，以提昇觀測資料品質。除此之外，交通部運輸研究所亦建置觀測樁，例如：台北港觀測樁具備觀測風的功能。

圖1為本中心海氣象觀測樁的觀測系統架構圖，其中的感測器係挑選當時適用的產品，可隨著感測技術進步而更換，例如：早期使用公分等級的音波式水位計觀測水位並分析方向波譜，如今已提昇為雷達波水位計，準確度達公厘等級。透過研發資料擷取系統，能將感測器、電源子系統與傳輸設備整合為一觀測系統，也使得本系統具備高度的擴充性，並能根據多樣的海氣象觀測需求客製化。圖2為觀測系統尺寸範例圖，係依據七股海氣象觀測樁的平台尺寸而設計，觀測系統尺寸會隨著海氣象觀測樁的平台尺寸而調整。

圖1 近海水文中心作業化波浪預測系統

圖2 觀測系統尺寸範例圖

名稱	量測範圍	準確度
氣溫計	-40 ~ 60 ℃	0.2 ℃
氣壓計	800 ~ 1,100 hPa	1.8 hPa
風速計(螺旋槳式)	0 ~ 100 m/s	±0.3 m/s
風速計(超音波式)	0 ~ 65 m/s	±0.2 m/s
風向計(螺旋槳式)	0 ~ 360°	3°
風向計(超音波式)	0 ~ 360°	2°
水溫計	0 ~ 50 ℃	0.05 ℃
雷達波水位計	可達70 m	±3 mm @distance ≤ 30 m ±0.01% F.S. @distance > 30 m

觀測原理

海氣象觀測樁的觀測項目中，波浪觀測為其中較為複雜者，主要原理包含感測器與方向波譜兩部分，說明如下：

方向波譜

上述的一維波譜可由觀測的水位，經過快速傅立葉轉換(Fast Fourier Transform, FFT)得到，而方向分布函數可以有限傅利葉級數法(Truncated Fourier Series Method)、最大概似法(Maximum Likelihood Method)、貝氏推估法(Bayesian Directional Method)、最大熵法(Maximum Entrppy Method)以及其修正等形式，方向分布函數須滿足式(3)，基於式(4)以及計算不同位置水位的交錯譜而得到聯立方程式，即可求解方向分布函數。