地球科學

隱身大地的晶瑩寶藏

文/王郁軒 雨量多卻缺水的臺灣 近年來，受到氣候變遷的影響，水資源出現空前危機。為了多留住一滴水，人們做了許多努力，可是，世界上許多地區至今依然面臨嚴重的乾旱問題。以臺灣來說，自去年以來，整體降雨量偏少，西部地區尤其明顯，致使各地水庫的水位直落，嚴重時，有些乾涸的湖底甚至成了綠油油的大草原，直到六月份幾波梅雨鋒面報到，旱象才獲得緩解（圖1）。 圖1. 乾涸已久的水庫成了一望無際的大草原，幸好梅雨即時報到讓旱象解除。（苗栗縣明德水庫） 世界各國的年均雨量不盡相同，可是雨水多不表示水源充足，臺灣一年平均雨量約為二千五百毫米，接近全世界平均值的三倍。不過，弔詭的是，當論及世界上哪些地區嚴重缺水時，我們居然榜上有名。 雨量多卻水源不足，與臺灣的自然環境有關。因為山地多，地形崎嶇，雨水流入溪河之後，就像溜滑梯似的流回大海，能夠被有效利用的比例不到3%！而且，各地的雨量分布並不平均，像東北部的蘭陽平原，一年中下雨的日子平均多達二百天，可是，西南部的平原地區，從冬天到隔年春夏，氣候型態卻都晴朗少雨，發生旱情的可能性就比較高。 為了留住水源，做到「未雨綢繆」，人們在溪谷興建水庫。可是，近年來，氣候漸趨極端，不是久旱不雨，就是超大豪雨狂炸。遇上長期乾旱，即使水庫規模再大，也只能坐吃山空，望天興嘆！但即便盼到老天降雨，若雨水一下子來的太多太急也是問題，久旱的土壤含水量低，顆粒鬆散，若山區水土保持又做得不好，在大雨衝擊下，大量的黃濁泥水流進水庫，水位看似明顯增加，但不少泥沙也跟著淤積在水庫裡，大大降低水庫的蓄水功能（圖2）。 正因為先天條件不理想，再加上人口稠密，農耕、工業和民生用水量大，缺水的陰影也就揮之不去。 圖2. 上游集水區水土保持沒做好，又遇上極端大雨，大量泥流進入水庫，使得水庫淤積。（桃園市榮華大壩） 儲存水源的地下大水壺 缺水期間，大家關注的焦點都集中在水庫還剩多少水，不然就是想著「臨渴掘井」。的確，水資源並非僅來自於溪流和水庫，在自然環境中，天上降下的雨水，不僅會沿地表流動，還會滲入地下，形成地下水。 別以為滲入地下的水微不足道，根據專家研究估計，全世界的淡水資源大部分儲存在南極和格陵蘭的大陸冰河及高山冰川中，比例超過三分之二，次為地下水，約佔3%，其餘才是河川、湖泊等，顯見地底下蘊含了多少晶瑩寶藏。 大地有如隱藏版的水壺，地下水會儲存在岩石或土壤的縫隙裡，所以，孔隙愈多、愈大的地層，如砂岩、礫岩，就有如水壺的「壺身」，而顆粒細小的泥岩、頁岩，不容易透水，最適合做為「壺底」的材質。 有了壺身、壺底，那壺嘴呢？岩層的斷層、節理等裂縫，能夠讓地下水流出地表，便是地層大水壺的「壺嘴」。 在地面上，水由高處流往低處，而在地下，水則是由水壓高的位置流向低壓處。所以，某個地區冒出或抽汲的地下水，不見得是當地雨水直接滲入儲存的，極可能是雨水從其他較遠地區滲入地下後，在壓力作用下，沿著地層中的孔隙或裂縫慢慢流過來的。 只要水源區雨量充沛，不斷滲入地下持續補注，地下水就能源源不絕被「擠」過來。像臺北盆地四周環山，一年四季雨量豐沛，盆地底下的地下水，主要源自於周圍山地。而臺灣地下水最豐富的西部平原、東北部蘭陽平原、屏東平原、花東縱谷平原及埔里盆地的地下水，也都源自雪山山脈、中央山脈等高山。想像一下，雨水滲入地下後，沿著地層孔隙逐漸滲流到遠方的平原，需要多漫長的時間，所以，地下水真的是滴滴珍貴呢！ 在地層中滲流的地下水一旦遇到與地表相通的裂縫，地下的巨大水壓便會將它「擠」出來（圖3）。在久旱不雨的日子裡，許多溪流、湖泊卻依然能夠保持一定水量，不至於完全乾涸，可能都與地下水從溪床、湖底的地層裂隙注入補充有關。不過，天然的壺嘴可遇不可求，所以開鑿水井抽取地下水，還是最普遍的方法。 圖3. 開鑿隧道不慎挖破地下水層，地下水便由此裂縫大量湧出，釋放壓力。（太魯閣國家公園水濂洞） 地下水年齡的秘密！ 地下水也是有年紀的！科學家會利用一種放射性物質「碳十四」來追蹤地下水的年齡。「碳十四」存在於大氣中，會不斷產生，也不斷被吸收。可是當它隨雨水滲入地下與大氣隔絕之後，便不再獲得補充，所以地下水在地層中待得愈久，水中「碳十四」的濃度也就愈低，科學家只要比較地下水和大氣中的「碳十四」濃度，就能推論地下水的年齡。 臺灣山區的地下水大多很「年輕」，顯示雨量充沛，水源不成問題。可是有些平原地區的深層地下水，年紀往往都在千年以上，表示地下水必須經過漫長的滲流才會到達現在位置。 這麼古老的地下水要是枯竭了，還得再花上許久時間才能獲得補充，所以研究地下水的年齡有助於規畫水資源的利用。 地下的流動伏兵～伏流水資源 除了鑿井取水之外，利用地面下的水資源還有更積極的方法！有些離地面較淺的地層，具有孔隙較大或洞穴的特性，能夠讓賦存在其中的水快速流動。這樣的水體不像一般地下水流動緩慢，反倒類似在地面流動的河水，稱為伏流水。 人們經常從河川中游，或山谷支流匯入河川主流的沖積扇去尋找伏流水，因為這裡的地層主要由卵礫石構成，孔隙既多又大，溪水不僅在地表流動，也滲入下方地層，所以伏流水相當豐沛。只要沿著河道的橫剖面向下開挖，在河床底下的礫石層埋設擋水堤壩與引水隧道（圖4），便能匯集伏流水引接到鄰近村落使用。與溪水相比，經過層層過濾的伏流水還特別清澈呢！ 圖4. 埋入河床底部礫石層的地下堤壩，可以攔截和收集伏流水。（屏東縣二峰圳地下堰壩模型） 另一種方法是在河道附近尋找地勢低平、透水性好的地層，開挖出一個偌大的滯洪池。當豪雨來襲河水暴漲，利用人工渠道或隧道將洪流引入池裡暫存。 不過，經過一段時日之後，大水池居然乾掉了（圖5）！但是這水可不是「漏光」，而是滲進土裡了。會挑選透水性好的地層儲水，就是希望水能滲入地下儲存起來，所以，這看似乾涸的大地早已儲滿了水。利用這樣的方式，能夠將洪泛期過多的雨水、溪水盡量儲存在地下，不再只是眼巴巴看著它奔流大海。 這種將水儲存在地下的水利工程，就是一種「地下水庫」的做法。 圖5. 洪泛期間，暴漲的溪水被引進透水性佳的滯洪池，一段時日之後，池水滲入地層，大水池看似乾涸，其實水早已在地下儲存。（屏東縣大潮州人工湖） 有「溫度」的地下水～溫泉 一般來說，淺層的地下水，水溫大致接近常溫，可是，受到地溫梯度的作用，深度每增加一公里，溫度大約上升30℃，所以蘊藏在深處的地下水就可能變成熱水，這即是溫泉。若在板塊聚合帶，岩層受到板塊運動的作用力，或下部地層承受了上方厚重沉積物的擠壓力量，溫度上升會更明顯。 此外，在火山地區，地下深處的岩漿庫就是天然火爐，可以把儲存在地層中的地下水加熱，同時也溶入各種火山氣體，形成帶著濃濃硫磺味的火山溫泉，像陽明山和北投地區就有很多這類型的溫泉（圖6）。 在臺灣，水溫30℃以上，水中礦物質含量達到一定標準的地下水就是溫泉。但是含有許多礦物質的地熱蒸氣也算是溫泉。在臺北市的北投地區，人們開鑿地熱井，將低溫的山泉水或溪水灌入熱氣蒸騰的井裡，吸收火山氣體與各種礦物質之後，就成了滾燙溫泉，利用這種方式製造出來的溫泉也稱為人工溫泉（圖7）。 除了前述兩種形式的溫泉之外，如果地下水中含有豐富的二氧化碳，即使水溫未達30℃，也稱為溫泉。所以，像水中富含二氧化碳，曾經被用來做為彈珠汽水原料的蘇澳冷泉也算是溫泉喔！ 和地下水一樣，溫泉也會從地表裂隙湧出來，許多溫泉區都位於溪谷，溫泉就從溪床咕嚕冒出來，這是因為這些溪谷大多位於斷層帶上，斷層是岩石結構破碎的不連續帶，容易被侵蝕成溪谷，所以，只要溪谷下方的岩層裡恰好儲存溫泉，便有機會從溪床裂縫冒出來（圖8）。 圖6. 透明又帶著神秘碧綠色的北投地熱谷溫泉。 圖7. 人們在臺北市北投硫磺谷開鑿地熱井，將水注入井中加熱並溶解火山氣體成人工溫泉。 圖8. 新北市烏來區南勢溪的溪床上冒出熱騰騰的溫泉。 地下水不單單只是「水」 在自然環境裡，雨水從天而降之後，不論是滲入地下或沿著地表流動，都會溶解礦物質或氣體，如此一來，水就不只是單純的「水」，而成了水溶液。一般來說，溪水、地下水的礦物質含量大約介於數十到數百ppm （1ppm=0.000001）。如果水中的礦物質含量是100ppm，在二公升的礦泉水中，大約溶解了0.2克的礦物質。 別小看這微不足道的礦物質，它不僅是維持人體健康的必要元素，而且對我們的生活影響也不小。舉例來說，有些地方的水含有濃度較高的鈣和鎂化合物，稱為「硬水」。硬水加熱後，水中的鈣、鎂物質容易沉澱、附著在容器表面，形成一層白色硬殼，這就是俗稱的「鍋垢」。使用肥皂洗手時，硬水也比較不容易起泡沫。 有「硬水」就有「軟水」，如果水中的鈣、鎂化合物濃度較低，水質就比較「軟」，稱為「軟水」。雖然軟水喝起來的口感比較甘甜，搓洗肥皂時泡沫也較多較細緻，可別以為軟水一定比較好，國外醫學報告曾經指出，有些水質為軟水的地區，水中所含的鈣、鎂偏少，但鈉含量卻偏高，長期飲用可能會引發心血管疾病，所以水最好要「軟硬適中」，才能提供足夠的鈣、鎂等礦物質，維持身體機能。 值得注意的是，作為飲用水的地下水，必須嚴格把關，確認不含有害物質或微生物。別以為只有河流、大海會被污染，地下水若受污染了，不僅難以察覺，由於它循環、流動緩慢的特性，污染物質難以稀釋，危害更難估計與承擔。尤其是廣大農田被噴灑農藥、施灑化學肥料，或工廠惡意排放化學廢水，都會滲入土壤裡，影響地下水的水質，不可不慎啊！ 由導電度判斷地下水、溫泉的礦物質含量 礦物質溶解在水中能夠形成陰、陽離子，使得水溶液能夠導電，稱為電解質（圖9）。水中的電解質愈多愈容易導電，所以，只要測量水的導電度，便可知道水中含有多少礦物質。地下水和溫泉在地層裡經過長時間的循環，不僅溶解了較多的礦物質，而且在滲流的途中，水中所含的礦物質還會跟地層物質進行交換，水質也逐漸發生改變。 從潔淨水源的角度來看，水中礦物質愈多，表示「雜質」愈多，所以自來水的導電度當然是愈低愈好。可是如果是泡溫泉，可就不一樣了喔！許多人相信溫泉的療效源自於水中的礦物質，所以溫泉的導電度愈高，表示礦物質含量高，反而受歡迎呢！ 圖9. 利用電導度計測量溫泉的導電度，便可推估溫泉的礦物質含量。 永續使用地下水 解決水資源危機 地下水雖然「好用」，但也不能毫無限制的抽取。因為地下水流動緩慢，如果過度抽水，水源來不及補充，地下水的水位就會降低，甚至枯竭。更麻煩的是，地下水儲存在地層孔隙或裂縫中，一旦水位下降，原本充滿水的孔隙就成了「空」隙。少了孔隙水的支撐，只要上方堆積的泥沙層和建築物重量超過負荷，整個地區的岩層體積就會被壓縮而導致地層下陷。 最明顯的實例就是雲林、嘉義、屏東等縣沿海平原的地層下陷。當地許多房子因為下陷而矮了一截（圖10），有些村落的地勢甚至低於海平面，得依靠海堤、防水閘門等設施保護，才能避免海水倒灌。可是，每當颱風豪雨來襲，暴漲的溪水和海水還是湧進來，整個村莊都淹在水中。 數十年前，臺北盆地曾有嚴重的地層下陷現象，原因無他，當然也是超抽地下水。政府為了解決問題，一方面管制水井的使用，同時興建翡翠水庫。在水庫啟用蓄水之後，居民不再缺水，地下水位也逐步回升，地層下陷的趨勢明顯減緩。 只是，地層一旦下陷就無法回復。至今，臺北盆地西緣的蘆洲、五股一帶，仍留有不少濕地沼澤，正是當年地層下陷、積水無法消退的「遺跡」（圖11）。 圖10. 屏東縣沿海村落因為超抽地下水，使得房子下陷，矮人一截。 圖11. 臺北盆地西緣的五股、蘆洲一帶地勢低窪的地區，現在被規劃為大臺北都會公園，園區內不少濕地沼澤，是過去地層下陷積水不退的遺跡。 地下水鹽化又是另外一個大問題！在沿海平原的地層裡，地下水與海水其實是相通的。正常情況下，地下水的水壓和海水的水壓達成平衡。可是，地下水被過度抽取之後，水位降的比海平面還低，使得水壓失去平衡，加上海水比重比地下水（淡水）大，海水便會大舉入侵，讓地下水變鹹無法飲用。不僅如此，鹽分還會隨地下水滲進土壤（圖12），如此一來，連土地也難以耕種了。 圖12. 海水入侵地下水層，使得土壤含有鹽分，難以耕種。 想想臺北盆地化解地下水危機的成功經驗，再來看看遠在非洲的水源復育實例。辛巴威是非洲南部的內陸國，當地雨量遠遠不及臺灣，但是在環保人士銳意復育下，一小塊原本逐漸荒漠化的沼澤草原，竟奇蹟似的恢復綠意。 他們的方法並不複雜，就是利用移動放牧的方式飼養牛羊。 當地原本的情況是：牧場草原在牛羊啃食、踩踏下，變得寸草不生，溪流和水源即使到了雨季，也依然經常缺水。即便遷走了牛羊，情況也沒太多改善。 環保人士和學者思考非洲動物逐水草遷徙的習性，決定師法自然，讓牛羊先在草原的某一區域啃食，一段時間後，再由牧人驅趕牛羊到他處吃草，讓這塊區域的土地休養生息，如此周而復始。漸漸地，整片土地竟然再度綠意盎然，連乾涸許久的溪流都充滿了潺潺流水聲！ 移動放牧為什麼能創造這麼神奇的成效呢？原因無他，就是順應自然、做好水土保持！因為有「土」斯有「水」，土壤裡有空隙，能涵養水份與空氣，只要讓雨水下滲、保存在地層孔隙裡，就有機會慢慢蓄積起來。 所以，如果我們一面興建水庫儲水，卻又持續把天然溪流整成水泥溝渠，並擴大都市水泥叢林的面積，讓白花花的雨水恣意漫流，無法滲入土壤，怎麼可能有效解決水荒問題呢？ 管控地下水資源不再超限使用，絕對是當務之急，但另一項解決之道，就是讓土地透水且暢快呼吸！盡量回復大地原有的面貌，不再讓它們矇上水泥面罩。 而那些已經下陷的沿海地區，除了墊高建築物的地基或興建高腳屋避免再次淹水（圖13），也可以把積水不退或無法再耕種的低窪地整建為滯洪池，當雨季來臨時，就能夠容納泛濫的洪水，這就是這幾年大力提倡的海綿城市概念，也是大自然和諧共處之道。 圖13. 在地層下陷區興建「高人一等」的高腳屋，可以降低大雨引發的淹水災情，是適應環境的建築工法。 面對水資源問題，只要順應自然法則，常保永續經營的概念，我們一定能重新恢復水文與生態的功能，讓大地再次蓄滿滴滴晶瑩的水資源，為自己也為這個乾渴世界帶來希望！ 王郁軒 臺北市國語實驗國民小學教師

未來的冬春季鋒面會怎麼變化？

文/王嘉琪 臺灣位在歐亞大陸與太平洋交界處，緯度不高卻有相當多種天氣系統隨著季節變換出現並影響臺灣。若根據帶來降雨的天氣系統區分季節，東亞地區大致上可以分為五個季節（圖1），春季（2/15~5/15）、梅雨季（5/16~7/24）、夏季（或颱風季，7/25~9/27）、秋季（9/28~12/1）與冬季（12/2~隔年2/14）。在這五個季節中，臺灣只有夏季不會受到鋒面影響，秋季到隔年春季都會出現冷鋒，梅雨季則是滯留鋒為主。伴隨著鋒面而來的降水，也成為臺灣非常重要的水資源之一。 圖1. 台北氣象站氣候平均日雨量（毫米），使用1998~2020的日雨量平均（藍色長條圖），紅色曲線為5天滑動平均。以黑色虛線劃分東亞地區的五個自然季節。 隨著全球平均氣溫升高，降雨型態變得更加極端，鋒面活動的變動則是造成降雨型態改變的其中一個因素。如果想知道這些與鋒面相關的降雨會怎麼變化，就必須先找出鋒面出現的頻率與地理位置可能有什麼改變。這樣講起來好像很簡單，但其實在分析上相當具有挑戰性。暖化後的情況，目前只能依靠氣候模式來模擬，但是鋒面是狹長形的結構，寬度約6公里到80公里左右。現在大多數的氣候模式網格都大於鋒面寬度，難以解析出精確的鋒面位置與強度。雖然我們無法精確地模擬每一道鋒面，但是依然可以在現有資源下，討論鋒面的氣候特徵，並做有限度的未來推估。如果能知道未來可能的變化趨勢及不確定性，對水資源管理及相關的災害應變都會有幫助，尤其是需要長期規劃的政策擬定，可以為此提供一些初步的參考依據。 鋒面的特徵與判斷 鋒面附近有些常見的特徵，例如：在地面天氣圖上可能有明顯的風速變化、風向轉變及溫度變化等。如果搭配衛星雲圖看，可能會看到鋒面伴隨著長條狀的雲帶。預報員做天氣診斷分析時，就是從觀測資料中尋找這些特徵；當相關的特徵出現得越多、越明確時，就越能肯定的判斷鋒面位置及種類。但是，當特徵不夠明顯時，像是溫度變化較小，就不見得會判斷為鋒面。目前在天氣預報上，這些特徵的尋找與判斷，都必須透過預報員人工處理。也就是說，可能會影響鋒面判斷的因素，除了觀測資料的品質與完整度，相關科學知識的累積，也包含預報員的經驗與主觀看法。 即時的鋒面判斷，目的就是做3~7天的預報；而且天氣預報會在短時間內不斷滾動式修正，所以鋒面位置及種類的判斷，稍微有點不一樣並沒有太大的影響。但是當我們拉長時間尺度後，氣象科技、資料與專業知識等都有明顯的進步，鋒面判斷的依據就可能有明顯的改變。在這樣的情況下，到底鋒面氣候特徵的改變，是因為氣候變遷、還是人類文明的進步，就很難釐清了。 為了避免人為因素造成的假象，分析氣候資料時，勢必要發展客觀的鋒面偵測方法。目前大多數的方法都是採用與溫度相關的氣象變數來計算，例如：位溫。因為鋒面附近最明顯的特徵，就是溫度變化很大。有時鋒面兩側的濕度變化也會很大，因此有些方法會多考量濕度的影響，例如採用相當位溫或濕球位溫。接著找出「位溫梯度變化率」 最大的地方，定義為鋒面位置（圖2）。最後把每個網格中鋒面出現的天數加起來，就是每個季節的鋒面頻率。 圖2. 鋒面自動偵測與人為判定之比較，以2012年2月6日為例。 （a）為自動偵測的結果（黑點），土黃色線表示濕球位溫梯度為2K/100公里的等值線，桃紅色線表示梯度為2.5K/100公里，色階表示日累積雨量（毫米）。黑點（鋒面）都落在濕球位溫梯度等值線較密集的一側，也就是降雨帶的前緣。 （b）為日本氣象廳該日12Z地面天氣圖，自動偵測的位置與圖上滯留鋒的位置相近。 氣候上的鋒面頻率分布 有了自動偵測的方法後，就可以應用到觀測資料上。氣候研究上常用的是一種稱為「再分析資料」的數據（註一），這是一種融合觀測資料及模式模擬的資料。在數值上，最接近觀測資料且符合已知的物理定律；在格式上因為已經網格化，使用上非常方便，因此經常被當成很重要的參考依據。我們這次使用的是歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）最新一代的再分析資料（簡稱ERA5），空間解析度最高可到30公里，水氣相關的變數也比前一代準確很多。 根據ERA5資料的結果（圖3 a, b），春冬兩季的鋒面，最常出現在北緯20~25之間的華南地區，範圍向東延伸到臺灣東部外海，並向東北方（琉球方向）延伸至日本南部海面。另外一條常出現鋒面的帶狀區域，是北緯35~45之間的中國華北及東北地區、韓國及日本。出現的頻率大約每個季節2天到一周左右。 接著來看一下氣候模式的模擬情況，這邊採用的資料是第五階段耦合模式對比計畫（簡稱CMIP5）（註二）提供的模擬。每個氣候模式都會先做歷史模擬（historical simulation），也就是模擬1850~2005年這段時間，負責產出資料的研究單位，會拿各式各樣的觀測資料來比對，檢查歷史模擬有沒有掌握到現今氣候的重要特徵。但是這些檢查，多半僅侷限在基本氣象變數及重要的氣候現象（如：聖嬰、季風等），不會特別針對鋒面評估。所以，我們要先把每個模式模擬的鋒面頻率跟ERA5的資料比對看看；這邊我們比對的是1979~2005年的平均狀態，共使用了29個模式。 我們根據ERA5及CMIP5歷史模擬的相關係數和模式表現指標，這兩個數值來挑選鋒面模擬得較好的模式，最後挑出的數量是冬季有7個模式，春季有6個模式。將這些模式的鋒面頻率平均後得到圖4（c,d），空間分布上蠻接近ERA5的結果，鋒面頻率則有些高估。如果沒有做模式挑選，直接將所有的模式數據平均，則高估的情況會更嚴重。 圖3. ERA5與CMIP5歷史氣候模擬之鋒面頻率比較，單位為天數/季節。 (a)及（b）為ERA5，（c）及（d）為表現較佳之氣候模式的平均。上下排分別為自然季節的冬季及春季。虛線長方形為評估及挑選氣候模式時採用的區域。 註一：由於某些偏遠地區的觀測資料在傳送時會有時間落差，來不及放入預報模式中。同時氣象預報模式也會因為科技進步不斷更新版本，版本差異也會對氣候資料產生人為干擾。所以，為了補上遲到的觀測資料，並解決預報模式版本更新可能會造成的影響，擁有較大規模的氣象單位（主要為美國、歐洲、日本）會用最新版的預報模式，加入完整的觀測資料重新作一次分析預報，稱為「再分析資料」。 註二：由於氣候模式運行時，需要龐大的電腦運算資源，絕大多數國家都只能負擔一個氣候模式的運作，為了克服資料量不足的問題，由聯合國政府間氣候變遷小組（IPCC）負責規劃實驗條件（例如：統一模擬的年份、規定四種未來暖化情境等）及產製資料的時程，這就是耦合模式對比計畫（簡稱CMIP）。世界各國的研究單位再各自產出氣候模擬，將資料上傳到資料庫跟全球免費共享。CMIP5表示是第五階段產出的資料。我們常聽到的IPCC第五次評估報告是各國的科學家利用CMIP5的公享資料進行分析後的研究結果。最新版的第六次評估報告（主要根據CMIP6資料），其中第一工作小組負責的科學報告草案已在2021年8月公布，第二、三工作小組負責的是社會經濟衝擊及調適因應，則預定於2022年公布。 未來的鋒面變化 CMIP5計畫中的氣候模式同時也會做不同程度的暖化情境模擬，用來推估到21世紀末時的氣候狀態。我們採用的是最極端的暖化情境（RCP8.5）（註三），把21世紀最後30年（2071-2100年）的鋒面頻率平均後，再減掉歷史模擬的值就可以比較暖化前後的差異（圖4 a,b ），同時也疊上歷史模擬的氣候值（等值線）。比對後可以發現，冬季的鋒面頻率不管是中緯度鋒面或副熱帶的鋒面都將減少，尤其是華南地區減少得最明顯。春季的鋒面頻率也有類似的改變，同時減少的地區比較偏向氣候極大值的南側，增加的區域則比較偏向北側；綜合來看，鋒面區會有往北偏移的情況。 會有這樣的改變，很可能跟對流層低層的水氣傳送有關，我們可以看 850hPa （距離海平面約1.5公里高）的水氣傳送在暖化前後的差異（圖4 c,d 中的黑色箭頭），在華南到臺灣一帶，是一個擁有水氣的反氣旋（順時針）氣流場（以紅色箭頭與A標示），這個氣流場會把海上的水氣傳送到華中及華北，提高該地區低層水氣在南北方向上的對比，因此容易形成鋒面。這個過程在春季比較明顯，因為春季的順時針環流比冬季更強，水氣來源位在溫暖的南海及熱帶洋面上，帶來充沛的水氣。 圖4. 未來鋒面頻率及水氣環流的改變 （a）及（b）顏色為鋒面頻率的改變，等值線為鋒面頻率氣候值，單位皆為天數/季節。（c）及（d）顏色為850 hPa濕球位溫梯度的改變，單位為K/100公里；黑色箭頭為水氣通量的改變。紅色A表示反氣旋（順時針）環流，紅色箭頭表示主要的水氣傳輸方向。上下排分別為自然季節的冬季及春季。 註三： 在CMIP5階段規劃了四種暖化情境，其中RCP8.5情境表示世界各國沒有做任何溫室氣體的減量，為最極端的情境，8.5 表示2100年地球表面每平方公尺接收到的淨輻射量較1750年（工業革命前）增加了8.5瓦。 鋒面降雨的模擬及推估 最後來看一下鋒面降雨的模擬，常見的做法是把已經標定為鋒面的網格當中心，再選取周圍八個網格，將這九個網格中的雨量都算成是鋒面降雨。這個計算方式雖然不是完全精確，卻可以比較有效率地用一致的標準來統計長期的資料。以這個方法統計了歷史模擬中的鋒面降雨佔該季節全部降雨的比例（圖5 a, b），在鋒面頻率最高的華南到臺灣一帶，大約有35% 以上的雨量來自鋒面。未來這些區域的降水，則隨著鋒面頻率降低，可能會減少約10-30%（圖5 c, d） 。但是華中及華北地區、韓國及日本，都將因為來自南方較強的水氣通量產生較多鋒面及相關降水。 （a）及（b）為歷史模擬的鋒面雨量在總雨量中所佔的比例；（c）及（d）為暖化後鋒面雨量改變的比例。上下排分別為自然季節的冬季及春季。 雖然在北臺灣地區，春季的降雨佔年降雨量比例不高，約20%，但是在經歷冬天乾季後，若暖化後春季鋒面頻率及降雨減少，很可能會延長乾季，產生乾旱現象，在水資源管理上需要提早因應。例如，目前「臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台（TCCIP）」已開始與農委會及農民合作，嘗試更省水的水稻耕種方式（旱田直播），也有不錯的結果。面對未來的降雨改變，做好跨領域的合作與技術開發，將是相當關鍵的因素。 未來的挑戰 由目前的結果來看，鋒面的模擬仍有許多不確定性，大多數氣候模式仍無法模擬出合理的鋒面頻率分布。臺灣附近的鋒面頻率在21世紀末的變化趨勢，如果讓現有的26個模式來投票（前述29個模式中有3個沒有提供未來推估的資料），超過一半的模式沒有明顯趨勢（未通過90% 信心水準的統計檢定），大約1/3 是減少的趨勢，不到1/3是增加的趨勢。雖然有效票顯示是減少的趨勢，過去長期的雨量觀測資料也是減少的趨勢，但是對於未來推估，客觀數據上依然信心不足。 除了因為氣候模式本身解析度不足以模擬狹長的天氣現象外，大氣中有一些時間尺度較長的氣候振盪也會影響天氣現象，例如：週期為20-90天的季內振盪（Hung et al. 2014），及數十年以上的太平洋十年際振盪（Hung et al. 2004），都已被證實會影響東亞地區的冬季及春季降雨，但是這兩種氣候現象，在氣候模式中仍無法模擬得很好，也許會間接影響到鋒面的模擬。 最後是梅雨鋒面的偵測與推估，出現在臺灣附近的梅雨鋒面用現有的自動偵測方式非常難找到，這與梅雨鋒面的特性有關。由於梅雨鋒面出現在較溫暖的季節，此時南北溫度梯度已經變小，主要的鋒面特徵為濕度及風向的明顯變化。雖然現有的方式已經考慮了水氣變數，但偵測的效果並不好，該怎麼調整偵測方法中的各種參數，或把風向變化也加入偵測方法中，還需要測試。再者，梅雨季受鋒面激發的中尺度對流，也因為尺度太小無法被氣候模式解析。不過只要我們清楚的知道缺點在哪裡，未來就有可能改善。 致謝 本研究與中央研究院環境變遷研究中心許晃雄教授及陳英婷小姐合作完成（Wang et al.2021）。 圖一資料由大氣水文研究資料庫提供（https://dbar.pccu.edu.tw/），文化大學大氣科學系郭韋辰先生協助製圖。 參考資料 許志聖、宋勳，水稻直播栽培，台中區農業專訊，第七期，行政院農業委員會臺中區農業改良場。 https://www.tdais.gov.tw/ws.php?id=1540&print=Y Hung, C.-W., H.-H. Hsu, and M.-M. Lu, 2004: Decadal Oscillation of Spring Rain in Northern Taiwan. Geophys. Res. Lett., 31, L22206 Hung, C.-W., H.-J. Lin, and H.-H. Hsu, 2014: Madden-Julian Oscillation and the Winter Rainfall in Taiwan. J. Climate, 27, 4521-4530. DOI: 10.1175/JCLI-D-13-00435.1 Wang, C.-C., H.-H. Hsu, and Y.-T. Chen, 2021: Observed and Projected Frontal Activities in East Asia. J. Climate, 34, 3067-3086. DOI: 10.1175/JCLI-D-19-0959.1 王嘉琪 文化大學大氣科學系教授

岩心標本知多少？！

文/梁勝雄、范力仁 您知道什麼是岩心標本嗎？您知道岩心標本如何解讀嗎？您知道全國最大典藏岩心標本的地方在哪裡嗎？且看本文一一道來～ 岩石露頭與槽溝 岩石露頭（rocky outcrop）或稱露頭（outcrop）是指地表可見基岩或古老沉積物之處，不過大多數地區之基岩或古老沉積物被後來生成的土壤和植被覆蓋，無法看到或仔細檢查。自然情況下，只有在侵蝕或構造抬升處能除去上覆覆蓋層而使露頭出露，最常發生在侵蝕迅速且超過風化速率的地區，如陡峭的山坡、山脊，或河谷與河岸邊，以及構造活躍的地區（圖1）。 利用挖掘的方式挖掘出類似露頭的剖面，稱之為槽溝（trough），例如南投竹山車籠埔斷層保存園區內保存的斷層槽溝，便是當初中央地質調查所為了調查造成九二一地震的車籠埔斷層的斷層特性，與活動周期等資料而開挖（圖2）。然而，因土地取得困難，加上臺灣地區沉積速率太快與地下水為面過高等因素，槽溝開挖不易，故地質學家就必需另謀出路，找尋適合的方法來窺探地底。 圖1. 自然情況下，只有在侵蝕或構造抬升處能除去上覆覆蓋層而使露頭出露。照片為大甲溪三義支斷層示意圖與野外露頭照片，更多關於本露頭說明請參閱延伸閱讀梁勝雄與陳建良（2016）。 圖2. 南投竹山車籠埔斷層保存園區內保存的車籠埔斷層槽溝。 什麼是岩心標本 地質學家常用「岩心（core）標本」（簡稱為「岩心」），進行地下地質調查，不過一口岩心能得到的地質資料有限，故常常將不同地點之岩心剖面、露頭剖面，以及兩者同時進行對比，看其關聯性，藉此反映整個區域的地質歷史。聰明的您一定想問，什麼是岩心？ 原來透過鑽探機具（圖3）取得圓柱狀的岩石，稱為岩心。取得的岩心直徑與鑽探的機具與目的有關，一般常見的地質調查岩心為2英吋（約5公分），為方便觀察，常將岩心以1公尺為單位裝箱。 放置岩心的箱子我們稱為岩心箱（圖4），岩心於箱內擺放順序與進行觀察描繪時一樣，皆會由左而右，由上而下，依序排列，千萬不能搞混，否則地質記錄就會全然錯誤，而導致最終地質調查解釋與成果的重大謬誤，不可不慎。 圖3. 鑽機外觀照片。 圖4. 進行岩心描繪時，地質學家通常將岩心箱按順序一一攤開，方便觀察。 車籠埔斷層岩心 圖5是興建臺中74號環狀線工程井的其中一箱岩心，具有特殊意義，讓我們好好的觀察它。首先，岩心箱上依序標示井名大坑DG-28-6，箱號BOX18表示為第18個岩心箱，68-72表示深度為68-72公尺，共4公尺的岩心。 次之，我們能看到68-70.1公尺間，主要為青灰色岩石，顆粒度為泥至細沙之間；而70.1-72公尺之間，則為顆粒支撐的礫岩，最大粒徑能達40公分。更進一步觀察，其中68-69.5公尺間能發現到黑色帶狀岩石，我們稱為剪裂帶，69.5-70.1公尺間為主要斷層帶，岩石被「剪碎」一塊塊的，稱之為斷層角礫岩。其中69.9-70.1公尺間岩石變為黃棕色，推測可能因地下水浸融，使其中鐵質氧化所致，而70-70.1公尺間標示「取樣」，係指研究人員將此段岩心送至實驗室另外進行物理與化學等研究。 我們知道臺中地區的上新世與更新世地層順序由下而上為卓蘭層與頭嵙山層，其中，卓蘭層為灰色岩石，顆粒度為泥至細沙之間；而頭嵙山層為淘選不佳、膠結疏鬆，礫徑約4公分至1公尺的礫岩。為什麼此岩心68-70.1公尺是青灰色岩石，顆粒度小的地層，而此岩心下部是70.1-72公尺？原來此岩心打穿車籠埔斷層，因逆衝斷層作用，導致原先沉積在下的卓蘭層上衝到頭嵙山層之上（圖6）。 圖5. 岩心箱照片，詳細說明請看內文。 圖6. 卓蘭層因車籠埔斷層逆衝作用至頭嵙山層上之卡通圖。 地調所的岩心庫 經濟部中央地質調查所是全國典藏最多岩心的地方，目前有三個岩心庫房。其中，兩處為實體，另一為數值化岩心庫。實體的部分為興建於民國87年之岩心資料館（圖7）及向臺灣糖業公司租用之場地（圖8），主要典藏地調所為執行年同時建立線上「工程地質探勘資料庫」（圖9），將我國的岩心數值化，紀錄資料包括測量記錄、鑽探過程、目視地質、試驗記錄及岩石照片等，截至109年12月31日止，共收錄50,352孔鑽孔之資料，岩心總長度達1,735,695公尺。 地調所岩心雖然多為地質學家或地質工程人員於地質調查使用外，事實上，為培養更多優秀的學生將來從事地質科學等相關領域，只要能遵守相關規範（圖10），岩心資料同樣適合各大專院校學生進行地質科學論文與專題使用，以及中學生與地球科學教師進行地球科學科展研究應用。讀到這裡，您心動了嗎？心動不如馬上心動唷～ 圖7. (a)岩心資料館外觀；(b)岩心典藏照片。 圖8. 本所典藏於台糖公司場域之岩心。 圖9. 工程地質探勘資料庫網頁，網址或掃描QR-code：https://geotech.moeacgs.gov.tw/imoeagis（檢索日期2021-07-13）。 圖10. 本所地質鑽探岩心及標本申請書，網址或掃描QR-code：https://geotech.moeacgs.gov.tw/geoact/LawNo9Apply.aspx（檢索日期2021-07-13）。 延伸閱讀 林啟文、盧詩丁、石同生、林偉雄、劉彥求、陳柏村（2008）車籠埔斷層。經濟部中央地質調查所特刊，21，81-120。 梁勝雄、陳文山、盧詩丁、陳建良（2016）活動斷層「個性」怎知曉。科學月刊， 47(6)，454-457。 梁勝雄與陳建良（2016）臺灣中部地景四驚奇。科學研習，55(4)，48-57。 盧詩丁、李元希、石同生、林偉雄、劉彥求、林燕慧、林啟文（2003）探索大地的訊息：活動斷層槽溝開挖調查概述兼談竹山槽溝保存案例。地質， 22(1)，1-14。 梁勝雄 經濟部中央地質調查所技士 范力仁 經濟部中央地質調查所技佐

臆測生物學

文／謝甫宜、謝秉璋 圖／謝秉璋 「想像力比知識重要，因為知識有所侷限，想像力涵蓋一切。」——愛因斯坦 發現化石的那一刻，人類就意識到自身的渺小和生命史的壯闊，生命之源是如此悠遠模糊，未來景象亦復如是。我們要如何知曉過去、預測未來？生命的出現是偶然嗎？以古為鏡，科學似乎就在統整不斷重複的模式，藉由提出猜想、模型、假說，讓我們一瞥那些不可及的世界。臆測生物學是科學家及藝術家所建構的異類學門，藉由不羈的想像詮釋未知的生命，融合浪漫與理性、創意與邏輯、紊亂與秩序，這一切要從鼻行動物說起。 老教授異想天開 鼻行獸直走橫行 1957年，《The Snouters: Form and Life of the Rhinogrades》出版，本書描述太平洋Hi-iay群島上一群高度特化的哺乳動物，稱為鼻行目（Rhinogrades），他們體態嬌小，保持著頭下腳上的姿勢，以鼻子行走、支撐自身重量。不過，該群島在美國氫彈試爆時摧毁殆盡，這群珍稀生物就此灰飛煙滅。書中介紹26個物種，包括只能以鼻子短暫站立的原鼻行獸、以耳廓作為翅膀的滑翔鼻行獸、以鼻涕捕食小魚的釣魚鼻行獸、以長桿似尾巴站立的擬花鼻行獸，和外表像蠕蟲並以蚊蚋為食的漏斗鼻行獸等，如圖1所示。 圖1. 鼻行獸生態復原圖，左上角順時鐘方向依序為：擬花鼻行獸、滑翔鼻行獸、原鼻行獸、漏斗鼻行獸和釣魚鼻行獸。（生物設計： Gerolf Steiner） 此書一出版即引起轟動，一本正經的描述方式使許多科學家都信以為真，然而以上內容由德國動物學家Gerolf Steiner杜撰，包括骨骼與肌肉結構、生態插圖、使用二名法的學名和其所在的島嶼地圖，全由他一手創造。隨著各國語言的譯本相繼出版，這群虛構動物被廣為人知，幾十年後還有其他科學家陸續發表或者說創造這些鼻行目的新物種（Kashkina, M. I., 2004）。本書和稍後即將介紹的《After Man》可稱做臆測生物學之濫觴。也許讀者會認為這些書充其量是以科學形式發表的惡作劇或藝術創作，和真正的生物學八竿子打不著，不過這種驚奇的感受在科學史上屢見不鮮，第一隻送往英國的鴨嘴獸標本也曾被科學家懷疑是採用不同動物部位所縫合起來的假生物！ 窮舉古今演化規律 遙指未來生態變貌 蘇格蘭古生物學家Dougal Dixon於1981年撰寫《After Man: A Zoology of the Future》一書，此書設定人類因地球資源不堪負荷而滅絕，並大膽預測現代動物五千萬年後的樣貌。上一個五千萬年，少數倖存的哺乳類及鳥類剛從白堊紀大滅絕的劫難中復甦，難說下一個五千萬年又有幾代生物更迭變換？作者在書中寫道：人類時代的主要食植及食肉動物分別為有蹄類（奇蹄目及偶蹄目）與食肉目所佔據，然而在人類時代這兩類生物因棲地消失而大量滅絕，僅少數種類留存，人類滅絕後，棲地霸權隨之轉移至最強韌的哺乳類:兔形目與齧齒目身上。由於繁殖力旺盛、適應力強，兔子的後代異形兔演化出修長的身軀及類似蹄的腳趾，成為主要的植食者。另一方面，齧齒動物的一支演化成肉食性鼠類，牠們的門牙及顎骨已大幅修改成適合切割肉塊的樣式，身形也變得如狼一般，另外其他齧齒動物成功適應各式環境，以類似的型態取代人類時代的海豹、海象、河馬、北極熊、袋鼠等空缺，如圖2所示。書中描繪百餘種動物以及各物種間的捕食、競爭、共生和寄生關係，這些細節使整個生態系躍然紙上。 圖2. 五千萬年後的非洲草原，右側近景為兩隻肉食鼠類:猛鼠，遠處為一群異形兔、不具飛行能力的珍珠雞及四角巨羚。（生物設計：Dougal Dixon） 作者以兩大概念作為奇異想像的後盾：生態區位（ecological niche）和生物地理學（biogeography）。生態區位指該生物在生態系中扮演的角色，受生存空間及食性兩項要素深深影響，屬於食肉、食植、食蟲、食腐或是寄生?食植可再細分為食草、食葉、食根莖、食種子等等細項，其他區位亦如是。不同時空背景下，親緣關係遙遠、但處於相同生態區位的物種往往會演化出極相似的外型，此稱為趨同演化（convergent evolution）。最典型的例子包括魚龍和海豚的流線型身軀、澳洲大陸的袋狼和北半球的狼擁有幾乎相同的骨架，以及南極的企鵝和北極圈的大海雀外型如出一轍等，不勝枚舉。所以未來出現長相類似於今日動物的物種乃是自然規律所牽引，而非作者想像的貧乏。生物地理學是一個研究生物時空分布原因的學科，各陸塊漂流移動、氣候變化等因素使得生物族群遷移亦或隔離，相連的大陸或島鏈能使動物群擴張搬遷。例如，三百萬年前中美路橋的形成導致遺世獨立的南美洲再次與北美大陸相接，使兩地的動物搬遷交流，但是彼此競爭也造成不少物種滅絕。相反地，島嶼造成的地理屏障可形成一個獨立的小世界，例如澳洲與世隔絕使得許多有袋類獨立演化；未來東非大裂谷若擴大，東非將會形成一個獨立的島嶼，生物相將與非洲大陸截然不同；如果一個島嶼最先到來的動物是蝙蝠，那牠們展開輻射適應（adaptive Radiation）形成各式陸生的種類似乎也不足怪，如圖3所示。依照上述經反覆應證的演化規律，能否從現存生物的特性、適應生態區位導致的趨同演化、板塊的移動趨勢（包括大陸的分合和島嶼的形成）等線索得出一個較可能出現的未來世界？ 圖3. 就如同擁有眾多陸生鳥類的紐西蘭，未來某島嶼的蝙蝠也許會喪失飛行能力，並分支出許多物種。（生物設計: Dougal Dixon） 2002年電視節目《Future is Wild》開播，將眼光放更渺遠的時間維度：五百萬年、一億年及兩億年後的世界，分別描述這些的生態，Dougal Dixon也參與生物設計。例如，一億年後，哺乳類因無法適應環境而悉數滅絕，佔領陸地的將是軟體動物及節肢動物。2015年，法國生物學家Sébastien Steyer所著的《Demain, les animaux du futur》（Tomorrow: animals of the future）更是異想天開，包括大如鯨魚的海洋蝌蚪以及失去翅膀的各種鳥禽，顯然有許多不合理處。例如，蜂鳥食性不變的前提下，沒有理由犧牲飛行能力啊！只會使其覓食更加不便。市面上也有其他想像未來生物的書籍，然而鮮少能兼顧理性和想像，外型往往過於誇大獵奇、亦不符合邏輯，只是將空中的生物改成地面生活、陸生轉變為水生而已。如果設計和論述不夠謹慎嚴密，易流於膚淺、不過是吸睛的商業怪物。 有的科學家對於上述的假想生物嗤之以鼻，生物學家Peter Ward在《Future Evolution》（2001）一書中寫道，人類已然深刻的改變生態系，失控的人口成長、氣候變化以及外來種入侵等種種因素，造成的第六次大滅絕只會隨人類存在而持續，因此今日的動物在原先棲地上演化這個設定本身是錯誤的，由此發想的新物種無疑是癡人說夢。未來的生態系更可能是由適應人造環境（包括農田、城市及垃圾場）的少數生物所建立，例如蒲公英、浣熊、老鼠、蛇、烏鴉、鴿子及家畜等等。不幸的是這的確是更為精準、鑿鑿可據的預測，嗚呼哀哉，生態系終究無法回到以往的樣子了，與自然和諧共處似乎是遙不可及的夢，智人短短的幾萬年發展就抹煞了長達數億年的演化史。那麼上述《After Man》和《Future is Wild》等烏托邦式的作品價值何在呢？ 誠如Dixon自己所言：「我提出的並非肯定的預測，反倒像是在探索可能的極限。」這些奇異生物絕對是饒富趣味的科普教材，科普的目的不就是激發好奇心及求知慾嗎？奇譎的世界在眼前展開，引領著觀眾尋覓、穿梭、領略古今自然界的通則及特例，使人流連忘返，浮想翩翩，生物學的大門已然成功地向大眾敞開…。 古生物復原風雲變幻 新物種猜想歪打正著 上個世紀，我們對古生物的認識僅藉著骨骼化石，而保留著軟組織的化石可謂鳳毛麟角，恐龍總被認為是龐大遲緩、昂首伏尾的爬蟲。1960年代末，古生物學家John Ostrom和Robert T Bakker提出「恐龍文藝復興」這個概念，認為恐龍是活躍的溫血動物，鳥類是其後代，這個想法深深影響許多藝術家，賦予牠們高舉尾巴、水平站姿、靈活敏捷的新形象。畫家Gregory S. Paul以此理論繪製活靈活現的復原圖，並在多種恐龍體表畫上羽毛，直到1996年第一隻羽毛恐龍被發現這個假設才被證實；精瘦苗條的「皮包骨復原」 （shrink wrapping）為此世代的古生物藝術家的繪圖慣例，例如藝術家Eleanor kish所創作絕美圖像中的動物顯得瘦骨嶙峋，脊椎及肋骨的輪廓歷歷可見。然而隨著更多的化石出土，這種憔悴的皮包骨復原已然過時，我們對古生物的想像卻停滯不前。 圖4. 皮包骨復原套用於今日的動物。 概念源自《All yesterdays》（2012） 《All yesterdays》（2012）試圖以全新的觀點顛覆一般人對古生物的想像，今日動物假若套用皮包骨復原法呈現會是多麼的荒謬！ 如圖4所示，各位讀者們看得出這是什麼動物嗎？答案會讓人大吃一驚，分別是家雞（左）、河馬（右上）、馬（右下）。豐腴飽滿的鳥失去羽毛，成為乾枯孱弱的蝙蝠樣；抽去脂肪及毛髮的哺乳動物顯得陰陽怪氣，擁有長犬齒的河馬沒有嘴唇的掩飾，變得齜牙咧嘴，令人不寒而慄。傳統的古生物復原慣例完全不適用於現今動物，因此採用更激進、想像豐富的方式重新建構他們的外表或許更接近真實，此書收錄大量生動且「非主流」的復原圖：獸腳類是否有軍艦鳥似的大氣囊或公雞頷下的肉垂？是否有很展示用的亮麗尾羽？蜥腳類頸部可能有用來散熱的鬆弛皮膚、甚至是鼓脹的？三角龍鼻腔也許有氣囊？蛇頸龍也許棲息於海底？我們可以大膽而浪漫的假設這些生物的花紋、外皮、羽毛及行為，雖然沒有客觀證據支持，卻是不違背目前證據的其中一種可能，畢竟與恐龍的後代：鳥類所擁有的鮮豔羽毛和複雜行為相比，傳統的復原仍嫌保守。有時新發現比想像更令人驚訝！鴨嘴龍有肉質頭冠（Phil R. Bell, FedericoFanti, Philip J., Currie, Victoria M., Arbour, 2014）等發現給了這波革命一劑強心針。 圖5. 恐龍的面子問題，左上角順時鐘方向依序為:現代復原的梁龍、80年代的象鼻版本梁龍、露齒無唇的暴龍、有嘴唇的暴龍 接下來讓我們聚焦在恐龍復原的「面子問題」，如圖5所示。暴龍自發現以來一直是大眾媒體的寵兒，在電影侏羅紀公園的形象最為深植人心，不過有一群科學家指出電影是不正確的，生物學家Reisz認為這些獸腳類的牙齒不會外露，而是由嘴唇完全包覆著，就像蜥蜴或蛇一樣，這是由於牙齒的牙釉質會在缺乏唾液或水的環境下受損，因此可以假設非水棲生物的牙齒大多會隱藏於唇下（Reisz, R. R. & Larson. D, 2016）。但是Carr的研究（Carr et al., 2017）駁斥這個說法，他指出暴龍顎骨上的孔洞類似鱷魚，很可能兩者吻部都有敏銳的感覺器官，沒有容納嘴唇的空間，因此牙齒是暴露的。耐人尋味的是，此文發表後，Witton等古生物學家展開批評，指出鱷魚的臉部是破裂的皮膚，和恐龍化石印痕顯示的鱗片構造不同；再者暴龍顎骨上的複雜紋理代表上面布滿支撐面部組織的神經血管溝，和鱷魚的頭骨紋路相去甚遠；第三點，鱷魚吻部的壓力感應器是用來接收水體震動的，和陸生恐龍習性及棲地有雲泥之別！ 另一個爭論是蜥腳類恐龍是否擁有象鼻？這一個古怪的猜想最早源自於《Sauropod habits and habitats》（Coombs, 1975）這篇論文，裡面提到恐龍的鼻孔形狀及位置類似於有長鼻子的哺乳類，爾後許多八零年代的科普讀物描繪出擁有象或貘一般鼻子的蜥腳類。不過近年來的研究顯示長鼻組織很難存在，第一是新化石還原的鼻孔位置應該在骨質孔洞的前面、鼻腔狹小，與面部組織貼齊 （Witmer, 2001）；第二點是長鼻乃需巨大血管、顱神經和肌肉支撐，然而這些巨獸們的腦模型顯示面部神經很小（Knoll, 2006）；第三點是牙齒排列及磨損情況顯示他們以強烈的咬合切斷植被（Christiansen, 2000），與以象鼻抓取枝葉的假設不符。由上述兩個例子表明，關於生物外觀的重建是反覆而搖擺的，古生物學家們恨不得回到過去以驗證各自捍衛的理論，不過藉由資訊持續地交流及激盪，真理終究會越辯越明，呼之欲出。 圖6.《The New dinosaurs》呈現的陸棲翼龍及樹棲恐龍。（生物設計: Dougal Dixon） 如果沒有白堊紀大滅絕，今日的生物會有何差異呢？這種猜想相當危險，如臨深淵，一失足就落入了自說自話的幻想領域。Dougal Dixon在《The New dinosaurs》（1988）即做了這個懾人的嘗試，全書滿是光怪陸離的物種，如圖6所示。披著毛髮的樹棲恐龍、如長頸鹿巍峨挺立的陸生翼龍、登陸吃椰子的菊石，為「架空演化史」（alternative timeline evolution）的先驅。此書出版後獲得兩極評價，反對者論書中許多物種過於類似哺乳動物，身體設計已超越牠們祖先所能達成的修改範圍，插圖的解剖構造也不合理（Paul,1990）。令人驚訝的是，十多年後新發現接踵而至，證實部分物種的存在，例如地表上迤邐而行的風神翼龍並不荒誕，反而是精確的（Witton & Naish, 2008）；擁有翼膜的羽毛恐龍奇翼龍（Yi qi）也在2015年被發現。另一個神奇的例子是古生物藝術家John Meszaros（2013）曾發表一幅假想濾食性奇蝦的繪畫，他在說明文字寫到：「濾食性生物通常由大型掠食者演化而來（如今日的鬚鯨和鯨鯊），而且幾乎每個時代的海洋都有濾食生物，因此寒武紀的海洋中這個生態區位很可能由屬於放射齒目的奇蝦所填補。」出人意表的是，往後數年即發現寒武紀和奧陶紀的數種大型濾食性奇蝦，包括篩蝦科（Tamisiocarididae）與海神盔蝦（Aegirocassis）等，如圖7所示。 圖7. 古生代的巨人 篩蝦（上）與海神盔蝦（下）的復原圖（不按比例繪） 科學證據和藝術重建就像賽跑，兩者難分難捨，且不分軒輊。當新物種出土，藝術家需趕緊更新該生物的外貌；有時藝術家離奇的想像，有朝一日能被證實為真。其他學科也有類似的現象，科幻小說家筆下的時空旅行、平行宇宙等概念在數十年後成為理論物理學家爭相探討的主題。究竟是「想像帶動發現」亦或「發現刺激想像」？也許幻想及客觀事實不能一刀兩斷，這個問題的答案終究深不可測、秘不可探。 地球生命是否獨行踽踽？ 演化重啟仍舊眾說紛紛 我們是宇宙唯一的生命嗎？太空一直是幻想者馳騁畝獵的樂園、科幻電影的熱門題材。隨著系外行星大量被發現，許多科學家預測生命或許出現多次，但是尋找異星生命的首要條件，是定義「何謂生命」？甚麼才是生命出現的必要條件呢？而且外星生命的分子組成、遺傳物質、身體結構及感官可能與地球上的碳基生命截然不同，更別提星體條件（包括大氣密度、重力、日週期、溫度等等）對當地生物的影響了，甚至有天體生物學這一個學門在探討這些可能性。和未來世界以及古生物一樣，對於外星世界的奇想仍然是吸引大眾目光的絕佳題材，以外星生態為主的作品包括科幻小說《Expedition》（1990）、國家地理製作的電視節目Extraterrestrial（2005）、Netflix的Alien Worlds紀錄片（2020）等等，利用動人的想像來引導觀眾重新認識地球生命的多樣及壯闊。不過更進一步的論述難免成為空泛的清談，目前仍然沒有足夠證據作為外星生命存在的依據，因此我要將話題就此打住，以上世紀的一個猜想作為文章的結尾。 圖8. 人類或其他智慧生命的出現是必然的嗎？ 若將整個演化史倒帶重播，世界將會變得截然不同？或是人類依然會出現？這是Stephen Gould所著《Wonderful Life》（1989）一書中提出的思想實驗，他認為歷史的進展、物種的興亡全憑偶然，就算將生命史重播百萬遍，人類或智慧生命也難以再次出現，儘管這個想法無法由實驗證明。Conway Morris在《The Crucible of Creation》（1998）、《Life's Solution》（2003）多本著作則抱持著反對意見，他們認為由於外在環境的限制，趨同演化將導致特定的形式一再出現，偶然事件即使存在，對演化歷程的影響卻有限，並推論人類或其他智慧生命出現是必然的！如圖8所示。這樣的辯論看似超越科學能討論的範疇，更取決於個人對「宿命論」及「隨機性」的信仰。有趣的是，近年來許多學者以實驗確認「重啟演化」的結果為何，包括比對族群裡的遺傳變異、實驗室內長期培養微生物，並觀察不同菌落在同樣環境中的演化（Blount, et al., 2018）。這些實驗能否代表重啟演化的結果？或改變我們對命運及偶然的解釋？也許這個亙古命題沒有終極的答案，重啟演化之說卻讓我們用生物學的角度重新省思。 著名生物學家湯瑪斯·赫胥黎（Thomas Huxley）曾說：「明澈之眼能使最微小的事實成為看透無盡的窗口。」問題不在於僅少許人具有精準的洞見，而是如何辨別預言及妄言？實際上，在蓋棺定論之前，「大膽前瞻」與「荒誕不經」其實是同一回事！探索未知的領域之時，勢必要在歧途上兜轉，儘管遭推翻而遺落在塵埃中的想法俯拾即是，它們依舊是可貴的嘗試。相對嚴肅的科學領域中，臆測生物學是一方遊樂場，只要保有一點幽默和創造力，即可神遊於虛實之間、一窺世界最深的奧義。 參考資料 Blount, Z. D., Lenski, R. E., Losos, J. B.（2018） Contingency and determinism in evolution: Replaying life's tape. Science, vol. 362, issue 6415, p. eaam5979 Carr, T.D., Varricchio, D. J., Sedlmayr, J. C., Roberts, E. M., Moore, J. R. （2017）. New Tyrannosaur with Evidence for Anagenesis and Crocodile-Like Facial Sensory System. Scientific Reports. 7（1）:1–11. Christiansen, P. （2000）. Feeding mechanisms of the sauropod dinosaurs Brachiosaurus, Camarasaurus, Diplodocus, and Dicraeosaurus. Historical Biology 14, 137-152. Coombs, W. P. （1975）. Sauropod habits and habitats. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 17, 1-33. Kashkina, M.I. （2004）. Dendronasussp.—a New Member of the Order Nose-Walkers （Rhinogradentia）. Russian Journal of Marine Biology 30, 148–150. Knoll, F., Galton, P. M., López-Antoñanzas （2006）. Paleoneurological evidence against a proboscis in the sauropod dinosaur Diplodocus. Geobios 39, 215-221. Naish, D.（2010）. Tetrapod Zoology Book One. CFZ Press Paul, G. S. （1990）. An improbable view of Tertiary dinosaurs. Evolutionary Theory 9, 309-315. Phil R. Bell, FedericoFanti, Philip J. Currie, Victoria M.Arbour （2014）. A Mummified Duck-Billed Dinosaur with a Soft-Tissue Cock’s Comb Reisz, R. R. & Larson, D. （2016）. Dental anatomy and skull length to tooth size rations support the hypothesis that theropod dinosaurs had lips. 2016 Canadian Society of Vertebrate Paleontology Conference Abstracts, 64-65. Witmer, L. M. （2001）. Nostril position in dinosaurs and other vertebrates and its significance for nasal function. Science 293, 850-853. Witton, M. P., and Naish, D. （2008）. A Reappraisal of Azhdarchid Pterosaur Functional Morphology and Paleoecology. PLoS ONE, 3（5）: e2271. doi:10.1371/journal.pone.0002271 謝秉璋 國立彰化師範大學生物系 謝甫宜 國立高雄師範大學科學教育研究所博士 現任高雄市立陽明國中教師

我們只有一個地球——全球環境氣候議題教學資源介紹

文/劉淑雯、黃譯平 2015年，聯合國宣布了「2030永續發展目標」（Sustainable Development Goals, SDGs）17項核心目標，其中就有包含氣候、海洋保護、陸地生態、水資源和綠色經濟等五項議題受到重視和提出。人類生活和依存在美麗的地球，全球環境和氣候變遷與我們生命息息相關，2021年11月，聯合國轄下歷史最悠久、規模最大的氣候會議，也是世界上最重要的年度氣候會議UNFCCC（氣候變遷綱要公約United Nations Framework Convention on Climate Change）在英國舉行COP26（第26屆聯合國氣候變遷大會Conference of the Parties）把關和應對氣候變遷的關鍵時間點，深刻提出警示，全球已經進入避免災難性全球暖化的最後 10 年，如果不以積極具體的氣候行動做出改變，人類和地球將要面對劇烈的自然災害、海平面上升和野生動植物大規模滅絕。 優質的教育資源網站 地球自然環境遭受不良的迫害已不經意地改變原有的面貌，面對各種異常氣候現象和大自然的反撲，更提醒我們維護和保護地球的行動刻不容緩。透過教育和宣傳是提醒人們重視和積極行動的有效方式，在這個生存與共的全球議題之下，許多平台、網站、書本、獎項等都有很好的參考資源，簡介如下： 一、綠色地球圖書獎（The Green Earth Book Award）是美國第一個為兒童和青少年圖書頒發環境相關的圖書獎項。由The Nature Generation這個非營利組織和美國Salisbury University（索爾茲伯里大學）共同創立，鼓勵在這個領域傑出創作以及值得推薦給大家的好書，自2005年已有超過 147 部獲獎圖書和榮譽圖書。除此之外，網站中免費提供 K-12 教育工作者在課堂或是家庭中可以操作的科學活動，讓這些線上資源來達到綠色教育的目的。 圖1. 綠色地球圖書獎（圖片取自The Nature Generation官網） 二、成立於 2021 年的Climate Lit平台， 是一個由專家團隊評審後選定並且公開分享的數據庫，面向年輕族群為主要對象，通過繪本、影音、遊戲等多種資源來建立一個共同學習的資源平台。其挑選的主題內容以不同的媒介探討環境保護議題，希望促進年輕人培養氣候環境的素養。此一新建置的平台在網頁中廣泛提及了海洋污染（marine pollution）、海洋（ocean）、全球暖化（global warming）、生物滅絕（ecocide）、化石燃料（fossil fuels）、綠色生活（green living）…等71個關鍵字詞，並為不同閱讀素材進行分類和標記，可期待未來更多資料的分享。 圖2. Climate Lit平台（圖片取自Climate Lit官網） 三、從太空視角看世界——NASA Climate Kids這個網站，是由美國國家太空總署（The National Aeronautics and Space Administration，NASA）在2010年推出的氣候兒童網站，通過美國國家太空總署研究地球任務的眼睛，講述了我們不斷變化的星球故事。該網站針對高年級兒童，也就是能夠自主閱讀長篇的孩子提供各種遊戲、活動和文章，使氣候科學變得容易理解。網站中包含了影片、文章、小遊戲和自己可以操作的活動讓孩子可以更親近環境科學。 繪本閱讀與教學應用 筆者從以上網站和2019-2021年度獲獎的書單中精選出10冊繪本，以「環保英雄人物典範故事」、「喚起環保意識」、「落實綠色生活」三類和讀者分享，不同類型的繪本可以不同的角度探討日常的科學議題。本文內容並設計繪本讀後三個面向的參考提問，提供教學者或家長引導小朋友討論污染、保育等環境科學議題，和孩子互動、深度的思考，從故事中文本的因果關係，推論書中支持的觀點，最後連結到自身的省思，這樣的步驟可以讓孩子在閱讀後有更深刻的反思。 一、環保英雄的故事 三部繪本皆是改編自真人真事、實際發生過的事情，對於讀者來說更有親近感，認識在世界上不同角落為環境努力付出心力的人們。故事中有人種樹、有人集水，而我們的生活事實上和環境是很緊密的關係，透過三個故事了解他們為環境努力的過程。 （一）Greta and the Giants（暫譯：格蕾塔和巨人） 作者：Zoë Tucker 繪者：Zoe Persico 出版社：Frances Lincoln Children's Books 故事中Greta（格蕾塔）是一名小女孩，她住在一個受到巨人威脅的美麗森林中。當巨人第一次來到森林時，他們砍伐樹木建造房屋，後來，他們砍倒了更多的樹、建造了更大的房子。房子變成了城鎮，城鎮變成了城市，直到現在幾乎沒有任何森林。格蕾塔知道她必須幫助生活在森林中的動物，但該如何進行呢？只靠一個人的力量十分薄弱，但她的行動影響了其他的人，當人群變得龐大，巨人也開始注意到了這件事情。運用寓言能讓兒童了解環境保護這個重要話題，同時也傳達了「沒有人因為年紀太小而不能有所作為」的訊息。 這本真人真事改編的繪本鼓舞人心，重述了2019年諾貝爾和平獎提名人格蕾塔·童貝里（Greta Thunberg）的故事。這位瑞典少女領導了一場提高世界氣候危機意識的全球運動，她為提醒人們對全球暖化和氣候變遷問題的警覺性，在瑞典議會外面進行「為氣候罷課」（Skolstrejk för klimatet）行動，並在COP24上發言而知名。2019年3月15日，全世界估計有140萬學生參加了由她發起的罷課和抗議活動，她因此也被稱為「瑞典環保少女」。 ※參考提問※ 1.蕾塔所住的地方遇到了什麼問題？ 2.為什麼森林對環境很重要？ 3.格蕾塔用什麼方式促使大家意識到這個問題？如果是你，你會怎麼做？ （二） I Am Farmer: Growing an Environmental Movement in Cameroon（暫譯：我是農夫） 作者：Miranda Paul、Baptiste Paul 繪者：Elizabeth Zunon 出版社：Millbrook Press 這本書與其他繪本所描寫的環境議題角度較為不同，是一位環保主義者Tantoh（坦托）如何改變他的祖國喀麥隆景觀的真實故事。 當Tantoh Nforba還是個孩子的時候，他的同學們嘲笑他對園藝的興趣，如今，他是一位環保英雄，為中非國家喀麥隆帶來乾淨的水源和豐富的花園。 喀麥隆地區沒有足夠且乾淨的水源，人們可能因此而變得不健康，農作物也容易因為水源不足而乾枯，他也由於喝了不乾淨的水而生病，中斷了學習。康復後的Tantoh Nforba，透過對於園藝的熱愛和積極學習，致力於解決身邊所遇到的問題，藉此也提供讀者另一種對地球環境保護的思路。 Tantoh Nforba更在2005年創辦了一個非營利環保組織「保存你的未來協會（the Save Your Future Association SYFA）」，結合了一群國家和國際志願者組成專注於泉水的集水保護和農林業，他也因此在2016 獲得年度最佳環保主義者（World Echoes）的殊榮。他曾說：你來自哪裡並不重要！你永遠不會太小或微不足道而無法為我們星球做出長期可持續性的貢獻，透過盡你所能做到的簡單事情，你正在改善我們的世界。 ＂It doesn’t matter where you come from. You are never too small or too insignificant to contribute to the long term sustainability of our planet. By doing simple things to the best of your ability, you are improving our world.＂ ※參考提問※ 1.坦托在他小時候為什麼生病了？ 2.水資源對我們和環境來說，為什麼是很重要的事？ 3.坦托想了什麼方法留住乾淨的水？如果是你，你會怎麼做？ （三） The Boy Who Grew a Forest: The True Story of Jadav Payeng（暫譯：種了一片森林的男孩） 作者： Sophia Gholz 繪者：Kayla Harren 出版社：Sleeping Bear Press Jadav Payeng（賈達夫·派恩）是生活在印度布拉馬普特拉河一座島上家園的男孩，一天，在路上看到了一條沙洲上的蛇因為沒有樹木而過熱死亡，他告訴其他人們這件事情，隨後，一群長老給了他20株竹苗讓他種植。他每天種植和澆水，設計各種灌溉方法，隨著時間的推移，一棵、兩棵、三棵竹子…他辛苦的汗水得到了成果，從最初的一欉竹子，最後他種了一片森林。有了森林鎖住水分、有了陰涼的庇護，動物們也回來了。 這個故事是賈達夫·莫萊·派恩（Jadav Molai Payeng）的真實故事，如今這篇森林以他為名叫做「 莫萊森林Molai forest」，目前已經有550公頃大的面積和上千棵植物，棲息著孟加拉虎、印度犀牛、大象、猴群和鳥類等野生動物。他偉大的事蹟除了改編成繪本，這故事在2013年時也拍成了一部紀錄片《Forest man》。2015年，他因對環境保護的貢獻，榮獲印度第四高平民獎蓮花獎（Padma Shri）。受印度前總統任命為「印度森林人Forest Man of India」，Jadav Payeng每天種一棵樹創造了比紐約中央公園還大的人造森林，但他並未從此停下，他更說「I’ll plant till my last breath.」意思是我會種到最後一刻，這樣的精神十分令人敬佩！ ※參考提問※ 1.賈達夫·派恩為什麼找長老求助？ 2.如果沒有森林會發生什麼問題呢？ 3.如果是你，你會怎麼幫助Jadav Payeng解決這個問題？ 二、喚起環保意識 這四本書分享了人們身邊環境污染的問題，我們應該要如何面對？我們可以怎麼處理？故事中的情景提醒著我們，現在所居住的環境已經因為人為的開發造成了破壞，那麼我們又應該如何應對。 （一）The Wump World（暫譯：小駱駝的世界） 作者：Bill Peet 出版社：Houghton Mifflin 原本乾淨美好的小駱駝世界（wump world）被一群外來者入侵，不斷地進行土地開發、蓋了高樓大廈、興建道路，世界變得烏煙瘴氣，充滿灰塵、噪音和車流等等擾人的問題，越來越多的垃圾更對河川和環境造成了嚴重的污染。當一群強大的外來者降臨到當地提取資源，以「進步」的名義暴力榨取手無寸鐵的人們，實際上與其同時卻也造成非常大的傷害。反思我們的世界，今日生活在過度開發的時代，可不像故事中環境被污染後能再尋找一個新的星球生存！我們如何在這之中找到對環境友善的共存方式呢？ ※參考提問※ 1.小駱駝世界突然間發生了什麼事情讓他們措手不及？ 2.這些入侵者來了之後，改變了什麼？你覺得是好的嗎？ 3.我們的生活中是不是也有類似的問題？我們有什麼解決方式？ （二）We Are Water Protectors（暫譯：我們是水的保護者） 作者：Carole Lindstrom 出版社：Roaring Brook Press 「水是萬物之母，我們都應該是水的守護者」這部繪本作品獲得了2021年凱迪克獎金獎。故事中以「黑蛇」的出現隱喻在原住民土地上建造的石油管道，造成對土地、水源的威脅和破壞，而一名少女挺身而出呼籲大家一同成為「水的守護者」，並且強調保護「那些無法為自己而戰的人」的重要性，和理解在地球上我們都是相關的「We are all related」生命一體。 此一繪本以北美原住民捍衛水資源的抗爭為背景，並使用原住民的色彩呈現環境議題，以詩意的文字，賦予水珍貴的意義，全書的字數不多卻句句讓人深思，希望能呼籲世人能夠同心協力，保衛珍貴的水資源。 ※參考提問※ 1.故事中出現了一條「黑蛇」，那是什麼東西？ 2.故事中的小女孩，為什麼要勇敢的面對這個問題？他想為誰而戰？ 3.水資源如此重要和珍貴，我們有哪些節約水資源的方式？ （三）The Tantrum that Saved the World（暫譯：一股氣拯救世界） 作者： Megan Herbert、Michael E. Mann 出版社：North Atlantic Books 故事講述了一個小女孩面對自然環境巨大的挑戰，將這些強烈的情緒轉化為實際行動。當世界出現氣候難民，他們的生活如何相互關聯？故事主角試圖克服時感到各種挫折，然後將這些強烈的情緒轉化為行動，並團結她周圍所有人都這樣做。 此繪本以兒童可以理解的語言解釋氣候變化的科學知識，再講述每個人都可以實踐簡單而積極的行動，以產生真正的改變，並成為他們自己故事中的英雄。這本書的最後為孩子們提供了10個可以做得到的保護地球行動。 作者Michael E. Mann 博士是賓夕法尼亞州立大學大氣科學特聘教授，在地球科學系和地球與環境系統研究所 (EESI) 聯合任職。作為父母，Megan Herbert 和 Mann 博士想創作一本書，與孩子們談論我們星球上正在發生的事情，激勵孩子們為應對氣候變化做點什麼。而這本書2022年新版將使用 100% 回收材料印刷，使用大豆油墨，以達成沒有廢物進入垃圾填埋場的目標。 ※參考提問※ 1.發生了什麼事情導致會有氣候難民的出現？ 2.故事中的小女孩用什麼方式幫助他們？ 3.我們可以做什麼來幫助這些氣候難民？ （四）Rocket says clean up! （暫譯：Rocket說清乾淨！） 作者：Nathan Bryon 繪者：Dapo Adeola 出版社：Random House Books for Young Readers Rocket要去島上探望她的祖父母，她最喜歡也很期待和家人一起到海灘上玩，但發現海灘上堆滿了垃圾。當Rocket看到一隻烏龜被網纏住時，她決定必須做點什麼。她開始清理海灘、向沙灘上的人們宣導不要亂丟垃圾和垃圾對海灘的污染…，大家開始加入清潔海灘的行列，不一會兒海灘就變得十分乾淨了。 書的最後作者提供了三個你可以做到的友善海灘的建議，簡短而概念清晰的一冊繪本，讓孩子在閱讀完之後能夠認識海洋保護的概念。 ※參考提問※ 1.Rocket遇到了什麼事情讓他想要做出改變？ 2.Rocket做了哪些事情來幫助海灘整潔？ 3.下次到海邊的時候，你會做什麼事情來幫助維護海洋、海灘的環境？ 三、落實綠色生活 此類介紹三本書在設計上有異曲同工之妙，有順序、有層次地將「垃圾生活」的想法、作法和結果呈現在繪本之中，讓讀者了解到環保意識、環保行動是如此簡單的可以落實在每一天，無論是大人小孩，一個輕易舉動的改變就可以減少地球上資源的浪費。 （一）One Earth（暫譯：一個地球） 作者：Eileen Spinelli 出版社：WorthyKids 全書以詩句形式撰寫，從「一望無際的天空、兩隻蜜蜂」開始，直到「十片耕地」溫柔的文字提醒我們地球的美麗。而後，文本開始倒數，列出兒童可以提供幫助的簡單方法，以減少浪費和重複使用物品，例如：四雙破掉的襪子我們可以學著縫補再穿，兩台壞掉的腳踏車我們可以學著修理……。隨著書的收尾和夜幕降臨，「一個月亮、一個太陽、一個地球如此美麗。」並且，再次提醒「只有一個」。全書不以灰暗的環境污然畫面做為轉折，卻是以溫暖的顏色、語句文字提醒我們在日常中的美好，但最後一句話深刻人心。 （二） Little Lot: The 1-2-3s of an Urban Garden（暫譯：一小步一大步） 作者：Diane C. Mullen 繪者：Oriol Vidal 出版社： Charlesbridge 從一數到十，城市中的一塊廢棄地塊經過十個階段變成了新的樣貌。br />br /> 從建造花盆到拔除雜草再到播種，將這片原本雜亂的土地變成了一個豐富的菜園。過程中，原本繁忙步調快速城市中的陌生人成為朋友，最終與他們收穫並分享這特殊的盛宴。br />br /> 除了美化環境之外，本書更提到了「蜜蜂友善」這個議題，故事的前頭一隻正在尋找授粉的蜜蜂，見證了透過人們「兩隻手」改變一塊廢地，進而發生了一連串的變化，增添城市中的綠地，也改變了人們之間的連結。在書的最後作者也特別針對為什麼要「蜜蜂友善——你可以怎麼做？」是對蜜蜂友善做了最好的提醒和說明。 （三） ABC earth friendly me（暫譯：友善地球ABC） 作者：Christiane Engel 出版社：Walter Foster Jr 將環保生活各方面話題與字母表中的每個字母配對。這本繪本在教ABC字母的過程中隱含了環保的意義，並且鼓勵孩子意識到他們對環境的影響。例如：A for Action，每個人都可以為環境保護付諸行動；P for Plastic，塑膠類的吸管袋子會污染環境，我們應該要減少使用；R for Recycle，我們可以回收一些紙類、金屬、塑膠讓地球覺得更輕鬆……等等例子，簡單卻又實際可以落實的小方法。 簡單的話語、單詞向孩子們介紹了一種環保的生活方式，內容賦予幼兒權力，向他們展示即使是自己的小選擇也會產生很大的不同。為了提供幫助，孩子們可以多吃水果和蔬菜，分享或交換舊玩具、幫助父母晾乾衣物，並了解動物及其棲息地。在書的後面附有易於理解、對兒童友好的定義，例如：什麼是pollution（污染）？什麼是organic（有機的）？更深入的了解新名詞的意義。 ※參考提問※ 1.故事中提到的哪些事情是你可以做得到的嗎？ 2.為什麼我們需要做這些事呢？ 3.想一想，除了書中介紹的行動，還有没有更好、更多的方式，可以讓地球覺得更輕鬆？ 透過閱讀我們可以從不同的角度談論環境的議題，透過閱讀我們可以知道不同地方的人用什麼方式改善環境；從改變日常習慣做起，每個人都可以為地球盡一分心力，一起保護這個美好的星球。 本文推薦這十本好書，從三位偉大的環境保育實踐者的故事，了解到我們都是這個環境中的一份子，都可以為地球和環境做努力；接續著四本講述發生在身旁的環境議題繪本，喚起環保意識，了解到真實這些問題發生在每一天；最後以三冊繪本學習可以透過什麼樣的行動執行、落實，在生活中的一些小改變，就能改善地球環境甚至幫助氣候的好轉。 實際進行繪本故事的導讀，並且師生、親子間互動討論是最佳的閱讀活動，此外，透過影片的觀賞亦是良好的學習媒介。以下為本文推薦好書的相關影片連結參考資訊： https://www.youtube.com/watch?v=GBPYw4FYV7g https://www.youtube.com/watch?v=7YviSkDv9xU https://www.youtube.com/watch?v=-ycpPvq9G9o https://michaelmann.net/content/tantrum-saved-world-carbon-neutral-kids-book https://www.youtube.com/watch?v=4ts-2hFq18w https://www.youtube.com/watch?v=TU3c5shFkJ0 https://www.youtube.com/watch?v=b1TbddILzGg https://www.youtube.com/watch?v=uVgYt-HMOFE https://www.youtube.com/watch?v=Sbduuh6ECBU https://www.youtube.com/watch?v=KGccpeALlgM https://www.youtube.com/watch?v=hc1iL1akR28 https://www.youtube.com/watch?v=auybLFKGPMY 參考資料 COP26。 SYFA。 獲獎清單。 劉淑雯 Southern California Teachers College 南加州師範學院課程總監 臺北市立大學課程與教學研究所兼任助理教授 黃譯平 北京啟圓科技教育公司 科學教育組專案負責人

科普旅遊實務——白冷圳

文/陳正治、蘇明俊、林芷伊 前言 臺灣在日治時期（1895-1945），因農業灌概之需，有三位日本的土木或水利工程師，專程為臺灣建造三條重要的水圳，分別是位於屏東由鳥居信平（Torii Nobuhei, 1883-1946）規畫設計建造的二峰圳；位於嘉南平原，由八田與一（Hatta Yoichi, 1886-1942）規畫設計建造的嘉南大圳；以及位於臺中市由磯田謙雄（Keno Isoda, 1892-1974）規畫設計建造的白冷圳。白冷圳是連結臺中市和平區大甲溪上游的白冷台地至新社區的一條水圳（圖1），此水圳是為日治時代遺留的靜態產物，提供新社、東勢、石岡等地區水源，為新社地區的生命之水，具民生用水、灌溉肥田之功能。 圖1. 白冷圳位置圖與灌溉區 （圖片來源：http://blog.ncue.edu.tw/ashin/doc/33952） 由於新社台地位處高地，是良好的蔗苗養成場所，卻有地勢太高而缺乏水源的困擾，本文所提的白冷圳水利工程，於1928年開工、1932年完工，起點位於海拔555公尺大甲溪中游的白冷台地，終點在位於海拔531公尺的新社台地，落差約24公尺，水圳長度約16.6公里，每當碰上山峰溪谷，必須沿途建造隧道、水橋，與平原地區水圳有不同之處，可謂「遇山鑿隧，逢川造橋」，至今已成當地人飲水思源的象徵，也成了歷史活教材。臺灣總督府撥專款145萬日圓，請磯田謙雄負責設計規劃與闢建，完工後由臺灣總督府直接經營，為一條官設官營的埤圳，並設立蔗苗養成所，育苗分發至全臺灣推廣種植。 而今白冷圳水利工程現場設置展示解說看板，其中在描述科學原理應用的段落裡，標示了「倒虹吸管」一詞（圖2）。然而，從科學的專有名詞解釋，有應用大氣壓力（Atmosphere Pressure）與重力（Gravity）作動的虹吸管（Siphon），卻無「倒虹吸管（Inverse Siphon）」一詞。因此，從科普教育的角度而言，本文期望藉由科普旅遊的方式，嘗試帶領一般民眾理解何謂虹吸作用（或虹吸管原理），如果沒有所謂的倒虹吸，那白冷圳水利工程應用的原理又是屬哪一種？ 圖2. 白冷圳水利工程的現場展示解說板標示著應用所謂的「倒虹吸管」字樣 壹、名詞解析 一、虹吸管原理 虹吸（Siphon）是一種液體運動現象，可以不藉助泵（Pump）抽吸液體，卻藉由一根像彩虹般「n形」的管狀結構，此結構物即是通稱的「虹吸管」（圖3），經由一封閉水管，將位於較高位置A點的水，通過B點後，在更低的位置C點處流出來，使用的科學概念有大氣壓力與重力的交互作用。 如圖3，在虹吸管的上端開口處A點，向管內的壓力，為上端水受到重力往管口進入位置處推擠所形成的容器液壓；向外的壓力則為上坡段液柱產生的壓力。前者大於後者時，液體從上端容器被推進管口流到下端容器，形成虹吸。而液體壓力差是由液體向出口端落下引起，即C點重力向下導致B點壓力減小，然後液壓差配合大氣壓力推動液體流動。在通常情況下，虹吸現象的驅動力是大氣壓；但是在特殊情況下也會有其他原理成為驅動力。在實驗室條件下，一些虹吸管被用於真空環境下展示，表明液體的抗張強度有一定貢獻。 圖3. 虹吸管作動原理（資料來源：維基百科虹吸） 應用虹吸管原理的條件有三： 1.管內先裝滿液體。 2.管的最高點距上容器的水面高度（即圖3的hb），不得高於大氣壓支持的水柱高度（理論值1033.6公分）。 3.出水口必須比上容器的水面低（C點比A點低），這樣使得出水口液面受到向下的的壓力（=大氣壓力加水的壓力）大於向上的大氣壓力，保證水能流出。 依據上述虹吸管作動原理，不難想像，一根管內直徑約120公分，如此粗大的白冷圳鋼構水管，實不易有搭配可用的泵，在C點處吸氣將管徑抽真空。當然，如將管徑內事先注滿水，壓住管徑兩端，再同時鬆手，更是不可能的任務，因此，用「倒虹吸」一詞來解釋白冷圳水流運動，恐會造成某些誤會。 二、連通管（Communicating Tube） 底部相連的容器（稱為連通管），注入液體後，液體由高處往低處流，因為每個水管口的壓力皆相等，當液面靜止時，液面必定在同一平面上，與容器形狀、長度、粗細無關（圖4）。日常生活中的自來水供應系統、鍋爐的水位計和用透明塑膠管裝水來測定兩面牆是否等高，就是應用連通管原理的方式。 圖4. 連通管作動原理（圖片來源：https://www.amazon.co.jp） 白冷圳的水流作動原理，應是連通管的運用，該條長16.6公里的水圳，因要配合高山、隧道與河川溝渠的限制，水管從遠處看，就好像是一條彎彎曲曲、忽上忽下的水管（如圖5），一端在高水處為進水口（即白冷台地）、另一端在低水位出的新社區，其中通過河川溝渠部份，水管呈「U型」狀連通管，即是在展示板上文字所述的「倒虹吸管（Inverse U-shape Siphon）」。白冷圳水源地位於海拔555公尺的大甲溪白冷台地，進水口位於水源地下方（A點）人工挖掘的涵洞及架設的水管，利用重力原理，水會往下流，但與水源需求地新社（H）之間，仍有高山與溪谷，如果溪谷河床寬度較大，水圳管線貼近溪谷沿著B點架設鋼構引道，在B、C點間（如阿寸溪），採U型連通管設計（即圖2所謂的倒虹吸管），通過溪谷再往C點爬升，並另擇適合通過山丘的D、E點間開鑿水圳管線通過的隧道，此時A點的海拔高度需大於D、E點，以確保水圳連通管可繼續往下流，當水圳連通管通過比較窄小的溪谷時（如麻竹坑溪），就在F、G點間架設供水圳通過箱涵式的渡槽，後來因921地震損壞重修，改為具美觀效果的紅色懸拱吊橋（Suspended Arch），再續流至水源需求地新社台地H點。 圖5. 白冷圳地形水路示意圖（圖片來源：林芷伊） 貳、科普旅遊-白冷圳遊程安排 一趟科普旅遊活動遊程，考視主要活動地點及其週遭環境的連結，規劃一個符合科普旅遊的四個需求指標，即精神性、社會性、文化性與新知性，也就是融合知性與感性的遊程，比較容易吸引活動團員的旅遊興致。茲將以水為主題，取名「在水一方白冷圳的科普旅遊活動」，一日遊程如表1，俾供參用。 表1. 科普旅遊-白冷圳遊程設計與規劃 參、科學概念應用與動手做實驗 一、團員的先備概念 本文活動的團員大部份是退休人士，年齡介於50至85歲之間，有關連通管與虹吸管的概念與應用，經現場採舉手方式調查，分別僅有15%與10%的團員知曉連通管與虹吸管的專有名詞，有關倒虹吸一詞，更是從未聽聞過。現場還有人提問水塔送水，是利用哪種科學原理？ 二、連通管（Communicating Tube）的實驗 取兩個保特瓶，在瓶口相連接一條透明軟管，裝水進透明軟管中，不論兩邊管口如何移動,管內兩邊水位的高低都是一樣高（圖6）。日常生活中的熱水壺外可目視壺內水位高度也是連通管的應用（圖7）。 圖6. 樂齡族科普旅遊-白冷圳活動中，演示解析連通管的作動原理。 圖7. 連通管應用在判讀熱水壺內的水位。（圖片來源：https://slidesplayer.com/slide/11484598/） 三、虹吸管（Siphon Tube） 依據前述章節二之（一），示範虹吸管的作動，並教導團員應用虹吸管原理，動手自製一個可攜走的公道杯（圖8至9）。公道杯是古代一種訓示人不可飲酒貪杯的瓷器茶杯，運用虹吸原理（Siphon Principle）製成的，主要是杯內暗藏一連接到杯底的中空細小的管道，利用管道內兩端液體壓力差的現象作動，當水倒入杯中且未達到中空通道的最頂端時，水並不會流出來，當倒入的水超過中空管道的頂端時，水就會開始流，而且全部流光了，教學操作影片網址如下：https://www.youtube.com/watch？v=jVqoVOl9SEE&ab_channel=MandarinChinese 圖8. 實體公道杯外觀 圖9. 公道杯內部結構 （圖片來源：http://www.gezhimei.net/4314.html） 肆、活動發現 國立科學工藝博物館承蒙科技部109年度科普計畫──「在水一方：水故事科學探究」的補助，限於篇幅，本文僅就民國109年12月初，組團前往白冷圳進行兩梯次科普旅遊活動，探索已列為臺中市政府文化資產之一，百年前建置的白冷圳水利工程，活動期間，在遊覽車上沒有高聲喧嘩與KTV唱歌，反而是團員滿篇的回響與感謝，簡述本活動扼要的發現如下: 一、精神性 白冷圳涵管建置在臺中市和平區與東勢區的山林間，前往山林旅遊自是一般遊客釋放生活壓力的選項之一，旅遊活動期間可以就近在新社品嚐引用白冷圳水源所種植的農作產品與香菇等特產。 二、社會性 臺灣因地理所限，每年冬季到春季旱季期間常有缺水之苦，開辦一條與水故事有關的科普旅遊路線，自會有其話題性，同時，在旅遊途中，亦可結交認識志同道合的新朋友。 三、文化性 一條百年前日治時期建置穿山越嶺的水圳，連結了日本、臺灣人民與政府之間友誼和情感的延續，當團員實地看到實體的白冷圳水利工程與幹管（圖10、11），甚至連年齡已逾80歲高齡團員之一張姓阿嬤，也親自手書對科普旅遊活動滿滿的感言與記錄（圖12），待參觀與解說完畢賦歸前，不論老少，都自動地與對臺灣農業灌溉巨大貢獻的日本工程師磯田謙雄的雕像拍照留念（圖13）。 圖10. 翻山越嶺U型連通管的白冷圳幹管 圖11. 力與美兼具的白冷圳渡槽 （圖片來源： 農委會農田水力署臺中管理處） 圖12. 年逾80歲的張姓阿嬤對白冷圳科普旅遊親手書寫滿篇感言與紀錄 圖13. 白冷圳科普旅遊團員與磯田謙雄的合照 四、新知性 一般民眾在學期間學過虹吸管與連通管，但是在日常生活中，就很少去注意這兩個原理的應用，甚至對旅遊景點中所展示的解說板內文，亦不詳加探究，藉由科普旅遊的行程，可以反思活動的內涵與意義。 結語 鑑於新冠病毒在2019年末，以迅雷不及掩耳之勢來襲，許多與國內、外相關旅遊業務瞬間崩盤，無不坐等政府的的紓困與補助，逢此重大的遽變，如果旅遊業者能籌思另一款兼顧精神性、社會性、文化性與新知性等面向的旅遊活動，寓教於樂，寓教於遊，不也是開創未來疫情過後，旅遊產業復甦的新藍海與契機嗎？僅以此文，與同好者分享之。 參考文獻 陳獻（2000），生產、生活、生態的泉源—白冷圳文史探源，新社鄉的生命線—白冷圳地方鄉誌彙編暨愛護水資源宣導，臺中。 吳長錕（2002），戀戀白冷圳：新社鄉文化生態巡禮，新社鄉白冷圳社區總體營造促進會，臺中。 黃旭初（2002），新社鄉的生命線—白冷圳地方鄉誌彙編暨愛護水資源宣導，財團法人稻草人基金會，臺中。 林豐喜（2000），新社鄉的生命線-白冷圳地方鄉誌彙編計畫暨愛護水資源宣導，財團法人稻草人基金會，臺中， 2000年。 李璟泓、黃玉甘（2004），潺潺水歌：新社鄉食水嵙溪生態導覽手冊，新社鄉白冷圳社區總體營造促進會，臺中。 王萬邦（2003）， 臺灣的古圳道，遠足文化，台北。 林純美（2000），白冷圳地方鄉誌，財團法人稻草人基金會，臺中。 廖隆仁（1998），新社鄉誌，大社會文化事業出版社，臺中。 吳長錕（1998），臺中縣歷史建築導覽手冊，臺中縣文化局編印，臺中。 臺中市政府觀光旅遊局網站，https://www.tourism.taichung.gov.tw/。 張時坤（2004），臺中山海屯：臺中縣山河人文與文學風采記行，愛書人雜誌，臺中。 臺中市政府（2018），印樣白冷圳 ，臺中市政府新聞局，統一編號GPN：4510701488，鯤鯓影像有限公司，臺中。 謝文賢（2015），呼嚕嚕，呼叫磯田謙雄-臺中白冷圳的故事，ISBN／ISSN：9789573909675，臺中市政府新聞局，臺中。 陳佩萱（2016），白冷圳的兒女：大遷村的陽明山計畫，ISBN：9789860498936，臺中市政府文化局，臺中。 陳正治 國立科學工藝博物館 科技教育組 蘇明俊 樹德科技大學 休閒與觀光學系教授 林芷伊 國民小學退休教師

我國氣象觀測站網的建置和演進（一）臺灣北部地區

文/陳正改 前言 臺灣屬於副熱帶季風區，天氣變化多端；由於島內地形複雜，高聳的中央山脈呈南北走向，更增加臺灣天氣的多樣性，不但變化快，颱風、豪雨、乾旱及寒流等災害性天氣的發生也相當頻繁。又因臺灣島位於環太平洋火環帶上，且地處歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊相互碰撞、擠壓之活躍區，災害性地震時而發生。於是天災地變常為我們寶島臺灣，造成生命與財產的重大危害。 為了能及早且準確的預測天災地變發生的時間及地點，以便適時提出預警，讓民眾和防救災單位採取防護措施和應變作為，中央氣象局藉由布建完整的自動氣象觀測站網（圖1）和強地動監測站網 （圖2）、發展準確的氣象預報技術和快速的地震預警系統、以及開創全面的氣象服務等具體方案，經過多年來的努力，業已有顯著的績效，並獲得全國各界的肯定。 圖1. 我國氣象觀測站網分布圖 ※截止2020年12月底，全臺灣共有氣象觀測站616站： ●自動氣象站437站 ■自動雨量站139站 ●綜觀氣象站28站 合作氣象站12站 平均每8公里就有一個自動氣象站，是世界上氣象觀測站網密度最高的國家，可媲美日本的AMeDAS。 圖2. 「臺灣強地動監測站網（TSMIP）」分布圖 自由場強震站以紅色表示，山區強震站以藍色表示。 事實上，臺灣的氣象觀測肇始於1885年（清光緒11年），當時香港氣象台在清朝海關總稅務司的首肯及協助下，就提供氣象觀測設備給打狗（高雄）、安平、淡水、漁翁島（澎湖）及南岬（鵝鑾鼻）等海關和燈塔，委由燈塔人員實施簡易的氣象觀測工作。 甲午戰爭後，清廷於1895年（光緒21年）依「馬關條約」將臺灣割讓給日本，臺灣自此成為日本殖民地。日本政府於1896年（明治29年）3月公布「臺灣總督府測候所官制」，並在半年之內，於臺北、恆春、澎湖、臺中和臺南五個地方分別設立測候所。之後，為了經濟利益、飛航安全及戰略需要，陸續在臺灣建構「平地-高山-海洋」全面性的氣象觀測網絡。目前氣象局俱有的綜觀氣象站，大部份就是日治時期所奠定的基礎。 本文針對我國現有的28個綜觀氣象觀測站，按照其所處的地理位置（北部、中部及南部、東部、離島）和建置的歷史脈絡（清朝光緒年間、日治時期的明治和昭和年代，以及國民政府遷臺至今）予以彙整。由於內容豐富、圖片甚多，故擬分四期介紹。本期先與大家分享臺灣北部地區7個氣象站當初建置的緣由，以及具悠久歷史和文化價值的測站特色，並共同見證我國氣象觀測技術，經過130多年以來的發展和演進之歷程。 臺灣北部地區的氣象觀測站 一、臺北氣象站 設立緣由 甲午戰爭結束後，日本為順應國際潮流，乃責成臺灣總督府於1896年8月首先設立「臺北測候所」，初期借用總督府民政局的空間裝置各種儀器，從事氣象觀測工作並興建辦公廳舍。 臺北測候所獨樹一格的「圓形胡椒罐」（圖3）辦公廳舍，於1897年12月建置完成後，即由民政局遷入現址（中央氣象局位置）開始執行觀測業務；1934年改稱「臺北觀測所」，1938年更名為「臺灣總督府氣象台」（圖4）。1945年臺灣光復後改名為「臺灣省氣象局臺北測候所」；1971年7月「臺灣省氣象局」恢復建制成為「交通部中央氣象局」之後，「臺北測候所」亦於1989年8月正名為「中央氣象局臺北氣象站」，仍繼續留在氣象局局本部負責執行氣象觀測業務。 圖3. 1897年12月建置完成的臺北測候所 測候所之外觀獨樹一格，猶如胡椒罐；外牆共有18個面，每一面均為20度角，氣象觀測員可隨時監測到各面向的天氣變化。 圖4. 1938年落成啟用的臺灣總督府氣象台辦公大樓 此大樓一直使用到1992年才功成身退；筆者曾在此大樓的三樓「中央氣象局氣象預報中心」工作達十年之久（1971~1981年）。 測站特色 臺北氣象站自1896年8月設站至今，業已有125年的觀測紀錄，是臺灣最悠久的氣象觀測站。當時選擇現址（氣象局所在地）建站的主要理由，乃是該處位於臺北城的中央，四面環山，北方有觀音山、大屯山屹立，東方有錫口（松山）山脈（四獸山），南方則有諸多山脈重疊相連。錫口山脈的起始端與大屯山脈的末端之間即為基隆河；於此設站，對於觀測盆地的氣候甚為有利。 民國五十年過後，中央氣象局鑒於臺北市都市發展迅速、高樓林立，於市區施放高空氣象探測儀，障礙甚多，且極為不便。為提升高空氣象探測的效率，氣象局乃於1971年7月在新北市板橋區浮洲里興建「板橋高空氣象探測站」，並在1972年2月落成啟用。 配合氣象局綜合大樓之興建，臺北氣象站的地面氣象觀測坪於1992年4月曾遷至隔壁的臺北市立大學，1996年3月大樓（圖5）完工後才再遷回（圖6）。2002年1月起，考量人力的整體調配，即在板橋氣象探空站址另行增加地面氣象觀測作業。 圖5. 1996年3月竣工啟用的中央氣象局綜合大樓 圖6. 設置在氣象局局本部的觀測坪 由臺北氣象站負責管理。 觀測坪內安裝各式最先進的氣象儀器，其長期的監測資料， 可提供臺北盆地氣候和都市熱島效應之科學分析和研究應用。 臺北氣象站（板橋探空站）的站區相當寬廣，右側白色的三層樓建築，即為辦公廳舍和高空氣象探測作業室（圖7）；樓頂裝置有追蹤高空氣象探測氣球的雷達儀，及裝有風向、風速計的鐵塔一座；氣象站內亦有氣象觀測坪，裡面安裝百葉箱及各式先進氣象和地震監測儀器，其餘的空間則滿地綠茵，花木扶疏。 圖7. 臺北氣象站（板橋站區）全貌 臺北氣象站的觀測坪、風力塔及追蹤高空探測氣球的雷達儀。 周圍環境 近年來板橋市區快速發展，臺北氣象站周邊建築密集、高樓又林立，尤其站區東側竟建置有37棟的大面積住宅大樓，樓高達21~24層，對高空氣象探測的無線電波造成屏蔽作用，於是監測大氣層垂直剖面結構變化的所有要素之訊號受到嚴重干擾，致使高空氣象探測作業無法順利執行，對天氣分析和預報影響甚鉅。 為徹底解決高空氣象探測作業所面臨的困境，中央氣象局預計在2022年底之前將臺北氣象站遷移至新店安坑，與氣象儀器檢校中心合署辦公，繼續執行大臺北地區的地面及高空氣象觀測業務。 二、新竹氣象站 設立緣由 1935年4月21日清晨，新竹~臺中地區曾發生規模7.1的大地震，災情甚為慘重（圖8及圖9）。 圖8. 1935年新竹－臺中地震後的街景（取自：Ｗikipedia） 圖9. 縱貫線「魚藤坪橋」（取自：Ｗikipedia） 在1935年新竹–臺中地震後，成了魚藤坪斷橋；於2003年被列為三級古蹟。 當時的臺灣總督府為建立完整的地震監測系統，乃於1937年4月成立「新竹測候所」；並於1937年5月在新竹市中央公園的山丘上興建辦公廳舍，同時自6月起辦理簡單的氣象觀測。1938年1月辦公廳舍竣工後（圖10），陸續安裝各種氣象觀測儀器及地震監測儀，和無線電通訊設備，並在6月開始執行氣象觀測業務，同時於8月更名為「臺灣總督府氣象台新竹測候所」。1945年臺灣光復後稱為「臺灣省氣象局新竹測候所」； 1989年8月正名為「中央氣象局新竹氣象站」。 圖10. 原設於新竹公園的新竹測候所 係日治時期所建置，現已被列為歷史建築。 測站特色 新竹氣象站原位於新竹公園的山坡上，四周樹木蒼鬱，遠離市井，環境相當寧靜，是氣象觀測場地的上選。惟因比鄰中廣新竹廣播電台，電台所發射的電波嚴重干擾到氣象儀器的量測，且當地居民要求恢復公園原貌，氣象局乃在新竹縣竹北市興建新的辦公廳舍，並於1991年7月遷移到現址（圖11），繼續為新竹地區執行氣象觀測和地震監測之任務（圖12）。 圖11. 新竹氣象站全景，站區相當寬廣。 圖12. 新竹氣象站的觀測坪，安裝各式先進的氣象和地震等自動監測儀器。 三、竹子湖氣象站 設立緣由 竹子湖氣象站創立於1937年5月，初創時稱為「竹子湖出張所」（圖13），由當時之臺北觀測所管轄。主要是做為支援大屯山出張所（大屯山頂氣象觀測所）之前進基地與休息站，和傳遞氣象資料之中繼站。由於其海拔高度（607公尺）與鞍部（約800公尺）及大屯山頂（約1,000公尺）呈遞增狀態，適宜作不同層次的大氣高空剖面研判，以利天氣分析和預報之需，遂開始實施氣象觀測（圖14）。 圖13. 竹子湖氣象站 創立於1937年5月，此為日治時期興建的辦公廳舍；站內設有溫泉宿舍。 圖14. 竹子湖氣象站的觀測坪 裝置各種先進的氣象和地震監測儀器。 測站特色 竹子湖氣象站位於七星山（海拔高度1,120公尺）西南麓，其站區係整建山坡地而成（圖15）。周圍松杉蒼鬱，環境幽靜，西北方有大屯山，南南西方有紗帽山，南面鄰近陽明山公園。佇立站前可遠眺整個大臺北、關渡平原、三重、蘆洲，視野遼闊；隔著淡水河與觀音山遙遙相對，景色優美；尤其如詩如畫的大臺北夜景，更是迷人。 圖15. 位於陽明山國家公園內的竹子湖氣象站 其辦公廳舍係1982年興建，為兩層樓之鋼筋混凝土結構。 周圍環境 由於竹子湖氣象站位於陽明山國家公園內（圖16），其廳舍建築相當優雅，站區內亦種植多棵櫻花樹及各種花卉，且附近又有陽明書屋、小油坑、擎天崗、大屯自然公園等著名旅遊景點，值得一遊。 圖16. 竹子湖氣象站優雅建築與櫻花構成美麗的畫面 四、鞍部氣象站及大屯山自動氣象站 設立緣由 臺北、那霸、福岡間之航空事業自1936年開始營運，飛機由日本沿九州南面島嶼南下，經那霸西南西方進入臺灣之富貴角再直飛松山機場。大屯山介於富貴角與淡水河口間，成為飛航指標；因目視飛航安全需要，臺灣總督府乃於1937年7月設立「大屯山頂氣象觀測所」，以觀測航空氣象資料為主要業務；並在風力塔上裝設航空燈台，供飛機標示航路之用。由於大屯山頂之海拔為1,081公尺高，當年上山交通極為不便，補給也很困難；而於1937年11月另在大屯山腳下增設「大屯山鞍部氣象站」，做為支援「大屯山頂氣象觀測所」的前進基地。 臺灣光復之後，大屯山鞍部氣象站改稱「臺灣省氣象局鞍部測候所」，後來接收美國地質調查所（USGS）的協助，裝設電磁式地震儀終成為綜觀氣象站；而大屯山頂氣象觀測所則逐漸更新成為自動氣象觀測站，由鞍部氣象站管理。 測站特色 日治時期的鞍部氣象站辦公廳舍為木造建築，現已荒廢。由於受到地形限制，其辦公廳舍與風力塔採分離設計；風力塔和氣象觀測坪係設置在海拔較高的山坡上（圖17），以免影響觀測資料的正確性。辦公廳舍的旁邊有一陡長的階梯（圖18），是前往風力塔和觀測坪的唯一途徑。目前鞍部氣象站僅存的日治時期建築，就屬這陡長的階梯和風力塔而已。 圖17. 鞍部氣象站的風力塔和氣象觀測坪 觀測坪內裝置各種氣象觀測設施， 另設有監測地震、酸雨、空氣品質、大氣汙染等各式先進儀器。 圖18. 通往鞍部氣象站觀測坪的陡長階梯 係日治時期所建造；2021年1月寒流侵襲期間，亦被白雪覆蓋。 美國國家科學院於1960年時，委託美國商務部海岸大地測量局（USCGS，後改隸內政部地質調查所USGS）與各國合建世界地震測報網。當時的臺灣省氣象所徵得美方同意，並經臺灣省政府核准，將鞍部氣象站納入國際標準地震測報站網。氣象局於1961年初興建站房（圖19），美方同時贈送兩套新式電磁式地震儀（一為短週期，另一為長週期）（圖20），於同（1961）年12月運臺安裝，隨即展開高倍率遠地地震之觀測（圖21），並參加「太平洋海嘯警報系統」組職，成為該體系成員之一。 圖19. 興建於1961年的鞍部氣象站，為國際標準地震測報站網之一。 圖20. 鞍部氣象站的電磁式地震儀 （資料來源：中央氣象局） 圖21. 鞍部氣象站電磁式地震儀曾於1976年7月28日監測到大陸唐山大地震的波相圖 （資料來源：中央氣象局）。 根據早期在鞍部氣象站服務的前輩與筆者分享：1960年代冷戰期間，蘇聯和大陸正積極發展核爆。美國協助我國安裝的地震儀，事實上也具有監測核爆的能力及情報作用。後來氣象局普設新型的地震儀可直接與地震中心連線，於是在1990年代左右就將舊的電磁式地震儀拆除。 大屯山頂氣象觀測站於2006年1月已更新為自動氣象站（圖22，透過無線電傳輸，可將大屯山頂的氣象資料即時傳送到中央氣象局預報中心，提供天氣分析、研判和預報之用。 圖22. 大屯山自動氣象站的測報系統 周圍環境 鞍部氣象站位於陽明山大屯自然公園內，介於大屯山與小觀音山間的鞍型山凹處。由於高海拔特殊地理環境，南北氣流沿山坡爬升，經抬升匯集與凝結後，造成該地區潮濕、多霧、多雨；冬季氣溫常降至五度以下，偶有降雪情形（圖23）。 圖23. 鞍部氣象站觀測坪的雪景（2021.1.8拍攝） 五、淡水氣象站（現已改為：淡水自動氣象站） 設立緣由 臺灣總督府為維護海上航運的安全，於1897年11月即在淡水建造臺灣第一座的「暴風警報信號標柱」（高度為15.5公尺）。 第二次世界大戰期間，日本政府因戰略需要，於1937年在淡水河邊的竿蓁林開始闢建水上機場；同時籌設及興建「臺灣總督府氣象台淡水飛行場出張所」相關事宜。淡水出張所（即淡水氣象站前身）的辦公廳舍於1943年3月方告竣工落成啟用（圖24）。其所承擔的業務，不僅要負責水上機場周遭的氣象觀測，而且還要監測淡水河沿岸的潮汐變化，責任相當繁重，工作人員曾有20多位。 圖24. 淡水飛行場出張所（即淡水氣象站前身）辦公廳舍 於1943年3月竣工落成啟用；目前主體建築已完全拆除。 太平洋戰爭時，淡水出張所幸未遭到盟軍的轟炸而得於正常運作。臺灣光復後正名為「臺灣省氣象局淡水氣象所」。 1976年8月9~10日臺灣受到畢莉強烈颱風的侵襲，北臺灣災情慘重，淡水氣象站的日式廳舍完全被吹毀。此時，氣象局為配合臺中港開港及營運政策，於是移撥淡水站的編制員額另成立「梧棲氣象站」，而在1977年11月裁撤淡水氣象站並改為自動氣象站。原先的淡水氣象站及水上機場，於2000年7月已被新北市政府依文化資產保護法列為市定古蹟。 測站特色 淡水氣象站於日治時期所建置的磚造三層樓風力塔（圖25），現維護完整且正常運作；觀測坪內的氣象和地震等監測設備均照常運轉，所蒐集的資料均納入中央氣象局的「地面氣象（地震）自動測報網」（圖26），提供天氣（地震）分析及預報（預警）之用。 圖25. 淡水飛行場出張所於1942年建置的磚造三層樓風力塔，目前仍維護完整且正常運作。 圖26. 淡水氣象站的「地面氣象（地震）自動測報網」，以及觀測坪內的氣象觀測儀器和地震監測設備，目前仍繼續運作。 周圍環境 臺灣於冬天受到寒流侵襲時，位於淡水河口的淡水常出現平地的最低溫紀錄，此即是氣象局淡水氣象站所測得的。 六、基隆氣象站 設立緣由 臺灣光復後，政府為配合基隆港建設與航運安全，於1946年10月即於基隆港區設立「臺灣省氣象局基隆測候所」。當時借用基隆港務局驗潮站舊址做為氣象站的觀測場所，並於基隆海港大樓七樓租用一間辦公室，提供氣象服務之用。 測站特色 後因基隆港擴建，乃於1970年將觀測坪遷移至海港大樓七樓（圖27）；由於使用面積過小，基隆氣象站於1971年曾遷移至外木山。但因台電高壓線通過外木山觀測坪上空，影響氣象觀測數據的準確性，半年後又遷回海港大樓，同時將觀測坪建置在六樓屋頂上（圖28），終成為現今基隆氣象站的規模。 圖27. 基隆氣象站於1970年即設置在基隆海港大樓的6~7樓 圖28. 基隆氣象站的觀測坪，設置在基隆海港大樓的6樓屋頂 結語 臺灣氣象事業歷經清領時期，委由燈塔兼辦簡易的氣象觀測開始，和日治時期全面建構測候所，再經現在中央政府七十多年來的努力建設和精心經營，方有如今的規模和成就。 筆者一生的精華亦躬逢此盛會並參與此行列，致力於「天氣預報、颱風警報、氣象防災、氣象測政」等業務，前後達四十年之久。今雖已退休十多年，但看到中央氣象局各部門及所有氣象站的同仁，均堅守崗位，為達成跨領域的防災、減災和促進國家經濟發展之目標而努力，心中甚感欣慰和榮幸。 七、新屋氣象站 設立緣由 新屋氣象站於2013年7月成立，前身為中央氣象局氣象衛星中心衛星資料接收站。因應桃園縣於2014年12月升格成直轄市，為加強桃園地區氣象監測與防災需要，而將衛星資料接收站提升為新屋氣象站（圖29），強化桃園地區氣象資訊的蒐集和劇烈天氣變化的監測，以提供桃園市民和相關單位的應用。 圖29. 新屋氣象站的辦公廳舍與風力塔 測站特色 新屋氣象站位於桃園市新屋區，鄰近海邊，風速強勁。站區幅員廣闊，除原先就已建置的四座同步氣象衛星接收天線與二座繞極氣象衛星接收天線塔（圖30）之外，亦闢建觀測坪一座（圖31），安裝各式最先進的氣象觀測和地震監測儀器設備。新屋氣象站終成為我國首座擁有三重高科技監測（地面氣象要素、雲物理變化和地殼變動）功能的綜觀氣象站（圖32）。 圖30. 設於新屋氣象站內的氣象衛星資料接收天線塔 圖31. 新屋氣象站的觀測坪 圖32. 新屋氣象站的全景 參考文獻 中央氣象局（2001）。臺灣氣象建築史料調查研究－期末報告。 陳正改（2012）。中華氣象百年演進史。中華防災學刊，4(2)，125-141。 陳正改（2012）。臺灣地區自動雨量與氣象站網之建置。消防月刊，2012年11月號，47-54。 陳正改（2013）。我國的地震監測網。科學研習，52(3)，26-31。 陳正改（2018）。臺灣的「風中旗緣」－兼論我國「災防告警系統」建置的演進。消防月刊，2018年8月號，48-54。 陳福來。臺灣氣象觀測業務，中央氣象局內部文件。 Ｗikipedia。1935年新竹–臺中地震：https://reurl.cc/jkrZ52。 中央氣象局全球資訊網：https://www.cwb.gov.tw/。 陳正改 中央氣象局退休組長

我國氣象觀測站網的建置和演進 （二）臺灣中部和南部地區

文/陳正改 前言 臺灣屬於副熱帶季風區，天氣變化多端；又位於環太平洋火環地震帶上，災害性地震時而發生。於是天災地變常為我們寶島臺灣，造成生命與財產的重大損失。 為了能及早且準確的預測天災地變發生的時間及地點，以便適時提出預警，讓民眾和防救災單位採取防護措施和應變作為，中央氣象局藉由布建完整的自動氣象觀測站網和強地動監測站網、發展準確的氣象預報技術和快速的地震預警系統、以及開創即時的全面氣象服務等具體方案，經過多年來的努力，業已有顯著的績效，並獲得全國各界的肯定。 本文針對我國現有的28個綜觀氣象觀測站，按照其所處的地理位置（北、中、南、東及離島）和建置的歷史脈絡予以彙整（即是指各氣象觀測站設置的年代；並以位在同一區域的氣象站，其設立時間的先後依序敘述）。由於內容豐富、圖片甚多，分四期刊登，分別闡述各氣象站當初設置的緣由和演進，以及具悠久歷史和文化價值的測站特色，與大家分享，並共同見證我國氣象觀測技術一百多年來的發展歷程。本期主要著重於中部和南部地區氣象觀測站的介紹（如表1及表2所示）；至於北部地區的氣象站，請參閱本刊第61卷第1期（2022年2月號）內文。 表1. 臺灣中部地區氣象觀測站設置年代 表2. 臺灣南部地區氣象觀測站設置年代 臺灣中部地區的氣象觀測站 八、臺中氣象站 設立緣由 日治時期的臺灣總督府於1896年即在臺中設立氣象站；設站初期，即以家屋為辦公處所。1898年4月始遷入位於城內清廷原先的工兵部隊舊有營舍，繼續從事氣象觀測。惟因接連遭到暴風雨的襲擊，營舍完全被毀損，乃於1900年11月在臺中市區興建新廳舍，並在1901年5月落成啟用（圖8-1）。1954年再度遷移至台中（中山）公園北側，興建新的辦公廳舍（圖8-2）。 圖8-1. 1901年5月落成啟用的臺中測候所。 圖8-2. 與臺中公園比鄰的臺中氣象站，環境相當優雅且寧靜，係於1954年4月興建完工。 測站特色 臺中氣象站位於臺中市區內，與臺中公園相鄰，綠地較廣，氣象要素受都市化之影響相對較低。 臺中地區位居臺灣西部平原富庶區，全年季節風明顯，夏季屬高溫潮濕的偏南氣流，冬季則為乾冷之偏北氣流；每年雨季約在二、三月至八、九月間，四月至十一月則屬溫暖之氣候型態；是臺灣適合居住的地區之一。 周圍環境 臺中公園的景色相當優美（圖8-3），週邊為臺中早期發展地區之一。當時公園內的大土丘（砲臺山）即為臺中古名「大墩」的發源地，而「日月湖」則是「綠川」流過所形成的天然水塘。 圖8-3. 臺中公園的景色相當優美。 九、阿里山氣象站 設立緣由 臺灣在高山地區開始從事完整的氣象觀測業務，是由位於阿里山萬壽山北麓的「臺灣總督府臺北測候所阿里山高山觀象所」肇始。臺灣總督府於1932年即在萬歲山北麓，海拔2,413公尺處設立「阿里山觀象所」和興建辦公廳舍，1933年3月竣工啟用並開始執行氣象觀測業務（圖9-1）；1938年8月更名為「臺灣總督府氣象台阿里山測候所」。1945年11月改名為「臺灣省氣象局阿里山測候所」；1989年8月正名為「中央氣象局阿里山氣象站」。現今的阿里山氣象站（圖9-2），於2013年已被指定為嘉義縣定古蹟。 圖9-1. 1933年竣工啟用的「臺灣總督府阿里山高山觀象所」辦公廳舍建築全景。 圖9-2. 阿里山氣象站（萬壽山站區）的古蹟建築和氣象觀測坪。 為因應氣象觀測現代化、氣象預報精緻化和氣象服務多元化，中央氣象局乃將阿里山氣象站（萬壽山站區）原有的人員和業務遷移至新站（沼平站區，位於沼平車站附近，圖9-3）的辦公廳舍（此原為玉山氣象站職員和工友換班的待命宿舍）。 圖9-3. 阿里山氣象站重新整修的辦公廳舍（沼平站區）。 ▍ 此辦公廳舍維存原先獨棟日式官舍完整的面貌，可欣賞其空間原貌、精美之處，以及構築原理的居住文化。 測站特色 日治時期為推展氣象研究，臺北帝國大學（現在的臺灣大學）農學院的白鳥勝義教授與臺灣氣象研究會倡議，建構臺灣全島「高山、平地、海洋」全面的氣象觀測網絡；此高山便是指「阿里山觀象所」，平地則是台中及台南，海洋就是澎湖，如此即可得到高空剖面的氣象資料，除首開高層氣象觀測、研究及應用（森林開發）之外，亦可提供飛航安全所需的航空氣象資料。當時日本學者及氣象從業人員的高瞻遠矚和規劃能力，真是值得我們後輩的佩服和學習。 阿里山氣象站（原「阿里山高山觀象所」）的辦公廳舍建築，有別於一般平地的測候所，除建材係取自當地的檜木之外，其室內空間的配置以及功能應用，也有所不同（圖9-4）。阿里山氣象站的主體為兩層樓木造建築，地下室為石砌，建築立面呈現凹字型對稱設計，兩側高起的頂端為風力塔，以一條動線貫穿整棟建築（圖9-1）。對稱的雙塔，使本建築形式呈現特殊性。將現有的空間分布對照日治時期的文獻資料，發現當時阿里山高山觀象所設置多間研究室，其機能亦均不同且相當複雜。由此可知，日治時期的臺灣總督府，對臺灣高山氣象資料的蒐集和應用，是極為重視。 圖9-4. 阿里山氣象站（萬壽山站區）的內部空間配置和建築結構特色，有別於一般平地的測候所。 周圍環境 阿里山氣象站的新（沼平）和舊（萬壽山）站區均位於阿里山國家森林遊樂區內，常年溫度偏低，溼度變化亦大，附近皆為原始溫帶林；站區內栽植各種花木，尤以八重櫻和富士櫻最為盛名（圖9-5）；視野遼闊，北可眺望塔山，東可眺望玉山群峰，風景相當秀麗。歡迎各級學校師生、機關團體和家庭預約參訪（圖9-6），一探氣象究竟及欣賞古蹟建築之美，和居家休閒旅遊。 圖9-5. 阿里山氣象站（沼平站區）的觀測坪與盛開的櫻花相得益彰。 圖9-6. 阿里山氣象站朱瑞鼎主任，為臺北市政府大地工程處的水土保持志工講解氣象站設立緣由、建築特色和防災預警功能。 十、日月潭氣象站 設立緣由 臺灣總督府為落實高空氣象觀測之需求，於1940年11月即在日月潭貓囒山上建立測候站，稱為「臺灣總督府氣象台貓囒山出張所」；當時只建置一座石砌基座的風力塔（圖10-1），作為氣象觀測之用。辦公室與員工宿舍，則由山坡下方的茶葉改良場魚池分場撥用。 圖10-1. 於1940年所建造的日月潭氣象站風力塔，雖已逾80個年頭，且歷經「九二一大地震」的撼動，仍屹立於貓囒山上，繼續監測日月潭地區的氣象變化。 測站特色 1951年12月臺灣省氣象所於風力塔西側旁興建一棟木造辦公廳舍之後，氣象業務逐漸步入常軌；1983年1月鑑以辦公廳舍老舊且業務及設備擴增，遂在原辦公廳下方另新建二層樓鋼筋水泥辦公廳一棟；1999年9月21日凌晨發生芮氏規模7.2的「集集大地震」，辦公廳舍和氣象觀測設施及地震監測設備遭受嚴重損毀，被列為危險建物，隨即拆除並重建新的辦公廳舍（圖10-2）和氣象觀測坪（圖10-3）；於2000年1月正式落成啟用。 圖10-2. 2000年1月落成啟用的日月潭氣象站。 圖10-3. 日月潭氣象站的觀測坪，安裝各式現代化的氣象觀測和地震監測儀器。 1940年建站當時所設置的石砌基座風力塔，雖歷經「九二一大地震」的撼動，但也只輕微受損而已，現已修護且安然無恙，繼續為日月潭地區提供氣象觀測服務，堪稱歷史建築物（圖10-1）。 周圍環境 日月潭氣象站位於貓囒山上，四周均為茶園、竹林、杉林，其米黃色的辦公廳舍與木造的涼亭和石砌的風力塔，完全融入翠綠的山景中（圖10-4），猶如一座別緻的山莊。 圖10-4. 遠眺日月潭氣象站，與周邊環境融為一體。 於氣象站上即可鳥瞰日月潭全景（圖10-5），潭上浮舟、拉魯島，以及文武廟、慈恩塔、玄奘寺等均可收入眼簾；同時與背後蘶峨聳立的水社大山及碧藍天空，又可構成一幅美麗畫面；甚至還可遠眺九份二山及集集大山，是日月潭區內最佳觀景場所之一。 圖10-5. 日月潭氣象站全景；於站內即可俯瞰日月潭的風光景色。 十一、玉山氣象站 設立緣由 太平洋戰爭期間，日本政府考量作戰和飛航安全需求，責成臺灣總督府積極在各高山尋找適當地點設立氣象觀測站，以便搜集高空氣象資料。 1943年選定玉山北峰為建站地點，成立隸屬於「臺灣總督府氣象台」的「新高山測候所」；並自1943年8月開始觀測。每天固定時間與阿里山、日月潭、臺中、臺南和澎湖同時觀測，提供高層大氣剖面之分析，以利戰機飛行和天氣演變之研判。 臺灣光復之後改名為「臺灣省氣象局玉山測候所」；1989年8月正名為「中央氣象局玉山氣象站」。 玉山氣象站（原新高山測候所）於1943年成立時，即興建一棟木造結構的辦公廳舍（圖11-1）；並於1983年及1986年經過兩次的大整修；更在1998年將原木造的舊辦公廳舍重建為鋼筋結構建築（圖11-2），新建辦公廳舍於2000年10月竣工落成啟用。 圖11-1. 玉山氣象站的木造辦公廳舍及觀測設施。 圖11-2. 位處玉山北峰、海拔高度3,858公尺的「中央氣象局玉山氣象站」新建鋼筋結構的辦公廳舍，於2000年10月竣工落成啟用，是我國「最高的行政機關」。 測站特色 玉山氣象站位於玉山北峰，海拔高度3,858公尺，為臺灣最高之建築物，亦是我國「最高的行政機關」；冬半年經常為冰雪所覆蓋（圖11-3），工作人員的生活作息相當辛苦，筆者曾專程前往慰問（圖11-4）。 圖11-3. 玉山氣象站的辦公廳舍、風力塔和觀測儀器，於冬半年經常被冰雪所覆蓋，工作人員必須排除萬難，繼續執行氣象觀測業務（2021.1.10寒流侵襲時）。 圖11-4. 筆者於2006年3月曾專程前往玉山氣象站視察和慰問工作人員。 玉山氣象站於1990年即已裝設10KW太陽能發電系統，以及地面氣象自動測報系統，對工作環境的改善和氣象資料準確性的提升，有重大且顯著的進展和其意義。 周圍環境 玉山主峰的海拔高度為3,952公尺，是東北亞第一高峰（圖11-5），屬玉山國家公園管轄範圍。玉山山脈係受到歐亞大陸板塊與菲律賓海板塊擠撞而隆起，山脈主稜略呈十字形，南北長而東西短，十字之交點即為玉山主峰，襯托主峰者為東、南、西、北諸峰。當夕陽西斜（圖11-6），雲環霧繞之時，頗能讓人遺世忘憂。 圖11-5. 玉山氣象站的觀測坪，背景即是海拔高度3,952公尺的玉山主峰。 圖11-6. 玉山夕陽紅（謝新添拍攝，2019.10.1）。 玉山國家公園管理處於1985年成立之後，玉山氣象站配合其需求，提供眾多探討生態環境及寒帶林相之氣候資料供其運用，對臺灣野生動植物之保育與復育助益甚多。 十二、嘉義氣象站 設立緣由 嘉南平原為臺灣稻米等作物的主要生產區，且位處西部地震帶上，為配合糧食生產及農業資源開發，和加強地震資訊服務，中央氣象局乃於1968年9月正式成立「臺灣省氣象局嘉義測候所」；並於1989年8月正名為「中央氣象局嘉義氣象站」。 嘉義氣象站除著重地面氣象觀測及地震監測等業務之外，為探討氣象要素對作物生產及農業發展之影響，特於1982年設置「農業氣象研究室」，加強氣象與農業相關業務的實驗和分析。 測站特色 嘉義氣象站於1968年設立時，即曾建置辦公廳舍一棟（圖12-1）；歷經四十年的滄桑歲月，且原站區地勢較為低漥，在雨季時常引發淹（積）水困境，嚴重影響氣象業務的推展，於是氣象局在2008年9月將站區加以填土墊高，重新興建一棟鋼筋混凝土加強磚造的三層辦公大樓（圖12-2）。新建的嘉義氣象站就是一棟風力塔與辦公廳舍合而為一的典型氣象建築（圖12-3）；一樓為氣象作業室和為民服務區，二樓為會議室及簡報室，三樓為風力塔。 圖12-1. 1968年9月興建完成，並曾多次整修過的嘉義氣象站舊有辦公廳舍。 圖12-2. 嘉義氣象站新建辦公大樓於2008年9月正式揭牌啟用。 圖12-3. 嘉義氣象站的觀測坪位於辦公大樓後方，四周均為農田和花圃，環境相當優雅且清靜。 十三、田中氣象站 設立緣由 為強化彰化地區的精緻化氣象資訊、推廣氣象教育、建置更稠密的自動氣象站和完整的防救災服務網，中央氣象局於2020年3月將原位於台中港務大樓的梧棲氣象站遷移到彰化縣田中鎮，同時更名為「中央氣象局田中氣象站」（圖13-1），具體落實彰化地區的氣象監測、防災預警以及氣象多元服務。 圖13-1. 臺灣中部地區首座具氣象監測、防災預警、教育宣導等多元功能目標的田中氣象站，於2020年3月正式落成啟用。 測站特色 新成立的「田中氣象站」位於彰化縣田中鎮高鐵彰化站特定區內，站區幅員相當廣闊。站內建置一座符合國際標準的現代化觀測坪（圖13-2），並安裝全套的「新一代地面氣候觀測系統」（圖13-3及圖13-4），可24小時持續記錄彰化地區各氣象要素（包括：氣溫、氣壓、濕度、雨量、風向及風速、能見度、土壤溫度）的變化；同時亦增設可量測雨水酸鹼值等環境品質的監測系統。 圖13-2. 田中氣象站的觀測坪。 ▍ 觀測坪內安裝「新一代地面氣候觀測系統」，其各式氣象儀器可全年無休地監測彰化地區的天氣變化和氣候特徵。 圖13-3. 田中氣象站的風力塔及風向風速計。 圖13-4. 田中氣象站所裝設的各式太陽輻射觀測儀器。 田中氣象站同時闢建「氣象與地震展示室」，配置有關地球科學領域的各種設施（圖13-5），是目前中臺灣唯一擁有教育展演空間的氣象站，可提供參訪者直覺、體感式的學習認知，進而傳達氣象與地震防災資訊的科普常識及應用。展區以純淨白色，搭配自然溫柔木紋色系為主，其設計理念是將氣象與環境融成一體，具體展現關懷地球友善環境。各級學校、機關團體及民眾可申請參觀，會有專人或透過數位導覽系統解說，近距離認識各種有趣的氣象科普知識。 圖13-5. 田中氣象站的「球型地球展示系統」，可播放科普動畫、環形劇場、VR等沉浸式多媒體影音，供民眾親自體驗。 臺灣南部地區的氣象觀測站 十四、恆春氣象站 設立緣由 恆春氣象站於1896 年11月建站。初期先借用當地的福德祠作為臨時辦公廳舍，並利用廟宇後方的珊瑚礁高地闢為觀測坪，安裝儀器從事氣象觀測，為恆春地區氣象事業的開端。1905 年12月新建廳舍（圖14-1）落成後，始遷到現址。 圖14-1. 1905年12月落成之恆春測候所。 ▍ 恆春測候所為一層樓木造覆瓦結構建築，風力塔則為兩層樓木造結構，外層再覆蓋亞鉛板。1915年原木造風力塔拆除，改建成兩層樓鋼筋混凝土結構，為當時臺灣各地氣象觀測站之始祖。 1945年4月9日恆春地區遭到盟軍轟炸，恆春氣象站的廳舍及儀器等設備皆毀於戰火，被迫暫停觀測。惟因氣象事業與軍事息息相關，乃遷往郊外的「五里亭」繼續觀測；直至1945年8月日本政府投降後，才遷回原址繼續觀測。 測站特色 恆春氣象站（圖14-2）為氣象局觀測點的最南端，是監測由南往北移動之熱帶擾動系統（如：颱風）的先鋒（圖14-3），對臺灣本島天氣的影響得以迅速、確實的發揮預警功效。 圖14-2. 擁有現代化設施的恆春氣象站，係於1989年興建完成。 圖14-3. 恆春氣象站風力塔上所安裝的各式氣象觀測儀器。 周圍環境 每年十月至次年四月間，由於受到東北季風盛行之影響，強勁的落山風竟造就了恆春地區之特殊景觀及風土民情，如：大量栽種洋蔥與瓊麻、風剪樹與各式傳統避風建築等。 十五、臺南氣象站（臺灣南區氣象中心） 設立緣由 臺灣總督府於1897年1月成立臺南測候所後，即在臺南市中心最高處，昔日被視為祭天聖地的「鷲嶺台地」開始興建辦公廳舍，並在1898年4月竣工落成啟用（圖15-1），至今已逾二個甲子年，為臺灣於日治時期最早的建築廳舍之一，亦為目前僅存的一棟。 圖15-1. 1898年4月峻工的臺南測候所。 測站特色 由於臺南測候所的辦公廳舍，其建築中央有高約12公尺的圓柱形風力塔，塔身四周環繞著較低矮且具有18邊形的辦公樓層，整體有如西餐廳內常見的胡椒研磨器具，造型獨特。在1970年代以前，臺南市區少有高樓大廈，「測候所」因位居「鷲嶺」之巔且拔地而起，自落成之後就扮演著城市地標的角色，老一輩的府城居民乃用貼切的「胡椒管」來暱稱這座顯眼的公共建築（圖15-2）。此「氣象胡椒管」現已被政府核定為國定一級古蹟。 圖15-2. 國定一級古蹟-氣象胡椒管，是臺灣僅存最古老的氣象廳舍建築。 ▍ 中央圓柱型風力塔高12公尺，外型像胡椒罐而稱之。最特別的是建築外牆有18個面，每一面為20度角，哪個方向有特殊天氣變化，不用儀器也能立即定位。 隨著時代的進步，中央氣象局為加強臺灣南部地區氣象服務，和提升當地地震及氣象監測能力，遂決定在臺南氣象站原址興建地上七層、地下二層，兼具氣象教育功能的「臺灣南區氣象中心」（圖15-3及圖15-4），已於2001年11月落成啟用。 圖15-3. 建築新型的「臺灣南區氣象中心」大樓與國定一級古蹟-氣象胡椒管，融為一體、相得益彰。 圖15-4. 臺灣南區氣象中心的氣象展示室一隅。 十六、高雄氣象站 設立緣由 1883年（光緒9年），英國政府陸續於中國沿岸設立海關及建置燈塔；同年香港氣象台（香港皇家天文台）也成立，其首任台長杜．貝克（Sir W.Doberck）獲得清朝海關總稅務司羅伯特．赫德（Sir Robert Hart）的首肯和協助，即於各海關與燈塔開始實施氣象觀測。香港氣象台在1885年（光緒11年）也提供氣象觀測設備給打狗（高雄）、安平、淡水、漁翁島（澎湖）及南岬（鵝鑾鼻）等海關和燈塔。臺灣即正式邁入執行氣象觀測業務的行列，並逐月向香港氣象台發送觀測月報。自此，高雄港開始有氣象事業之雛形。 甲午戰爭結束後，日本依「馬關條約」前來接收臺灣。1895年日軍在臺灣東北部登陸，抗日戰火波及全臺，泰半氣象儀器設備和觀測資料等均被毀損及散失，氣象觀測業務也停止。迨日軍佔據臺灣之後，於1897年12月就在打狗（高雄）和安平同時設置「暴風警報信號」標柱，高雄海關燈塔也在次（1898）年3月恢復氣象觀測。當時的氣象觀測業務是由海關人員兼辦，因均未經過專業訓練，以致觀測資料都未能妥善保存，實屬可惜。 臺灣總督府於1922年開始規劃設置高雄海洋觀測所的相關計畫，經過長時間的評估，始有具體的方案；並由當時臺北帝國大學白鳥勝義教授與臺北測候所第二任所長寺本貞吉兩人南下高雄，勘察設站地點，最終選定柴山西側，哨船頭山上的原「英國領事館」舊址之洋樓，作為高雄海洋觀測所的辦公廳舍。 1929年「臺灣總督府高雄海洋觀測所」正式成立（圖16-1），並自1931年4月起，開始建立完整的氣候資料。遺憾的是，昭和天皇期間爆發太平洋戰爭（1941~1945年），高雄海洋觀測所曾多次遭到盟軍的轟炸和受到颱風的侵襲，以致辦公廳舍、觀測設備和氣象資料均嚴重受損。 圖16-1. 高雄氣象站的前身-「臺灣總督府高雄海洋觀測所」，於1929年在高雄柴山原「英國領事館」之洋樓正式成立。 臺灣光復後，「高雄海洋觀測所」改稱「臺灣省氣象局高雄測候所」；1989年8月正名為「中央氣象局高雄氣象站」。 測站特色 高雄氣象站（高雄海洋觀測所）原站址是位於海拔29.1公尺的柴山山坡上，觀測資料欠具代表高雄的氣候特性，於是在1973年5月遷移到前鎮漁港的新建辦公廳舍（現址），係鋼筋混凝土結構，為風力塔和辦公廳舍共構的二層典型氣象建築（圖16-2）。而原先的「高雄海洋觀測所」舊址，則交由高雄市政府接收，現已闢為西子灣風景區「高雄史蹟文物館」。 周圍環境 現在的高雄氣象站位於高雄港的填海造陸區，緊鄰前鎮漁港，四周漁產加工廠與冷凍廠林立，西側又與中油油庫相鄰（圖16-3）；由於受到周圍環境的限制，實在不易擴展。 圖16-2. 中央氣象局高雄氣象站於1973年5月遷移至前鎮漁港邊，係一棟鋼筋混凝土結構建造的二層樓。 圖16-3. 高雄氣象站因受到前鎮漁港周邊環境的限制，其觀測坪竟與中油公司的油庫等設施緊鄰，嚴重影響其觀測品質。 考量高雄是ㄧ個活力四射的海洋城市，未來高雄氣象站將會遷往高雄都會公園附近，重新興建辦公廳舍，裝設新一代的氣象、地震、海洋等相關的觀測儀器和設備，滿足在地民眾的需求，提供良好且便捷的氣象資訊，與民眾緊密生活在一起。 結語 臺灣西部走廊是我國精緻農業的主要生產區，和高精密科技園區，以及鋼鐵工業、石油化工廠等之重鎮，而且高速鐵（公）路縱貫南北，簡單的說：就是我國經濟發展和交通要衝的命脈。面臨極端氣候變遷的衝擊和短延時、強降水的無情肆虐，以及西部地震帶位處此精華地段，主管天災地變監測和預報的中央氣象局，絕對不能輕忽和怠慢，於是建置綿密的氣象和地震監測站網，隨時予以監控和適時提出預警，並積極推動跨領域的防災及減災合作方案，以維護國人安全，進而促進國家總體經濟發展之目標而努力不懈！ 陳正改 中央氣象局退休組長

臺灣的海洋環境與海岸地形的演育 ──東部海岸與西部海岸的比較

文/許民陽 前言 地球表面積有百分之71為海洋所覆蓋，因此有人把地球稱為「水球」或「藍色行星」。海洋也在地球生物演化、生態平衡、能量平衡、氣候調節及海岸地景演育上扮演重要的角色。在生物演化上，海洋是地球上最早生物誕生及演化的場域；生態與物質平衡上，擔任全球碳循環與水循環，能量傳遞的功能；在能量平衡與氣候調節上，海洋利用洋流、颱風與行星風系等機制，調節全球各緯度的溫度，使赤道與極區溫度不會日趨極端；在海岸地景演育上，海洋透過季節風、波浪、潮汐與海流，不斷塑造多樣性的海岸地景。 臺灣四周環海，和海洋關係密切，海岸線全長1137公里，臨海的海岸線雖不算長，但海岸地形卻多采多姿。基本上海岸的地理位置在海陸之間，長年為風浪等自然營力進行侵蝕和堆積作用的地區，為各類地形景觀中變化最急遽的一種。除了海岸本身的地質組成外，同時承受來自陸地的風化、侵蝕搬運作用和大海的風浪侵襲作用的影響。高山地區的伐木、築路、築壩，平地地區的社區開發、河流改道等，都直接影響海岸地區的地形變化。沿岸地區的海底地形、海流、波浪、潮汐等，異常氣象帶來的颱風、暴雨、暴浪等，都直接衝擊海岸，改變著它的面貌，晨昏之間，冬夏兩季，風浪轉移，不斷重塑著海岸地形。 由以上可知，海岸地帶位於海陸交接之處，其地形演育為各種外營力地形變遷中最急劇的一種。承受岩石圈、水圈、氣圈三者等的交互作用影響。以下僅就三圈中最重要的因素探討臺灣的海洋環境對海岸地形的演育的影響。 壹、海洋海底地形和構造運動的影響 臺灣島由於歐亞板塊和菲律賓海板塊的碰撞、擠壓與隱沒作用，臺灣四周的海底地形相當複雜，主要是東部海域和臺灣海峽海的完全不同的的地形深淺區域。以及北部與南端海岸大陸棚區域。 一、東部海域的海底地形 東部海岸從宜蘭海岸開始，水深降得很快，離岸不到10公里，海水深度已達1000公尺，離岸30公里左右，深度可達4000公尺，由北到南有沖繩海槽、琉球島弧、琉球海溝及花東海盆四個海底地形單元。上述海岸坡陡水深的海底地形和構造運動造成的東部海岸地形有下列幾種： （一） 蘭陽平原的弓形海岸與沙丘 蘭陽平原本為沖繩海槽西端的凹陷槽谷，主要為蘭陽溪及其他小河沖積而成的聯合沖積扇三角洲，由於海岸外側為超過一千公尺深的沖繩海槽，加上沖繩海槽擴張產生的輕微沉降作用，即使蘭陽溪有豐富的漂砂，向外海輸送後沉積於槽谷中，以致無法堆積成臺灣海岸常見，向外突出的圓弧三角洲。使現今海岸成向西凹入的弓形，只在蘭陽溪、宜蘭河及冬山河匯流後的出海口突出為小型的尖嘴狀三角洲。 圖1. 臺灣四周海底地形圖 蘭陽平原南北延伸的沙岸與東北季風成斜交成向陸風，海灘內側北自得仔溪口，南至新城溪口均有沙丘分布，長約23公里，最寬處在利澤海岸，高度可達15-20公尺，當地人稱為沙崙，較寬廣沙丘區有數道沙丘脊，脊間常形成濕地。但因海岸海底地形坡度陡，漂沙易沉降至沖繩海槽中，退潮後海灘寬度不大，近幾年沙丘堆積作用不盛，反而因海水面上升，全球暖化導致颱風增大，波浪能量加強，海岸及沙丘有侵蝕後退現象。 （二） 蘇花斷層海岸 蘇花斷層海岸北起宜蘭縣北方澳，南至花蓮縣秀林鄉崇德，長約90公里，由於面臨上述四個深海海底地形，海岸主要以斷崖為主，最壯麗的當屬清水斷崖，由堅硬的大理岩與片麻岩岩層組成，故能維持其陡峭的崖壁，由清水山頂至海面，落差可達2400公尺，舉世罕見。沿此段海岸雖以變質岩為主，但岩性仍有差異，耐蝕的硬岩常突出為岬角，最典型者有二： 1.烏岩角： 烏岩角位南方澳南方約5公里海岸的陸連島，東西向長約300公尺，高度約為60公尺，為一角閃岩構成的海蝕柱地形。 2.烏石鼻岬角：位東澳與蘇澳間海岸，為蘇花海岸最突出的陸地，為飯包山片麻岩體最東端因片麻岩耐蝕而突出在海中的岬角。 本段海岸有東澳溪、南澳溪、和平溪和立霧溪四主要河川入海，由於中央山脈最高的嶺脊，也就是分水嶺偏東，除立霧溪外，流域面積均不大，加上河口堆積物往深海埋積，所形成的東澳沖積扇面積很小；南澳沖積扇三角洲僅河口有發達的沙嘴而略向外突出，和平及立霧溪三角洲才堆積出較典型的圓弧狀三角洲。 圖1. 蘭陽平原海岸成弓形，只在蘭陽溪出海口突出為小型的尖嘴狀三角洲。 圖2. 宜蘭海岸壯圍沙丘高度不大，海灘也不寬廣，111年4 月時，灘面上覆蓋2021年8月，日本小笠原群島海底火山爆發產生的大量火山浮石。 圖3. 蘇花斷層海岸清水斷崖由堅硬的大理岩與片麻岩岩層組成。 圖4. 烏岩角位南方澳南方約5公里海岸的陸連島，東西向長約300公尺，高度約為60公尺，為一角閃岩構成的海蝕柱地形。 圖5. 烏石鼻為蘇花海岸最突出的陸地，因片麻岩耐蝕而突出在海中的岬角。 圖6. 東澳溪由於河道短促，流域面積小，發育的東澳沖積扇面積不大。 圖7. 南澳沖積扇三角洲僅河口有發達的沙嘴而略向外突出。和平沖積扇三角洲由於河道遷移擺動，堆積成典型的圓弧狀三角洲。 圖8. 立霧溪沖積扇三角洲由於立霧溪流域面積較大，三角洲堆積較寬廣，為典型的圓弧狀三角洲。 圖9. 立霧溪沖積扇三角洲由於立霧溪流域面積較大，三角洲堆積較寬廣，為典型的圓弧狀三角洲。 （三）花東海岸 花東海岸指海岸山脈分水嶺以東，花蓮溪口至卑南大溪口以北的海岸，濱線長151.7公里，海岸大致平直。影響花東海岸地形演愈的因素有二者： 1.海底地形方面，與蘇花斷層海岸類似，花東海岸面臨深達5000公尺以上的琉球海溝與花東海槽，海床坡度陡峻，作者曾利用海軍水道測量局出版的海圖與五萬分之一等高線地形圖互相補足校正，繪製花東海岸沿海大陸棚等深線圖。發現花東海岸的大陸棚，最寬達11公里左右，少數地區如28-29號橋間外海，長濱北側之三間屋至真柄間外海，石雨傘東北側外海可達7公里外，其餘均在5公里以內。大部份海底在水深100公尺左右即臨陡峻的大陸斜坡，20公尺等深線也臨近海岸。此外可看出在大陸斜坡上，有許多海底峽谷切割，這些海底峽谷的成因，陳汝勤、林斐然的研究則認為是由大陸棚邊緣所堆積的物質，因地震而形成濁流，在大陸斜坡上向下切割而成的。此等海底地形特徵將不利於沿岸沉積物的貯留與堆積。 2.構造運動方面，由於海岸山脈屬於菲律賓板塊的一部分，其與歐亞大陸板塊的碰撞，使海岸山脈的地殼不斷的抬升，依特性差異，可以秀姑巒溪為界分為南北兩段，北段山脈逼臨海岸，地塊平均上升速率較慢，在每年0.3~0.5cm之間，南段上升速率較快，每年在0.5~1cm之間。 3.海岸水文方面，在海洋營力方面，花東海岸面臨寬闊太平洋，潮差並不大，花蓮港在1.6~1.8公尺之間。波浪方面，北端的花蓮港及南端的中央氣象局成功站均設有波浪儀，花蓮站平均波高為1.82公尺。夏季及秋季由於經常有颱風由本區通過或經過，常帶來猛烈的強風，導至異常的激浪，花蓮站曾測得的最大波高為20.5公尺（1990，歐菲莉颱風），這些激浪挾帶巨大的能量，當然會對本區的海岸地形演育有顯著的影響。 受上述二因素影響，花東海岸的主要地形有下列幾種： 1.海蝕崖：花東海岸面臨深海，海底地形陡峭，波浪向陸地前進時，幾無緩衝，激浪直接侵蝕陸地，海蝕地形發達，尤以海蝕崖最顯著。 2.海蝕洞與海蝕凹壁：海蝕崖下方經常年波浪侵蝕，岩性耐蝕處，容易形成發達的海蝕凹壁，尤其是海岸山脈堅硬的火山集塊岩分布區最為典型。加上板塊間的碰撞，地震頻繁，會形成數次伴同地震時地殼抬升產生的多段海蝕凹壁，也是地質奇觀之一 。海蝕洞則以八仙洞隆起海蝕洞群最有名，由海拔20餘公尺至130餘公尺共有十餘個海蝕洞，其中以靈岩洞最高大。為石梯坪北側的石門洞則聞有三個洞口的海蝕洞門。 3.海岸階地：板塊間的碰撞，地震頻繁，地殼間歇性抬升，花東海岸是本島海岸階地最發達的地區，現今主要公路和聚落均位於海階上。隨著地殼不等量上升，花東海岸北段海階較窄，南段較寬，階數也較多。因地震頻繁造成的地殼間歇性抬升，石梯坪及小野柳海岸還出現許多上升的數段小階地。 圖10. 靈岩洞及周圍的海蝕崖和海蝕凹壁 圖11. 石門海蝕洞門有三個洞口 圖12. 石梯坪的海蝕平台與海蝕洞門 圖13. 花東海岸火山集塊岩組成的海蝕凹壁 圖14. 花東海岸伴同地震時地殼抬升產生的多段海蝕凹壁 圖15. 花東海岸伴同地震時地殼抬升產生的多段海蝕凹壁 圖16. 長濱八仙洞以南的海岸階地 圖17. 花東海岸靜浦附近的海階 圖18. 臺東小野柳海岸隆起珊瑚礁覆蓋的最新形成海岸階地 二、西部海岸的海底地形 臺灣西部的海底地形都是寬而淺的大陸棚，為歐亞大陸邊緣的一部分。尤其臺灣西岸面臨的臺灣海峽大部分都不到100公尺。最淺的部分從台中市至台南安平一帶外海，據岸15公里以內，水深都不到40公尺。受這些平淺的海底地形影響，臺灣西部海岸地形有下列數種： （一）沙洲與潮埔 西部海岸有許多大河川流入臺灣海峽，堆積於平淺的海底，加上潮差大，海岸退潮後露出大片的沙洲與潮埔。常被海堤圍築開發為海埔新生地，規模與面積最大者為台塑六輕工業區和鰲鼓海埔新生地。西南部海岸因陽光充足，冬天晴日多，開闢為鹽田，但現今已停產。 （二）濱外沙洲與潟湖 海中的砂礫隨著沿岸流堆積，一但堆積高出水面者，通稱為沙洲，若沙洲生成於海濱之外，形成沙洲島，或稱為濱外沙洲。臺灣西海岸由於大肚、北港、朴子、八掌、曾文溪等注入大量的泥沙堆積，外傘頂洲、網子寮、頂頭額、新浮崙等濱外沙洲發育。外傘頂洲是臺灣西南海岸最大的濱外沙洲，長約6-7公里，寬1-3公里。由於近年各大河川帶出來的漂沙減少，沙洲的高度已大為降低，原島上的砂丘群幾乎消失，漲潮時大部分的沙洲已被海水淹沒，加上北側的侵蝕與南側的加積，外傘頂洲已向南遷移，從雲林縣海岸向南遷移至嘉義縣海岸。 位於濱外沙洲與陸地之間，幾與外海分隔而受潮流影響的海域，稱為潟湖。臺灣西南沿海即有典型潟湖地形，許多已開闊為魚塭、鹽田及港口，高雄港、左營港均為潟湖修建而成的港口。現今最大天然的潟湖為網子寮洲與頂頭額洲在七股溪出海口，圍築成的七股潟湖。但近年受漂沙減少影響，沙洲的長度及寬度受侵蝕也在縮減，對七股潟湖的保護功能，已受到威脅。 濱外沙洲持續堆積除了可增加的土地面積外，也是沿海沙岸與沙洲內側潟湖的屏障，有濱外沙洲的海岸，沿海沙岸及潟湖可減緩外海波浪的侵蝕，潟湖內即可用來海洋牧場，尤其是養殖牡蠣最佳場域。 這些沙洲、潟湖，尤其是潮埔及河川的下游，均經常有水筆仔、海茄冬、五梨跤等紅樹林生長，不但對固定泥沙穩定沙洲與海埔地有重大的功能，沿海的濕地也大部份分布此地，除了魚、蝦、貝類的生長外，也成為海鳥良好的棲地，這些海鳥除了擔任清道夫的角色，維持灘地、潟湖的清潔，同時也成為生態觀光資源，牠們聚集在淺灘、淺水域覓食、追逐、飛翔等，景象更是賞鳥者觀賞好對象，尤以七股潟湖的黑面琵鷺最有名。 圖19. 西部海岸有許多河川流入臺灣海峽，沿海有許多漂沙。 圖20. 漂沙在沿海潮間帶堆積，露出的寬闊平坦泥或沙灘，稱為潮埔。 圖21. 外傘頂洲為臺灣最長的濱外沙洲 圖22. 七股潟湖及濱外沙洲 圖23. 潟湖牡蠣養殖 圖24. 七股潟湖外圍濱外沙洲受侵蝕後退 （三）沙丘 以臺灣西北桃園海岸最發達，此段海岸海底地形平淺，有南崁溪、埔心溪、新街溪、老街溪、富林溪、大堀溪等河川注入，帶來豐富的漂沙，漂沙注入臺灣海峽後，隨海岸沿岸流及潮汐帶來的漲退潮移動漂送，在海岸海底地勢較平緩地區堆積成沙灘。退潮時廣闊的沙灘受強風吹襲及日曬後逐漸脫水，表層變得乾鬆，被沿海空曠地區強大的風力吹送即成為在地表懸浮吹送的風吹沙。 桃園縣西北海岸的走向為東北東，與秋冬季及春季盛行的東北風斜交，夾角約22.5度左右。每年九月至隔年五月間東北風呈向陸吹送的風，這些風吹沙即受到風力的吹送，在海灘內側，因地勢較高，遇到植物或地物等障礙物，風力即削減，沙粒即堆積成平行海岸的縱沙丘，分布範圍北自與新北市交界的蘆竹鄉海湖附近，南抵與新竹縣交界的蚵殼港均有海岸沙丘的分布。 這些沿海的沙丘群中，以位於大園區老街溪口（許厝港）至觀音區大堀溪口海岸間的草漯沙丘最高大寬廣，平均拔高可達10-21公尺，最寬的活動沙丘部份可達150公尺左右，若不管上方經常築有格狀竹編的防沙籬，冬日東北季風強大時，經常風沙飛揚，可說是小型的「撒哈拉沙漠」，為臺灣海岸中沙丘保持最寬廣而完整者，因此2013年被「臺灣環境資訊協會」執行的「臺灣海岸守護計畫」遴選為臺灣九處最值得守護，也最美的海岸之一。2021年6月已被桃園市政府公告為「草漯沙丘地質公園」，為國內第三個地方級地質公園。沙丘的型態主要有下列三種： 1.條狀丘：以北段2公里寬度較窄，高度也較高段最為典型，一直向南延伸至觀音垃圾場旁沙丘高度最高處也屬此地形。 2.櫛齒狀丘：以沙丘北段向西南，隔一條小河出口凹谷以南的草漯海濱最為典型，沙丘向內陸突出一大片較平坦，內緣有呈鋸狀的小沙脊。 3.臺狀沙丘：沙丘最寬廣成平台狀，頂部大致平坦，起伏較小，以草漯沙丘北段約2.1公里處，即北港垃圾場北側約200公尺處的活動沙丘最典型。 圖25. 草漯沙丘條狀丘 圖26. 櫛齒狀丘 沙丘向內陸突出一大片較平坦，內緣有呈鋸狀的小沙丘。 圖27. 台狀沙丘 沙丘最寬廣成平台狀，頂部大致平坦，起伏較小。 （四）藻礁 藻礁（Algal reef）是由藻類所建立的生物礁體，為除了珊瑚礁外最常見的生物礁體。藻礁可以涵蓋兩個概念：即地質藻礁與生態藻礁，地質藻礁指珊瑚藻的結構以層層堆疊為主，形成平坦的岩層，地質上也稱為生物層礁。生態藻礁指生存於藻礁體內、表層或孔隙內的動植物及微生物，及其他以藻礁為生的藻礁生態系，具有生態功能。生長的基盤則為西北海岸臺地受蝕而出露分布海岸的石英岩質卵石為主。 臺灣海岸有藻礁發育者最大面積在桃園海岸，由於海底平淺又有卵石分布，可附著生長，大致上由竹圍漁港向南至永安漁港以北最集中，長約27公里，由北向南可以區分為六大藻礁區，分別為沙崙藻礁、許厝港溼地藻礁、樹林草漯藻礁、白玉藻礁、大潭藻礁、觀新藻礁。漁港以南永安石滬附近也有零星分布，但僅有薄層覆蓋。藻礁形成年代可回朔到 7600 年前。前期礁體為珊瑚礁，後期才以藻礁為主，目前部分地區的藻礁仍持續生長。 其中的觀新藻礁為臺灣西海岸面積最大、 生長最好的藻礁地形分佈範圍位於桃園縣觀音鄉小飯壢溪口南岸至新屋鄉後湖溪口北岸，小飯壢溪口以南至新屋溪口以北是觀音藻礁，新屋溪口以南至後湖溪口以北是新屋藻礁，兩者合稱為「觀新藻礁」。由外緣至海灘內側，縱深可達400公尺。鑒於觀新藻礁的珍貴性與脆弱性，農委會於民國 103 年 4 月 15 日正式公告為「觀新藻礁生態系野生保護區」。 圖28. 桃園海岸藻礁分布圖 圖29. 石英質礫岩上聲長的殼狀珊瑚藻 圖30. 薄層環狀生長的殼狀珊瑚藻 圖31. 塊狀殼狀珊瑚藻的剖面 圖32. 由外海看樹林草漯藻礁與內陸側的沙丘 圖33. 大潭藻礁 圖34. 面積最寬廣的關新藻礁 圖35. 桃園藻礁區發現的一級保育生物—柴山多杯孔珊蝴 貳、波浪和風的影響 海洋的波浪與風為經年影響海岸地形發育的主要營力，花東海岸面臨寬闊太平洋，潮差並不大，花蓮港在1.6~1.8公尺之間。波浪方面，北端的花蓮港及南端的中央氣象局成功站均設有波浪儀，花蓮站平均波高為1.82公尺。夏季及秋季由於經常有颱風由本區通過或經過，常帶來猛烈的強風，導致異常的激浪，花蓮站曾測得的最大波高為20.5公尺（1990，歐菲莉颱風），這些激浪挾帶巨大的能量，當然會對本區的海岸地形演育有顯著的影響。 西北海岸的波浪特性，依據中央氣象局新竹浮標觀測波高之統計，冬季季風期間（10月至翌年3月）平均示性波高介於0.92-1.3公尺間，主要波向為北方；而下季季風期間（4-8月）平均示性波高介於0.62-0.83公尺之間，主要波像為西方，觀測期間測得的最大示性波高為12.45公尺，發生於2008年9月28日薔蜜颱風侵襲期間。本段海岸冬季有強勁的東北季風，東北風向穩定的風力在10-15 m/sec（秒/公尺），西北海岸中央氣象局桃園新屋測站年平均最大十分鐘風速為17.89 m/sec，這些強大的風力除了可帶來強大的風能用於沿海風力發電外，也會造成侵蝕的營力。這些經海洋帶來的波浪和風對臺灣海岸地形的影響主要有下列數項： 一、海岸侵蝕後退 颱風強大風力產生滔天巨浪，在臺灣東海岸的記錄可達20.5公尺（1990年歐菲莉颱風，花蓮港波高記錄）常越過防波堤或消坡塊，造成急劇的侵蝕、崩壞與後退，。根據近年來的調查，臺灣地區的海岸線除了北部及東北部的岩岸，南端的珊瑚礁海岸，以及修築海堤及消波塊保護的海岸段外，其他地區的海岸線，如西北、西部、西南及東部海岸均呈逐年後退的情況，尤以颱風經常侵襲的花東海岸最嚴重，共有10餘處嚴重後退的海岸段，沿海地區的海灘、農田、家園不斷流失淹没，海崖不斷崩退，沿海公路也因為海岸後退、維修費用過高而放棄，路線陸續內移，如花東海岸公路由日據期至今，成功鎮以南嘉平海岸段，因海岸嚴重後退，公路段已第三次改道。 圖36. 花東海岸成功鎮以南嘉平海岸後退示意圖 圖37. 花東海岸波浪侵蝕，農田流失。 圖38. 花東海岸波浪侵蝕，海蝕崖後退。 圖39. 花東海岸磯崎海水域場颱風帶來強浪侵蝕，沙灘流失，並形成侵蝕崖。 圖40. 颱風帶來強浪侵蝕，長濱國中下方形成大型海蝕洞。 二、沙丘變遷 在臺灣西北海岸海灘內側的沙丘為海岸的第一道防線，與海岸平行，有時數列分布，可以阻擋海岸快速被侵蝕。除了最外側的活動沙丘，內側沙丘經常有防風林生長，加上沙丘地形的凸起，可以保護海岸內側的陸地不致被飽含氯離子及鈉離子的海風直接吹襲及侵蝕，保護沿海的農作物及房舍。但她業直接面對波浪及強風的直接侵蝕而產生變遷。颱風及東北季風帶來的高大波浪會侵蝕向海側的沙丘崖腳，使沙丘後退；強風也會將向海側的沙向後搬運至沙丘後方堆積，使沙丘逐漸向後遷移，產生變遷。前述的草漯沙丘在1978年至1998年間就向內陸移動數十公尺不等。 圖41. 草漯沙丘的變遷 圖42. 波浪侵蝕沙丘向海側，形成沙丘崖。 圖43. 颱風侵蝕草漯沙丘，海岸後退，原修築在陸地上的碉堡掉落海中。 圖44. 強風將向海側的沙向後搬運至沙丘後方堆積，使沙丘逐漸向後遷移，防沙離倒伏。 結語 臺灣的海洋環境東部及西部有很大的差異，這也是臺灣除了生物多樣性外，地景多樣性的基礎，值得進一步的探討，地景的多樣性也更需要珍惜與保育，尤其在海岸也不斷被開發利用的今天，更需要重視與呼籲，最近桃園大潭藻礁區因第三天然氣接收站的興建，引發的保育議題就是最好的例子。 延伸閱讀 [1] 張志欽（2006）。宜蘭多樣性的海岸地形與特殊地理景觀，蘭陽博物館電子報，第20期。 [2] 許民陽（1998a）。颱風對花東海岸地質環境的影響，地質，經濟部中央地質調查所，18（1）：1-16。 [3] 許民陽、高慶珍、高鵬飛、鄭紹龍（1998b）。花東海岸後退的研究–花蓮至長濱段，中國地理學會會刊，26：73-98。 [4] 許民陽、高慶珍、高鵬飛、鄭紹龍（1999）。花東海岸後退的研究–長濱以南至段臺東段，地理學報，台大地理系，25：83-109。 [5] 許民陽（2013）。由全球氣候變遷看臺灣的海岸變遷問題，地質，23（4），6-9。 [6] 許民陽（2019）。臺灣生物礁的形成與地質環境，地質38（4），24-30。 [7] 許民陽（2020）。臺版撒哈拉—草漯沙丘地質公園，地質公園學會年刊。 [8] 沈淑敏（2013）。臺灣地區海岸海岸地形的特徵與分類，地質，23（4），14-19。 [9] 戴昌鳳（2008）。臺灣的海洋，遠足文化事業有限公司，215頁，臺北市 許民陽 臺北市立大學地球環境暨生物資源學系名譽教授

臺灣海洋環境問題──臺灣海岸後退變遷舉例

文/許民陽 前言 臺灣四周環海，海岸線長達1139公里，但因內陸約三分之二土地為丘陵及山地，可供利用的台地及平原不多，因此海岸地區成為主要的開發與利用對象。然而近年受到全球氣候暖化的影響，海平面不斷上升，海岸地帶直接受到衝擊，成為全球氣候變遷必須因應及調適的八大議題之一。 尤其是海岸地區位處陸地與海洋的交界地帶，其環境涉及陸上岩石圈、海洋的水圈及大氣圈三者交互作用的影響，為各種外營力地形變遷最複雜多變的一種。例如：它同時涉及建設性與破壞性地質作用，大量漂沙堆積或地殼抬升等建設性地質作用固然可增加新的土地，但強大的波浪或暴潮帶來的破壞性地質作用卻同時可能將這些土地侵蝕而無法復原，花東海岸即為實例。且海岸侵蝕後退是一種破壞性的地形變遷，隨著海水的入侵或風暴激浪的衝擊，沿海陸地淹沒或崩壞，造成國土流失、財物損毀，現已形成一種全球性的災害。因此，不管用工程防護或非工程措施因應海岸變遷，尤其是海岸侵蝕後退問題，先了解海岸變遷因素都是首要的步驟，讓解決方案有脈絡可尋。 許民陽（1997）綜合眾多學者的研究，發現影響最為顯著的因子有下列數項： 1.地質構造。 2.風化作用。 3.波浪作用。 4.地殼升降或海準變動。 5.陸源沉積物的供應。 6.海床坡度。 7.崩壞作用。 8.海岸的曲折度。 9.沿岸流產生的漂沙方向。 10.海灘的寬窄與物質組成。 11.人為因素。 由上述眾多因子可知，海岸後退是個十足的動態的營力─反應系統，在研究海岸後退時，上述因子的單一或交互作用，以及各因子重要性的排序均需加以考量。 臺灣四周環海，又在颱風經常侵襲的路徑上，海洋帶來的營力如波浪及風力等十分強烈，各海岸侵蝕後退現象十分顯著，本文先整理後退速率最快的花東及西北海岸讓大家了解臺灣海洋的環境問題。 壹、花東海岸的海岸後退 一、花東海岸的自然環境 （一）地形 花東海岸指海岸山脈分水嶺以東，花蓮溪口至卑南大溪口以北的海岸，濱線長151.7公里，海岸大致平直。依特性差異，可以秀姑巒溪為界分為南北兩段，北段山脈逼臨海岸，地塊平均上升速率較慢，在每年0.3~0.5cm之間，南段上升速率較快，每年在0.5~1cm之間。因此發育的海階較狹小，階數亦少。 全段海岸的河川大部份為短小流急的順向河，秀姑巒溪、馬武窟溪及豐濱溪為本區最大河川，但流量皆遠不如西部河川，因此輸沙量亦少。 （二）地質 在地質概況上，一般認為海岸山脈為菲律賓板塊呂宋島弧北延的一部份，隔花東縱谷與屬歐亞板塊的中央山脈相望，山脈的綿亙為弧陸碰撞下的產物。根據海岸山脈地質圖，出露在海岸山脈的地層主要有火山為主體的都巒山層，以火山集塊岩、凝灰岩及凝灰角礫岩為主，堅硬而耐蝕。另有弧前盆地沉積的蕃薯寮層，以砂頁岩互層的濁流岩和礫岩為主，以及陸源沉積物的八里灣層，以砂頁岩互層為主，間夾有崩積的礫岩。 鬆軟的地層容易受蝕後退 石梯坪堅硬的火山堆積層受蝕會形成海蝕崖，但海岸後退速率慢。 海底地形方面，花東海岸面臨深達5000公尺以上的琉球海溝，海床坡度陡峻。根據花東海岸沿海大陸棚等深線圖。發現花東海岸的大陸棚，最寬達11公里左右，少數地區如28-29號橋間外海，長濱北側之三間屋至真柄間外海，石雨傘東北側外海可達7公里外，其餘均在5公里以內。大部份海底在水深100公尺左右即臨陡峻的大陸斜坡，20公尺等深線也臨近海岸。此外可看出在大陸斜坡上，有許多海底峽谷切割，這些海底峽谷的成因可能是由大陸棚邊緣所堆積的物質，因地震而形成濁流，在大陸斜坡上向下切割而成的。此等海底地形特徵將不利於沿岸沉積物的貯留與堆積。 （三）海岸水文 在海洋營力方面，花東海岸面臨寬闊太平洋，潮差並不大，花蓮港在1.6~1.8公尺之間。波浪方面，北端的花蓮港及南端的中央氣象局成功站均設有波浪儀，花蓮站平均波高為1.82公尺。夏季及秋季由於經常有颱風由本區通過或經過，常帶來猛烈的強風，導致異常的激浪，中央氣象局花蓮站曾測得的1990年歐菲莉颱風來襲時，最大波高為20.5公尺，這些激浪挾帶巨大的能量，當然會對本區的海岸後退有顯著的影響。 花東海岸沿岸海底坡度大，波浪近岸時無緩衝，平日浪高大。 2005年10月龍王颱風登陸前在蘇花公路海岸帶來的長浪。 二、花東海岸近四十年來的侵蝕後退量 本研究利用1964、1990及1996，三個年代的航照圖相互比對，再輔以當地居民的訪談，得到花東海岸十三個顯著的後退地點及後退量（表一） 表1. 花東海岸顯著後退地點1964-1990的後退量 圖1. 都蘭沖積扇海岸南北緣海岸後退狀況圖 都蘭沖積扇南緣海岸後退 長濱沖積扇末端 海岸後退，形成陡崖。 長濱國中岬角民國76.5.09（上），84.04（中），93.10.30（下），三個時間海岸後退比較。 三、花東海岸後退因子探討 （一）岩性 岩石種類不同產生對波浪抗蝕力和抗壓強度的差異，而產生不同的後退型態和速率。尤其在海崖的部分，成崖物質抗蝕力的強弱主要由硬度與裂面二者共同決定，其不但決定海崖後退的程度，也控制海崖坡面發育的型態。本研究自1987年至1990年實地觀察及測量，得到表二的花東海岸不同地質區後退速率比較表如下： 表2. 花東海岸各地質區後退速率比較表 （二）強浪 強浪是花東海岸侵蝕後退的主要動力因素。花東海岸面臨廣大太平洋，沿海海底坡陡水深，波浪由外海襲向陸地時，無法如西部因海底平淺，可適度削弱波浪的力量。因此每當颱風由東部登陸或經過時，每每造成高大的波浪，本研究彙整中央氣象局設在成功氣象站波浪儀所測得的波高資料，加上歷年的颱風來襲的其他氣象資料，發現各級颱風均可造成6公尺以上的浪高。歷年來成功站最大浪高為1990年的歐菲莉颱風造成的15.25公尺，此等浪高不但可攻擊低位海階的全部崖面，甚至可到達前述長濱、新社等高大海崖的中段或頂部，使海岸快速侵蝕後退。本研究自1990年至1997年在花東海岸選擇數個定點實測個颱風年造成的後退量如下表三所示。 表3. 花東海岸各定點於颱風年的後退量 1990歐菲莉颱風侵襲花蓮，南濱海岸受侵蝕，花蓮港船隻斷纜損毀擱淺。 （三）崩壞作用 如前所述，崩壞作用在海岸後退也扮演角色，花東海岸南段海崖，最重要的崩壞現象通常發生於颱風向內陸推進，豪雨伴隨而至時。集中的逕流由陸地流向海岸，沿海地層的結構經海浪衝擊，已呈脆弱狀態，再經逕流的沖刷，雨水滲入使海崖堆積物的重量增加，乃造成重大崩壞災害。 （四）沉積物收支 海岸地區必然有河流注入泥沙、海崖受蝕後的碎屑等沉積物的供應，這些沉積物的收支，會影響海岸的穩定。若沉積物的供應多於海水帶走的搬運量，海岸自然向外伸展。反之，海岸則後退。 對花東海岸而言，沉積物供應最主要的來源為： 1.河流的輸沙：花東海岸南北走向，輻員狹窄，河川皆為短小流急的順向河，河流的集水面積都很小，且個別入海，因此輸沙亦少。輸沙量最大的秀姑巒溪每年輸沙約1587萬立方公尺，約為臺灣最大輸沙量河川濁水溪的四分之一。 2.海崖崩壞物質的供應：大部分在颱風帶來的強浪及豪雨沖蝕下產生大規模崩壞，但強浪隨即把崩壞鬆軟的物質沖蝕而去，不易在海灘貯留。因此實際上海崖崩壞物質供應海灘沉積的功能也有限。 除上述兩種沉積物源供應有限外，花東海岸面臨深達5000公尺的琉球海溝與花東海盆，海床坡度陡峻，不利堆積物的貯留。因此整體而言，花東海岸現今沉積物的收支，呈現支大於收的不平衡狀態，當為導致侵蝕後退的主要因素之一。 崩壞作用在海岸後退也扮演角色，波浪侵蝕海崖崖腳，使海岸崩壞後退。 貳、西北海岸的海岸後退 本文研究區所指的臺灣西北海岸乃指北起淡水河口，南至新竹頭前溪口，全長約65公里，形狀略成弧形的海岸。數十年來由於受到自然與人為因素的影響，使得海岸發生明顯的變遷。以下僅就地形、地質、氣象、海岸環境等方面說明其自然環境。 一、地形 西北海岸在地形上位於林口、桃園及湖口台地的末端。全區地形高度大致東南側地形較高，西北側地形較低。在臺地上的河流均發源於臺地的東南側，向西、西北或北注入臺灣海峽，此等小溪流平時流量均不大，只有在雨季或大雨過後始有較大的水量發生。在海底地形方面，除林口一帶海底較深外，其餘海底地形大致平淺，在退潮時，沙灘寬度最寬可達約200公尺左右，除了林口、桃園臺地西緣靠海側及部分海岸段的海灘上有礫灘堆積外，其餘均以沙灘為主，另有27公里長有藻礁分布。由於海岸走向與東北季風風向斜交，東北季風搬運灘沙於海岸內側形成發達的海岸沙丘，以大園及觀音兩區最高大，最寬可達百餘公尺，高可達20公尺左右，形成海岸最重要的地形景觀，也成為防止海岸侵蝕的第一道防線，民國110年6月已公告成立地方級「草漯沙丘地質公園」。 二、地質 本研究區海岸地質多屬沖積層。海岸沙丘堆積層覆蓋冲積層之上，野外觀察，發現沙丘通常是以黃色細粒至中粒的石英沙組成，含有少量的板岩岩屑、重沙及貝類殘骸。在颱風或強勁東北季風吹襲之下，部分沙丘可以見到紋層及交錯層的構造。沙丘下方由紅土及礫層構成，越靠海岸紅土及礫層越薄。在沿海沖積層與沙丘堆積層間有一層藻礁及珊瑚礁堆積層。 三、氣象 分根據淡水、中正機場、新竹氣象測站1979-1989年風向頻率及風速統計顯示，淡水、中正機場及新竹全年最常出現的風向為東北季風，風向頻率皆高於20%以上，新竹更可高達35%以上。而在淡水、中正機場及新竹出現次高的風向分別為東南風、東北東風及北風。由此可知東北季風在本研究區中扮演著相當重要的角色。而中正氣象臺測站之東北季風平均風速為5.6m/s，最大風速可高達45.9m/s，新竹平均風速則為2.5m/s，最大風速則可高達33.4m/s。由以上二組資料可以得知，其最大風速都已達到中度颱風的風力大小，這種風力強度皆可引相當大的波浪，而對海岸、沙丘及河口等地形變遷會造成顯著的影響。 四、海岸水文環境 （一）沿岸漂沙量 桃園外海沿岸漂沙量，由東北往西南流向的漂沙量為76萬4千立方公尺，而由西南往東北流向之漂沙量為9萬2千立方公尺，由此可知東北往西南流向的淨漂沙量為67萬2千立方公尺，由此數據得知其受盛行季風的影響甚鉅。 （二）波浪 西北海岸的波浪特性，依據中央氣象局新竹浮標觀測波高之統計，冬季平均示性波高介於0.92-1.3公尺間，主要波向為北方；而夏季平均示性波高介於0.62-0.83公尺之間，主要波像為西方，觀測期間測得的最大示性波高為12.45公尺，發生於2008年9月28日薔蜜颱風侵襲期間。 （三）西北海岸近二十年來的侵蝕後退狀況 本研究利用前述的研究方法，得到西北海岸主要海岸段的後退情形如表五所示： 表4. 西北海岸主要後退海岸段 （四）西北海岸後退因子探討 1. 季風及颱風帶來的波浪侵蝕 西北部海岸由於海底較為平淺，破浪帶距海濱線甚遠，因衝濺的力量大於回濺，故能將海底的沙石帶往海灘堆積，而形成寬廣平坦的沙泥質海岸，但較強大的湧浪則反之，它會造成海岸的侵蝕。 臺灣地區每年平均受3至4個颱風侵襲，如此高的侵襲機率，自然對本研究區海岸造成嚴重的衝擊。伴隨颱風而來的低壓、強風，往往在海岸地區引起高大的波浪，進而造成海岸結構物的破壞。據中央氣象局海象測報中心（1998）的資料，民國83-86年受到強烈颱風的侵襲，研究區中的淡水、竹圍及新竹測站都曾出現明顯的水位異常升高狀況。根據推估，本區的颱風帶來的波浪高度可達8公尺左右。 受上述強烈東北季風及颱風即可引起如此高大的波浪，此波浪攜帶強大的能量即可抵達沙丘前緣崖腳，並將崖腳侵蝕2-3公尺以上，因崖腳被侵蝕而失去支撐，而使得上方沙丘隨之崩落，造成海岸顯著後退，在八里挖子尾及潮音沙丘都是典型的例子。 強烈東北季風帶來高大波浪侵蝕沙丘崖腳，使沙丘後退。 桃園市大園區許厝港南側潮音海岸侵蝕後退，沙丘前緣被侵蝕，海防工事掉落海中，至少後退60-75公尺。 2.季風對沙丘的侵蝕 本海岸東北季風影響時間長可達8個月之久，再者其風力又比夏季季風風力大了許多，在此長期且強風的影響下，沙丘前緣的沙層被風刮蝕並往下風側（向陸側）堆積，致使沙丘前緣不斷後退與矮化，且防沙離因沙丘刮蝕失去支撐而傾倒，被風刮蝕的沙粒被強風帶往後方堆積。由此可見東北季風對於本研究區海岸後退有其相當顯著的影響力。老溪街口至大堀溪口段的沙丘變化主因也是如此（圖二）。 圖2. 老街溪口至大堀溪口段沙丘變化之航照對比圖 3.陸源沉積物供應減少，海岸收支不平衡 陸源沉積物主要指河川中、上游隨水攜帶入海的漂沙，若河川攜入海水的漂沙多於海水侵蝕所帶走的漂沙時，海岸即會增長，反之則會後退，此即為海岸收支平衡的觀念。 本區陸源沉積物最大供應源為淡水河系，據估計淡水河全流域輸沙量每年約928萬立方公尺，惟測站係位於河川上游，且由於受石門及翡翠水庫修建攔沙影響，其輸沙量大幅度減少，據其推估淡水河中游實際輸沙量只約為185萬立方公尺。1981年左右，臺北盆地內淡水河內仍允許抽砂，直到1989年才全面禁採砂石，據估計淡水河及蘭陽溪年抽砂量約各為500萬立方公尺，加上其餘注入本研究區的小河川如新街、老街溪、南崁溪等也曾在河床中開採建築用砂石，因此造成研究區整體輸沙量有明顯性的減少。以臺北縣八里鄉為例，由於淡水河上游興建石門水庫、翡翠水庫、清潭堰等水庫，造成近年來八里海岸，近二十年內縮量達306公尺以上。整體而言，上述因素致使本段海岸輸沙量大減，亦為海岸後退的主因。 因此在本研究中所採用的研究方法才會藉由各年代地圖及航照圖的套疊、對比，以了解中長期的海岸變遷狀況。若以100年期淡水新港至南崁溪口段的地形圖比對為例，1904-1966年海岸大致呈現外移，但至1966-1996年這30年來，海岸線則不斷向內入侵，在時間軸上恰與石門水庫、翡翠水庫興建之攔沙、及抽砂、採砂等工程有關。 八里海岸近二十年（1978-1998）海岸後退達306公尺以上，碉堡凋落海中，房屋損毀。 4. 沿岸流與海岸結構物 海岸結構物改變原本波浪及潮流運動情形，進而引起漂沙方向及量的改變，造成此種在海岸結構物上游側堆積，下游側侵蝕的現象，常稱為突堤效應（圖三）。當結構物深入海中的長度越長，其所造成的影響也就愈趨明顯，影響範圍也就愈廣。此外，在臺灣西北部海岸所受的風向主要是以北方到北北東方向為主，致使波浪形成往南的沿岸流，就先前所提，其由東北往西南流向的淨漂沙量約為67萬2千立方公尺，受到海岸結構物阻擋，將使沿岸流下游方向的漂沙量減少，進而造成海岸後退。就研究區過去興建之大小商、漁港而言，均出現此種結果，如淡水新港北側防波堤內側受突堤影響，現在已呈堆積的狀態，而受竹圍漁港突堤效應的影響，竹圍漁港以南則呈現侵蝕的現象。據比對結果發現，20年來後退量竟達20-40公尺，另外，大潭火力發電廠冷卻水引入口突堤以南的新屋溪口南北側海岸每年均後退2公尺，致海岸沙丘被侵蝕消失，觀新藻礁得以露出。由此可說明海岸變遷與海岸結構物具有顯著的關係。 大潭火力發電廠冷卻水引入口突堤造成突堤效應，使新屋溪口南北側海岸每年均後退2公尺，致海岸沙丘被侵蝕消失，觀新藻礁得以露出。 圖3. 突堤效應過程 參、結論與討論 由上述的研究結果分析可知，臺灣花東海岸及西北海岸均有嚴重的海岸侵蝕後退狀況，兩地區的海岸侵蝕後退差異，主要有下列數項： 一、波浪 波浪為花東及西北海岸後退的主因，但由於沿海岸海底地形的差異（西北部海底平淺，花東海岸陡峭），花東海岸颱風帶來的波浪高度，可達西北海岸的二倍，造成颱風帶來的波浪侵蝕為花東海岸侵蝕後退的主要動能，且形成的海蝕崖高度也比西北海岸高大許多。 二、風蝕與風積效應 西北海岸強烈的東北季風將沙丘前緣迎風面的沙層刮蝕，向搬運至下風側（背風面）堆積，使整列沿海沙丘不斷向內陸移動，沙丘線內移，導致海岸線後退（圖二）。此種現象為東部海岸所無，在世界各地也甚為少見。 強風將向海側的沙向後搬運至沙丘後方堆積，使沙丘逐漸向後遷移，防沙離倒伏。 花東海岸颱風時波浪高度常高於消波水泥塊，導致公路侵蝕受損。 三、海岸沉積物收支不平衡 如前所述，花東及西北海岸均有海岸沉積物收支不平衡的現象。花東海岸的沉積物收支不平衡主要為河流短促、輸沙少、海底坡度陡峭等。而西北海岸的沉積物收支不平衡主因為人為的水庫攔沙及河床開採砂石，導致海岸由進夷轉為退夷。 面對海岸後退的威脅，臺灣西北與花東海岸的主要對策為構築海堤與拋擲消波水泥塊，但受限於沿海海床坡度、沿岸流方向及波浪能量的轉移，全球海水面因氣候暖化不斷升高及造價昂貴等因素，此些工程設施是否適當，尚需整合與海岸有關的海岸工程學者、地質學者、地形學者、海洋學者等綜合對各地的海岸環境作妥當的診斷，才可找到妥善的辦法，防止國土進一步消失。 參考文獻 [1] 中央氣象局海象測報中心（2006）。1991-2005年潮汐觀測資料年報。 [2] 中央氣象局海象測報中心（2006）。1997-2005年潮汐表。 [3] 宋國士（1994）。花蓮外海地球物理探測（二）高解析度反射震測剖面，國科會專題計畫成果報告，台大海洋研究所。 [4] 范光龍（1993）。臺灣海岸之環境品質現狀及問題，工程環境特刊，no.13，pp.35-54。 [5] 徐鐵良（1962）。臺灣海岸地形之研究，中國地質學會會刊，no.5，pp.29-45。 [6] 許民陽（1993）。桃園縣的地形與地質景觀，桃園縣：桃園縣政府教育局。 [7] 許民陽、沈淑敏（1995）。花東海岸後退機制-成崖物質與風暴激浪特性的初步探討，地理學報，no.19，pp.71-90。 [8] 許民陽（1996a）。花東海岸不同地質區海岸後退特性的差異，中日地形聯合大會論文集,師大地理系，PP.100~113.。 [9] 許民陽（1996b）。花東海岸風暴激浪特性及對海岸地質環境的衝擊，臺灣之第四紀第六次研討會論文集，中國地質學會第四紀研究會，PP.164~169.。 [10] 許民陽（1997）。海岸後退研究的概觀,中國地理學會會刊，no.25，pp.89-102。 [11] 許民陽、高慶珍、高鵬飛、鄭紹龍（1998）。花東海岸後退的研究---花蓮至長濱段，中國地理學會會刊，no.6，pp.-98。 [12] 許民陽、張智原（2007）。臺灣西北海岸後退之研究---淡水河口至頭前溪上段，中國地理學會會刊，no.38，pp.1-22。 [13] 許泰文（1999）。港灣開發對海岸影響，土木技術，vol.2，no.3，pp.46-61。 [14] 陳文山（1988）。臺灣海岸山脈沈積盆地之演化及其在地體構造上的意義，臺灣大學地質研究所博士論文，304P.。 [15] 陳汝勤、林斐然（1990）。臺灣附近之海洋地質，經濟部中央地質調查所，79P.。 [16] 張石角（1993）。臺灣海岸之自然環境及國土資源評估，工程環境特刊，no.5，pp.1-24。 [17] 湯麟武（1962）。臺灣海埔地之漂砂，臺銀季刊，vol.13，no.2，pp.189-214。 [18] 湯麟武（1964）。臺灣河川河口問題之研究，臺銀季刊，vol.15，no.1，pp.66-76。 [19] 鄭瑞壬（1993）。桃園臺地海岸沙丘形態與土地利用，中國文化大學地理研究所研究報告，no.6，pp.147-203。 [20] 簡仲璟（1995）。臺灣四周波浪特性,臺灣省政府交通處港灣技術研究所,臺灣四周海象、氣象調查研究（八），PP.3-1至3-10.。 許民陽 臺北市立大學地球環境暨生物資源學系名譽教授

全球暖化正影響著各種尺度的洋流系統 ──黑潮、大西洋經向翻轉環流、與全球海流

文/鄭志文、葉庭光 前言 全球暖化正衝擊地球上的天氣與氣候、海洋、生態、地形與地貌，這些因子間環環相扣的交互作用，不但導致相當規模的物種滅絕、甚至對經濟、政治產生重大的影響(Letcher, 2021)。我們的海洋，也受到全球暖化的影響，逐漸發生改變，譬如，各種海洋環流正因應全球暖化產生過去我們未曾觀測到的現象。而且，這些新的現象很可能逐漸影響我們的日常生活。 在海洋學家的眼中，全球暖化對海洋環流產生的影響，是一個很有趣的議題。我們在地球上觀測到海流的流向與強度，至少受到地球的自轉、海陸邊界、風力作用、熱量平衡、以及海水溫鹽性質等因素影響。直觀上，我們可以感受到在全球氣溫逐漸暖化的過程中，地球的熱量將會重新分配，並逐漸達到平衡。除此之外，風場的分布也會隨著氣溫改變而進行調整。 上述的熱能重新分配伴隨著風場改變，會對海流的變化扮演著持續且滾動性的影響。除了直觀感受到的熱能變化，我們的地球系統還有著各種相當不簡單的機制，會隨著暖化而調整海洋的脈動。譬如，暖化將影響融冰以及淡水循環。這些因素將導致海水鹽度與密度的改變。在過去，人們或許很難想像，這樣些微的海水溫度、鹽度、與密度的改變，竟然會開啟大規模海水水體運動的變異。科學家從北極冰層融解，觀察到淡水釋出造成鹽度、密度的改變，且進一步影響海域環流的變化。目前已有相當多文獻，包括觀察證據與預測資料，不但直指這些現象確實存在，而且未來極端氣候將更趨劇烈(Ebi et al., 2021; Lee et al., 2020)。 由於洋流具有大尺度運動的特性，洋流所到之處，都可能因洋流本身特性的改變，而影響各地原本的季節變化、降雨或乾旱等天候。除此之外，各地區的天候變化，又經常會導致洋流進一步產生我們未曾預料的改變，這裡面有許多有趣的過程引起科學家的注意，值得我們嘗試去窺探其全貌。有鑑於各區域海流對應全球暖化產生的變化有所不同，本文根據暖化下幾種不同尺度與機制所構成之洋流變化，進行探討： 全球暖化之下，大西洋經向翻轉環流之減弱 大西洋經向翻轉環流(Atlantic meridional overturning circulation, AMOC)可視為大西洋表層以及深層海流之緯向(東西向)總和，主要是由大西洋中溫暖、高鹽的表層北向流，與位於深層的低溫南向海流所構成。事實上，這一股南向低溫海流，跟眾所周知的「溫鹽環流」有相當密切的關聯，它是溫鹽環流源頭之部分主流。在南北向持續帶來暖水，並送走冷水的AMOC，對地球氣候系統的維持扮演著相當重要之角色。這一股洋流主要的動力來源，是受到海面風力吹拂以及水底下溫鹽特性所驅動。 2021年Caesar等人研究指出，最近的大西洋經向翻轉環流強度，竟然達到千年以來最弱的程度，並指出其中最有可能之原因即為氣候變遷(Caesar, McCarthy, Thornalley, Cahill, & Rahmstorf, 2021)。全球暖化導致AMOC減弱的原因，主要源自於暖化促使北極融冰加速，而融冰帶來大量淡水，稀釋了海洋鹽度，進一步降低了海水的密度，破壞了該海域洋流原本應該下沉、往南移動之規則。隨著暖化持續加劇，未來北極冰層可能在夏季期間完全消失，大量融化的淡水將衝擊大西洋經向翻轉環流之速度(Lique & Thomas, 2018)。科學家們預測，如果人類無法控制全球暖化的速度，AMOC到本世紀末可能會減弱34％～45％，後續對各區域氣候系統可能造成之衝擊將難以估計。 圖 1. AMOC之示意圖，實線為近表層海流，虛線為深層海流，顏色表示該海流之溫度。 引自https://editors.eol.org/eoearth/wiki/File:OCP07_Fig-6.jpg 全球暖化之下，全球性的海流增強 你沒有看錯，Peng等科學家在2022年的最新研究中，嘗試運用全球海洋模型，將暖化氣候情境所對應的洋流變化進行全面性之模擬(Peng et al., 2022)。他們將暖化情境對地球環境之影響簡化為幾個主要的面向，分別為海表溫的變化，鹽度的變化，以及風力之變化。其研究結果指出，肇因於人為因素構成之海表升溫效應主導、並提升了全球各海域約77%的海流流速。他們也分析了造成洋流加速之動力機制，發現到，主要的機制源自於暖化的表層水強化了垂直向的海水分層。越來越大的海水垂直向密度差異導致了副熱帶環流(subtropical gyres)以及赤道(Equatorial currents)流被侷限於更淺之區域。由於動量集中作用於有限之水深，加強了副熱帶環流以及赤道流之強度，進而帶動全球各海域近77%之海流加速。 全球暖化下黑潮變化以及對區域氣候之影響 如同前述，在全球暖化的情境之下，全球性大部分海流呈現了流速增強的情形。身為臺灣的好鄰居-黑潮，在全球暖化情境下將如何改變呢，是我們這個段落要討論之議題。 黑潮是位於西太平洋一股強烈之西邊界流，黑潮本身具有高溫、高鹽、低營養鹽之特性。黑潮向西北太平洋持續傳遞熱量，對於維持東亞區域氣候扮演著重要的角色。劉曉薇等人曾在2016年，透過海洋環流模式的模擬，探討在暖化情境下，黑潮洋流可能產生之變化(劉曉薇, 余嘉裕, & 張瓊文, 2016)。其做法為，利用政府間氣候變化專門委員會第四次評估報告(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC AR4)中，未來溫室氣體排放情境特別報告(Special Report on Emissions Scenario，SRES)所訂定的SRES A2 暖化情境下，海溫和鹽度結果之氣候平均值資料作為實驗之初始場。同時，利用暖化後風場、輻射和熱通量來驅動海洋模式，將之視為暖化情境下之黑潮。接著，透過與現行之黑潮實驗進行比對，結果顯示，在二十一世紀末北赤道洋流及黑潮流速整體增加約 10~20cm/s，同時此時西北太平洋海表面高度上升幅度達15cm，對該情境下黑潮增強將帶動更多的熱量往中高緯度傳送，預期將與既有之暖化情境構成正循環，後續將進一步加劇中高緯度海域暖化之情形，可能造成氣候更為失衡不穩定。為不得不關注之議題。 結語 全球暖化正持續影響著地球，然而，我們對於全球暖化可能對地球系統、或人類生存的影響所知有限。主要是因為人類透過現代化的儀器探測海洋所獲得的資料，僅有幾十年的數據。這也促使科學家正嘗試運用更多的地質學、古生物學、衛星遙測科技、水下科技、海洋新興科技、以及各種模擬程式，來預測全球暖化可能產生的影響。許多研究成果如雨後春筍般發表於各期刊之中。從這些成果中，我們可以窺見全球暖化對全球洋流系統的影響是多元且動態的。對不同的區域、不同深度的海流，可能就有不同的影響(Wang, Wu, & Chao, 2016)。以同為西邊界流的黑潮與墨西哥灣流為例，學者指出，這兩股海流應對暖化的趨勢就相當不同(Chen, Wang, Xie, & Liu, 2019)。雖然不同研究對此議題可能有相當多元的見解，但是，絕大多數研究都顯示出令人憂心的結果：隨著全球暖化持續，海洋的變動加劇，對環境與生態可能都會產生相當大的衝擊。海洋變動速度加快也同時凸顯出，我們對未來的海洋、天候、氣候系統的能量平衡將更難預測。除此之外，變動的海洋也意味著洋流本身熱量、鹽度、密度、流向與流速、與周邊區域養分的交換，都將隨之變動，對我們的漁業、生態環境，將產生相當大、難以準確預估的衝擊。 參考文獻 [1] Caesar, L., McCarthy, G., Thornalley, D., Cahill, N., & Rahmstorf, S. (2021). Current Atlantic meridional overturning circulation weakest in last millennium. Nature Geoscience, 14(3), 118-120. [2] Chen, C., Wang, G., Xie, S.-P., & Liu, W. (2019). Why does global warming weaken the Gulf Stream but intensify the Kuroshio? Journal of Climate, 32(21), 7437-7451. [3] Ebi, K. L., Vanos, J., Baldwin, J. W., Bell, J. E., Hondula, D. M., Errett, N. A., . . . Spector, J. (2021). Extreme weather and climate change: Population health and health system implications. Annual review of public health, 42, 293-315. [4] Lee, C.-H., Lin, S.-H., Kao, C.-L., Hong, M.-Y., Mr, P.-C. H., Shih, C.-L., & Chuang, C.-C. (2020). Impact of climate change on disaster events in metropolitan cities-trend of disasters reported by Taiwan national medical response and preparedness system. Environmental research, 183, 109186. [5] Letcher, T. M. (2021). Climate change: observed impacts on planet Earth. [6] Lique, C., & Thomas, M. D. (2018). Latitudinal shift of the Atlantic Meridional Overturning Circulation source regions under a warming climate. Nature Climate Change, 8(11), 1013-1020. [7] Peng, Q., Xie, S.-P., Wang, D., Huang, R. X., Chen, G., Shu, Y., . . . Liu, W. (2022). Surface warming–induced global acceleration of upper ocean currents. Science Advances, 8(16), eabj8394. doi:doi:10.1126/sciadv.abj8394 [8] Wang, Y. L., Wu, C. R., & Chao, S. Y. (2016). Warming and weakening trends of the Kuroshio during 1993–2013. Geophysical Research Letters, 43(17), 9200-9207. [9] 劉曉薇, 余嘉裕, & 張瓊文（2016）。全球暖化下黑潮變化及對區域氣候之影響。 大氣科學，44(3), 197-214. 鄭志文 zwz@ntnu.edu.tw 國立臺灣師範大學地球科學系 /海洋環境科技研究所教授 葉庭光 國立臺灣師範大學地球科學系 海洋環境科技研究所副教授

集眾人之力的氣象研究

文/王嘉琪 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。 參考資料 [1] SETI@Home計畫網頁https://setiathome.berkeley.edu/ [2] 星際動物園 https://www.zooniverse.org/ [3] 史密森尼學會https://siarchives.si.edu/history/featured-topics/henry/meteorology [4] Globe Program Taiwan https://globe.ncu.edu.tw/ [5] 大氣環流重建計畫 http://www.met-acre.org/Home [6] 公民科學計畫：往日氣象http://www.oldweather.org [7] 國際上常用的網格化氣候資料 https://reanalyses.org/ [8] 公民參與氣象資料建檔計畫 https://cpmd.cwb.gov.tw/ [9] 王嘉琪等(2020)，公民參與氣象資料建檔計畫—梅雨季初步分析結果，109年天氣分析與預報研討會，中央氣象局。 [10] Mateus, C., A. Potito, and M. Curley, (2021): Engaging secondary school students in climate data rescue through service-learning partnerships. Weather, 76, 113-118 https://doi.org/10.1002/wea.3841 王嘉琪 中國文化大學大氣科學系教授