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【Gene思書齋】重溫經典的科普好書──讀《混沌:不測風雲的背後》

Gene Ng_96
・2016/08/07 ・3114字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

1993 年科幻經典電影《侏羅紀公園》(Jurassic Park)爆紅,炒熱了許多科學話題,例如基因工程、恐龍 DNA 的取得,還有暴龍的奔跑速度、以及恐龍是否為恆溫動物和有視覺行為等等。片中雖然只是簡單一提,卻已引起世人矚目的是,黑衣神經質數學家所解說的「蝴蝶效應」,說什麼一隻蝴蝶在北京拍動翅膀,可能在地球另一端的紐約掀起風暴。

這就是混沌理論的蝴蝶效應,指在一個動態系統中,初始條件下微小的變化能帶動整個系統的長期的巨大的連鎖反應。後來在 2004 年上映的一部科幻電影就是《蝴蝶效應》(The Butterfly Effect),影片裡原先看似無關緊要的小變化,到最後可能會導致起初無法預期的後果。

要知道混沌理論是啥咪碗糕嗎?《混沌:不測風雲的背後》Chaos: Making a New Science)是本必讀經典好書。《混沌》是天下文化的第一本科普書,也是台灣第一本科普暢銷書。這本好書開啟了科學人文系列科普的的濫觴,間接造就了科普書的黃金時代。

《混沌》的原文版在 1987 年出版,四年後臺灣出版了繁體中文版,今年再出第三版,轉眼就過了 25 年,我也從高中生歷經大學生、研究生、博士後到新進助理教授。雖然在這廿幾年來,混沌理論有了新發展,可是這本 25 年前出版的《混沌》,迄今仍是理解這門學問的誕生不可式缺的必讀讀物,是歷久不衰的經典。

雖然已經過了廿幾年了,我還忘不了當初在馬來西亞,一個高中生在書展中邂逅這本書的感動。在馬來西亞的一個小鎮,沒有像樣的書店,我們只有在中華商會辦的小書展中,才偶爾能找到新出版的好書。想當年,我們在馬來西亞吃頓飯,只要台幣十幾塊,一本台灣出版的新書,要我們至少廿幾頓飯的飯錢(想像一下要一個台灣高中生花一千多塊錢買本科普書吧)。

 

記得當年在峇株巴轄的中華商會的小書展,展出了天下文化科學人文的其他書籍,我幾乎放學有空就去逛。逛了幾次,存夠了錢想買本書,也只買得起一本,那就是《混沌》了。後來還是有空就去書展,天天翻其他書,可是翻來翻去,還是買不起其他書了。《混沌》是我第一本科普書,有陣子也是唯一一本吧。

一個高中生,怎麼可能懂得和混沌理論有關的高深數學?更何況我的數學還不太好,一個馬來西亞小鎮成績不太好的高中生,能有多少科學素養?

然而,《混沌》這本書,最神奇之處就在於,作者葛雷易克(James Gleick)的寫作功力實在太深厚了,《混沌》就是讓我看得津津有味。我很慶幸,第一本讀的科普書是《混沌》,讓我對科學的世界,嚮往得不得了,所以願意歷經艱辛投身科學事業。

過了十幾年,我終於到了美國深造,在唸博士班時,在狀況外就選修了門「族群生物的數學模式」課,一開始就被微分方程等嚇到了,撐到學期中,老師連混沌方程式都端上來了,當時才知道混沌理論在生態學上有廣泛的應用。簡單來說,許多生物族群在數量上的變動,有些條件些微的改變,會造成很巨大的不同結果,也是典型的非線性系統。

《混沌》這本好書,裡頭並沒有太多嚇人的數學方程式,在飛機上讀,不會像賓州大學經濟學教授因為在機上寫微積分,被乘客誤認為那些難以辨認的文字是恐怖活動暗號,被安檢人員約談而導致班機延誤。因為書中沒有多少奇怪的數學符號,不過倒是有很多碎形幾何的有趣圖案,如果那也能被誤認,那就乖乖上報宣傳一下《混沌》這本開啟科普書黃金時代的好書吧。

《混沌》主要要談的,其實是一群科學家的故事。

這群科學家,大多深居簡出,埋首在實驗室裡進行研究,意外發現了許多非線性系統的現象。在典範轉移前,他們的發現未必被科學社群認可,有些甚至被誤認為異端邪說。例如最早期在應用計算機時,非線性系統中初始條件微小的改變造成很不一樣的結果,大部分科學家都可能認為是程式有誤吧,只有少數敏銳的科學家鍥而不捨、排除萬難地對異例追根究底,才發現混沌的有趣世界,然後才產生了典範轉移,改變了我們對世界的認識。

天有不測風雲,難道預測天氣比把人送上月球難嗎?

過去科學家一直以為只要收集到了足夠多的數據,就能精準地預測,可是混沌理論讓我們瞭解到原來參數的微小差異,就有天翻地覆的結果。除了大氣科學,混沌理論也廣泛地應用在許多自然學科中,包括數學、生物學、資訊科學、經濟學、工程學、金融學、哲學、物理學、政治學、人口學、心理學和機器人學等等。

除了著名的蝴蝶效應,混沌理論中,另一個能讓門外漢著迷的是,《混沌》書中彩頁的曼德博集合。那是一門所謂的「碎形幾何」,其定義是:「一個粗糙或零碎的幾何形狀,可以分成數個部分,且每一部分都(至少近似地)是整體縮小後的形狀」,看起來很抽象吧?簡單來說,就是自然界中,有些東西有精巧的形狀,可是仔細瞧瞧,那些形狀是一直重複的,例如雪花。

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曼德博集合是碎形中的一個很有名的例子。圖/wikimedia commons.

「碎形幾何」革命性地讓我們對許多生物現象有了進一步的理解,例如蕨類植物的葉子,還有我們身體裡的血管、神經、氣管、腎小管等等的構造,都有其「碎形幾何」的道理在。

我的一項主要研究工作,是探討羽毛多樣性的遺傳基礎,羽毛也是個碎形構造,有羽軸加羽支,羽支和小羽支又重複相似結構,小羽毛和羽小鉤又再重複。血管、神經、氣管、腎小管、羽毛的碎形構造,讓有限的基因就能控制這些器官複雜的網路,計多基因也可以一再被用在構建不同器官上。

「碎形幾何」除了重複性,還有其他有趣現象,例如維度可以非正數,還可以有分數,例如 1.2618 等等,創造「碎形」一詞的數學家本華.曼德博(Benoît B. Mandelbrot, 1924-2010)在 1967 年的經典論文〈英國的海岸線有多長?〉現在還有人提出來讓學生思考討論。

混沌理論當然不只是有蝴蝶效應和碎形幾何,還有許許多多有趣的現象和模型。《混沌》把混沌理論的發展過程,用很平易近人的方式為大眾述說。據說有些非理工科系出身的朋友,對科學發展過程的認識就是來自這本《混沌》

如果你當年跟我一樣拜讀過《混沌》,現在是個好時機再拜讀一次,重溫多年前神遊探索科學新邊疆的熱情,如果你沒有讀過《混沌》,也還是歡迎來讀這本經典,體驗科學家探索未知世界的樂趣。

本文原刊登於故事「說書 Speaking Of Books」

文章難易度
Gene Ng_96
295 篇文章 ・ 25 位粉絲
來自馬來西亞,畢業於台灣國立清華大學生命科學系學士暨碩士班,以及美國加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)遺傳學博士班,從事果蠅演化遺傳學研究。曾於台灣中央研究院生物多樣性研究中心擔任博士後研究員,現任教於國立清華大學分子與細胞生物學研究所,從事鳥類的演化遺傳學、基因體學及演化發育生物學研究。過去曾長期擔任中文科學新聞網站「科景」(Sciscape.org)總編輯,現任台大科教中心CASE特約寫手Readmoo部落格【GENE思書軒】關鍵評論網專欄作家;個人部落格:The Sky of Gene;臉書粉絲頁:GENE思書齋

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怪獸襲來!為什麼會有哥吉拉形狀的雲朵?:千變萬化的流體(三)
ntucase_96
・2021/12/11 ・2345字 ・閱讀時間約 4 分鐘

  • 作者/劉詠鯤

本文轉載自 CASE 報科學 《千變萬化的流體(三):哥吉拉雲—流體的不穩定性

海岸邊的雲層上緣,出現一隻隻如同哥吉拉形狀的雲;原子彈投下後,劇烈爆炸引起的蕈狀雲;土星大氣層內形狀獨特的雲帶……等。這些看似毫無相關的現象,背後其實成因都可以歸納為:流體中的不穩定性。

2020 年在青森縣的海邊,有網友分享了一張雲朵彷彿在進行「哥吉拉大遊行」的照片(圖一左上);也有飛行員在雲層上分享過類似的照片(圖一右上);除此之外,天文學家在土星的大氣層也觀察到相似形狀的雲層(圖一下)。這些「哥吉拉」的行動力竟然如此之高,不只在地球上出現,連土星上都有。這是否暗示它們背後其實具有相同的形成機制呢?

圖一左上:海岸邊的哥吉拉雲,圖/大間觀光土產中心推特
圖一 右上:飛行員在雲層上看到的哥吉拉雲,圖/世界氣象組織(WMO)推特
圖一下:土星大氣層內的雲帶照片。圖/NASA

在<千變萬化的流體(一)>一文中,我們介紹了流體流動的狀態主要可以分成兩種:層流與紊流。層流狀態的流體十分穩定,它可以被視為一層一層獨立的流動來討論;相對的,紊流如同它的名字所表示,流體內部的流動較為混亂,不同層之間的流體會互相混合、影響。而決定是層流還是紊流的關鍵因素便是「不穩定性」[1]

在描述天氣系統為甚麼難以預測時,常常會提到「蝴蝶效應」這個小故事:位在大西洋的颶風,其成因可能只是在亞馬遜森林裡面一隻蝴蝶煽動了翅膀,這個初始的小擾動,隨著時間演變,最終形成尺度龐大的結構。不穩定性在流體中扮演的角色也十分相似。起初流體內部隨機的產生十分微小的擾動,若整個流體的不穩定性足夠大,微小的擾動便有機會繼續成長,直到對整個流體都造成影響。流體中具有各式各樣的不穩定性,在本篇文章中,我們將會介紹與哥吉拉雲還有蕈狀雲有關的兩種不穩定性:克耳文-亥姆霍茲不穩定性以及瑞利-泰勒不穩定性。

克耳文-亥姆霍茲不穩定性:哥吉拉雲

這個不穩定性得名於兩位對此現象進行研究的物理學家:發明絕對溫標的克耳文爵士,以及對聲學共振系統做出系統性研究的亥姆霍茲(在<香檳聲音哪裡來?>一文中,他曾經登場過)。這個不穩定性發生的條件是:兩層流體之間具有相對速度。

請搭配圖二,讓我們一起來理解這個不穩定性是如何產生哥吉拉雲的。假設有兩層流體,分別向左與向右運動。當它們彼此完美平行時,一切無事,如圖二(a)。但這個狀態其實並不穩定,任何的擾動,都可能會破壞這個完美狀態。例如,流體中形成了如圖二(b)的擾動,接下來流體的運動會如何變化呢?

對於淺藍流體來說,A 點的體積較原本略小,因此流動速度較大,如同澆花時,將水管捏住(管徑縮小),水可以噴得更遠。此外,流速較快也會使得 A 點的壓力減小;但對於紅色流體來說,A 點的壓力反而會增大。如此會導致流體內部的壓力分佈形成圖二(c)。兩種流體之間的壓力差,會進一步使擾動長大,如圖二(d)。最後,由於流體本身橫向的速度,使擾動在橫向上出現變形,如圖二(e)。如此一來,哥吉拉形狀是不是就出現了呢?

圖二:克耳文-亥姆霍茲不穩定性形成示意圖。圖/CASE 報科學

瑞利-泰勒不穩定性:核爆蘑菇雲

接下來,讓我們來看另一種在生活中沒那麼常見,但是看過就很難忘記的不穩定性現象:核爆產生的蘑菇雲。這種現象的成因,是來自於瑞利-泰勒不穩定性,它會發生於密度較大的流體壓在密度小的流體之上時。核彈爆發會在極短時間內釋放出極大熱量,將爆炸中心的空氣瞬間加溫。我們知道,氣體的溫度越高,密度越低,因此在爆炸中心,會瞬間形成大量的低密度空氣。

讓我們用簡單的模型來看看,這種不穩定性是如何造成蘑菇雲的。圖三(a)中有兩種流體,密度較高的在上,此時整個流體系統處於不穩定態,只要有一點擾動 ,如圖三(b) ,不穩定性就會使擾動擴大。由於密度差異,重力使得密度小的流體上升,密度大的下降,使不穩定度振幅逐漸增大。此外,由於壓力差與密度差的方向並不平行,會導致流體的邊界形成渦旋,如圖三(c)。以上這些效應疊加在一起後[2],流體邊界處便會逐漸形成如蘑菇狀的特徵,如圖三(d)。

圖三:瑞利-泰勒不穩定性示意圖。圖/CASE 報科學

以上兩種流體不穩定性,其實在我們生活中也存在,例如:點燃的線香。由於線香燃燒處的溫度上升,空氣密度下降,此時就滿足瑞利-泰勒不穩定性的條件;當熱空氣上升時,和兩側靜止的空氣有一相對速度,也滿足了克爾文-亥姆霍茲不穩定性條件。只是由於規模較小,發生速度較快,肉眼未必可以清楚的看到如前文中提到的明顯特徵。儘管如此,各位讀者在了解這些不穩定性之後,若是試著觀察看看生活中的各種流體,也許也能找到隱藏起來的「蕈狀雲」喔!

註解

[1] 更詳盡的說明可以參考 CASE<上下顛倒漂浮船>一文
[2] 實際上,形成蘑菇狀構造還與流體在三維條件下的非線性效應有關,數學模型較為複雜,此處只是簡單概述其成因。

參考資料

  1. Kelvin–Helmholtz instability
  2. Rayleigh–Taylor instability
  3. “Single mode hydrodynamic instabilities” draft from Hideaki Takabe.
ntucase_96
30 篇文章 ・ 1054 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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尋龍記:關於暴龍的起源與身世之謎
江松樺
・2017/11/14 ・3581字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

說到恐龍,沒有人不認識霸王龍(Tyrannosaurus)。說起這種體型長達 13 公尺,重約 6 公噸的大型肉食性恐龍,大家免不了會想起牠在電影《侏羅紀公園》(Jurassic Park)仰天咆嘯的生猛形象!

《侏羅紀公園》(Jurassic Park)中的霸王龍。source:IMDb

雖然這麼說總免不了有些陳腔濫調,但霸王龍迄今仍是我最喜歡的一種恐龍;著名的演化生物學家古爾德(Stephen Jay Gould)在五歲時在博物館中看見了裝架好的霸王龍骨架,事後回憶道:「我從沒見過如此令人驚嘆的事物!」進而開啟了他的職業生涯。可見霸王龍是多麼深入人心,並且成為了某種不容抹滅的文化標誌!

演化生物學家古爾德(Stephen Jay Gould)。source:dimland.blogspot.tw

在學術圈內,霸王龍同時也是被研究的最透徹的物種之一。目前已被發現並確認為屬於霸王龍的標本總數超過 30 件,當中還包含了許多近乎完整的化石標本,從幼年至成年一併俱全;科學家甚至還從中找到了軟組織與血紅細胞!很難想像至今我們對於這種已經滅絕了 6600 百萬年的恐龍的瞭解甚至遠比許多現存的動物高出許多。

你幾乎找不到任何一種肉食性恐龍的標本能夠像霸王龍一樣齊全。更令人振奮的是,過去這 17 年來,科學家所發現的暴龍種類遠比過去一百年前還要來的多,這使得現在我們幾乎可以完整地描繪出霸王龍及其所屬的暴龍超科(Tyrannosauroidea)家族之間演化樹的輪廓,讓牠們得以成為肉食性恐龍當中研究演化的最佳教材。接下來,就讓我們回到一切故事的原點,一起來窺探從荒煙蔓草中發掘霸王龍的歷程!

尋龍高手

亨利‧菲爾費德‧奧斯本(Henry Fairfield Osborn, 1857-1935)。圖/American Museum of Natural History.

說起霸王龍的故事,總是免不了要提起一號人物,那就是亨利‧菲爾費德‧奧斯本(Henry Fairfield Osborn)。他的來歷非同小可,不同於我們大多數人熟悉的科學家,整天埋首研究、經費與教學,還得整天掛心覺得自己像個魯蛇;奧斯本完全是天生的人生勝利組,他有個做為鐵路大亨的父親,大學就讀於名校,並師承於另一位當時知名的古生物學家科普(Edward Drinker Cope)。之後又順利地成為美國紐約自然史博物館(American Museum of Natural History, AMNH)的館長,而且這一當就是整整 25 年。

「骨頭先生」巴納姆‧布朗(Barnum Brown, 1873-1963)。他滑稽的名字取自一位當時知名的馬戲團經紀人—P.T.巴納姆(P.T. Barnum)。圖/American Museum of Natural History.

在奧斯本時任館長期間,他為博物館的館藏做出了極大的貢獻,並使得美國自然史博物館擁有了世界頂尖的古脊椎動物標本典藏。此外,當時頗具盛名的奧斯本還曾經登上過《時代雜誌》(TIME)的封面人物,即使是在今日,能夠獲得這項殊榮的科學家並不常見,可想見他當時在一般群眾間的聲望之高。不過,就像當時許多上層出身的白人富家子弟一般,奧斯本是個不折不扣的種族主義者、白種人至上優越論者。為了證明他所主張的意識形態,他甚至不惜花費大筆的金錢,多次派遣遠征隊深入中亞,試圖推翻人類起源於非洲的證據。

當然奧斯本並不是每次都有參與每一項野外的採集任務,在 20 世紀初,奧斯本雇用了許多探險家在北美的大西部採集化石,其中最具盛名的莫過於「骨頭先生」(Mr.Bones)——巴納姆‧布朗(Barnum Brown)。

巴納姆‧布朗也是一號奇怪的神祕人物,他經常在盛夏的懷俄明與亞伯達省的荒地中穿著一件厚重的獸皮大衣,同時也在兩次世界大戰中從事諜報工作。除了協助博物館採集化石之外,他也受雇於石油公司,經常過著白天採集化石、夜晚破壞敵對公司的油井與竊取商業機密的日子。就在 1902 年,由他親自帶領的探險隊從蒙大拿州的地獄溪組(Hell Creek Formation)找到了他有史以來最著名的發現,而這項發現即將撼動世人的目光!

在盛夏的荒地中穿著獸皮大衣搜索化石的巴納姆‧布朗。圖/American Museum of Natural History.

帝王現身

從蒙大拿州道生郡(Dawson County)發現的化石是一具包含了部分頭骨的破碎骨骼,布朗在發現了這些化石以後花了三年的時間將其掘出並送至美國自然史博物館。

繪製於 1906 年的霸王龍骨骼復原圖,其中未發現的部分是以異特龍作為復原的依據。圖/Osborn H. F. (1906).

根據少量的骨骼,奧斯本辨識出這些骨骼來自於一種肉食性恐龍。由於許多的部分仍未清理準備完成,所以奧斯本只能透過有限的素材來描述這種恐龍。他辨識出這種動物有根粗壯而強健的肱骨、恥骨末端有明顯增大,由於這些骨骼是如此的巨大,以至於他很快地意識到他正面對著一件前所未有的發現。奧斯本在其文描述道:

『我提議將這種動物列為一個新的屬:霸王龍屬(Tyrannosaurus)。藉此描述這種體型遠超越迄今任何已知之陸棲肉食動物。』

除了霸王龍之外,他還在文中簡短地描述了另一段出土於懷俄明州的下顎骨,這段下顎骨相較於另一種肉食性恐龍—異特龍(Allosaurus)有著較少的牙齒,但形狀相當的粗厚且肥大,奧斯本同樣給的這件標本一個相當浮誇的名字—強健蠻橫龍(Dynamosaurus imperiosus)。

起初被命名為強健蠻橫龍(Dynamosaurus imperiosus)的一段下顎骨,奧斯本在隔年確認這件標本與霸王龍屬於同一個物種。圖/ Osborn H. F. (1905).

隨著更多清理好的骨骼,奧斯本在隔年瞭解到這兩種大型的肉食恐龍其實是同樣一種動物,由於在文章中第一個首先出現的名稱具有優先權,所以雷克斯霸王龍(Tyrannosaurus rex)這個響亮的名稱被保留了下來,並沿用至今。透過這些更新的素材,奧斯本根據異特龍等大型的肉食性恐龍重建出霸王龍大致上的輪廓—一隻直立起來將近 6 公尺高、有著比異特龍更寬闊的頭骨,此外還有更為強健而粗曠的脖子與軀幹。

電影《金剛》(King Kong)中與巨型猩猩角力的霸王龍。圖/Radio Pictures.

毫無疑問的,霸王龍是爬蟲類統治大地時期君臨天下的萬王之王。而在當時,霸王龍的發現確實造成了大眾的轟動,群眾們爭相到博物館一睹牠的身影,而霸王龍也躍上了劇場的舞台出現在各種大眾通俗作品之中,甚至還在電影《金剛》(King Kong)與幻想中的巨大猩猩角力。

身世之謎?

霸王龍生存於白堊紀末期的馬斯垂克階(Maastrichtian),距今約 6800 至 6600 萬年前,牠們是生存在地球上最後的非鳥類恐龍,牠們同時很可能是白堊紀滅絕事件小行星撞擊地球的直接受害者。你可能很難想像在時間序列上,人類與霸王龍的距離、比起與侏儸紀晚期相距了近一億年的異特龍更為接近。牠們就像是恐龍王朝的末代皇帝,但是在整個 20 世紀,我們對霸王龍的了解卻相當受限。

在亞洲體型和身體特徵都近似於霸王龍的近親—勇士特暴龍(Tarbosaurus bataar)。圖/Sung-hua Chiang.

除了霸王龍以外,奧斯本還描述了另一種年代稍早的大型肉食性恐龍—肉食艾伯塔龍(Albertosaurus sarcophagus)。數年之後,加拿大的古生物學家們描述了另一種霸王龍的近親—平衡蛇髮女怪龍(Gorgosaurus libratus),而在這次的發現中,科學家們首次發現了暴龍家族完整的前肢化石—一對短小纖細,以及只有兩指帶有功能的手指。在 1950 年代間,甚至連蘇聯的古生物學家也在蒙古及中國找到了體型幾乎與霸王龍一樣巨大的勇士特暴龍(Tarbosaurus bataar)。隨後科學家又從北美洲暴龍類的化石中辨識出了懼龍(Daspletosaurus)這個新的屬。

體型巨大的霸王龍一直以來被認為是大型獸腳類恐龍當中的異類,以至於整整一個世紀當中,科學家完全無法為牠在演化樹上找到適當的位置。圖/Lu Feng Shan.

上述所有的恐龍都有幾個共通點,牠們的體型都很巨大,是生態系裡的頂級掠食者。生存年代的範圍也都很接近,差不多都是白堊紀末期的坎帕階(Campanian)到馬斯垂克階。此外,牠們都生存於北方的亞洲和北美洲大陸上。而這些幾乎也代表了在霸王龍被發現的一個世紀裡面我們對暴龍這個類群的了解,牠們與其他獸腳類恐龍是如此的不同,以至於沒有人知道牠們應該被放在演化樹的哪個位置上。

一直要到本世紀之初,我們才從岩層中找到了新的曙光!整個故事需要重新寫過,暴龍家族演化的故事接下來才正式揭開了他的扉頁……

要多注意我的故事啊!霸王龍骨骼標本。source:maxpixel

參考資料

  1. Osborn, H. F. (1905). “Tyrannosaurus and other Cretaceous carnivorous dinosaurs”. Bulletin of the AMNH. New York City: American Museum of Natural History. 21 (14): 259–265. hdl:2246/1464. Retrieved October 6, 2008.
  2. Osborn, Henry Fairfield; Brown, Barnum (1906). “Tyrannosaurus, Upper Cretaceous carnivorous dinosaur”. Bulletin of the AMNH. New York City: American Museum of Natural History. 22 (16): 281–296. hdl:2246/1473. Retrieved October 6, 2008.
  3. Osborn, H. F. (1917). “Skeletal adaptations of Ornitholestes, Struthiomimus, Tyrannosaurus”. Bulletin of the American Museum of Natural History. New York City: American Museum of Natural History. 35 (43): 733–771. hdl:2246/1334. Retrieved October 8, 2008.
  4. Lambe, Lawrence M. (1914). “On the fore-limb of a carnivorous dinosaur from the Belly River Formation of Alberta, and a new genus of Ceratopsia from the same horizon, with remarks on the integument of some Cretaceous herbivorous dinosaurs”. Ottawa Naturalist. 27: 129–135.
  5. Lambe, Lawrence M. (1914). “On a new genus and species of carnivorous dinosaur from the Belly River Formation of Alberta, with a description of Stephanosaurus marginatus from the same horizon”. Ottawa Naturalist. 28: 13–20.
  6. Matthew, W. D.; Brown, B. The family Deinodontidae, with notice of a new genus from the Cretaceous of Alberta. Bulletin of the American Museum of Natural History. 1922, 46: 367–385.
  7. Matthew, William D.; Brown, Barnum (1923). “Preliminary notices of skeletons and skulls of Deinodontidae from the Cretaceous of Alberta”. American Museum Novitates. 89: 1–9

本文轉載自作者部落格:PREHISTORIC BEASTS ,歡迎追蹤作者粉絲頁:遠古巨獸與他們的傳奇

江松樺
22 篇文章 ・ 4 位粉絲
恐龍愛好者,粉絲團《遠古巨獸與他們的傳奇》作者。致力於將最新的脊椎古生物學與化石生物學新知帶進華文世界,藉此讓大家認識這些遠古巨獸最真實的面貌。

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比較完誰的天氣預報準,然後呢?
阿樹_96
・2016/03/28 ・4894字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

文長,非常長,但希望藉此文能更簡單、更清楚的說明天氣預報的難處、如何去看天氣預報的不準確,才是對預報的應用更重要的。

我們先看一下3/21氣象局和日本氣象協會的一周預報:

cwb0325_1100
tenki_0321_1700

再看3/25的預報結果,日本氣象協會的預報(溫度部分日本有明顯修正,降雨方面是兩邊都有修正調整):

cwb_0321_1700

tenki0325_0500

這次中央氣象局預報比日本準了,但其實……

當不夠理解氣象預報時,比較是沒意義的

接著在心情不好、天氣不好又遇到報不準的時候,就會罵氣象局。

「為什麼氣象局總是報不準?」「不是說會下雨嗎?怎麼只下兩滴就沒了?」「我乾脆看日本的預報好了!」「氣象預報本來就該準不是嗎?不準怎麼不會檢討?」

無論今年一月、三月氣象局與日本氣象協會針對寒流與冷氣團預報結果的落差,或是三月時氣象局幾次對鋒面降雨時間判斷的誤差。從媒體打臉來打臉去的渲染,以及網路上的輿論,我特別注意到了兩個常見的氣象預報迷思:

  1. 對氣象預報原理誤解進而提出不合理的批判(多數是認為「準是應該的」)。
  2. 資訊不對稱,或許是對氣象預報知識的不足,使得報導或是許多民眾只能聚焦在媒體、網路、氣象局之間的口水戰。

其實,只要再深再細一點的探討分析,再加入一點氣象知識,即使不具備氣象專業背景,多少也能看出以下的盲點:

不準是什麼意思?

不準的定義是指前一天的預報還是一週的預報,就算拿前一天預報來說好了,一年 365 天中,有幾天有預報成功有幾天失準?然後一年幾天失以上準叫做預報很糟?還是就不管反正遇到幾次不準就是不準?這樣的話我倒覺得這比較像是「認知偏誤」。

氣象科學是門複雜的應用科學

在不理解數值如何產生的情況下,拿不同預報的結果來直接比較,沒有什麼科學意義,真的要認真比較的話,起碼要像上面說的要每一天、針對特定結果如溫度之類的做統計比較,但這實在對於預報本身沒什麼幫助,因為數值預報除了統計還得考量學理,而大氣科學是門不太容易研究的應用科學(結合物理、化學、流體等知識)。

百分之分準「甘有可能」?

如果你只能接受「只要告訴我,下雨或不下雨、冷還熱,不要說什麼 40% 降雨機率、最高最低溫……」的話,我想觀落陰比較快?不是啦,我指的是若只能接受百分之百準的預報,未免太強人所難了。

如果你願意繼續看下去,那我就來細說國高中不教、主流媒體少講、人們不常聽到的「關於天氣預報」!

沒有百分之百準的氣象預報

過去有好幾篇在不同平台的專業解說文章[註1],這些文章的共通點就是在說明氣象預報為什麼不準?不過我想,既然是會覺得氣象局的預報總是失準的人,或許也會認為,每當預報發生失準時,氣象預報人員總是會拿勞侖茲的「蝴蝶效應」來作為塘塞之詞。

但對於從觀測數據到預測未來而言,「差之毫釐,失之千里」或許是最氣象預報而言簡單而貼切的說法。或許子彈剛發射出去僅僅差不到1 mm的誤差,到了數百公尺外,就會放大到數十倍以上的誤差,對於所謂的一週預報來說,七天後的預報,不準其實是正常的。

舉個例子,2015 年國研院颱洪中心也發布了下方這張圖,說明模式預報的不確定性,同一颱風會有可能會導致截然不同的路徑結果。圖中三角形點是指 8/21 的颱風位置,編號 1 為 8/11 日的預測結果、2 為 8/12 的結果……以此類推,所以 10 天內的預測,每天都修正超多,代表著超級不確定性。

圖片來源:國研院颱洪中心臉書
圖/國研院颱洪中心臉書

「氣象存在著渾沌(Chaos)的特性」是一個必須要強力宣導的概念,因為在勞侖茲發現大氣渾沌特性之前,大家都認為我們靠著學理和統計,就可以很準確的預測天氣,只要電腦運算速度提升,人人都能成為氣象專家;只是實際上就連千分之一的誤差,都會讓計算結果截然不同。附帶一個複擺的實驗,它是很容易說明渾沌現象的實驗,即使初始值十分接近,但只要有一絲絲誤差就會讓結果差很遠,

 既然無法完全準,那幹嘛預測?幹嘛花錢買超級電腦?

那「為什麼只有百分之百準確度才有意義呢?」我們來看看103年國中會考的第一題:

會考

這題降雨機率,根據政府資料開放平台的數據,這題有 8 成 6 答對率,是整本答對人數最多的一題。基本上你看到降雨機率 30% 和 70% 時會做的防雨準備就該不一樣了,甚至取決於你要求做什麼事能接受的「風險」,譬如假如有30%會下雨,雖然機率不高但仍可能降雨,活動能辦是能辦,但沒必要不做雨備跟老天賭不是嗎?

接下來我們談這類的「降雨機率」或是「數值預報」是怎麼來的,它包括統計(就是過去相同數據和天氣模式下有沒有降雨的紀錄)、分析(利用更多數據去建構未來天氣變化可能性的模擬)、研判(專業人員從學理上來判斷)的綜合結果。

超級電腦的用途就是在統計與分析時,能處理更多數據的能力。超級電腦只能讓我們運算時能以更複雜、細微的模型去了解未來的不同可能性,讓我們的預測盡可能的「接近」真實結果,然而再怎麼樣都只是「接近值」,由於大氣的渾沌特性,要做到百分之百的預測是完全不可能的。 

但「盡可能的縮小誤差」、「盡可能的提供信賴度高」的預報,一直都是各氣象單位的目的,《祛除氣象預報的迷思》一文就在強調這點,速度快 100 倍的電腦並不會準 100 倍,而是讓我們會有更多可以互相佐證的數據。當然電腦快有好處,只是很難量化,也很難說清楚而已。

為什麼日本美國都會預測的比較準?因為錢多還是科技高嗎?

錢多是事實,台灣颱風論壇的賴重祐先生就撰文比較過台日的氣象預算差異,或許從預算除以國土面積會覺得台灣拿這樣的錢應該也要做出一樣或更好的水準,但我必須要說,可能我們需要預報的國土面積小,但大氣可不是像一堵牆一樣有邊界的,你跨出島外或是幾海浬外就一定不受島內天氣影響嗎?沒人敢說,在進行長期預報時,必須針對大範圍尺度的大氣運動進行計算分析,要算台灣未來一週的天氣也需要中國大陸、日本的資料,需要更大範圍的衛星雲圖,難度可不會因為你只要預報台灣就少很多,這時再來看預算和擁有衛星數量,還會覺得氣象局錢領多不做事我也沒辦法說什麼了…

所以氣象局報不準就可以裝死嗎?氣象法是要讓氣象預報變一言堂?

這也是我常看到的問題,報不準當然不能裝死,但就像我前面提到的,「如何定義什麼叫報不準」其實沒有具體的說法,而在天氣多變的情況下,你要氣象局「統計自己的預報失準率」,無疑是要斷死自己的後路,因為不準的原因可能有:

  • 某些季節如春季,氣候多變化本來就超難預測。
  • 特殊很少發生的極端氣候事件。
  • 預報員經驗不足。
  • 對於數據解讀太過保守(高估災害事件、低估一般事件)。
  • 其它人為失誤。

問題就在於要把上述原因整合統計資料,如果把原因歸納在前兩項,要怎麼說服立委諸公、一般大眾,在不懂的人看來你用前兩個當結論就是在黑箱啊!然後我們又能容許多少極限的失誤,以目前公務體系的規範下,要執行這樣的天氣預報成效統計,只會讓更多研究或預報人員花更多時間寫報告而不做自己該做的專業事情。

我的看法是,最好還是多加宣導某些天氣情況難以預測、逐時預報的好處,或是逐步引入國外加上「信賴度」表示的方式說明預報的結果誤差範圍。像是要告訴大家春季多變化就可以利用不同季節預報準確度的數據給民眾參考,這樣會比較有實質意義。以日本氣象廳而言,就經常能看到以下的情況,一週預報信賴度由 A~C 等級,即使是七天後的日子,如果是 A 等級的準確率,就可以把那個結果當成是前一天的預報也無妨,如果是 C 等級,那代表著就是還有一定的誤差存在。如果有這樣的資訊,或許就能告訴大家,其實要在這天考量天氣情況時要特別注意不確定性的風險,當然,要落實這樣的預報也要有一定程度的宣導才有效果。

圖片截自日本氣象廳官網
圖片截自日本氣象廳官網

至於氣象法,蠻常聽到有人靠邀說這個是只準州官放火的法令。但在104年有修正過放寬法令,讓民間單位(如天氣風險管理公司)也有適度預報的權限,只是需要「獲得許可」與「證照」,在台灣像是天氣風險與管理公司就有許多取得證照許可的預報人員,我想氣象法的用意並不是讓氣象預報變成一言堂,只是希望預報氣象這件事能夠回歸專業,並避免過度詮釋氣象預報資訊造成民眾恐慌,要是希望一言堂的話那也不會再修法調整了。當然氣象法還有一些執行上可能會出現的 bug,但這不在本文想討論的範圍,就暫時先跳過了。

至於國外的預報呢?氣象法當然管不到那個地方,只是你要是硬要把國外預報的結果拿來跟國內的比,還要比較準度,似乎有點立足點不公平。外國單位預報台灣的氣象是給他們自己看的,用的資料也不會比我們多,計算的模式也不同,是要怎麼比?

談完氣象預報的部分,再來談談媒體角色

從科學傳播的角度來看,氣象預報與民眾的距離就是一種典型的「資訊不對稱」,除了預報結果的資訊,也包括了背景知識的資訊。有些科學記者可以理解氣象預報的極限以及預報結果的不確定性,但也有許多是站在以為自己理解,卻是一知半解的角度看這件事,甚至我也有看到「既然是公務機關,報準,應該;不準,納稅義務人抱怨很正常。」言論,很正常不代表很合理,因為本來就沒有百分百準。媒體引用網路上的資訊與留言報導,看似在發揮監督政府的力量,但卻在背景知識不足的情況下對政府先提出質疑,其實除非從教育大眾的角度出發,否則還真難回答啊!

而另外也聽到一些聲音,認為官僚與機關文化導致預報員會過度保守而忽視科學結果,我覺得僅僅對了一半。為什麼?因為人家要對上級負責、對立院負責的情況下,實務經驗的確會佔很大比重,若要檢討這件事,我想就要先分清楚當預測失準時發生時,原因會有天然與人為因素,但實務上要怎麼分?既然非專業人士無法畫分,那是不是需要專家來協助?直接說誰打臉誰這樣真的恰當嗎?真的有盡到彌平民眾和政府資訊不對稱的落差嗎?從這個角度回來看氣象法,也不難理解至今為何無法完全開放氣象預報了,因為只選擇性的懂一部分,比完全不理解還可怕啊!

沒有說氣象局不用改進,改進是必要的,只是對於氣象預報的誤解,無知的一方也需要主動了解、擁有資訊的一方(氣象局)也該要有更積極的科普宣導。像是最簡單的「晴時多雲偶陣雨」,民眾會問到底是晴、多雲還是雨?但實際上應該是「大多時候應該是晴天,但因為水氣多有時會多雲,偶爾會突然下短暫的雨,會外出朋友還是要帶個雨具以防萬一!」這樣調整說法,不是稍微清楚一點了嗎?誰可以做?氣象局和播報氣象的媒體皆可!

結語:我自己怎麼利用氣象資訊的?

看不同的氣象預報結果,了解不同的分析來評估風險,原意是一件好事,只是拿這種東西的比較作為新聞,會有一種「沒事聊,只好聊天氣」的感覺。多半時間在早上出門前才會看氣象預報,接著再考量今天的衣著,可能看手機內建也可能看氣象局的資訊,原因是我認為越接近的時間,準確度會稍微提升;有時不確定也會看看窗外的天氣,某段時間真的很怕遇到突然的強降雨,就會去找雷達回波圖來看……雖然不是每個人都能解讀一般氣象預報以外更深入的資訊,但或許也可以試著重新思考看看,在沒有百分百完美,但多數時仍準確的預報資訊下,如何運用 & 使用氣象預報資訊,才是對自己最有幫助的?

 

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阿樹_96
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地球科學的科普專門家,白天在需要低調的單位上班,地球人如果有需要科普時時會跑到《震識:那些你想知道的震事》擔任副總編輯撰寫地震科普與故事,並同時在《地球故事書》、《泛科學》、《國語日報》等專欄分享地科大小事。著有親子天下出版《地震100問》。