現世恐龍樂園
文/蕭世輝 鳥類起源尋根
1993年的侏儸紀公園系列電影上映後，在全世界吹起了一股恐龍旋風。因為原本陳列在博物館中死氣沉沉的骨骼標本，活生生地出現在螢幕中與人互動，讓鮮少人關心的古生物學，忽然變成了舉世注目的現代顯學!但當大家越來越熟悉電影中電腦繪圖所勾勒出有著裸露皮膚、笨重體型和巨大牙齒的肉食性恐龍時，古生物學者們卻發現越來越多保存著皮膚外層構造的化石，這些化石卻拼湊出另一種的恐龍形象，甚至直指現世型態各異的鳥類，就是源起於兩億三千萬年前三疊紀就出現的恐龍祖先(Brusatte, O’Connor, & Jarvis, 2015; Chen, Zhao, & Peng, 2015; Xing, 2006)。
不難想像經歷幾千萬年的演化，在一億多年前的侏儸紀與白堊紀時期，地球上各種古生態系中，生活著各式各樣披著羽毛的恐龍(圖1)。但大部分的恐龍和其他動植物，在白堊紀時期，卻因為某些目前尚未確定的自然因素而滅絕，但還是有些倖存恐龍，隨著地球時間洪流的推進，在現世中又再一次演化出型態各異目前約10,783種的物種多樣性(Gill & Donsker, 2019)。這些現世恐龍們，發展出較祖先們體型更小型化、大部分具飛翔能力、恆溫且無牙齒等特徵，而我們則稱呼這些小恐龍們的現世名稱為鳥類。
圖1. 身上披著各式羽毛的恐龍示意模型(圖片來源: 拍攝於Studio City, Macau)
現世鳥類在地球生態扮演的角色
這些現世的恐龍後代-鳥類，在你我生活周邊的多樣性資源很豐富，也跟人類生活息息相關，尤其許多種類經過馴養和育種後，提供給全地球人類肉、蛋等重要蛋白質食物來源的「雞形目」(Galliformes)與「雁形目」(Anseriformes)等家禽類物種；而在野外，各式各樣的鳥類種類，也在地球生態系中，貢獻出一己之力來維持或幫助生態系運作。
許多生態系中扮演園丁功能的食蜜性的鳥類，因為吃食花蜜，嘴部沾染了花朵的花粉，到下朵花吃食花蜜時，就可以幫助植物進行異花授粉並產生子代(圖2)；類似的例子還有食果性鳥類，他們吃下果實，藉由飛翔各處並排泄消化不了的植物種子，幫助不能動的植物散播子代和擴散族群(圖3)。
圖2. 食蜜性鳥類「綠繡眼/Japanese White-eye」
圖3. 食果性鳥類「五色鳥/Taiwan Barbet」
甚至有許多海洋性鳥類，扮演拓荒者的角色，從一個已有豐富植被的島嶼擴散群或遷徙時，落腳在貧瘠的荒島，可能藉由羽毛沾附或消化道攜帶的植物種子，幫助植物在島嶼中擴散種群。同時，這些海洋性鳥類亦當起海洋生態系和陸地生態系的信差，將海洋中獲取動物或植物性食物，經過消化排泄後，排遺就可帶給陸域棲地足夠的碳、氮、磷、鈣……等有機肥料(圖4)。這些肥料在大部分由無機礦物構成的島嶼上，可以幫助島嶼上的植物生長，當植被種類和數量越多，構成的生態系越複雜，其上可蘊養物種和數量更多，生物多樣性就能更穩定發展。
圖4. 海洋性鳥類「白腹鰹鳥/Brown Booby」與其排遺
台灣的鳥類生物多樣性
而台灣更是得天獨厚的現世恐龍--鳥類—的樂園，因為地理位置、生態系環境、氣候等的多樣化，孕育出的鳥類物種紀錄，在2019年已達到663種(中華民國野鳥學會，2019)，以鳥種分布密度來說，高居世界前幾名，如國土面積雖然是台灣的272倍的美國，但所分布的鳥種數目尚未到台灣的2倍。因此，因為路程短且可觀賞的鳥種數目多，台灣極為適合發展鳥類的生態觀光。
台灣的鳥類多樣性除了本身的環境多樣化之外，所處的地理位置特殊，東面靠著地球最大的太平洋、北面銜接溫帶東海、西臨亞洲大陸邊緣的台灣海峽與南面承接熱帶海域的南中國海，四面環海阻隔了台灣和鄰近大陸的陸地連接，而台灣的物種，也隨著長時間與亞洲大陸分隔的地理隔離，發展出許多符合地區生態特性的特有物種，其中，包含27種特有種與54種特有亞種鳥類，如2007年票選出的國鳥「台灣藍鵲/Taiwan Blue-Magpie」 (圖5)，即是大家比較熟悉的台灣特有種鳥類。
圖5. 2007年票選出的台灣國鳥「台灣藍鵲/Taiwan Blue-Magpie」
由於台灣處於亞洲大陸邊緣的海面上，除了一年四季皆生活在島上約佔總數約1/4的留鳥外，每年隨著秋冬季東北季風和春夏季西南季風吹起，以台灣為非繁殖棲息地或遷徙中途驛站，在高、低緯度間遷徙的候鳥(一年中，僅有春/夏季來台灣繁殖下一代的夏候鳥或秋/冬季渡冬的鳥類)、過境鳥(台灣是牠們高、低緯度間遷徙時的休憩路徑，僅停留短暫時間的鳥類)或迷鳥(台灣不在牠們遷徙的既定路徑上，因為天候等因素迷航而至的鳥類)等，也為台灣注入7成鳥種數以上的鳥類多樣性。候鳥如在國際自然保護聯盟(International Union for Conservation of Nature, IUCN)紅皮書中，在1993年全世界普查名列極危(critically endangered, CR)物種且全世界僅存288隻的黑面琵鷺(圖6)，20多年來，隨著全世界在繁殖地和近6成族群於台灣度冬棲地的共同保育努力下，全球族群量已上升至4,000隻左右；過境鳥如每年國慶和清明時節南下與北返的國慶鳥灰面鵟鷹(灰面鷲) (圖7)；迷鳥如2014年12月-2016年5月迷途並落腳金山的白鶴(圖8)，並同樣於IUCN紅皮書中，因為全球族群量未達4,000隻而名列極危(CR)物種。
圖6. 每年固定來台渡冬的「黑面琵鷺/Black-faced Spoonbill」與「白琵鷺/Eurasian Spoonbill」
圖7. 固定過境台灣的國慶鳥「灰面鵟鷹/Gray-faced Buzzard」
圖8.迷途並落腳金山的「白鶴/Siberian Crane」
環境破壞與污染對鳥類生物多樣性的影響
雖然台灣有如此豐富的鳥類多樣性資源，堪稱現世的恐龍樂園，但目前許多的人為因素，導致這艘從2億多年前，在地球歷史洪流駛來的巨艦，面臨極度嚴峻的挑戰而載浮載沉。其中，因為人類對各類環境的徵收、開發與破壞，大量、密集且快速的棲地破壞與環境改造，降低了生態棲地的多樣性，尤其許多瀕危並需要被保護或特有種的鳥類物種，因為失去棲地的牠們，若無法快速適應這些人造環境或改變其生活型態，將會隨著如雷龍、暴龍等物種的腳步，在地球生物演化的年曆上被抹去，最後僅能將骨架標本，陳列在暴龍等祖先物種的骨架旁。
除此之外，許多的人類廢棄物充斥著這些鳥類的生活棲地環境，如價格便宜、大量製造和一次性使用的塑膠類產品，使用過後的任意拋棄，讓躲過開發破壞的倖存生態環境更雪上加霜。Chen (2015)曾估計，在2010年就有400〜12,00萬噸的塑膠廢棄物進入到海洋中，由於塑膠垃圾的結構通常很穩定，在自然界中很難被分解，因此塑膠垃圾不斷累積在自然生態環境中(圖9)。
圖9. 台灣近海海面上聚集的飄浮塑膠垃圾
原本在濕地生活的小環頸鴴，因為人類為了設置停車場或夜市場地等用途，將海岸或濕地等泥土地改造為柏油或水泥地，人們利用後又未清除利用過後的廢棄物，導致原來的土地使用者--小環頸鴴，反而必須生活在充滿橡膠氣球和BB彈垃圾的環境中(圖10)。由於現今的鳥類沒有牙齒，因此沒有咀嚼和咬斷的能力，大部分鳥類覓食僅能以吞嚥大塊食物的方式進行，但這些人為塑膠垃圾，極可能隨著鳥類的覓食行為，而進入到鳥類的消化道造成傷害，如圖11中的鳳頭燕鷗，因為誤食了一次性使用後拋棄的塑膠吸管，吸管穿刺消化道和喉部皮膚而露出，未來可能因為阻礙消化道無法吞食或傷口細菌感染等問題，造成死亡。
圖10. 原本生活於溼地的「小環頸鴴/Little Ringed Plover」
圖11. 誤食塑膠吸管而穿刺露出喉部皮膚的「鳳頭燕鷗/Great Crested Tern」
人類活動不該成為現世恐龍—鳥類—滅絕的主因
有越來越多的鳥類，受到人類活動的影響，面臨瀕危甚至步入了恐龍祖先們滅絕的腳步，對於這些從歷史洪流下發展至今的鳥類嬌客們，我們應該如何去做才能保育他們，並維持他們的生物多樣性呢? 可由下列三項來做起:
1. 對於已瀕危或是保育類物種的生育繁殖和非繁殖棲地，應該設立保護區禁止人類活動的干擾或開發。
2. 對於個人使用的塑膠類製品，可減量、重複或取代使用，並妥善根據各縣市環保局已制定的丟棄和回收流程進行。
3. 不隨意餵食、捕獵、飼養和放生，以免干擾、破壞鳥類在原環境生態中的「生態棲位」(ecological niche)。
同時，台灣環保署對於塑膠類廢棄物亦開始管制，包含2018年1月1日起禁止商家提供免費手提塑膠袋和製造或輸入含有塑膠顆粒的個人清潔、美容保養和化妝品等(環保署，2017)，並希望在2020年禁止使用一次性塑膠吸管，希望藉此對於包含鳥類生物多樣性等的保育盡一份心力。因為，若人們對於恐龍的曾經滅絕感覺到婉惜，那就更應該努力遏止人類再度滅絕這些現世恐龍們。
參考文獻
Brusatte, S. L., O’Connor, J. K., & Jarvis, E. D. (2015). The origin and diversification of birdsCurrent Biology, 25(19), R888-R898.
Chen, A. (2015). Here’s how much plastic enters the ocean each year, Science, DOI: 10.1126/science.aaa7848.
Chen, P. F., Zhao, G. X., & Peng, G. G. (2015). Origin of birds: decade-long efforts and evidence from China. Bulletin of the Chinese Academy of Sciences, 29(1), 29-32.
Gill, F. & Donsker, D. (Eds). 2019. IOC World Bird List (v9.1). doi: 10.14344/IOC.ML.9.1.
Xing, X. (2006). Feathered dinosaurs from China and the evolution of major avian characters. Integrative zoology, 1, 4-11.
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環保署(2017)。107年擴大實施限塑政策 無塑「心」地球。
國立台北教育大學自然科學教育學系助理教授
蕭世輝
臺灣西北海岸藻礁的前世今生
文/許民陽
藻礁簡介
藻礁 (algal reef) 是由藻類所建造的礁體，它和珊瑚礁都屬生物礁 (biotic reef, bioherm)，主要是由分泌及製造鈣質或矽質骨骼的生物，經過漫長時間堆積而成。生物礁的發育必須是建設性地質作用大於破壞性作用的結果，也就是生物礁的造礁速率大於侵蝕速率。礁體的堆積並不快， 通常須經漫長時間形成，往往需要數千年以上 (戴昌鳳、王士偉、張睿昇、鄭安怡，2009)。
地球上最古老的生物礁為在澳洲 Pilbara 發現的由藍綠菌所形成的疊層石 (stromatlite)(圖1)，形成年代在 34.3 億年前。疊層石不但是地球上最早的生物礁，藍綠菌及其後各種藻類行光合作用所釋放出來的氧氣，又慢慢改造地球大氣，使大氣層中的氧氣逐漸增加。地球上的生物也隨著大氣中氧氣含量的增加，演化得更多樣化，構造也更複雜，而形成地球上多采多姿的生命世界。澳洲許多地方仍可找到目前仍在形成的疊層石 (McNamara, 2009; Lane, 2007)，如西澳的鯊魚灣 (Shark Bay)、Cliton 湖、Thetis 湖(圖 2)等地，成為全世界觀察生物礁形成的熱門地點。
圖1. 日本東京上野自然科學博物館展示約20億年前的疊層石剖面
圖2. 澳洲西部 Thetis 湖中現生的疊層石
生物礁的種類以主要造礁生物來命名，例如以石質珊瑚為主的稱為珊瑚礁，以石灰藻造礁為主的稱為藻礁。實際上珊瑚礁不完全由石珊瑚堆積而成，充填其間的藻礁及其他生物碎屑充當鈣質膠結 (carbonate cementation) 的角色 (Davis, 1983)。而在藻礁中，若環境適當，也有一些石珊瑚生長在表面或間夾其間。
西北海岸的藻礁特性
臺灣的藻礁分布，以北海岸及西北海岸為主。北海岸以麟山鼻岬角及東、西兩側(圖 3)， 富貴角西側(圖 4)及東側至石門洞間的海岸最多，由於有輝石安山岩塊出露、藻礁以此為基盤， 依附其上或包圍安山岩生長至高潮線位置(圖 4)，冬春季節，以石蓴為主的藻類生長其上，成一片翠綠(圖 5)。
圖3. 麟山鼻岬角西側海岸的藻礁
圖4. 富貴角西側包圍安山岩生長的藻礁
圖5. 富貴角西側海岸的藻礁，冬季生長石蓴
西北海岸的藻礁主要分布北起大園鄉竹圍漁港海岸向西延伸至觀音鄉及新屋鄉永安漁港附近 (圖6)，以觀音海水浴場至新屋溪口附近海岸侵蝕後退地區分布最寬廣，由外緣至海灘內側，縱深可達 400 公尺，分布面積為臺灣海岸地區最廣者。有些地方連續性較差者，分布成綴礁狀態（patching coral），生長的基盤則為臺地受蝕而出露分布海岸的石英岩質卵石為主。這一層在西北海岸出露的藻礁也延伸至現今海岸沙丘的下方，在大園及觀音沿海許多開挖的魚塭剖面都可發現。
圖6. 西北海岸的藻礁主要分布區域
西北海岸潮間帶的藻礁主要由殼狀珊瑚藻堆積而成，外緣常被侵蝕成海蝕溝(圖7)，與一般的珊瑚礁非常類似。但近觀可發現藻礁呈三種形態，一種為類似包心菜的環狀殼狀珊瑚藻(圖8)，另一種為細枝狀的殼狀珊瑚藻(圖9)，其餘則成散亂的生物碎屑堆積狀態 (貝殼、石灰藻、穿孔貝等組成 ) (圖10)。
外緣的潮間帶仍可看見現生的珊瑚藻－石葉藻（紅色部份）(圖11)，潮間帶的孔隙及潮池中也可看到許多生物，如螃蟹、海葵生長，形成一個生態系。
本海岸帶藻礁堆積的厚度可達 6 公尺餘，在藻礁層中，常可發現石珊瑚發育成薄層狀或碎塊夾於其間(圖11)，戴昌鳳等 (2009) 並將觀音海岸的藻礁命名為「潮音礁灰岩」，並依據造礁生物的組成，區分為「珊瑚藻--珊瑚黏結灰岩」、「珊瑚-珊瑚藻黏結灰岩」以及「珊瑚藻黏結灰岩」。
圖7. 藻礁外緣的海蝕溝
圖8. 生長成環狀的殼狀
圖9. 細枝狀的殼狀珊瑚藻圖
圖10. 藻礁中夾有貝類及牡蠣等生物殼體
圖11. 藻礁外緣潮間帶有現生珊瑚藻－ 石葉藻 (紅色部分)
圖12. 新屋溪口附近藻礁中有石珊瑚 (Favia sp.) 生長
藻礁的發育和氣候及海岸變遷的關係
有關西北海岸藻礁最早的文獻紀錄為林朝棨 (1957)，發現桃園一帶新期的海濱堆積層底部常有一層厚數十公分，由珊瑚、貝殼、小礫等膠結而成的珊瑚礁層。西北海岸藻礁層最早的定年記錄為王鑫、劉平妹和許民陽 (1990) 在觀音海水浴場南側潮間帶 (拔高-0.1m) 採得的珊瑚(Goniapora sp.) C-14 年代為 5730 年，隨後許民陽、張智原 (2007)、王士偉等 (2009)和戴昌鳳等(2009)都有許多定年資料。
筆者也曾在觀音海水浴場附近潮間帶，採得二個藻礁及珊瑚樣本 (NW-7 及 NW-8)，新屋溪口北側海岸則在臺灣電力公司大潭火力電廠所挖出的槽溝及附近採得 10 個樣本(NW-9~NW-18)，所得結果如下表 1 和表 2 所示。
表1. 觀音海岸藻礁及珊瑚C14定年資料
註：採集者--許民陽；碳-14 定年--國立臺灣大學地質系碳十四定年實驗室
表2. 新屋溪口海岸藻礁及珊瑚C14定年資料
註：採集者--許民陽；碳-14 定年--國立臺灣大學地質系碳十四定年實驗室
表2中 NW-9~NW-13 為採自中油公司所挖的天然氣幹管槽溝的藻礁剖面，NW-9 為藻礁剖面最底部附著在卵石層上生長的部份，由 NW-9 採集點向上每隔 20 公分依序採得 NW-10 及NW-11。NW-12 及 NW-13 為該剖面中段的藻礁及珊瑚樣本。
由該槽溝的剖面可知，新屋溪口的藻礁剖面底部最早年代為距今 6240±50 年前，而戴昌鳳等 (2009) 在附近藻礁底部所採得的樣本定年為 7,530 年。中段的珊瑚及藻礁年代大約在距今4471±40 年前。NW-14~NW-16 為靠近海岸內側，藻礁最內緣的剖面(圖 13-1、圖13-2)，由頂部向下每隔 20 公分採集一袋，碳-14 定年為 3280±50 至 2830±50。NW-17 為新屋溪口藻礁最外側的礁層頂部標本，NW-18 為最內側礁層頂部的細枝狀殼狀珊瑚藻礁，兩者的形成年代都是兩千餘年前。
圖13-1. 新屋溪口藻礁內緣剖面
圖13-2. 新屋溪口北側編號 NW-14 的層狀藻礁樣本（白色）及藻礁表面
由上述樣本的定年資料可推估觀音地區海岸 (含新屋溪口海岸) 的珊瑚礁發育年代始於距今六～七千餘年前，至距今二千多年前停止發育。現今海岸廣闊的藻礁早期也延伸至現今海岸的沙丘下方，在大園及觀音沿海許多沙丘下方因開挖魚塭而露出來的剖面都可看到此層礁層，筆者多年前曾在魚塭開挖剖面採集珊瑚礁進行定年。該處珊瑚礁發育良好，樣本大部分在現今內陸較薄層的珊瑚--珊瑚藻黏結灰岩的底部，由碳-14 定年可知均開始發育時間為距今五~六千年前之間(表 3)。
表3. 觀音海岸沙丘下方珊瑚礁C14定年資料
採集者--許民陽；碳-14 定年--國立臺灣大學地質系碳十四定年實驗室
資料來源：許民陽、張智原 (2007)
綜合上述表 1-3 的珊瑚礁及藻礁定年加上前述戴昌鳳等 (2009) 的資料可推估觀音地區海岸近六千年來的海岸變遷如下：距今六千多年前，為第四紀最後一次冰期結束後，氣候較溫暖時期，海水面較現今高 2-3 公尺，形成海進期 (陳于高，1993)，沿海有珊瑚礁及藻礁層生長在礫石層上。至距今四千至二千年前左右，可能由於環境變遷，珊瑚礁漸被藻礁代替，只局部夾於藻礁間生長。 隨後的海退期，海岸漂沙增多，珊瑚礁及藻礁上堆積灘沙及沙丘，兩者皆停止生長，陸地也向外延伸。但距今四十餘年，由於內陸水庫攔沙及河川採沙，導致沿海漂沙減少，加上其他人為因素，觀音海岸出現海岸侵蝕的狀況。
由上述藻礁及珊瑚礁發育及變遷的年代亦可推論，本段海岸全新世生物礁生長的形態或可稱為追上型 (keep-up) (Neumann & Macintyre, 1985)。即珊瑚礁接近 (close to) 海平面生長，其垂直生長的速度可以趕上海準變動 (主要為上升) 的速度，亦即六千年前海面上升時，氣候較溫暖形成海進，觀音地區的珊瑚礁隨之向上生長。此種形態大都分布於逐漸或快速上升的海岸，例如巴貝多海岸 (Barbados) (Bard et al., 1990) 和胡昂半島 (Huon peninsula) (Chappell & Polach, 1991)。但也可發育於某些海岸地殼較穩定的地區，尤其是接近限制珊瑚能生長的緯度帶 (Collins et al.,1993)，觀音地區的珊瑚礁及藻礁發育也具有此種特性。
觀音位於台灣的西海岸，這些海岸變遷的定年資料顯示的另一個意義為西北海岸距今五、六千年以來，由於處於歐亞板塊與菲律賓海板塊碰撞的後方地區，或者因鄰近觀音基盤高區，地殼均處於上升緩慢的狀態，此時期形成的珊瑚礁僅位於現今 0.5 〜 2 公尺不等的高度；相較於板塊碰撞的前緣地區，如花東海岸的八仙洞、大俱來、胆曼等地，五千至六千年前左右形成的珊瑚礁已被抬升至 30 〜 40 公尺的高度 (許民陽、高慶珍、高鵬飛、鄭紹龍，1999；謝孟龍、劉平妹，2010；Hsien et al., 2004)，兩地區的地殼變動量及速率實有極大的差異。
近期海岸線進退與藻礁的關係
筆者在十餘年前調查桃園縣地形與地質景觀時 (許民陽，1993)，當時海岸後退未顯著，沿海漂沙尚未大量減少，藻礁大部分為灘沙及灘礫所覆蓋(圖14)，僅在退潮時，在潮間帶的外緣露出。自從 1961 年以後，由於水壩、防波堤、突堤、離岸堤等海岸結構物的建築大量增加以及採沙、抽沙等因素造成輸沙量驟減，各種人為因素綜合產生的效應造成海岸明顯後退，漂沙覆蓋減少，藻礁才大範圍出露。(圖15)
出露的礁體在退潮時海蝕溝兩側的厚度可達 2 〜 3 公尺左右 (NW14-NW16)，最寬可達 450 餘公尺，巨厚寬廣的礁體出露於廣大波浪侵蝕最強的潮間帶，形成黑褐色的一片，有如分布海岸的武士鐵甲，成為海岸抵抗波浪侵蝕最佳的保護層，在新屋溪口附近，有藻礁分布的海岸，其海岸內緣沙丘的侵蝕速率較慢，可見藻礁的保護效果。
圖14. 1992年7月7日，新屋溪口北側海岸灘沙及灘礫覆蓋海岸，海岸後退已開始，但不見藻礁出露
圖15. 2008年10月10日，新屋溪口海岸因大潭火力發電廠興建港口防波堤產生突堤效應，造成海岸侵蝕、漂沙流失，致使大片藻礁露出，與圖 1992/07/07 比較有明顯差異。
沙源減少及海岸後退，使藻礁出露，露出的藻礁仍然具有防護海岸的功能，在沒有人為干擾的因素下，海岸變遷為伴隨氣候變遷的產物，近期的海岸變遷卻加了許多人為因素干擾的原因。海岸線後退造成國土流失，若未妥善因應，也將對人類生活產生不小的衝擊，這是我們在研究藻礁之餘，更該密切注意的地方。
引用文獻
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中國地球物理學會與中國地質學會九十八年年會及學術研討會論文摘要集。民雄：中正大學地球與環境科學系。
王鑫、劉平妹、許民陽 (1990)。臺灣海岸地區的地形演變。行政院科技顧組專題研究期末報告，臺灣大學地質系。
林朝棨 (1957) 。 臺灣地形。臺灣省通志稿卷一，土地誌，地理篇。臺北：臺灣省文獻委員會。
許民陽 (1993) 桃園縣的地形與地質景觀，自然科學鄉土教材叢書 (二)。桃園：桃園縣政府教育局。
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陳于高 (1999)。晚更新世以來南台灣地區海水面變化與新構造運動研究。國立臺灣大學地質研究所博士論文。
謝孟龍、劉平妹 (2010)。花東海岸全新世地殼上升速率的探討。中央地質調查所彙刊，23，頁165-199。
戴昌鳳、王士偉、張睿昇、鄭安怡 (2009)。桃園觀音藻礁生態解說手冊。臺中縣梧棲鎮：臺灣中油股份有限公司液化天然氣工程處。
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臺北市立大學地球環境暨生物資源學系特聘教授
許民陽
臺灣西北海岸藻礁的生態價值
文/劉靜榆
臺灣的岩礁海岸依造礁生物不同，可以概分為由造礁珊瑚(hermatypic corals)所建造的珊瑚礁，和以殼狀珊瑚藻(crustose coralline algae)為主的藻礁。早期有學者曾提到有藻礁分布的海岸，包括桃園市大園區到新屋區沿岸，新北市淡水區洲仔灣、三芝區的淺水灣、石門區麟山鼻、德茂、石門洞，宜蘭縣的外澳，東南部海岸臺東縣卑南鄉的三仙台基翬漁港、杉原灣海岸，以及屏東縣恆春半島東岸的阿朗壹、旭海、風吹砂海岸等地(王1997, 許2002, 王等2008, 劉2008, 劉2013, 洪等2017, 劉2017, 劉2017b, Liou et al.2017)，但仔細探究其礁體結構，卻發現大多非藻礁，到底臺灣有那幾處真的是藻礁地形？由於桃園海岸有強大的開發壓力，藻礁是否為稀有生態系，有別於珊瑚礁生態系，值得優先保育的論述(Liou et al. 2017)，一直是頗具爭議，因此臺灣西北海岸藻礁之獨特性必須要先釐清。
臺灣西北海岸藻礁之獨特性
建造藻礁要有硬底質，含沙量又要不多不少，才適合殼狀珊瑚藻生長，還要許多因素配合才能，攤開地圖看看，臺灣符合這些條件的地方有那些？
首先要釐清的是，看到珊瑚不一定就是珊瑚礁，看到殼狀珊瑚藻也不一定是藻礁，厚度未達到標準不可以稱為礁。殼狀珊瑚藻並非罕見的海藻，在人工海水養殖的水族缸裡亦經常可見，也可以在大部分的礁岩海岸發現，然而要達到礁體厚度的標準卻不容易。若達到礁的標準再來就要看結構，基本上礁體結構至少要有50%由造礁藻類組成才可稱為藻礁(圖1、2)。
就礁體外觀而言，造礁生物的種類不同，礁體的結構也不同，桃園藻礁以殼狀珊瑚藻為主要的造礁生物，雖然有不同種的殼狀珊瑚藻，但是藻礁結構以層層堆疊為主，形成的平坦狀岩層，地質學稱生物層(biostrome)，礁體較為鬆散。平坦狀礁體造成大面積微棲地相似的環境，因此生物種類單純，單一物種族群數量大。海水的含沙量高，礁體間的潮池底部經常積沙，因此會出現屬於沙岸的生物種類。東海岸以石珊瑚為主要的造礁生物，群聚的珊瑚形成的共骨，形成的丘狀岩層，地質學稱為生物礁(bioherm)，礁體結構比較堅硬，珊瑚種類繁多，形成各種不同的微棲地，多屬於礁岩海岸的生物，物種多樣性高，但是單位面積單一物種族群數量小。
圖1. 殼狀珊瑚藻層層堆疊形成礁體鬆散的平坦狀岩層，地質學稱生物層(biostrome)。
圖2. 2007年4月中油在桃園觀音區保生海岸進行管線天然氣接收管線工程，當時藻礁呈現整片紅色
北海岸若以富貴角為界，北海岸東側到宜蘭之岩石海岸，潮間帶狹小，生物造礁的體積比例非常的低。北海岸西側相對東側潮間帶面積略廣，礁體的形態介於生物層與生物礁之間，大量安山岩夾雜其間，造礁生物仍以珊瑚為主，以礁體體積而言，珊瑚比例超過7成以上，地理位置上與桃園最接近，屬於藻礁過渡到珊瑚礁的地形，但桃園的硬底質是古石門溪的卵礫石，完全被藻礁的礁體覆蓋，北海岸的安山岩基部有生物礁包圍生長，低潮時安山岩是突出於海平面，因此屬於岩岸的生物種類較桃園多。北海岸西側的物種和桃園地區的比較接近，北海岸東側的物種和宜蘭、台東類似。
追溯2007年中油在桃園觀音區保生海岸進行管線天然氣接收管線工程(湯&劉2008)，以及2014年亞東石化在桃園大堀溪口進行臨時碼頭工程，依照當時所挖出的礁體，可看到層層堆疊的藻礁經過怪手挖出後成粉碎狀。對照2012年麟山鼻漁港改善工程時所挖出的礁體，經過怪手挖出後，堆置在道路上還可以保持每個礁塊長寬達2～3公尺，仔細觀察礁體結構，多是比較堅硬的珊瑚(劉2018a)(見圖3-6)。
圖3. 2007年中油在桃園觀音區保生海岸進行管線天然氣接收管線工程，較高潮處所挖出的碎礁塊及底部的礫石層。
圖4. 2007年中油在桃園觀音區保生海岸進行管線天然氣接收管線工程，較低潮處所挖出的礁體呈粉碎狀。
圖5. 2012年麟山鼻漁港改善工程時所挖出的礁塊長寬達3公尺。
圖6. 2014年亞東石化在桃園大堀溪口進行臨時碼頭工程，所挖出的礁體，可看到層層堆疊的藻礁成粉碎狀。
因此北海岸的西側的珊瑚比例大約占7成，北海岸的東側往東北角一路下到臺灣的東海岸，珊瑚的比例更是高達9成。所以台灣西北海岸之桃園為藻礁地形，北海岸西段為珊瑚礁夾雜藻礁地形，北海岸東段、東北角、宜蘭至花蓮為岩石夾雜珊瑚礁地形，而東南部之台東為珊瑚礁地形。總結，臺灣藻礁地形就只分布西北海岸的桃園而已，證實桃園藻礁的獨特性！
臺灣西北海岸藻礁的重要性
全世界珊瑚礁海岸或沙泥灘海岸的分佈面積遠高於藻礁海岸，所以偏好棲息於藻礁海岸的物種，若沒有出現在珊瑚礁海岸，也沒出現在沙泥灘海岸，當藻礁消失，這些生物也會跟著消失。單就殼狀珊瑚藻而言，雖然種類很多，但出現在桃園大潭海岸的殼狀珊瑚藻，根據東海大學劉少倫老師藉由分子生物鑑定的技術，確認有許多世界新種，其中包含了世界新屬(陳&劉2017, 劉2018)，如果這些新種確認為桃園地區的特有種，那桃園藻礁的重要性就非常地高了。
整個桃園海岸都是沙丘地形，所以藻礁的形成，本來就是一個奇蹟，是許多條件的組合，萬、千年前所造就的這些組合，包括古石門溪的卵礫石或是冰河融化等因素，幾乎無法再重來一遍，所以毀掉的藻礁是沒有辦法舊地重生，或是異地重建(圖7)。
圖7. 藻礁被開挖處會填滿沙，未來都不可能再形成藻礁地形。
藻礁海岸同時支撐了礁岸生物與沙灘生物兩大不同的生態系，對於生物多樣性的維持非常重要，因此桃園藻礁生態系的重要性是勝過臺灣其他的礁岩海岸，透過之前長期的觀察已知桃園藻礁是一個海洋生物重要的育嬰房，在西部海岸以沙灘為主的棲地，提供了適存於礁岩生物的幼生有一個避難所(陳2017)。
桃園海岸有向外延伸的大陸棚，退潮時露出來的礁體面積非常的遼闊，垂直海岸線向外達數百公尺，低潮線的範圍也較為寬廣，相對於北海岸及東海岸的潮間帶，退潮時露出的範圍大約數十公尺。
桃園藻礁累積海岸線長度達27公里，然桃園海岸的污染相當嚴重，特別在觀音工業區和大園工業區外圍的海岸(劉2010, 劉2011, 劉2017a；見圖8)，但在觀音南段的保生及大潭海岸，仍然保有生長狀況良好的藻礁地形(劉2013, 劉2017b, 劉2018)，目前確認2008年才被命名的兇猛酋婦蟹(Eriphia ferox, 圖9)，其族群在世界上占有重要的生態地位，族群數量達數十萬隻(劉2018a, 林2018)，與臺灣東南海岸主要光手酋婦蟹(Eriphia sebana, 圖10) 族群分佈範圍(張簡等2016)，幾乎完全區隔。
圖8. 雖然桃園累積長達27公里藻礁海岸，但因為污染，工業區外圍大面積礁體毫無生態可言（觀音工業區外側）。
圖9. 2008年才被命名的兇猛酋婦蟹(Eriphia ferox)分布於澎湖往北，苗栗、桃園、北海岸到宜蘭海岸，在大潭藻礁之族群數量達數十萬隻。
圖10. 分布台東往南、墾丁至小琉球海岸的光手酋婦蟹(Eriphia sebana)。
而在大潭海岸常發現的庫卡寄居蟹(Pagurus kulkarnii，圖11、12)，退潮時段，庫卡寄居蟹會逐漸群聚，並蟄伏在殼內，等待下次潮水漲上來之後再開始活動。每個成團群聚的種類單純，單種單團族群數量常達數百隻，因潮間帶範圍廣闊，沿著低潮線可記錄上萬隻，大潭海岸族群數量達數千萬隻，且常呈單一優勢種群集(monodominant community)，與北部和東海岸的物種明確區隔。
圖11. 退潮時段，庫卡寄居蟹會逐漸群聚，並蟄伏在殼內，等待下次潮水漲上來之後再開始活動。
圖12. 在大潭藻礁海岸常發現的庫卡寄居蟹(Pagurus kulkarnii)常呈單一優勢，族群數量達數千萬隻。
大潭海岸的含沙量遠高於北海岸、宜蘭海岸和東海岸，庫卡寄居蟹是可以忍耐海水濁度的物種，同樣可以耐含砂量高的珊瑚--柴山多杯孔珊瑚(Polycyanthus chiashanensis, 圖13)，與庫卡寄居蟹的棲地大致重疊。這種珊瑚已被確認為臺灣特有種，曾經以為僅存於高雄柴山海岸(Lin et al., 2012)，行政院農業委員會2017年3月29日公告列為臺灣的瀕臨絕種野生動物石珊瑚(行政院2017)，可惜發現的模式地點已經遭受破壞，目前在大潭藻礁海岸族群數已遠高於初次發現的模式地點(陳2018)，且在臺灣的外島、懇丁、北海岸及東海岸等礁岸都沒記錄到，成為全世界最重要的棲地，更可確認臺灣西北海岸藻礁的生態價值。
圖13. 瀕臨絕種的柴山多杯孔珊瑚(Polycyanthus chiashanensis)，2012年才被命名，在大潭藻礁海岸族群數已遠高於初次發現的模式地點，成為全世界最重要的棲地。
臺灣西北海岸的藻礁因為龐大的底棲魚蝦蟹類，同時也支撐著大量的石斑魚或裸胸鯙族群(圖14)，數量達數千隻，這些掠食者屬於在食物鏈頂端的消費者，而這麼龐大的族群數量，可以論定這個生態系是健康的。近期由中研院陳昭倫研究員及東海大學林惠真教授共組的團隊所進行的桃園大潭藻礁生態研究中，還發現了這裡是許多種鯊魚的育幼場所，包括紅肉丫髻鮫。早在2013年紅肉丫髻鮫(Sphyrna lewini)就被「瀕危野生動植物種國際貿易公約」（CITES）列入附錄二作為貿易監控的物種，也被世界自然保育聯盟（IUCN）紅皮書列入瀕危物種，而臺灣漁業署也在2016年6月將紅肉丫髻鮫列為「三大洋禁捕鯊魚及魟類物」。鯊魚是海洋食物鏈的頂尖掠食者，一個可以支撐如此龐大的鯊魚族群的生態系應該是一個健康永續的生態系，此次研究團隊所發現的紅肉丫髻鮫體長僅為50公分，為剛出生的幼鯊，而且除了ㄚ髻鮫之外，也捕獲沙拉真鯊(Carcharhinus sorrah)等其他鯊魚的幼鯊。這些鯊魚幼鯊的發現，顯示這些大型洄游性掠食者對大潭及其周邊海域棲地利用率很高，而藻礁很可能是這些鯊魚在臺灣西北海域重要的孵育場(林等2018)。這個結果說明了位在臺灣工業重鎮的西北海岸，看起來灰頭灰臉的大潭藻礁，整個桃園經過了長時間的工業污染，觀音工業區外的藻礁生態幾乎全軍覆沒，而位於南側的大潭地區尚且能夠保有如此豐富的生態系(劉2018a)，又是一個奇蹟。
圖14. 在食物鏈頂端的裸胸鯙族群數量達數千隻，可以論定這個生態系是健康的。(疏斑裸胸鯙Gymnothorax undulatus)
總而言之，柴山多杯孔珊瑚、兇猛酋婦蟹、庫卡寄居蟹的族群主要集中在桃園大潭海岸，確認這個生態系與北海岸東海岸有極大的不同，再加上這裡是紅肉丫髻鮫育幼場所，可證實桃園大潭藻礁的珍貴性。
臺灣西北海岸藻礁的生態系服務
藻礁對於人類的生活如何息息相關，包括提供食物來源、旅遊休憩、防災等生態系服務功能。
臺灣西北海岸的藻礁除了維持生物多樣性，就人類需求的角度來說，還提供了一個永續食物庫，因為龐大的底棲性螺、貝、蝦、蟹類，同時也支撐著大量的石斑、裸胸鯙或鯊魚族群(林&劉2018, 林等2018)。這些螺、貝、蝦、蟹、魚等都是我們餐桌上常見的食物，原本桃園海岸有兩個很大的漁港，分別是北桃園的竹圍漁港和南桃園的永安漁港，但是桃園北部的海岸因為汙染，竹圍漁港已許多年漁獲量為零。臺灣的棲地生態系正逐漸崩毀中，即使單從人類需求的角度來看，每個棲地生態都代表著一個永續的食物庫，損失一個棲地生態系，就代表我們人類更接近死亡。本次觀塘開發案施工預計會有一道長達3公里，平行海岸線的堤防，這對許多海洋生物的幼生或是孢子會造成嚴重影響(劉2018b)。多數藉由漲退潮移動的生物將會被平行海岸線的堤防阻隔，造成低潮線的浮游生物無法上溯到高潮線，需要變態回到高潮位的物種，生活史就會被阻斷。造礁藻類的孢子是不是也會被平行海岸線堤防限制，一級保育類生物的幼生是否也被影響，目前都沒有任何的資料可以佐證。
就旅遊休憩而言，臺灣生態旅遊需求很大，熱門景點通常人滿為患，無論是背著氣瓶下探到亞潮帶以下，或是只有咬著呼吸管，漂浮在海面上的浮潛，都可以一探珊瑚礁的奧秘。但在藻礁區進行生態探索完全不同於珊瑚礁的浮潛，因為殼狀珊瑚藻可以忍受較為混濁的海水，因此戴著面鏡，潛到海裡面，其實能見度並不高。又因為藻礁可以忍耐陽光曝曬的特性，所以在潮間帶的生長範圍非常的遼闊，藻礁的分佈可以達到非常高潮線，藻礁非常平坦，最適合的生態旅遊就是以步行的方式進行夜間觀察。現在桃園藻礁的夜間觀察已經成為一個熱門的活動，每次夜觀報名名額都是瞬間秒殺，因為這是一個老少咸宜的活動，在藻礁區可以站在潮間帶觀察礁岸的生物。
藻礁，所能提供的生態系服務不單單只是食物來源或生態旅遊，對於氣候變遷及溫室效應等等都有重大的影響，特別是由藻類建造的礁體，在生長的過程會將大氣中的二氧化碳固定在海中，對於減緩氣候暖化或是海水酸化，都極為重要。在生態系調控上，藉由藻礁生長過程讓空氣中的二氧化碳轉化成為殼狀珊瑚藻本身組織，藻礁累積過程讓海洋中的殼狀珊瑚藻進行碳封存，藉此將大氣中的碳長期的儲存起來(圖15)，穩定的減緩與調節大氣中二氧化碳濃度，就是藍碳(blue carbon)的概念(劉2018c)。
圖15. 藻類建礁的過程會將大氣中的二氧化碳固定在海中，對於減緩氣候暖化或是海水酸化，都極為重要。(2019年大潭G1區)
若針對海岸防護方面，在臺灣海岸經常看到綿延不絕消波塊，但每年仍然造成嚴重的災害，完整的藻礁地形可減弱強浪襲擊，多孔隙的礁體可以削減波浪能量。如果我們保留這些礁，一體成型的藻礁並不會像消波塊會被大浪捲走(圖16)，不需要每年補充新的消波塊，可以省下非常多的海岸防護經費，有效的降低災害程度。所以在人類福祉提升上，還可以從藻礁的生態系服務得到生命財產安全。
圖16. 藻礁經數千年累積，一體成形，相較於人工的護岸，更加牢固。
除此之外，珊瑚礁和藻礁還有一個重要的功能，就是國防安全。雖然我們可以在潮間帶看到藻礁，然而這些生物所建造的礁體，其實絕大部分都還是生長在海面下，這些延綿到海中的暗礁，其實就是保護臺灣本島最主要的屏障。特別是桃園大潭地區是距離中國最近的海岸，如果在對岸想要攻打臺灣，他們的軍艦無法輕易的靠岸。我們可以從許多的商船經常在這片藻礁海岸擱淺的經驗得知，長久以來這片藻礁默默的守護者臺灣。
結語
臺灣的工業區、工業港到處都有，藻礁只有桃園有，桃園藻礁大潭最健康，藻礁是稀有的生態系，將要施工的觀塘工業區及工業港(第三天然氣接收站)會毀了大潭，因為突堤效應也會毀掉觀新保護區。價值來自於稀有性--獨特的藻礁地形及其生態系不可取代，在開發與保育之間，現在是決定藻礁是否留予後世臺灣人的最關鍵時刻！
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特有生物研究保育中心副研究員
劉靜榆
為大氣層體檢：福衛三號與福衛七號的觀測
照片來源：國家太空中心 NSPO
文/吳育雅
前言：準備好面對極端天氣
今(2019)年五、六⽉在台灣、⽇本等地常⾒「暴⾬狂轟猛炸」的劇烈天氣，瞬間豪⾬造 成的積⽔與交通癱瘓，⼈⼈感同⾝受。在進⼊盛暑之際更令⼈驚駭的是歐洲持續的熱浪消息，南法的加爾省(Gard)氣溫在6⽉28⽇達到攝⽒45.9度，在南歐許多地區的氣溫打破過去所有的紀錄，⾼溫也促發了對流層臭氧污染等問題，媒體標題紛紛以「地獄般」來加以形容。我們了解「熱浪」不單是出現駭⼈的⾼溫，更是⾧達數天出現⽐平均溫⾼出攝⽒五度以上的氣溫 （圖1），想像⼀下整個區域連續數天浸沒在蒸汽浴的⾼溫環境下，還真是有如地獄般的嚴酷考驗！這⼀波熱浪打破了2003年歐洲史上最熱的攝⽒44.1度的⾼溫紀錄，唯⼀可欣慰的是今年歐洲氣象中⼼（RCC-CM/WMO）在數天之前提出極端熱浪警報的預報，⽽有效防範像2003那⼀年熱浪造成15,000⼈死亡的慘劇。
圖1. 2019年6⽉25-29⽇歐洲熱浪，右側⾊標顯⽰與氣候平均值的差異，南歐⼤多數地區⽐平均溫度⾼出攝⽒5~9度。(照片來源)
觀測資料：天氣準確預報的關鍵
氣候變遷與極端天氣是⼈類不得不⾯對的挑戰，我們也越發依賴「數值預報」系統，提供我們⽣活⾏動的資訊。⽽預報天氣或氣候⼗分仰賴觀測資料，在時間上或空間上密集與精準的即時資料接收與同化，是電腦數值運算最為⾄關緊要的依據。
傳統的氣象觀測包含百葉箱、⾵向⾵速儀、⾬量筒等收集地⾯的觀測資料 ; ⾼層⼤氣的狀態則透過施放測⾵氣球及無線電探空儀，從地表每分鐘上升三、四百公尺，直到⼤約三⼗公⾥⾼。⼀⾯升空時⼀⾯將感應器偵測到的氣溫、氣壓、濕度等⼤氣資料，透過無線電發報器傳回接收站 ; 探空氣球可能被⾵吹送⽽飄離施放地點上空，因⽽從探空儀的位置也可以獲得⾵向與⾵速的資訊。
以傳統氣象觀測而言，中央氣象局有26個地⾯綜觀氣象站，⾼空氣象以花蓮和板橋兩站 為主，每⽇早、晚⼋點(國際標準時：0時與12時)各完成⼀次探空作業(圖2右上)。全球約有11,000 個主要的地⾯觀測站每三⼩時提供⼀筆新的觀測，然⽽⾼空觀測站固定每隔12⼩時提供資料的測站⼤約僅有⼀千多個(圖2)，更⼤的問題是觀測資料分布很不均勻，觀測站幾乎都設置在陸地上，且集中在已開發的國家。
圖2. 全球1,300個⼤氣探空觀測站的位置，其中三分之⼆的測站每⽇施放兩次探空氣球，⼤約100〜200個測站⼀天⼀次，有些測站在特殊天氣需要時才會實施探空作業(根據國際氣象組織/WMO 2017年11⽉資料)，測站分布位置很不均勻，特別是缺少海⾯的觀測資料。 (照片來源：左圖引⾃WMO網⾴，右上為中央氣象局網⾴。)
預報⼤氣系統的流動或預測天氣現象，需要各區域的初始觀測資料，空氣流動是沒有國界的，很多⼈知道蝴蝶效應的名⾔：「北京的蝴蝶揮⼀揮翅膀，可能造成紐約的大風雪」。在地球的所有層圈中⼤氣圈質量最小、是最靈敏的層圈，容易受到所有層圈各種因素的影響。⼤氣現象雖然由物理定律所控制，也因層層種種的影響⽽加倍複雜，⼀個地區的天氣預報必須考慮全球的⼤氣系統變化，同時需要時時根據真實的觀測資料來檢驗並修正預報。因此，盡快獲取全球的真實⼤氣資料是所有數值預報的基礎。
2006年4⽉我國福衛三號的六顆微衛星升空之後，對於收集全球⼤氣資料的能⼒⼤幅提升，每三⼩時可取得⼤氣資料切點(Ray tangent point)分布如(圖3)，平均每天可以得到兩千⾄三千點從⾼空⾄近地表⼤氣剖⾯，彌補了原本稀疏的海⾯及⾼緯度觀測地點的資料。同時由於掩星技術可以取得很⾼的精準⼤氣數據，引起全球⼤氣研究組織的重視，國際⼤氣研究的先驅紛紛來台訪視，也成功促進我們在⼤氣學界的友好外交與國際地位。福衛三號計畫是由國家太空中⼼(NSPO)與美國⼤學⼤氣研究聯盟(UCAR)共同合作，命名為「氣象、電離層及氣候觀測星系」(Costellation Observing System for Meterology , Ionoshere and Climate, COSMIC)，國際上提到這項計畫時，常以「FORMOSAT-3/COSMIC」稱之。有關這項計畫的掩星技術，雖然天⽂界早已普遍作為⾏星研究的⽅法，1995年開始應⽤到地球上的氣象觀測，⽽直到FORMOSAT-3/COSMIC⾸次進⾏涵蓋全球的⼤氣的規模密集觀測，將掩星技術提升到可應⽤在改進每⽇氣象，尤其是減少劇烈天氣災害的價值。
圖3. 福衛三號掩星技術每三⼩時可以獲得的⼤氣資料點分布(圖片來源：Cosmic.ucar.edu)
掩星技術：福衛三號與福衛七號的觀測原理
我們知道光不像聲⾳，是不會轉彎的，無線電波和光⼀樣都是電磁波，只能直線傳播。所以我們不想被⼈發現時，只要躲在物體背後就可以遮掩。應⽤掩星技術研究⼤氣，簡單地說，就是原本被遮掩的物體，理論上無法收到訊號，卻因為⼤氣使訊號折射⽽接收到了。透過地球⼤氣層可以使全球定位系統衛星(GPS)發射的無線電波產⽣折射的關係，得知⼤氣的折射率，再分析出影響折射率的⼤氣因素，即為掩星的基本原理。
全民很常⽤在導航上的全球定位GPS (GNSS)衛星，在⾼度20,200公⾥，⼤約每12⼩時繞地球⼀周。福衛三號及七號是在500-800公⾥⾼的近地軌道衛星，公轉速度要⽐GPS快些，週期⼤約將近100分鐘(圖4)。在衛星不停地環繞全球運⾏時，透過掩星關係得到電波折射⾓度，便可得知折射⾓度，再根據中學曾經學過的司乃耳定律(Snell’s Law)( 可參考高瞻自然科學教學資源平台)求折射率。
圖4. 如果沒有地球⼤氣造成電波的折射，福衛三號將因地球遮掩無法接收GPS 衛星的信號，當福衛三號收到GPS電波經⼤氣折射傳來的信號時，便可由兩者相對的位置獲得折射 ⾓，圖⽰電波通過上層⼤氣時所受的影響
如同圖5所⽰意，當衛星不斷運⾏⽽改變位置時，就會切過不同⾼度的⼤氣。假設把圖4中的上下兩層⼤氣細分為100層，即得⼤氣在100個不同⾼度的折射資訊，實際上福衛三號的近地表⼤氣⾼層解析度在每100公尺即可解算出⼀筆數據(Anthes, 2011)。我們已知改變⼤氣折射率的主要變因是氣溫、氣壓、濕度和電⼦密度(圖6下)，在電離層主要改變折射率的是電⼦密度，臭氧層則受到氣溫與氣壓影響，⽽⽔氣集中在⼤氣底部的對流層，決定對流層折射率的除了氣壓、氣溫之外，還加上⽔氣的影響。複雜的掩星演算法即是透過以上基本原理推導，最終得出⼤氣電離層的電⼦密度以及低層⼤氣的氣溫、⽔氣等分布(圖6下最右側)。
圖5. 福衛七號的週期較短，相對位置改變比GPS衛星大，當福衛七號不斷移動時，接收的信號即受不同高度的大氣層折射而來(參考NOPS網頁繪製）
圖6. 福衛三號取得⼤氣不同高度資料的⽰意。福衛三號與GPS衛星不停地在高空運⾏，兩者相對位置的改變受不同⾼度的⼤氣層折射(左上)；可讀取不同⾼度⼤氣折射率，有如洋蔥構造般（右上）⼀層層解析⼤氣的電⼦密度、氣溫、氣壓、⽔氣等影響因⼦（見圖中折射率公式）與⼤氣分層⽰意（右下），最終獲得⼤氣剖⾯不同⾼度的各項氣象因⼦（右下)
掩星技術的成功能受到重視，除了可涵蓋沒有氣象站的地點，另⼀⽅⾯由於探空儀⼤約到達30公⾥⾼空氣球就會爆破，因此僅獲得從地表⾄30公⾥⾼的⼤氣資料，⽽掩星技術可以衍算出⼤氣五、六百公⾥⾼的數據。同時探空儀由於回收困難，施放⾼空氣球⼀次需要的成本是台幣⼀萬，⽐起來使⽤期⾧達數年的衛星計畫絕對是本⼩利⼤。其實更重要的原因是福衛三號的掩星技術已證明是⽬前最精確與準確的氣溫與濕度觀測結果！
數據的準確度與精確度
福衛三號從2006年升空運轉以來，每⽇提供數千筆⼤氣剖⾯的資料，也透過國際交換成為全球⼤氣研究單位⾮常重要的資料來源，因此這⼗多年來發表的研究成果⼗分豐碩。以下稍微理解如何⽐較資料的準確度與精確度。
簡單的說準確度就像打靶要正中靶⼼，以量體重來說，在不同的體重計如果得到的重量都不⼀樣，那⼀個體重計數值⽐較準呢？通常我們會找更多不同的測量結果來進⾏⽐較，更直接的⽅式則是已知那⼀實驗室擁有最精準的測量⼯具，先去⽤它的測量結果⽐對。同樣地關於掩星技術的結果，Shu-peng Ho等⼈(2010)透過⾼準確度的探空儀感應器(Vaisala-RS92) 和五千筆福衛三號的觀測結果互相⽐較，獲得兩者的氣溫差距⼩於0.13度，不同的⽐較⽅式，也有多篇研究結果發表，也⼀致認同福衛三號的觀測資料有很接近真實⼤氣的⾼準確度。⾄於精確率是⽤來形容多次測量 結果的⼀致性，也就是測量數次都有相同的結果。這項計畫在衛星升空初期，六顆衛星在相距不遠的位置觀測，是檢驗掩星技術精確率的⼤好時 機。圖7即為福衛三號升空後第8天，⽤福衛三號模組⼀(FM-1)和模組四(FM-4)分別取得的氣溫剖⾯(⿊線，FM-1; 紅線，FM-4)，兩者⾮常相近， 再與鄰近探空儀觀測⽤內差換算相同位置的數值(AVN)進⾏⽐較也相當吻合，這些論⽂對於福衛三數據的⼀再確認，讓福衛三號的掩星法獲得響亮的「太空中最精準的溫度計」的名號！
圖7. 2006年4⽉23⽇在福衛升空第8天，由福衛模組⼀(FM-1，⿊線)福衛模組四(FM-4，紅線)取得西經95.4度、南緯20.4度上空的低層⼤氣氣溫資料，兩者⼗分⼀致，再與鄰近地區探空資料(AVN)⽐較(資料來源：引⾃R. A. Anthes ，2011)
掩星技術的數據還有其他優異的特性，例如全球覆蓋、資料的⾧期穩定性，時間與空間上的⾼解析度等。福衛三號的掩星數據除可供天氣數值預報參考的觀測值，特別是在提升颱⾵路徑預報等威脅民⽣的劇烈天氣系統有明顯的助益，同時在監視全球電離層、太空天氣與氣候變遷也有很多重⼤發現，⾧達13年的忠勤紀錄是相當寶貴的研究數據庫。在國家太空中⼼以及UCAR的網⾴可以連結眾多論⽂，有興趣的讀者可以在此讀取⾮常豐富的研究文獻。因此太空中⼼與美國的⼤氣與海洋總署(NOAA)於2010年再度簽署合作計畫，繼續發展掩星觀測的福衛七號（COSMIC-2)計畫，第⼆期接替的六顆微衛星已在台北時間2019年6⽉24⽇的下午2:30順利升空並成功通聯，取代福衛三號繼續⼤氣、氣候與電離層的精進研究。
結語
掩星技術過去在天⽂⾏星研究上有50年的歷史，直到福衛三號的發展讓⼤氣界眼睛 ⼀亮，認同這項技術可以是⼤氣觀測的利器，掩星技術才開始廣泛應⽤在⼤氣上。台灣參與這國際合作的機緣可遠溯⾄1997年5⽉的⼀場颱⾵研討會。在此之前⼀年7⽉底，台灣剛經歷賀伯颱⾵對全台的衝擊，賀伯是「西北颱」⾵⾬驚⼈，南投神⽊村出現⼤規模的⼟⽯流， 全台各地也都災情慘重。颱⾵來⾃台灣附近海域，⽋缺觀測資料使我們對颱⾵路徑難以掌 握。時任國科會副主委蔡清彥教授領隊赴美參加颱風研討會，當時在美國⼤學⼤氣研究聯盟(UCAR)的郭英華博⼠(蔡教授在台⼤任教時的學⽣)指出針對颱⾵預報迫切需要海⾯觀測，促成了UCAR 與太空中⼼的福衛三號衛星合作計畫。不過，要完成⼀項偉⼤⼯程需要的是很多英雄豪傑的合作，台灣還有在太空電離層領域的先驅劉兆漢院⼠和李羅權院⼠，他們的前瞻願景是建⽴台灣的衛星能⼒，並做出對⼈類有貢獻的科學研究，以這樣的遠⾒共同合作引領了這項創新研究的科學任務規劃，因此UCAR的董事 Robert Anthes教授在發表COSMIC成果時感受深刻地說：「創新、毅⼒、⽇以繼夜努⼒，更因領袖⼈物之間的信賴， 是這項新的技術成功的關鍵！」。這些科學前輩們從規劃、設計到執⾏計畫歷經20年的認真⼯作堅持創新和合作無間，實在是值得青年學⼦了解的典範！
圖8. 1997 年的颱風研討會中決定了後續的福衛三號計畫(FORMOSAT-3/ COSMIC)，發展這項計畫關鍵的與會領袖：R. Anthes (左2) 、蔡清彥教授(左3)、劉兆漢院士 (左6)、李羅權院⼠ (左8)等(資料來源：Anthes，2016)
參考資料及相關網頁
高空氣象觀測：中央氣象局網⾴
國際氣象組織
太空中心網頁
UCAR網頁
World Meteorological Organization (WMO)
R. A. Anthes (2011) Exploring Earth’s atmosphere with radio occultation: contributions to weather, climate and space weather, Atmos. Meas. Tech., 4, 1077–1103, 2011.
R. A. Anthes (2016) FORMOSAT-3/ COSMIC, 20 years of History,Third International Conference on GPS
Radio Occultation Taipei. 9-11, March 2016.
臺大師資培育中心兼任專技助理教授
吳育雅