科學研究經常給人「很厲害、很困難、數學要很好、距離相當遙遠」的印象，感覺不是一般人日常生活中會從事的活動。其實有一種科學研究的方式是集結眾多民眾或學生的力量來進行的，通稱為「公民科學」。科學研究中常有需要大量人力處理但是難度不高的基礎步驟，科學家可以將這些簡單且重複性高的步驟切割出來，精心規劃後邀請熱心的民眾來協助，最有名的例子就是20世紀末利用民眾家裡閒置的電腦尋找外星人的「SETI@Home」計畫。

為了鼓勵民眾參與，科學家需要提供相關的科學知識、設計及參與推廣活動或分享研究結果等。民眾在參與的過程中，除了對科學研究有直接貢獻，也可獲得一些相關知識與成就感，可說是個互惠的過程，透過互動也大幅拉近科學與一般人之間的距離。大家可能不知道的是，這種研究方式早在200多年前就出現了，長年發展下來，無論形式或內涵都已經相當豐富。由於筆者個人的專長及興趣，本文主要介紹公民科學在氣象上的應用及過去幾年與中央氣象局合作推動相關研究計畫的感想。

 什麼是公民科學？

常見的公民科學分類是以民眾參與的程度來區分，大致上可以分為： 1.貢獻式計劃，也就是公民協助基本資料的收集； 2.合作式計劃，公民協助分析資料，甚至改善計畫設計或協助推廣成果等； 3.共創式計劃，屬於最為極致的參與程度，由科學家與公民一起定義問題並解決問題。目前大部分的公民科學計畫都是屬於第一或第二類，若要發展出第三類的公民科學計畫，需要公民長期的投入並具有相當良好的科學素養才能辦到。

目前國際上以英國的星際動物園為最主要的參與平台，此團隊與全球各地的科學家合作，已經開發出各種不同主題的公民科學計畫，具有相當友善的使用者介面，部分計畫也有繁體中文版，不管是中小學生、大學生或一般民眾都能找到有趣且程度適合的計畫來參與，是個資源相當豐富的網站。公民參與的項目不限於收集或分析科學資料，協助推廣也算一種參與方式，在國外就有不少學校老師在課堂上採用公民科學計畫當教案。星際動物園中的多國語言版本其實也是世界各地的義工幫忙翻譯的，網站初期的架構及視覺設計等也都是擁有不同專長的義工貢獻的，後來才逐漸發展出現在的規模。也就是說參與科學活動的方式比我們想像中的多元，不見得只有訓練有素的科學家可以從事科學活動，匯集了不同領域的專家義工後，可能激發出許多新的創意。

 公民組成的氣象觀測網

我們偶而會看到媒體報導熱愛氣象的民眾，在自家屋頂架設氣象觀測儀器，媒體可能是以奇人逸事的角度來播報，但是這些資料如果有妥善運用，可以對科學研究有極大的貢獻。氣象觀測需要集結眾人之力，而且公民參與的歷史相當悠久。美國史密森尼學會(Smithsonian Institution)的氣象觀測網是最早出現的公民科學計畫之一，1820年一位紐約的教授Joseph Henry就開始向少數他信得過的朋友收集氣象觀測資料，我們大致可以想像得到，他的友人很可能就像媒體報導中的氣象愛好者一樣。1846年史密森尼學會成立後，由 Henry 教授擔任第一任秘書長，並於隔年12月起透過學會招募義工組成氣象觀測網， 起初以郵寄的方式收集觀測資料，1849年開始透過電報匯集資料，1850年則開始提供標準化的史密森尼氣壓計給義工使用以提高資料品質，當時每年大約收集50萬筆觀測資料。後來因為維護上的困難，於1870年將觀測網移交給美國政府繼續進行氣象觀測。

目前公民參與的氣象觀測計畫，在臺灣最著名的是Globe Program Taiwan，是國際 Globe 計畫的臺灣分支，由中央大學大氣科學系主持，計畫團隊負責提供氣象觀測儀器及維護，架設在國中、高中校園裡，並培訓學校師生進行氣象觀測的知識、技術及基本的資料品質校驗，隨後把資料傳送到計畫網頁彙整與其他計畫成員共享，計畫團隊也會定期舉辦研討會分享成果，已經培養出不少以氣象為志業的年輕學子，這樣的計畫兼具氣象觀測及培育基礎科學人才的功能。

 搶救氣象資料

氣象類的公民科學計畫除了協助氣象觀測，還有一類是進行歷史氣象紀錄的數位化或數值化，氣象紀錄除了氣象單位官方的紙本紀錄外，船舶記錄、私人日記、農漁民的工作日誌、各種古文獻等等提到的氣象資訊都算。我們也許有些刻板印象，覺得氣象資料應該都有專責單位「收好」，但是這些資料可能會在職務交接或搬遷時被遺忘，最後變成無人知曉的存在，有時候找出這些資料就跟偵探辦案一樣，要趕在紙本紀錄因時間變質毀損或隨著人的記憶消失前找到，因此數位化的過程是在與時間賽跑，參與的科學家常將這個過程形容為是在「搶救(rescue)」氣象資料。

僅僅將紙本資料透過翻拍或掃描的方式轉為圖檔還不算徹底的救活這些資料，必須將圖檔上的資料再轉為數值才能進行科學計算，這個步驟稱為「數值化(digitization)」。由於歷史資料多半以手寫記錄，再加上紙張容易因年久變色、腐爛、蟲蛀等造成字跡模糊、缺漏等問題(如圖一)，所以儘管影像辨識的技術日益進步，歷史紙本資料的數值化依然相當仰賴人工用肉眼辨識，這也是最需要一般民眾及學生協助的步驟。


圖1. 中央氣象局保存之歷史氣象資料，已有部分破損，且因紙張脆弱，無法進行掃描。手寫資料及手繪的線條複雜度高，需要以肉眼辨識，難以用軟體做影像辨識。
圖片來源：中央氣象局

歷史資料在氣候變遷研究的社群及產業服務上扮演相當重要的角色，目前歷史氣象資料數值化主要由「大氣環流重建計畫 (Atmospheric Circulation Resconstructions over the Earth, ACRE) 」這個國際組織來推動，參與的科學家有不少都採用公民科學的方式來數值化歷史資料，希望能重建過去200~250年的氣象資料，並將歷史資料透過資料同化的步驟融合進氣候數值模式中，最後產製長期且品質穩定的氣候資料供科學研究或氣候服務使用(圖二)。例如「往日氣象」就是一個相當成功的公民科學計畫，已經有超過上百萬筆船舶資料透過此計畫完成數值化，並被同化入美國海洋大氣總署(NOAA) 的網格化氣候資料中(20th Century Reanalyses)，這也是目前回溯時間尺度最長的氣候資料。隨著同化的歷史資料越來越多，資料的品質及回溯的長度也會逐步提高。


圖2. 歷史氣象資料經數值化後，同化入氣候模式中產製網格化的氣候資料，後續提供做科學研究及氣候服務及應用。
圖片來源:英國氣象局Dr. Rob Allan

 公民參與氣象資料建檔計畫

氣象資料有非常多種形式，以臺灣的中央氣象局來說，有表格形式的記錄本、雨量筒自計紙、各種不同區域及投影方式的天氣圖、天氣概況分析、颱風警報單等，目前也都陸續在進行數位化及數值化的工作。筆者有幸自2016年起，與氣象局及兩家民間資訊公司合作，開始參與一部分的工作，稱為「公民參與氣象資料建檔計畫(Citizens Participate in Meteorological Data, CPMD)」。我們的科學鎖定在天氣圖上的綜觀天氣系統，尤其是鋒面的位置(王嘉琪等，2020)。

選擇鋒面的原因是臺灣的水資源主要來自鋒面及颱風，颱風有最佳路徑資料可用，但是鋒面的位置判斷甚至鋒面是否存在都比判斷颱風更困難、更主觀，過去也沒有任何氣象單位把每一條鋒面的位置數值化的記錄下來，於是鋒面的資料就只以「圖形」的樣貌記錄在天氣圖上。所以當我們討論到鋒面的氣候特性時，手邊並沒有任何方便可靠的觀測資料可以使用。除了學術研究，許多相關的應用領域，例如：農漁業、災防中心等，也需要鋒面的長期統計資料來協助政策上的判斷。

一開始我們的想法很單純，就是架個網頁，把掃描好的天氣圖放上去，讓民眾透過網頁用滑鼠在過去預報員已經判斷好的天氣系統上及鋒面位置上打點（圖三），後台則記錄滑鼠在圖面上打點的位置，再轉換成經緯度。後台也建置了自動檢核系統，透過統計方法自動排除民眾無心點錯或因經驗不足誤判等造成的錯誤資料。這裡我們使用K means 法，是一種非監督式分類法，簡單說就是相信「眾數」的意思。例如：一張天氣圖上到底有幾個天氣系統？若大部分的民眾皆標示五個，我們就相信圖上有五個，並針對這五個系統分別進行標記資料的正確性檢測。最後還有一關是「專家檢查」以確保產出的資料具有可信度，也就是說公民參與的計畫，科學家有責任在資料品質上把關，讓一般民眾可以自在放心地參與。


圖3. CPMD計畫的使用者介面，左側的功能鍵由上到下分別為放大、縮小、拉動天氣圖、編輯文字及刪除標記。右側的選單則為綜觀天氣系統，包括高低壓（位置及氣壓值）、四種鋒面、熱帶性低氣壓及颱風（氣壓值及移向、移速、編號或名稱）。中間為使用者已經標記好的天氣圖範例。

 困境與展望

實際執行後當然出現了許多意想不到的困難，在這裡簡單分享一些心得。首先是「叫好不叫座」，這個計畫的想法相當吸引人，剛推出時在國高中地科教學上尤其受到老師們的期待。但是天氣圖的標記之前沒有任何公民科學計畫嘗試過，我們在缺乏經驗的情況下，考慮了太多的細節，造成標記天氣系統時需要做的步驟過於繁瑣，且無法提供即時的使用者回饋，的確在後續推動上感到力不從心，這是我們在規劃設計上需要再加強的地方。

再者是手繪天氣圖的辨識，難度比我們想像中的高，例如一條滯留鋒經常被誤認為冷鋒及暖鋒交錯出現的數條鋒面。或是位在地圖角落的天氣系統會被大多數民眾忽略，也就是在計算「眾數」時就出錯，這些需要在做教育推廣時盡量宣導加強。另外預報員在繪製天氣圖時，也會有不小心畫錯的情況，這時民眾在進行數值化時，是否要順便幫我們更正也是個問題。我們在推廣過程中，的確有老師反映若還要教學生判斷對錯，可能課堂時間會不夠用。目前筆者認為最好的做法是，數值化要忠實呈現紙本資料的內容，即便是錯誤的也要照紙本資料記錄，至於資料是否要更正，則由後續處理及使用資料的科學家決定，這樣可以降低民眾參與的門檻及最小化老師在教學上的困擾。

最後是「追求標準答案與分數」，由於我們多半透過老師推廣，參與者絕大多數是學生，在考試至上的教育環境中，學生總是比較關心「我標的對不對？」其實這個問題的答案，要等到天氣圖下架，經過電腦計算及檢查後才能回饋給使用者。但是即便如此，我們也不希望擺個標準答案出來讓使用者擔心標記錯誤的後果，因為公民科學的核心精神是「盡你所能的提供科學協助，並樂在其中」，這也是為什麼我們要設計資料檢核過程來把關。

如果我們不提供「標準答案」，又該提供什麼回饋來滿足民眾的期待？這點牽涉到社群文化的差異，在筆者參加大氣環流重建計畫2018年的年會時，看到許多歐美民眾會主動參與天氣紀錄本的數字謄打，似乎完全不覺得枯燥乏味，他們得到的回饋也僅僅是網路上虛擬的官階及成就感。我們除了持續培養下一代科學參與的習慣，也還要摸索其他適合臺灣教育環境及社群的合作方式。

 國外的成功案例

愛爾蘭的學制有個特別的規劃，在中學畢業後有一年緩衝期（transition year programme），讓學生進行職涯探索、強化工作所需的技術能力或應用課堂所學到的知識及技術。所以愛爾蘭氣象學家規劃了歷史氣象資料數值化的學習活動(Mateus et al. 2021)，主要是表格資料的謄打，讓中學生利用這一年緩衝期來參加。活動有兩種不同的執行方式，一種是將中學生接到大學環境中進行密集的活動，約1~7天不等。一種是先培訓中學老師，提供充足的資料，再讓老師在自己的課堂上進行活動。

活動中除了技術上教導學生操作及實際讓學生進行資料數值化，中間也穿插了相關課程，由科學家介紹為什麼要做歷史資料的數值化、展示這些歷史資料的相關資訊、解釋資料後續的使用及科學目標等等。活動中收集到的資料品質極高，準確率約95%，表示中學生也可以產出品質優良的數值化資料。愛爾蘭的經驗顯示，規劃有意義的、有清楚學習目標的活動讓學生參與，搭配氣象科學的探索活動，除了加快氣象資料數值化的進度，學生也可透過培訓活動接觸更深入的氣候知識、探索個人職涯可能性，是我們未來在科學教育上值得嘗試的方向。

 致謝

最後非常感謝曾經參與CPMD計畫的義工及師生，包括高雄中山大學附屬中學謝隆欽老師及學生、彰化師範大學地理系涂建翊教授及學生、中國文化大學大氣科學系的學生為我們標記了許多天氣圖，提供給團隊進行系統的開發、測試及初步資料分析。本計畫與中央氣象局、雲灣資訊有限公司、多采科技有限公司及本系劉清煌老師共同執行，感謝楊菁華助理給予許多協助及建議。