110 高普考高考三級 海洋技術 海洋監測與技術 考古題詳解
第 一 題20 分
海洋環境是影響海洋基礎（或初級）生產力（primary production）變動的主要因素，而基礎生產力則是維繫海洋生態系食物網運轉的基礎。
請論述在維護各種海洋生態系時，有哪些物理和化學類型的海洋環境因子，是具有關鍵性和共通性的監測項目，並說明原因。
可以使用什麼探測技術（科儀設備及其分析的主要原理）進行現場監測的工作？
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核心觀念
海洋基礎生產力是指海洋自營性生物（主要為浮游植物）在單位時間、單位面積或水體體積內，藉由光合作用固定無機碳、形成有機物的速率。它受光照、溫度、水體混合與營養鹽供應共同控制，也會受到溶氧及海水碳酸系統等環境條件影響。
本題的重點，是從不同海洋生態系都適用的環境條件中，挑出影響初級生產、可量測且具長期監測價值的物理與化學因子，並說明各因子的生態意義，以及可用的現場儀器和分析原理。
解題方法
可依「能量來源、水團條件、光環境、營養供應、生態系代謝與碳化學」的脈絡作答。對每項監測因子，交代三件事：它如何影響初級生產、為何適合跨生態系監測，以及現場如何量測。題目要求的是共通性監測項目，不必將各生態系特有的指標逐一列舉。
物理環境因子
1. 水溫
水溫影響浮游植物的光合作用、呼吸、酵素反應及生長速率，也會影響營養鹽再生與生物物種組成。水溫與鹽度共同決定海水密度，因而控制水體分層、垂直混合和營養鹽由深層輸送至表層的程度。
溫度是各類海洋環境皆可比較的基本水文量，也可用來辨識水團及追蹤季節或長期變化。
**現場量測：**CTD（電導度、溫度、深度儀）以溫度感測器量測水溫。常見感測原理為鉑電阻的電阻隨溫度改變，儀器據此換算溫度；CTD 下放時可取得垂直剖面。
2. 鹽度與水體分層
鹽度反映海水中溶解鹽類的總體狀況，受蒸發、降雨、河川淡水、海冰融凍及水團混合影響。鹽度與溫度共同影響海水密度；密度差異形成的分層會抑制垂直混合，減少深層營養鹽進入透光層。分層也可能使表層浮游植物較難取得深層營養鹽，影響生產力的季節與空間分布。
**現場量測：**CTD 以電導度感測器量測海水導電能力，配合溫度、壓力資料，依海水狀態方程換算鹽度。溫度、鹽度與深度剖面可用來判讀水團和分層狀況。
3. 光照與透光環境
光是光合作用的能源。海面日照強度、日長及光在水中的衰減，決定透光層深度與浮游植物可利用的光量。懸浮顆粒、浮游生物、溶解有色物質及海水本身都會使光衰減；濁度升高時，透光層可能變淺，限制光合作用的垂直範圍。
現場量測：
- **PAR 感測器：**量測光合有效輻射（PAR，波長約 至 ），通常以光子通量密度表示，可在不同深度量測光場。
- **透射計或光學濁度計：**依光束通過水體後的透射光強度或散射光強度，判定水體透明度或濁度。透射光衰減可用比耳–朗伯定律描述：光強度隨光程與衰減係數增加而降低。
- **Secchi 盤：**將黑白盤下放至肉眼剛好不可見的深度，作為水體透明度的簡便指標；適合快速調查，但精度與可比性低於儀器量測。
4. 水體混合、流速與水團輸送
潮汐、風浪、湧升流、渦流及沿岸流會改變水體混合與營養鹽輸送。適度混合可將深層營養鹽帶至表層；混合過強則可能使浮游植物停留於透光層以下，降低其受光時間。流場監測也有助於判讀營養鹽、浮游植物與水團的來源及移動路徑。
**現場量測：**聲學都卜勒流速剖面儀（ADCP）向水中發射聲波，接收懸浮顆粒反射的回波，利用回波頻率的都卜勒位移估算各深度的流速與流向。搭配溫鹽深剖面，可判讀水團結構及輸送狀況。
化學環境因子
1. 溶解無機營養鹽
硝酸鹽、亞硝酸鹽、銨鹽、磷酸鹽及矽酸鹽是浮游植物生長所需的主要營養元素來源。氮、磷常限制初級生產；矽則與矽藻細胞壁形成及其生長有關。營養鹽濃度與比例的變化會影響生產力及浮游植物群聚組成。河川輸入、湧升、沉降有機物分解及生物吸收都會改變其濃度，因此應配合水深與季節進行監測。
現場量測與分析：
第 二 題25 分
請問我國目前有哪些海洋研究船是由國立大學管理與維運？
這些海洋研究船上有哪些隨船科儀設備，其功能為何？
如何確保這些科儀設備測量結果的準確性？
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核心觀念
本題考查我國由國立大學管理、營運的海洋研究船，以及船載科儀的觀測功能與量測品質控管。作答時應把「船舶平台」和「隨船科儀」分開說明：研究船提供海上作業與部署平台，科儀則用來觀測海水、海流、海床、氣象或採集樣本。
以下以民國 110 年前後的國家研究船隊為範圍。當時由國立大學管理營運的主要研究船為：
- 國立臺灣大學：新海研一號，接替舊海研一號執行海洋調查。
- 國立臺灣海洋大學：新海研二號，接替舊海研二號。
- 國立中山大學：新海研三號，接替舊海研三號。
舊船與新船在交接、汰換期間可能有重疊，因此答題時應以命題年度的管理營運狀態為準，並以「新海研一、二、三號」作為當時大學管理的主力船隊回答。
解題方法
先依管理單位列出船名，再依觀測對象分類設備。這種寫法能避免只羅列儀器縮寫，卻沒有交代用途；最後以校正、比對、維護和資料品管說明如何確保量測準確。
隨船科儀及功能
各船設備配置會因船型、任務和年度維護而異，以下列出常見的研究船載設備及其主要功能：
| 科儀或系統 | 主要功能 |
|---|---|
| 溫鹽深儀（CTD）及輪盤採水器 | CTD連續量測水柱中的電導度、溫度與壓力，據以換算鹽度及深度；輪盤採水器可在指定深度關瓶採集海水，供溶氧、營養鹽、碳化學或生物分析。 |
| 船載式都卜勒流剖儀（ADCP） | 利用聲波都卜勒頻移量測船下方不同深度的流速與流向，取得海流垂直剖面。 |
| 單音束及多音束測深聲納 | 單音束量測船下方水深；多音束同時掃描較寬海床範圍，用於繪製海底地形。 |
| 底質剖面儀、側掃聲納等聲學設備 | 探測海床下淺層沉積構造或海床表面地貌，支援地質調查與海床判釋。 |
| 表層水文觀測系統（如TSG） | 航行中連續量測表層海水溫度、鹽度等資料，建立航線上的表層水文變化。 |
| 氣象觀測系統 | 量測風速、風向、氣溫、氣壓、濕度等海上氣象資料，供環境研究及觀測資料修正使用。 |
| 船體定位與運動感測系統（GPS、姿態感測器等） | 記錄位置、航向、橫搖、縱搖及升沉等資訊，供聲納、測深及海流資料定位與姿態補償。 |
第 三 題25 分
請論述現代有哪些全球性的衛星遙測資料以及水下自動化探測科技。這些衛星遙測資料與水下科技可以用來從事哪些項目的海洋環境監測？
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核心觀念
本題考查海洋觀測的兩種互補途徑：衛星遙測提供大範圍、重複且近乎同步的海表資訊；水下自動化探測則補足水體內部與深海的剖面、連續及定點資料。兩者與船舶、浮標及岸基觀測結合，可建立由海表至水下、由局部至全球的海洋環境監測網。
衛星感測器量測的是海洋表面或海洋上方大氣的電磁訊號，再透過演算法反演海洋參數；因此多數衛星產品屬於反演值，不是直接量得海水深處的狀態。水下儀器則以感測器直接量測所在位置及深度的物理、化學或生物參數。
解題方法
作答可分成三步：
- 先按觀測平台分類：列出全球性衛星遙測資料，以及水下自動化探測科技。
- 再說明各平台能量測的參數：把技術名稱與資料種類對應起來。
- 最後整理監測項目：說明資料可用於哪些海洋環境監測，並指出衛星與水下資料的互補性及限制。
這樣安排能同時回答題目的兩個核心問題：「有哪些資料與科技」以及「可監測哪些項目」。
全球性衛星遙測資料
| 衛星遙測資料 | 主要觀測內容 | 可監測的海洋環境 |
|---|---|---|
| 海表溫度（SST） | 以紅外線及微波感測器反演海表溫度 | 海溫變化、海洋熱浪、湧升流、海流鋒面、颱風海氣交互作用 |
| 海色與海洋水色 | 由可見光波段反演海色、葉綠素濃度及懸浮物等指標 | 浮游植物分布、初級生產力、藻華、近岸濁度及泥沙羽流 |
| 海面高度與海面地形 | 衛星高度計量測衛星至海面的距離，配合精密軌道資料求得海面高度 | 全球平均海平面變化、海面高度異常、渦漩及大尺度海流；也可支援海洋環流與重力場研究 |
| 海面風場 | 散射計利用海面對微波的散射特性反演風速與風向 | 海面風場分布、季風、颱風及海氣交換條件 |
| 海面鹽度 | L 波段微波輻射計反演海表鹽度 | 降雨、蒸發、河川輸入及海洋淡水分布變化 |
| 海浪與海面狀態 | 雷達高度計、合成孔徑雷達（SAR）等估算有效波高、波浪及海面粗糙度資訊 | 海況、風暴浪、海岸災害及海上作業環境 |
| 海冰與冰山 | 可見光、紅外線及微波影像辨識海冰範圍、密集度與變化 | 海冰範圍、季節變化、冰緣位置及極區海洋環境 |
| 重力與海底地形推估 | 衛星重力及海面地形資料反映海底地形造成的重力差異 | 大尺度海底地形特徵推估與海洋重力場研究；解析度與精度不等同船測水深 |
常見任務例子包括海色衛星、海表溫度衛星、海面高度計、散射計、SAR，以及海面鹽度衛星。答題重點是寫出「資料類型—反演參數—監測用途」的對應關係，不必只羅列衛星名稱。
水下自動化探測科技
- Argo 剖面浮標：隨洋流漂移並定期下潛、上浮，量測溫度、鹽度與壓力剖面，支援上層海洋熱含量、鹽度結構及環流監測。
- 生物地球化學 Argo（BGC-Argo）：在基本水文參數之外，可搭載感測器量測溶氧、葉綠素螢光、硝酸鹽、酸鹼值及懸浮粒子等，用於海洋生物地球化學與碳循環監測。
第 四 題30 分
以下資料是 2019 年至今海洋委員會海洋保育署在蘭嶼海域進行每季一次的海洋環境水質監測結果（取自於海洋保育署的海洋保育網：iocean.oca.gov.tw）。
蘭嶼的地理位置是在臺灣東部外海的西北太平洋開放海域。在未受人為污染或河川影響的開放性海域，海水中所含的水質成份依濃度高低可以劃分為主要元素（major elements）、微量元素（micro elements）、痕量元素（trace elements）等三種類型。
請問監測項目中的營養鹽（指氮、磷、矽）和重金屬應屬於哪一類型的元素？這些元素應使用什麼濃度單位來度量比較合適？（10 分）
你覺得目前的監測結果是否有什麼異常情形？如何判斷此異常情形是否真實？（10 分）
監測結果中有很多數據都檢測不出（ND），是否有不合理之處？如何避免過多 ND 的情形？（10 分）
監測表欄位：
- 測站
- 採樣日期
- 氣溫（℃）
- 水溫（℃）
- 鹽度（psu）
- 酸鹼值
- 懸浮固體（mg/L）
- 溶氧（電極法）（mg/L）
- 溶氧飽和度（%）
- 葉綠素 a（μg/L）
- 氨氮（mg/L）
- 硝酸鹽氮（mg/L）
- 正磷酸鹽（mg/L）
- 亞硝酸鹽氮（mg/L）
- 矽酸鹽（mg/L）
- 鎘（mg/L）
- 鉻（mg/L）
- 銅（mg/L）
- 鋅（mg/L）
- 鉛（mg/L）
- 汞（mg/L）
監測結果：
- 蘭嶼，2019/7/16：28.8、30.6、33.4、8.4、2.7、4.4、62.2、ND、0.14、0.05、0.005、ND、0.291、ND、ND、ND、0.005、ND、ND。
- 蘭嶼，2019/8/22：28、27.6、33.2、8.3、ND、6、83.4、ND、0.09、0.05、ND、ND、0.238、ND、ND、ND、0.005、ND、ND。
- 蘭嶼，2019/11/13：24.6、27.3、33.8、8.3、8.8、6.1、82.1、0.2、ND、0.05、0.005、ND、0.238、ND、ND、ND、0.005、ND、ND。
- 蘭嶼，2020/3/18：26.2、34.5、8.1、ND、6.6、99.6、ND、ND、0.0003、0.002、ND、ND。
- 蘭嶼，2020/5/20：44、29、34.7、8.1、9.4、7.3、94.8、0.1、0.23、0.06、0.071、ND、ND、ND、0.0002、0.0016、ND、ND。
- 蘭嶼，2020/7/7：29.1、30.1、33.9、8.2、2.5、7.5、120.9、ND、ND、ND、0.0009、ND、ND。
- 蘭嶼，2020/11/20：27.8、28.2、34.8、8.1、ND、110.2、ND、ND、ND、0.0009、ND、ND。
- 蘭嶼，2021/3/24：19.2、24.4、34.3、8.18、ND、6.8、96.7、0.1、0.17、0.02、0.011、ND、0.075、ND、ND、0.0003、0.0008、ND、ND。
- 蘭嶼，2021/5/13：28.4、28.1、34.3、8.17、3、6.8、97.2、0.2、ND、ND、ND、ND、ND、ND、ND、0.0002、0.002、0.0003、ND。
登入後即可作答並保存紀錄。
核心觀念
海水成分依濃度可分為主要元素、微量元素及痕量元素。海水中的氮、磷、矽營養鹽屬於微量元素；鎘、鉻、銅、鋅、鉛、汞等重金屬屬於痕量元素。這裡的分類是依海水中的含量，不是依元素對生物的重要性分類。
營養鹽宜以 μmol/L 表示，便於比較各種營養鹽的莫耳濃度及營養比例；也可用 μg/L，但須註明是以氮、磷、矽元素計，還是以硝酸根、磷酸根、矽酸根計。重金屬宜以 μg/L 或 ng/L 表示。表中以 mg/L 列出重金屬，對低濃度樣品不夠直觀，也可能不適合呈現方法的檢出能力。
解題方法與資料判讀
先找不符合海域背景或物理條件的數值，再區分「值得查核」與「已證實錯誤」。圖表中有幾項值得優先查核：
- 2020/5/20 氣溫 44℃：對蘭嶼現地採樣而言極不尋常，應核對原始紀錄、儀器讀值及資料輸入。
- 溶氧飽和度 120.9% 及 110.2%：高於 100% 不必然是錯誤，強烈光合作用可能使水體呈過飽和；仍須核對溶氧、溫度、鹽度、氣壓與計算方式。2020/11/20 的表列溶氧欄未見數值，但有溶氧飽和度，應查明欄位是否漏值或資料是否錯位。
- 2020/5/20 正磷酸鹽 0.071 mg/L：相較其他日期偏高，可列為需複核的突增訊號，單筆數值不足以證明污染。
溶氧飽和度的判讀可依下式核對：