「光纖之父」高錕誕辰｜科學史上的今天：11/4

本文由 建研所 委託，泛科學企劃執行。 

當你走進一棟建築，是否能感受到它對環境的友善？或許不是每個人都意識到，但現今建築不只提供我們居住和工作的空間，更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生，正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題，確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染，同時提升我們的生活品質。然而，要成為綠建築並非易事，每一棟建築都需要通過層層關卡，才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境，政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立，旨在透過標準化的建築評估系統，鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時，為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法，自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止，已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品，涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築，不僅提升建築物的整體性能，也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

說這麼多，你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程，要經歷哪些標準與挑戰？

綠建築標章	智慧建築標章	綠建材標章

第一招：依循 EEWH 標準，打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源，是綠建築（green building）的核心理念，但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單，而是涵蓋建築物的整個生命週期，也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內，都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準，讓我們先回到 1990 年，當時英國建築研究機構（BRE）首次發布有關「建築研究發展環境評估工具（Building Research Establishment Environmental Assessment Method，BREEAM®）」，是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後，於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」（Leadership in Energy and Environmental Design, LEED）這套評估系統，加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶，氣溫高，濕度也高，得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生，四個英文字母分別為 Ecology（生態）、Energy saving（節能）、Waste reduction（減廢）以及 Health（健康），分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級，設有九大評估指標。

我們就以「台江國家公園」為例，看它如何躍過一道道指標，成為「鑽石級」綠建築的國家公園！

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園，也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時，還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築，其外觀採白色系列，從高空俯瞰，就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落；從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊，生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構，設計自然護岸，保留基地既有的雜木林和灌木草原，並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物，採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙，不僅強化了環境的保護力，也提供多樣的生物棲息環境，使這裡成為動植物共生的美好棲地。

第二招：想成綠建築，必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築，使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中，對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出，一路到今日，國際間對此一概念的共識主要包括再使用（reuse）、再循環（recycle）、廢棄物減量（reduce）和低污染（low emission materials）等特性，從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時，使用自然材料與低 VOC（Volatile Organic Compounds，揮發性有機化合物）建材，亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後，內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度，以建材生命週期為主軸，提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說，為確保室內環境品質，建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件；為了防溫室效應的影響，須使用本土材料以節省資源和能源；使用高性能與再生建材，不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性，也強調材料本身的再利用性。

在台江國家公園內，綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念，更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設，並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料，為鳥類和小生物營造棲息空間，讓「蚵殼磚」不再只是建材，而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆，整體綠建材使用率為 52.8%。

在日常節能方面，台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如，引入樓板下的水面蒸散低溫外氣，屋頂下設置通風空氣層，高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出，廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地，創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企，如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流，不僅提升了隔熱效果，減少空調需求，讓建築如同「與海共舞」，在減廢與健康方面皆表現優異，展示出綠建築在地化的無限可能。

在綠建材的部分，另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程，其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材，比方提高高爐水泥（具高強度、耐久、緻密等特性，重點是發熱量低）的量，並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」，還用再生透水磚做人行道鋪面。

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區，首先，他們捨棄金屬建材，讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是，他們也將施工開挖的土方做回填，將有高地差的荒地恢復成平坦綠地，本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪，無痛轉綠。

等等，這樣看來建築夠不夠綠的命運，似乎在建材選擇跟設計環節就決定了，是這樣嗎？當然不是，建築是活的，需要持續管理–有智慧的管理。

第三招：智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率，除了從建築設計與建材的使用等角度介入，也須適度融入「智慧建築」（intelligent buildings）的概念，即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性，使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器，用於蒐集環境資料和使用行為，並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

為了推動建築與資通訊產業的整合，內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度，為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂，目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例，為了掌握建築物生命週期中的能耗，需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標，評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面，則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境，以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中，充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術，來達成兼顧環保和永續發展的理念，也是利用建築資訊模型（BIM）技術打造的指標性建築，受到國際矚目。

在興建階段，為了保留基地內 4 棵原有老樹，團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描，並將大小等比例匯入 BIM 模型中，讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離，確保施工過程不影響樹木健康。此外，在大樓啟用後，BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」，透過 3D 建築資訊模型，提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護，包括保養計畫、異常修繕及耗材管理，讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用，從建造設計擴展至施工和日常管理，使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management，簡稱 FM ) 為例，該系統可在雲端進行遠端控制，根據會議室的使用時段靈活調節空調風門，會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣，而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率，保持低頻運作，實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現，從源頭減少碳足跡；綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小，並保障居民的健康；智慧建築標章運用科技應用，實現能源的高效管理和室內環境的精準調控，增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用，讓建築不僅是滿足基本居住需求，更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜龔雋幃
• 美術設計｜林洵安

網路是對抗極權的利器，還是政府監控之眼？

上個世紀末，網際網路甫萌芽，彼時正是自由無垠的代名詞。但不過十數年，獨裁政體已導入新技術，建置網路審查系統與防火牆，奪回資訊掌控權，甚至發動跨國資訊戰。當台灣成為境外假訊息的投放目標，我們又該怎麼面對資訊攻擊？「研之有物」專訪中研院社會學研究所林宗弘研究員，他與廈門大學政治學系張鈞智副教授合作，運用 153 國資料，分析國家網路審查與公民社會能量的交互關係。

自由的網路世界，讓我們集結革命！

跨入千禧年之時，傳言中國將著手建置防火長城，全面管制網路資訊流通，時任美國總統的柯林頓（Bill Cliton）嘴角淺淺上揚地微笑說，「祝他們好運。那就像是要把果凍釘在牆上。」

大約 10 年過後，透過社群平台的迅速串連，從網路點燃的燎原怒火，果真在 2010 年底掀起北非、中東地區的「阿拉伯之春」（Arab Spring）革命浪潮！一時之間，網路儼然成為組織動員的新興反抗支點，藉由虛擬世界的合縱連橫，便得以撐起更好未來的想像，動手打造屬於人民的明天。

「從阿拉伯之春、佔領華爾街到太陽花運動，那時候主流的觀點是，網際網路有助於年輕人集結抗爭，或是獲得社會資本。」中研院社會所研究員林宗弘說。

「數位烏托邦」的夢起夢醒：技術決定論 vs 獨裁進化論

阿拉伯之春的浪潮下，「數位烏托邦主義」（Cyber-Utopianism）蔚為風行，人們相信隨著數位科技愈成熟、使用人口愈多，公民社會就能擁有愈大力量。

烏托邦論者立基於技術決定論，樂觀地相信網際網路的崛起，得以打破威權政體的資訊高牆，鬆動原先被政府一手掌控的單向訊息來源。人民不再只能被動接受資訊餵養，得以透過網路自由地共享資訊、迅速串連，召喚出集體行動。對於公民社會，網路無疑是成本更低、效率更高的賦權工具。

然而，當革命時刻的激昂褪去後，那些威權國家卻沒有被掃出歷史舞台，原先瑰麗的網路烏托邦想像反倒轉眼成空。

短短幾年，威權國家管控、壓制、操弄資訊的技術全面進化來說，乃至於發展出一整套資訊政治經濟學戰略。換言之，如今果凍不只牢牢地被釘在牆上，甚至連呈現在牆上的大小、形狀和樣態，也幾乎被資訊獨裁國家玩弄於股掌之間！

由此，另一套對立論述應運而生：面對新科技的突破，獨裁國家已重新再進化，運用新工具反制網際網路帶來的自由衝擊，透過高度的網路審查監控，再次壓制公民社會的力量。

網路再翻轉，成為威權政體的鞏固工具

原先普遍樂觀的烏托邦期待，究竟是如何走向宛如老大哥夢魘般的非預期結果？

林宗弘指出，2010 年前後為關鍵分水嶺。在此之前，網路的崛起確實帶來強烈衝擊，因此多數威權國家的網路覆蓋率遠低於民主國家，即是因政體感受到數位科技的威脅，從源頭限制人民使用。

但是阿拉伯之春爆發後幾年，威權國家的網路覆蓋率卻迅速攀升，不僅超過全球平均值，最後更越過了民主國家。

林宗弘研究發現，這項飛躍性成長並非偶然，而是當權者有意為之的反制性操作。

過去，政府的反制是限制人民上網、抑制網路擴散，但大約 2012 年以後，威權度較高的國家，包括中國、伊朗、埃及、土耳其、俄羅斯，以及近年的泰國和馬來西亞，已陸續建置了網路審查系統（internet censorship），形塑出強大的維穩防火牆，得以遮蔽並扭曲訊息。換言之，國家已重新奪回資訊掌控權。因此即便網路更普及，但實則被套上重重枷鎖，甚至轉而成為國家打壓監控的有力工具。

例如，埃及在 2011 年示威運動期間，曾採取全國斷網手段，用來防止示威者串聯。但之後，政府大量投注科技資源以監控網路，限網、斷網就不再是政府採取的手段。

林宗弘指出，國家如何介入且建構出一整套資訊政治體制，過往研究始終較為貧瘠。雖然有宣傳學、傳播理論可援引，但缺少系統性的資訊政治經濟學理論。 2019 年，Sergei Guriev 和 Daniel Treisman 兩位政治經濟學者才提出「資訊獨裁論」。他們研究發現，威權國家在資訊審查、政治宣傳上的投資愈大，政權的存活率愈高，愈不容易被推翻，也會減少流血暴力鎮壓的機率。這便構成了一個簡潔的理論架構，明確解釋威權國家加強資訊審查操弄的動機。

國家網路審查：壓制公民社會的黑手

不過林宗弘認為，現有研究多半集中在資訊審查如何影響政治轉型，聚焦於宏觀的變遷過程，卻忽略了中介影響機制，例如對公民社會的活躍性打壓。因此林宗弘與廈門大學政治學系副教授張鈞智合作，援引瑞典哥德堡大學 V-Dem 資料庫（Varieties of Democracy）的大型跨國調查，取得全球 153 個國家的資料（1995-2018 年），探究網路審查對於公民社會的影響。

研究進一步以互動固定效應模型（interactive fixed-effects model），檢視 2011 至 2018 年網路審查成長超過 10 %的 34 個國家。以 2017 年為例，網路審查的效力削弱了核心公民社會指數約 8%，清楚呈現出兩者的相關性。研究發現國家的網路審查，確實是降低公民參與的關鍵因素。

「我們的研究發現，網路覆蓋率已經跟公民社會的活力脫鉤，也跟政治體制脫鉤。」林宗弘分析，在威權國家底下，網路科技是推進新興經濟、科技產業的工具，但同時也是澆熄公民社會的武器。

林宗弘直言，過往的比較研究，大多聚焦於網路對政治轉型的影響，普遍忽略了威權國家運用科技針對公民社會展開操弄與反動員（demobiliztion）的策略。

網路的快速發展最初雖為威權國家帶來了空前挑戰，然而這些政體很快展現其韌性，已學會靈活地運用科技手段，有效壓制公民社會持續壯大，化解潛在的政治風險。

以中國為例，習近平上任後成立「中央網絡安全和信息化領導小組」，大力強化網路審查技術與訊息防火牆。一般人可以透過網路表達個人意見、商業交易、聯繫親友等等，甚至可以批評政策，但絕不能用於發動社會抗爭。背後嚴密的審查機制，包含特定關鍵字，緊盯著使用者的一舉一動，防範集體集結行動的火苗於未然。

哈佛大學政治學者 Gary King 等人曾提出經典解釋：中國進行網路審查的重點不在於阻止一般人批評政府，而是要防堵、阻絕動員的可能，也就是禁止那些會集結群眾發動連署、陳情、抗爭或更激烈政治行動的內容。

資訊操弄的兩手策略：減少訊息、增加訊息

林宗弘進一步分析，威權國家進行網路審查的兩種策略。

首要是減法。簡單來說，如同前述的刪文、斷網與關鍵字屏蔽等，皆是威權國家常見的審查手段，關鍵在於「減少訊息」，隔絕封鎖踩到政體紅線的新聞與討論。但這只是資訊操弄的其中一個面向。

另一個手段則是加法，即「增加訊息」。包括散播假訊息，選擇性釋出足以歪曲、遮蔽原先焦點的訊息，又或是刻意放送溫暖正面的心靈雞湯，目的皆在於奪取民眾的注意力。根據 Gary King 等人的另一篇研究指出，中國網軍的操作並非直接反擊不利於政府的訊息，而是帶風向、貼歪樓，使用反諷、嘲弄、抹黑對方的手法轉移焦點，讓原先的議題力道被削弱。

威權國家正是同時運用減少訊息、增加訊息兩套手法，導引操弄社會可獲得的資訊，達到統治目的。

讓假訊息飛！資訊戰可能群體免疫嗎？

不過林宗弘提醒，類似的操作不只侷限國內。威權國家也會對外投射，特別是針對潛在敵對或競爭關係的民主國家，包括病毒攻擊、癱瘓伺服器造成斷網，同時也投放大量的假訊息，以此讓目標國內部分化，製造情緒爭端，使社會陷入認知癱瘓。

林宗弘解釋，這種干擾模式有其特殊性。「我們另一個研究已系統性發現，只要周邊存在一個領土爭議的威權政體，民主政體被攻擊的頻率就會大幅上升；但是相對地，威權政體並沒有同樣被大幅攻擊。」換句話說，

這個攻擊是單向、非對稱的，來自於威權政體。資訊戰已被當作攻擊武器，使用在國際關係中。

一旦國家與鄰國沒有領土爭議，或四周都是民主政體，國內被投放假訊息的比例就大為降低。

但民主國家內訊息原本即多元殊異，資訊戰攻擊是否真的會造成實質威脅？或者，社會其實終將形成「群體免疫」，無需過度擔憂？

林宗弘不同意這類觀點，他正在進行的研究發現，根據 2020 年資料，一國的假訊息量愈大，該國的疫情愈嚴重。近期英國研究也顯示，假訊息會降低接種疫苗的意願。「如果資訊戰確實會產生效果，造成社會傷害，又怎麼達到群體免疫呢？」

迄今，林宗弘已大致拼湊出理論圖像，希望更完整理解資訊操弄背後的整體面貌，但仍有許多亟待突破的環節。包括在民主、威權不同政體下，哪些更容易被操弄？運作結構與結果有何殊異？以及，它對哪個社會階層更有利？都是未來待持續梳理的部分。

台灣為境外網攻密集目標！跨國假訊息攻防戰

根據 V-Dem 跨國研究，在 2018 年全球 179 個國家「遭受境外假資訊攻擊」的調查中，台灣高居世界第一！面對威權國家的步步進逼，林宗弘雖不再如過去的數位烏托邦論者樂觀，但也不致絕望。

「我們看到的是一個循環結束：公民社會因為網路而崛起；接著國家掌控愈來愈多資源，投資審查技術，把公民社會壓制下去。這表示原先樂天看法是錯的，但未來的科技突破還會有進展，下一個循環還是可能出現。」

但他強調，我們不應該僅單憑烏托邦或反烏托邦的想像來面對。「人一定要介入科技發展，它是權力鬥爭的一部分，民主的一部分。不投入，當作搭便車，最後就是被宰制。」

具體而言可以怎麼做？林宗弘提出三點建議。

根據 2019 年台灣民主基金會的調查，65.7% 民眾認為假訊息對台灣民主危害很大，這顯示資訊戰的威脅感已深入大眾。政府應該在基礎研究與資料情報蒐集上，提供更多挹注，才能依據實證研究成果建立防護體系。

其次，主動揭露調查結果。除了專業的事實查核機構，公民社會內部也可以自我動員組織，譬如醫師公會若發現錯誤的醫療流言，即主動澄清、提供正確資訊。

第三，假訊息攻擊的受害者具共同特徵，包括和外在社會接觸較少、資訊獲取管道不足。因此政府應該找出方法彌平數位落差，協助更多弱勢者培養資訊識讀的能力。

身處在資訊紛雜的年代，真假難辨已成日常。林宗弘總結，當假訊息的類型、來源愈趨五花八門，國家、公民社會、研究者都需要持續尋找各種政策工具，完成這幅複雜的拼圖，而不應寄望可能存在一個快速解決的萬靈丹。

延伸閱讀

• Chang, Chun-Chih and Thung-Hong Lin, 2020, “Autocracy login: internet censorship and civil society in the digital age”, DEMOCRATIZATION, 27(5)：874-895
• 林宗弘，2019，〈數位貧窮與天災風險資訊來源：來自台灣傳播調查的證據〉，《新聞學研究》，第 138  期，頁 131-162
• Sergei Guriev,Daniel Treisman,2020, “A Theory of Informational Autocracy”,Journal of Public Economics, vol. 186, issue C
• 林宗弘個人網頁

編按：高錕已於2018年9月23日於香港辭世，享壽84歲。

今天網路已成為現代人日常生活中習以為常的一部分，我們瀏覽網頁、聊天、上傳相片、購物、聽音樂、看影片、……等等，而不會留意到這些內容都是化作0與1的數位訊號，經由以光纖為骨幹的基礎網路傳遞。沒有光纖，就沒有如此蓬勃發展的網際網路與各種應用，而發明光纖技術，讓這一切成為可能的就是被稱為「光纖之父」的華裔科學家高錕。

高錕出生於上海，自幼就展現發明家的特質，曾自製煙火、泥土炸彈、收音機。上中學時因國共內戰而全家遷來台灣，後再移居香港。在英國念完大學後，就進入國際電話電報公司（ITT），一邊工作一邊攻讀博士學位。就在取得博士學位後的第二年，高錕於1966年發表改變通訊方式的關鍵論文《介電波導管的光波傳送》，從此開啟了光纖網路的新紀元。

其實光纖並非新玩意兒，但因為衰減過快，行進20公尺後就只剩 1%，因此都只拿來當裝飾品或內視鏡之用。當時普遍認為「光在玻璃中會嚴重衰減」是理所當然的現象，但高錕卻不以為然。經過幾年研究後，他證明只要去除玻璃的雜質，就能將光的衰減幅度改善到與銅線相當，行進一公里才剩 1%，因此可以做為長距離通訊的線路。高錕深知在實驗室的成功還不夠，因此還實際設計出如何製造極低雜質之石英玻璃的製程。

不過通訊業界對此論文仍抱著半信半疑的態度，高錕還得努力向業界推銷光纖的可行性與優勢。最後終於由美國康寧（Corning）公司於1970年成功量產出來，到了1982年更開發出衰減幅度改善百倍的光纖。光纖比銅線傳輸距離更長、直徑更細，加上同一條光纖可以允許不同波長的光同時傳輸，頻寬是銅線的萬倍以上，自此海底電纜完全改由光纖取代，全球通訊進入光纖時代。

然而網際網路的盛行要等到二十一世紀了，光纖對人類文明的重要性至此才明顯浮現，因此直到2009年，高錕才終於獲得諾貝爾物理獎。只是此時他已罹患阿茲海默症六年，已不知光纖為何物，更不記得自己就是發明人。

到了諾貝爾獎頒獎典禮那天，瑞典國王打破慣例，主動走到高錕的座位前頒獎給他，讓他無須行禮如儀，像其他得獎人那樣走到舞台中央鞠躬領獎。高錕起身站得挺直，笑容純真燦爛，因為他仍沒忘記這是科學家的最高榮譽……。

本文同時收錄於《科學史上的今天：歷史的瞬間，改變世界的起點》，由究竟出版社出版。

• 作者｜盧彥森，目前任職於 德國于利希研究中心 能源與氣候研究所

第一個地表模型的開發者——真鍋淑郎

在大氣科學領域中，有一部份專業領域統稱為「氣象模擬」，其中，有一門名為「地表模式」的領域，是專門算地表上各種物理、化學、生物作用的行為。

在做這些模擬的研究者中，有個很有名的日本名字，叫做 Manabe，他的論文會一直出現在大家眼前，也就是（只有我們在乎的）《 Manabe 1969, CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION I : THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE 》^[1]，最近因為大量的報導，我才知道原來他名字的漢字是——真鍋淑郎，也就是第一個地表模型的開發者，而在 2021 年時，他拿下了諾貝爾獎。

地表模式（Land Surface Model）在大氣模擬中有舉足輕重的地位，可以算地面是怎麼跟大氣作反應的，像是降水是怎麼被樹冠層截流、土壤水是怎麼變成地表逕流跟地下水、水是怎麼靠蒸散發回到大氣中；還有太陽光怎麼被地面或葉面吸收、能量怎麼被蒸散發作用給吸收、地面上的溫度增加或減少了多少，還有太陽輻射是有多少返回大氣層。

而真鍋淑郎的地表模式，則涵蓋了一大部份的物理反應，供美國國家海洋暨大氣總署（NOAA）的 Geophysical Fluid Dynamics Laboratory 的全球大氣模型使用。

不過學界是殘酷的。在那個電腦比房子貴的年代（房價在 1960 年的中位數約為$11,900，CNBC報導），真鍋順便背了個學界的鍋，像是：你的模型是不夠真實的、你的土壤濕度估算不夠物理……等因為電腦計算跟理論發展還不夠成熟，所以尚未發展的物理與計算方法。

後來的論文也會稱真鍋的地表模式是水桶模型（因為其計算土壤濕度的方法宛如水桶一樣，滿了就去除，而非經土壤中水流方法流走的）。但無論如何，第一個地表模型，基本上就是真鍋與他在普林斯頓的好夥伴們發展出來的。因此，真鍋的地表模型也在後來的論文中，尊稱為第一代的地表模式，建立起祖師爺等級的封號(Sellers et al., 1997)。

水桶模型後，百家爭鳴的地表模式大戰

雖然第一代的地表模式，土壤當做水桶，地上也沒有植物，更不要說可以進行光合作用或是碳排放來研究二氧化碳是怎麼搞壞我們的人生，但也讓後續的第二代地表模型有了出發點。

1980年後，在個人電腦逐漸普及後，地表模式也開始百家爭鳴，其中真鍋的身影也就只存在各家論文的引用中了。後來再出現時，則是在地表模式大戰——PILPS（Project for the Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes）^[2]。這個計畫中，以水桶模型這個稱號出現。基本上始於 1995 年的 PILPS 計畫，就是利用荷蘭的 Cabauw 量測站測到的氣象狀況，來驗證各家第二代的地表模式中，誰才是最強的。

當然結果就是，沒有誰家最強。

更重要的是，雖然地表模式都比真鍋的模型更複雜了一點，但是有個東西是沒有人考慮到的：光合作用。

當時各家的蒸散發公式，主要都是用Jarvis的葉面氣孔參數化公式做考量^[3]，所以也沒有真的考慮到二氧化碳、水、太陽之間的直接關聯。而做出這個關連性主要公式——Farquhar等人^[4] 的二氧化碳同化作用公式，才在 1980 年時正式發表，離他同事 Berry 拿去演化成植物氣孔跟光合作用的連動公式^[5]，還有七年。而在地表模型大戰中發表的模型，其實都長得 87% 像。

在 1997 年時，NASA 的 Sellers等人^[6]，與多位同樣是地表模式的作者與植物氣孔模擬專家，在《Science》期刊中，登高一呼：我們要有能夠計算生態跟複雜物理的模型！畢竟在 PILPS 的大戰中，沒有真正的勝者，也沒有真正的輸家，甚至我們的真鍋大哥在水文計算上也沒有輸^[2]！

所以在 2003 年，集合了 PILPS 大戰中和解的部份朋友們，第一支集眾人之力誕生的通用地表模式（Common Land Model）上線了^[7]，這支從 1998 年開始寫的程式，過了近五年後才發表，算是第三代地表模式的代表作。

而這個第三代中，植物終於開始有了它的意義，這植物的葉子終於可以隨四季生長了，也會行光合作用了，土壤也增厚到兩公尺多了，土壤也會依不飽和水流公式往下滲流，也可以計算堆雪了。其中最重要的，就是那光合作用公式的應用。

持續再精進與貢獻

之後的地表模式，就一直著重在地面植物的改良，讓植物越來越真，從一開始的沒有植物，到會蒸發水，再到會跟二氧化碳互動，以及跟氮交互作用，計算植物的農作產出，一步步朝著更精細的方向前進。

當然地表模式也有很多需要改良的地方，首先是地表模型是假設地表跟大氣是一維方向的互動，而土壤中水流也是只會向下滲流，如果要計算真正的水流，就必須要進行三維的地下水流動，這就是另外一個耗資源的計算。另外植物也不是真的植物，植物被假設只有四片葉子，還只有一層。

英國的「JULES」模型曾報告說他們做了個多層葉冠層的模型，最後只能淡淡的說因為計算資源耗太兇，所以沒算完 ^[8]。更甚者，地底下的根是「死」的，一年四季，不生不滅、不垢不淨，持續地在只有兩公尺厚的土裡，把水吸到植物中行光合作用(Pitman, 2003)^[9]。

所以無論如何，地表模型不僅不死，其勢更烈，因為有太多的東西可以靠地表模式來計算，像是人類對地球表面的影響、化合物排放，也都可以靠地表模式計算其對大氣的影響，就連地下水模型也都要拜託地表模式處理複雜的地表水文狀況^[10]。

從 1969 年到 2021 年，無數的改良與改版，還有兩次的超級地表模式大戰（第二次利用 Rhône 流域量測結果^[11]），都增加了人們對大氣系統的了解，並且一步步改善天氣預報的準確度，而其中的功臣之一，當然是真鍋博士在 1969 年，比 Unix 更早發表的地式模型，所以的確功不可沒，而現在地球科學的眾多估算中，地表模式解決了很多的水文與能量問題，更遑論對氣候變遷的計算，才能在1975年提出二氧化碳加劇溫度上升的研究^[12]。拿下諾貝爾獎，不僅僅是贊同真鍋博士的功勞，更是對大氣模擬界的慰勞吧。

參考資料

1. Manabe S. (1969). CLIMATE AND THE OCEAN CIRCULATION 1: I. THE ATMOSPHERIC CIRCULATION AND THE HYDROLOGY OF THE EARTH’S SURFACE. Mon. Weather Rev. 97:739–774.
2. Pitman, A. J., Henderson-Sellers, A., Desborough, C. E., Yang, Z. L., Abramopoulos, F., Boone, A., … & Xue, Y. (1999). Key results and implications from phase 1 (c) of the Project for Intercomparison of Land-surface Parametrization Schemes. Climate Dynamics, 15(9), 673-684.
3. Jarvis PG. (1976). The Interpretation of the Variations in Leaf Water Potential and Stomatal Conductance Found in Canopies in the Field. Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 273:593–610.
4. Farquhar, G. D., von Caemmerer, S. V., & Berry, J. A. (1980). A biochemical model of photosynthetic CO 2 assimilation in leaves of C 3 species. Planta, 149(1), 78-90.
5. Ball JT., Woodrow IE., Berry JA. (1987). A model predicting stomatal conductance and its contribution to the control of photosynthesis under different environmental conditions. In: Progress in photosynthesis research. Springer, 221–224.
6. Sellers PJ., Dickinson RE., Randall DA., Betts AK., Hall FG., Berry JA., Collatz GJ., Denning AS., Mooney HA., Nobre CA., Sato N., Field CB., Henderson-Sellers A. (1997). Modeling the Exchanges of Energy, Water, and Carbon Between Continents and the Atmosphere. Science 275:502–509
7. Dai Y., Zeng X., Dickinson RE., Baker I., Bonan GB., Bosilovich MG., Denning AS., Dirmeyer PA., Houser PR., Niu G. (2003). The common land model. Bull. Am. Meteorol. Soc. 84.
8. Best MJ., Pryor M., Clark DB., Rooney GG., Essery RLH., Ménard CB., Edwards JM., Hendry MA., Porson A., Gedney N., Mercado LM., Sitch S., Blyth E., Boucher O., Cox PM., Grimmond CSB., Harding RJ. (2011). The Joint UK Land Environment Simulator (JULES), model description – Part 1: Energy and water fluxes. Geosci Model Dev 4:677–699
9. Pitman AJ. (2003). The evolution of, and revolution in, land surface schemes designed for climate models. Int J Clim. 23:479–510.
10. Kollet SJ., Maxwell RM. (2006). Integrated surface-groundwater flow modeling: A free-surface overland flow boundary condition in a parallel groundwater flow model. 29:945–958.
11. Boone A., Habets F., Noilhan J., Clark D., Dirmeyer P., Fox S., Gusev Y., Haddeland I., Koster R., Lohmann D. 2004. The Rhone-Aggregation land surface scheme intercomparison project: An overview. J. Clim. 17:187–208.
12. Manabe, S., & Wetherald, R. T. (1975). The effects of doubling the CO2 concentration on the climate of a general circulation model. Journal of Atmospheric Sciences, 32(1), 3-15.