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技術宅如何拯救真實世界?這不是輕小說,是資料科學家陳伶志的專訪

研之有物│中央研究院_96
・2018/01/07 ・4558字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 473 ・五年級

用「資料科學」解決生活問題

2018 年後台灣國中小學生要學程式設計,如何「編寫」程式可以教,但如何「運用」程式就需要以人生經驗付學費。

本文專訪中研院資訊科學所陳伶志副研究員,擅長硬體組裝設計,也擅長分析資料數據,透過心路歷程為你揭曉:無論是孕婦和老人搭公車遇到的玩命關頭,或是氣喘兒遇到的 PM2.5 空污問題,都能用「硬體感測」結合「公開資料」找出對策。

陳伶志希望能用程式解決生活問題, 和團隊研發「公車舒適度評測 App」和「空氣盒子」偵測 PM2.5 。圖/張語辰

小時候會好奇亂拆東西嗎?

「小時候會把東西拆開來再組回去,也不懂原理,其實就是搗蛋,然後就越玩越大。我哥哥以前是讀電子科,家裡有很多小零件,所以我從小就喜歡玩、不會害怕這些電的東西。有一次不小心把電子錶丟到洗衣機洗,結果壞了,只好自己把電子錶全部拆開來曬乾,想不到組回去又可以用。也常常隨便把東西插到插座裡,造成家裡跳電,因為怕被大人罵就學會自己把插座拆下來、換上新的保險絲。」

陳伶志家裡以前就有很多電子小零件。圖/Pexels@pixabay

大學是宅宅嗎?都在做什麼?

「我算蠻宅的 (呵呵)第一次開始學電腦是在大學,那時候參加過三次 ACM – ICPC 程式比賽,平常花很多時間練習解題。也當過計中的工讀生,到各處室幫忙解決電腦問題,到了那邊發現很多只是插頭沒插、或是網路線被踢斷而已(笑)。」

「大學時做過最熱血的事情是擔任 BBS 站長,現在 BBS 有彩色模式、丟水球等功能,但那時候還蠻陽春的,我們團隊就花很多時間熬夜摸程式,自己想怎麼做出來、弄得很炫。也有一次進站發現駭客入侵,把整個 BBS 站台砍掉,畫面中只留下駭客的名字證明他很厲害。那時候不太知道怎麼辦,就和朋友一起挖系統的歷史資料,把駭客潛伏的洞補起來,後來透過其他高手我們也入侵駭客的主機,發現他有點收藏癖,收藏了各個駭過的完整站台,我們也把被駭客備份的 BBS 站台再整個備份回來。」

陳伶志大學最熱血的事情是曾擔任 BBS 站長,現在的 BBS 功能比較複雜。圖/By moboo@ Wikimedia Commons

不用怕問題,這個世界上一定有人解決過其中部分的問題,上網看看別人怎麼做、自己也試試看。

「師大第一次網路選課系統,是我在大三暑假時寫出來的,因為當時廠商要價太高,計中的主任就丟了一個 SQL Server 叫我試試看。玩了一兩天後發現如果用這種方法,我大概開學後也寫不出來,就改用在檔案系統上開檔讀檔的做法,硬是把選課系統完成。那時程式語言不像現在這麼方便,寫法比較低階,沒有那麼豐富的函數庫可以呼叫。最麻煩的是,如果同時有兩個人選門課,中間會有競爭關係,必須去學怎樣把檔案優先權鎖起來。那時候還沒學到這些課,我把這個選課系統做出來之後,後來上課時才發現原來這些理論我之前已經實作過。回想這段期間是最快樂的,因為可以自己上網找資源解決問題,很開心。」

「大學很宅的原因是,把這些事情跟別人講,別人只覺得你很無聊。(呵呵)」

程式很厲害,還需要出國讀書嗎?

「考量到家庭經濟,我本來一直很不想出國,因為我是師大資訊教育系的師範生,大學畢業後我先教書再去當兵。當兵時有各單位來選兵,常常都會先讓資訊系的站起來,然後只有大學學歷的坐下,後來我根本不想站起來,因為最後一定會坐下、不會被選到,那時讓我很有感觸,也改變心意決定繼續深造。」

「退伍後曾經有公司提供很好的待遇,但那時有位長輩跟我說『你這時候年輕,要先投資自己,錢以後再賺就好』,加上當兵時看了很多勵志的書,被《牧羊少年奇幻之旅》這本書打動,就決定出國讀碩士。但出國念碩班沒有獎學金,那時候第一年就要花 100 萬,為了在出國前就先存到一年的錢,我就白天上班、晚上兼差、同時準備托福和 GRE 考試、也回學校跟老師做研究,退伍後那一年過得超充實。」

當你真心渴望某種東西時,整個宇宙都會聯合起來幫助你完成。──《牧羊少年奇幻之旅》

「在加州大學洛杉磯分校讀資訊科學碩博士時,一開始我是做 Wi-Fi 網路的行動運算研究。例如我的筆電現在連到 A 網路,但我走一走連到 B 網路時,正在下載的檔案或正在看的棒球比賽轉播能不能不要中斷、直接切換過去。接著想進一步研究頻寬變化,因為若切換時知道頻寬如何改變,就能即時調整影片傳輸大小。最後論文主軸聚焦在頻寬研究,現在很多測頻寬都是丟資料去量「可用頻寬」,但我研究的是「最大頻寬」,難度是不能送太多封包影響別人,還要可以測量高速網路、低速網路、或者是去跟回來速度不一樣的非對稱性網路。這些計畫在國外做得差不多,回台灣後就沒有繼續往下鑽,改成尋找別的題目。」

陳伶志曾從事 Wi-Fi 網路的行動運算研究,可以應用在棒球直播上。圖/Roberto Coquis – Flickr

從宅宅變成中研院的研究人員,你認為研究是什麼?

研究成果應該用來解決人們生活中的問題,要能看得到、實際可以使用。

「中研院蠻自由,不會干擾你要做什麼題目。我比較不喜歡純粹只有理論,會希望理論最好跟現實接上線,因此選擇研究題目時比較實際導向,例如之前做過『公車舒適度評測 APP』。做研究會有很多理論,要想辦法在理論和實際間找到連接點,不是所有題目都能在現階段就能看得到東西,但現階段看得到東西的題目,又很容易變成是在做黑手、沒有理論。要能兩者兼具的題目很不好找,我們一直想辦法挖掘,像『空氣盒子』計畫就有符合。」

陳伶志與團隊研發的「微型空污偵測模組」,可以即時偵測所在環境的溫濕度、氣壓、 PM2.5 濃度。圖/張語辰

人生中有失敗過嗎?

「2009 年時研究院路二段發生一起公車車禍,甚至有人因此喪命。坐過公車都知道有些公車開得很猛、有些公車開得很穩,那時候我們在想能不能把大家坐過都知道的事實,用科學化數據呈現出來。這個數據對孕婦和老人很重要,因為他寧可多等五分鐘,搭到一班比較穩的公車,才不用在公車上抓桿子抓得那麼緊,所以我們就做了『公車舒適度評測 App』,鼓勵大眾攜帶手機、搭公車時使用。」

「我們將『公車舒適度』定義為『公車的搖晃程度』,也可以延伸到路平專案的道路顛簸偵測。一般走路的震動很小,但公車的震動很大,利用手機的三軸加速度計就能測量公車晃動程度,接著將震動量測換成舒適度分數。因為手機同時有 GPS ,可以知道這台公車的行車軌跡,藉以比對台北市公開資料中的公車即時軌跡,就能找出這台使用者的手機是在哪台公車上,連車牌號碼都能知道,藉以評比哪台公車開得比較穩。這個 App 獲得 2011 年『App Star 高手爭霸戰』社會組首獎,但一陣子後就沒有人在用了。因為 App 有生命週期,像 Pokemon GO 和 Angry Birds 當初那麼紅,現在還有多少人在玩?」

憤怒鳥(Angry Birds)為曾經風靡一時的手機遊戲。 圖/thethreesisters@flickr

如果 Angry Birds 熱潮都會消退,我們的 App 憑什麼活這麼久?

「我們學到的經驗是,若要讓『公車舒適度評測』變得長久,大眾的手機不是一個好平台,因為我們帶手機是為了講電話,不是為了量這些事情,這和我們的使用習慣不一樣,也沒辦法請大眾上公車後還幫忙打開 App 測量,因為上公車後抓住桿子都來不及。後來我們想用開源的硬體來做簡單的設備,剛好搭上自造者運動( The Maker Movement ),才有接下來的『空氣盒子』計畫。」

「但『公車舒適度評測』其實還有個應用機會,現在我父親因為行動不方便,會搭復康巴士去醫院。我發現復康巴士有的開得很好、有的很晃,輪椅上去都會綁安全帶,有的甚至開得會跳動,身為家屬會希望有個評鑑機制。復康巴士每台車都有 GPS 連線,業者或政府如果要評估復康巴士開得穩不穩,只要在上頭裝個一兩千塊的智慧型手機蒐集數據,也不用需要即時的網路傳輸,只要看記憶卡上的儲存紀錄就能知道今天巴士是怎樣的開法。」

做研究至今,覺得現實哪裡殘酷?解決的方式?

「以前遇到一個問題,大家會期待政府從上而下解決問題,但這樣不太容易推動大型計畫,因為上面的人不容易了解下面的人真正需要什麼,又要花很多錢,而且通常下面的人也會反彈。但無論『公車舒適度評測 App』或『空氣盒子』計畫,都是先找出大家需要什麼、關心什麼議題,我鼓動你、讓你有辦法做想做的事情,在協助你的同時也順便做我的研究,由下而上推動事情完成。」

空氣盒子的介紹網頁

「做研究需要大量 Data ,如果由上而下推行往往需要花費很多資源,但若找到大眾關心的議題,由下而上就能像滾雪球、越滾越大,只是需要一種包裝讓大眾接受你的想法。當對方認為『你是來幫助我的』,對方就會願意合作,例如『空氣盒子』的切入點是:我幫你知道現在的空氣狀況怎樣、幫你做分析、找出空氣污染的變化。」

要和參與專案的人站在一起、由下而上一起解決問題,而不是我想做什麼研究、我要你接受。

「合作時也要注意守住科學的立場。例如就曾經有訴求較強的議題團體找我們合作,但畢竟我們是做科學的人,雖然心理也許認同對方的想法,但還是要嚴守『讓數據說話』的原則,不要被帶著走。在台灣一旦被貼上特定立場的標籤,你的數據別人就再也不相信了,這是過程中學到的經驗。我們現在的合作對象可以是環保團體、政府單位、不同企業、不同社群,彼此之間靠著一條『線』互相合作,而這條『線』就是我們提供『正確的數據』。」

「平常學校都在講理論,沒有實際上戰場。理論的資料都很乾淨漂亮,可以做很多模型,但現實世界拿到的任何資料都很『髒』,要花很多時間清理資料。有些資料會有 outlier (異常值),有些有 missing data (缺失值),理論模型不一定套得上去。以前在學校都從理論出發,再去找實際觀測值,但現在實際的觀測資料就開放在這裡,就看你有沒有辦法解決問題。從這個角度出發,實作出來的東西馬上就會有價值,而且你會找到新的理論,這是一個很好的過程。」

「這段話太妙啦!」陳伶志從網路上看到,印下來勉勵自己。

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

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

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研之有物│中央研究院_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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臺灣原子與分子科學研究所創立的幕後功臣:張昭鼎——專訪中研院原分所陳貴賢研究員
研之有物│中央研究院_96
・2023/08/26 ・4364字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|簡克志
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

中研院原分所的推手

中央研究院原子與分子科學研究所(簡稱原分所),是國內原子科學的研究重鎮,位處於臺灣大學學區,研究領域涉及表面科學、尖端材料、原子/分子與光學、化學動態學以及生物物理。原分所第一任的籌備處主任為張昭鼎先生,他的思維與待人接物的方式,深深影響了現在的原分所。中研院「研之有物」於 2023 年 4 月專訪原分所所長陳貴賢特聘研究員,一起從他的角度認識這位謙和又有遠見的科學家。

在研之有物團隊與張昭鼎紀念基金會人員到訪時,陳貴賢相當熱情地介紹原分所沿革以及張昭鼎的為人處世。圖|研之有物

當天是個晴朗和煦的午後,研之有物團隊和張昭鼎基金會的工作人員,來到位於臺灣大學的中研院原分所,準備拜訪陳貴賢所長。原分所位於臺大校園中心,旁邊就是醉月湖,研究所建築外觀換新之後,以典雅新穎的紅磚色拱形亮相。甫進辦公室,充滿活力的陳貴賢,看起來已經準備好和我們分享關於原分所和張昭鼎先生的故事。

原分所建立初衷

原分所成立於 1982 年,由張昭鼎擔任第一任籌備處主任(1982~1993),現任所長是陳貴賢,擔任所長已將近 7 年(2016~2023),並即將在今年 7 月 15 日交接所長職位給魏金明合聘特聘研究員。當我們問到原分所一開始是如何成立的?陳貴賢提到,原分所是當時海外學者李遠哲與浦大邦開始的構想,希望幫助臺灣發展原子與分子科學、同步輻射科學兩大領域,以跟進國際科學的研究步調。

為了和政府提出建言,李遠哲等學者邀請了全世界知名的科學家一起討論,包含吳健雄以及她的先生袁家騮,他們當時還回臺灣做了好幾場演講。經過持續的溝通與交流,最後終於事成,浦大邦主要負責同步輻射(中心落腳於新竹清華大學旁),而李遠哲就是想辦法建立原分所。

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由於李遠哲當時人在美國柏克萊大學化學系任職,他迫切需要一位信任的人在臺灣幫忙。因此,他找了在學時期認識的臺大學長張昭鼎,請他負責籌備原分所,張昭鼎當時已經是臺灣無機合成化學的先驅。陳貴賢回憶道「張昭鼎是一位格局很大的人,也可以理解基層的需求」。

成立一個所並不簡單,有很多眉角要處理,比如選址就是大問題。李遠哲希望能夠促進中研院和學校之間的合作,讓年輕學生也能參與研究,最終選址於臺灣大學正中央,原分所就此成立。「對有志於科學的年輕人是非常大的福氣」,陳貴賢說。

1982 年原分所籌備初期的建築工地,照片中李遠哲(右 1)、張昭鼎(右 2)與李崇道(右 3)正在討論。圖|陳貴賢

原分所在做什麼?新興材料的研究重鎮!

話說回來,原子與分子科學研究所是研究什麼呢?看起來不是一般的物理、化學、機械等數理學術機構。陳貴賢在訪談中笑著說,「所有的物質都是原子組成的,兩個原子結合在一起就變成分子,分子繼續疊在一起就會形成固態、氣態或液態的物質。」原分所是在研究原子相關的物質科學,但陳貴賢強調,原子內還有各種基本粒子,例如質子、中子或夸克等,研究這些基本粒子屬於高能物理,不屬於原分所的研究範疇。

舉例來說,原分所的研究有大家很熟悉的半導體,以及稱為「表面科學」的重要領域。陳貴賢說,很多化學反應都會發生在物質表面,尤其太陽光如何和表面原子互動相當值得探討,他的實驗室就有研究如何透過光催化材料來進行人工光合作用。

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原分所另一個重要領域是「化學反應動態學」。陳貴賢提到,過去李遠哲回臺灣時,就有從柏克萊帶回珍貴的交叉分子束設備。設備的噴嘴會噴出兩束不同的分子束,讓分子束交叉碰撞之後,觀察化學反應的動態機制。「了解化學反應怎麼發生,才有可能對它進一步控制」,陳貴賢道,他以燃燒反應為例,如何讓燃燒反應更完全、減少污染物的產生就是個大學問。

此外,陳貴賢還分享了另外兩個重要領域「尖端材料」和「生物物理」,尖端材料例如能源材料,有太陽能材料或是熱電材料等,讓未來能源發展有更多機會。生物物理例如研究生物影像的分析方法,發展各種創新的顯微技術。

原分所發展至今,即使張昭鼎在 1993 年 4 月離世,仍受到他的處世之道影響。陳貴賢回憶道,當時 1993 年元月份來到原分所,在開始長期的學術生涯之前,曾仔細瞭解張昭鼎的事跡及為人,發現他很重視基層人才,願意給年輕人機會,甚至幫忙找資源。

隨著不同的所長接任,原分所的制度和規範逐漸完善,在林聖賢、劉國平、王玉麟、及周美吟等所長的努力下,原分所逐漸進入穩定發展的狀態。王玉麟擔任所長期間為了紀念張昭鼎,在 4 樓的會議廳就命名為「張昭鼎紀念講堂」。

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張昭鼎紀念講堂。圖|研之有物

搶救《科學月刊》,致力於科學教育傳播

除了成立原分所之外,張昭鼎的另一項重要貢獻是《科學月刊》。《科學月刊》是臺灣本土力量孕育而生的科學雜誌,自 1970 年創刊營運到現在,是珍貴的科學傳播刊物,對於臺灣科學界的人才培養和學術交流都有好的影響。

關於《科學月刊》對臺灣早期科學界的重要性,陳貴賢說:「你做的科學研究不只是要在國際上發表成果,你甚至希望可以扎根,讓更多下一代的人可以對科學有興趣。在那個時代我想《科學月刊》幾乎是唯一的選擇。」

張昭鼎是《科學月刊》在位最久的董事長(1973~1993),1970 年代初期是《科學月刊》早年財務最艱困的時候,甚至在 1975 年內部曾經有停刊的想法,而張昭鼎與董事會最後的決策是:保留《科學月刊》,圖書業務則交由他人負責經銷。這個決定影響深遠,讓《科學月刊》度過困難的 1970 年代。

張昭鼎(左)與李遠哲(右)合影,《科學月刊》創刊 20 周年紀念餐會。圖|張昭鼎紀念基金會

然而,張昭鼎在 1993 年不幸過世。他的離世對好友李遠哲來說是巨大的衝擊。陳貴賢提到,李遠哲曾在懷念故友文章寫道「或許真的是已到了我該回家鄉的時候了」。很多人起初以為他只是暫時回臺灣,沒想到李遠哲真的一直留在臺灣,為原分所、中研院學術界以及臺灣社會持續付出。

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張昭鼎離世之後,次年張昭鼎紀念基金會隨之成立。基金會繼承張昭鼎的精神,積極推廣科學教育,在李遠哲院士倡議之下,2011 年基金會首度舉辦了「居禮夫人高中化學營」(今為瑪麗居禮科學營)。瑪麗居禮科學營的招生對象,主要是對數理化學有興趣的高中學生,在四天的營隊活動,邀請重要學者做專題演講,特別精心設計分組實驗實作,讓學員對科學研究有親身體驗。

陳貴賢分享,原本營隊主要籌備是清華大學,後來張昭鼎基金會董事希望在中研院、臺灣師範大學以及張昭鼎紀念基金會的努力下,將營隊活動轉移到臺北。感念張昭鼎對原分所的貢獻,陳貴賢沒有第二句話,全力幫忙。從 2020 年開始,瑪麗居禮科學營就順利在臺北舉辦至今。

入世的科學家——張昭鼎

在原分所服務多年的陳貴賢,雖然和張昭鼎真正相處時間很短,但對張昭鼎的為人處世印象相當深刻。陳貴賢認為,張昭鼎之所以能體會基層的需求,正是因為吃過苦,他出身於困苦家庭,小時候幾乎都在戰亂中度過;而從小得知母親與「鴨母王」朱一貴的血緣牽連,也時刻提醒張昭鼎保持不隨波逐流的反叛思維。

陳貴賢:「他不是關在象牙塔裡面的科學家,他是一個入世的、對社會關懷很深的一個人。」

不僅在學術界有影響力,張昭鼎也在社會廣泛交友,認識許多執政黨與在野黨的人,並與他們建立友誼。陳貴賢提到,這也是當初李遠哲邀請張昭鼎擔任原分所籌備處主任的原因,看重他的人脈和社會參與能力。

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張昭鼎(右)是李遠哲(左)最敬愛的朋友,人脈相當廣。圖|陳貴賢

除了人脈廣,張昭鼎也力求資源妥善利用。陳貴賢說,之前一位芝加哥大學畢業的同仁曾經回憶,當年張昭鼎到芝加哥去招聘人才的時候,他住的旅館是 YMCA 青年旅館!其實原分所在籌備階段經費是相對充裕的,但是張昭鼎堅持不浪費,將人民的稅金用在最需要的設備添購上。「他的堅持令人敬佩」,陳貴賢說道。

陳貴賢接著回憶,在籌建原分所期間,張昭鼎與行政體系常有意見相左的情況,因為行政人員認為只有法律允許的才可以做。而張昭鼎則試圖在法律找到合情合理的談判空間,所以他在原分所籌建過程也協助突破許多公務採購障礙,提升政府的服務效率。

陳貴賢認為,張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。跨越族群的意思是,張昭鼎是閩南人、也是臺灣人,但是他不會因為本省/外省、客家/閩南等不同族群,在社會參與上劃地自限。跨越階級的意思是,他的出身困苦,並不是特權或貴族家庭,所以他是入世的、走出來的人,願意服務於基層,也願意為基層服務。

陳貴賢最後感慨地說,張昭鼎是跨越了不同階級與族群的人,只可惜他離開的早。接著,陳貴賢分享自己曾經隨手寫下的一首臺語歌,在訪談中哼了起來,以紀念張昭鼎先生。

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啦啦啦啦 啦啦啦啦
啦啦啦啦 啦啦啦啦
地瓜落土 才會生湠
等待春天的雨水
新希望

陳貴賢解釋,這首歌的意思是說,地瓜要放進泥土裡面,才會長出新的葉子,並等待春天的雨水到來。當春雨來的時候,就是一個新的世代。人生路途中,有些人留得比較久,有些人走得比較快。像張昭鼎先生雖然不幸離開,但後面會再有新的一代,就像代表臺灣人的地瓜一樣,堅持著地瓜精神,一直延續下去。

陳貴賢認為,張昭鼎是一個跨越族群與階級的行動家。圖|研之有物

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臺灣的空污問題與眾不同,如何使空污預報更精確?先瞭解大氣邊界層和感測物聯網吧!
研之有物│中央研究院_96
・2022/10/16 ・6113字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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/陳儀珈
  • 責任編輯/簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

你以為的大氣,不是真實的大氣!

大氣邊界層是人類的生活範圍,也是大部分空氣污染物存在的地方。然而,傳統氣象學模擬的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情況,因此真實的空氣污染現象和理論的模擬預測間往往存在顯著的差異,導致污染防制策略缺乏精確的指引。

中央研究院「研之有物」專訪院內環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長周崇光,他是建立空品專題中心的主要推手,研究團隊從大氣結構出發,試圖改善臺灣空氣品質的診斷及預報,這項計畫集結了來自民生公共物聯網國家高速網路與計算中心環境保護署等跨部門的資源,以下讓我們一起看周崇光怎麼說。

中研院環變中心研究員兼空品專題中心執行長周崇光。圖/研之有物

根據國際貨幣基金組織(IMF) 2021 年的報告,臺灣位列全球第 22 大經濟體,這個只有 3.6 萬平方公里的小小島國,一年內卻可以創造出高達 7,855.89 億美元的市場價值。

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在美國國家航空暨太空總署(NASA)公布的地球夜景照中,我們彷彿可以看見,高樓一棟棟升起、工廠一座座建成、百貨一間間林立,在又長又窄的西半邊,從北到南形成臺北、臺中和高雄三大都會區。

西部臨海,東部靠山,這個寬度可能不到 100 公里的窄長地區,不僅聚集了臺灣 2,300 萬人的極大多數人口,凝聚出商業與工業的巨大產能,更集結了大量、複雜的「空氣污染物」。中研院「研之有物」專訪周崇光研究員,請他從空氣品質與都市氣象學的角度,細細剖析空污議題在這座海島上的獨特之處。

ASA 在 2016 年 12 月 31 日拍攝的夜景照,可看出臺灣有北、中、南三大亮區。圖/NASA

臺灣雖然小,但空汙問題好複雜!

臺灣國土面積僅有 3.6 萬平方公里,以大氣尺度來看非常的小,然而,我們在空氣污染面臨的挑戰卻異常艱鉅。

臺灣不僅處於許多境外污染源的下風處,接受來自各方的空氣污染物,各大都會區也因為地形的關係吃足了苦頭,整個中西部更是在窄長的地域中,面臨來自山、海的多重影響。

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以下圖的臺中都會區為例,臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。

盆地內的空氣污染物原本就不容易擴散,再加上複雜的大氣環流和大氣化學反應,讓臺中的空氣品質狀況非常、非常的複雜,無法使用現有的大氣理論進行簡單的描述,使得大氣科學家極為不易於觀測和研究臺中的空污情形。

「這裡就像是巫婆煉湯一樣。」周崇光這麼說。

臺中位處於中央山脈西側的中央,本身是一個有數個開口的盆地,被多重大氣動力機制所影響,包含季風、海陸風、山谷風以及熱島環流,形成極度複雜的區域環流。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

臺灣在東北風的影響下,不適合傳統的高煙囪理論

周崇光笑著說,到處觀察「煙囪」是他的職業病。

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大陸環境的大氣結構相對簡單,自歐洲工業革命開始,傳統大氣科學的理論都告訴人們:越高、風越大,只要把煙囪建得高高的,就可讓風把污染物吹散、吹到很遠的地方。

平坦的大陸環境中,把煙囪建高可以讓煙流擴散及傳輸至很遠的地方。圖/rawpixel

「到了大陸國家,你會發現他們煙囪排出來的煙,經常是非常穩定的水平煙流,可以飄得很遠,這種煙流挾帶著空氣污染物飛到 10 幾公里外都不是問題!」,然而反觀臺灣的煙囪,卻很少出現這樣的水平煙流。

中研院空品專題中心對臺中火力發電廠的煙流觀測顯示,傳統高煙囪設計反而容易讓煙流進入「污染累積區」,在高度 450~800 公尺左右,橘色區域的空氣層風速僅有 0.5~3 公尺/秒。不同折線表示有兩個時段,分別是觀測當天凌晨 1 點到 3 點(紅線),以及晚上 19 點到 21 點(黃橘線)。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

根據中研院空品專題中心對火力發電廠的煙流觀測資料,如果臺灣的煙囪蓋得跟大陸國家一樣高,有時候反而容易造成空氣污染物的累積。

從上圖可知,當臺灣處在微弱東北風的大氣環境之中,西部沿海風速最快的大氣區域(藍底),大約落在 200~400 公尺高之間,此區的風速大約為 5~6 公尺/秒左右,以東北風為主,是空氣污染物的「最佳擴散區」。

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若是再往上,到了 450~800 公尺左右,風速驟然下降(橘底),僅有 0.5~3 公尺/秒。這個區域的大氣就像是被下層的東北風與上層的南風「夾擊」一樣,在兩個不同方向的風的對切之下,形成一個風速很低的「污染累積區」。

因此,若臺灣真的按照傳統的大氣理論建造高煙囪時,反而會讓煙囪的高溫煙流進入污染累積區;換個做法,如果煙囪低一點,才可以被強風吹散。

不過周崇光話鋒一轉:低煙囪設計要相當謹慎,也很難推行。高溫煙流排出去會有很明顯的白煙(水蒸氣凝結),一般人都不喜歡看到白煙離居住地太近,因此實務上還會特別做加熱設計,讓煙流先往上浮,再擴散,等於加高了煙囪的高度,這在工程上稱為「有效煙囪高度」。降低煙囪高度除了有視覺污染的問題,污染排放點離民眾越近,當工廠發生緊急異常排放時,異常事件的衝擊風險也會越大。

和傳統理論不一樣?那就做出臺灣自己的資料吧!

這麼經典的高煙囪理論,為什麼不能用在臺灣?

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周崇光表示,大氣科學的理論大都源自於美國、歐洲,使得傳統大氣理論都更適用於大陸環境之下,因此難以直接應用於臺灣地狹人稠的海島結構,而中研院空品專題中心的目標之一,就是發展出屬於臺灣的「空污氣象學」。

周崇光提到:「臺灣跟大陸國家的空間條件實在差太多,所以我們必須要更精確知道,臺灣空氣污染物的高度分布到底長什麼樣子,才能更有效的管制並改善空品狀況。」

既然臺灣無法參考大陸型國家的大氣狀況,那麼小一點的、近一點的國家呢?韓國、日本的有沒有參考的價值?

周崇光笑著說,「你知道嗎?臺中盆地也才 10 幾公里,但是外圍的中央山脈高達 3,000 公尺以上!」就算是韓國、日本,它們的地理空間也比臺灣大多了,而且地形也沒有這麼複雜。

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臺中盆地的衛星空照圖。圖/Wikipedia

當這麼多的工廠、車輛都擠在這小小的區域,究竟會對臺灣的空氣品質造成多嚴重的後果?某種程度來說,這也許是個細思極恐的問題呀。

因此,為了國內空污氣象學的發展,搞懂臺灣的大氣邊界層(Atmospheric boundary layer)是刻不容緩的工作。

大氣邊界層除了是人類的生活範圍,也是大部分的空氣污染物存在的地方,又被稱為行星邊界層(Planetary boundary layer)。在氣象學中,大氣邊界層指的是「直接受到地表作用影響」的大氣,高度從地表一直到數百至數千公尺不等,是大氣層中最靠近地球表面的部分。

然而,傳統氣象學所模擬出來的大氣邊界層結構並不符合臺灣的真實情形,因此,大氣科學家必須釐清大氣邊界層的氣象參數、動力機制,未來才能夠更精準的找到影響都市氣象以及空氣品質的關鍵因子。

但周崇光也感慨的說,「坦白講,目前臺灣還沒有辦法很『系統化』的改善邊界層的模擬條件,但我們仍然不斷的在努力,透過很多很多的調查、研究、模擬參數,漸漸地發展出半經驗、半理論的結構,最終的目標是歸納成一個系統性的成果,作為臺灣空污氣象學最扎實的理論基礎。」

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從大規模的調查研究、積極補足知識的缺口、重新建立理論模型,到回頭檢視國家的空污防制策略,大氣科學家必須腳踏實地的、一步一步的,藉由大氣科學研究的力量,才能讓空氣品質管制更上一層樓。面對迫切的空氣污染防制議題、空污氣象學理論的不足,「空氣品質專題中心」也應運而生。

中研院在「大氣物理與化學」的研究群早已相當成熟,有著極為厚實的研究經驗和基礎,然而為了讓研究目標更明確、進一步聚集研究能量並進行跨部門的合作,中研院以提出空污議題的科學解釋與建議對策為目標, 2021 年 1 月在環境變遷研究中心之下成立空氣品質專題中心,成為全國規模最大的空氣品質專業研究機構。

除了宣示中研院對空污議題的重視之外,如此一來,研究預算的匡列、人力的評估,都有更紮實、更有架構的基礎。擺脫以往研究員們「自動自發」的空品研究,在中心的管理之下,空污的學術研究更能夠產生聚焦效果。

更精確的空氣品質預報

如果大家點入行政院環保署的空氣品質監測網,可以發現,目前來自中央監測的空氣品質預報的解析度並不高,由於空品狀況站數僅有 85 站,只能以「北部」、「竹苗」、「宜蘭」、「花東」、「中部」、「雲嘉南」、「高屏」等大範圍空品區進行未來三日的預報,尚無法以「縣市」或更小的區域為單位提供精準的預報。

全國空氣品質指標的測站點位圖,可看出共有 85 個測站。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網
未來三日空品區預報,目前僅能呈現大範圍空品區預報。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/空氣品質監測網

因此,為了提供更先進的空氣品質預報,致力掌握國內 PM2.5 及 O3 等空氣污染物濃度變化情形的「高解析度空氣品質診斷與預報模式發展計畫」,是空品專題中心相當關鍵的研究計畫之一,此計畫是行政院前瞻基礎建設中「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」的一個分支,集結了中研院、國家高速網路與計算中心、環保署等跨部門資源。

該計畫預計發展一套 1 km*1 km 高解析度的 72 小時空氣品質預報模式,並描繪空氣污染物的 3D 空間分布,預期能夠對臺灣地區 PM2.5 及 O3 生成與傳輸過程進行更精確的模擬,進而應用於空氣污染事件的預報和成因診斷。

周崇光將這個計畫比喻為一個「神經系統」,由環保署統合高達 10,000 個感測器,就像是神經系統中的神經元,負責感知大氣環境中的變化,並透過民生公共物聯網提供的神經網路,將資訊傳輸至國家高速網路中心的超級電腦,而超級電腦就像是大腦一樣,提供強大的運算力,使得空污模式得以統合氣象條件、污染物排放量、以及感測器提供的環境變化狀況,計算和預報未來幾天空氣品質的可能變化。

雖然感測器來源不一,不同層級的靈敏度也有所落差,但隨著近年技術的進步和突破,微型感測器對 PM2.5 的監測資料已經具有足供參考的準確度,目前各縣市大約都有 100 個以上的微型感測器,環保署已經在全臺灣佈建了約 10,000 個感測器,透過高密度的監測數據進行資料分析,有效掌握全臺各地的空品狀態。

環保署已佈建約 1 萬個微型感測器,可監測各地 PM2.5 狀態。圖片資訊日期為 2022 年 9 月 13 日。圖/air 空氣網

此外,此研究計畫也希望藉由感測器的大量需求,協助推動臺灣感測器的產業,與經濟部、工研院合作推動感測器的國產化。目前工研院的技術已經技轉給國內廠商,國產感測器在環保署監測網的佔有率已達將近 3 成,未來會持續輔導相關廠商。

研究計畫一邊發展預報系統,也一邊透過微型感測器資料即時驗證預報的成效。就像是如果寫考卷時,我們可以一填答就馬上得知正確答案時,就可以隨時檢討自己的計算流程到底哪裡出了問題,不斷修正,找出最正確的解方。

同理,拜微型感測器遍布全臺之賜,大氣科學家逐漸能夠快速驗證空氣品質預報的模擬結果,有朝一日,國內空污的物理化學機制以及關鍵污染源,將不再是讓人頭痛的黑盒子。目前由於 PM2.5 的感測器已相對成熟且數量足夠,因此中研院空品專題中心已成功驗證 3 km*3 km 解析度之 PM2.5 預報資料,最終目標是精確到 1 km*1 km。

影/YouTube
中研院周崇光團隊已成功驗證高解析度 72 小時 PM2.5 預報資料,每小時可模擬 3 km*3 km 空間解析度,最終目標是精確到 1 km*1 km。圖片預報日期為 2021 年 12 月 18 日~2021 年 12 月 20 日。圖/研之有物(資料來源/周崇光)

如何讓空氣品質變好,又不影響現有的生活?

在中研院環變中心周崇光研究員帶領下的空品專題中心,其中一個核心精神,就是要對社會關鍵議題有貢獻。

專注發表學術論文是科學研究的本質,也是科學進步的動力,不過進行社會議題相關的科學研究通常會更辛苦,往往會花費極大的心力與時間。

做空氣污染防制就像是「精準醫療」的概念一樣,如何讓藥物只攻擊癌細胞而不對身體的其他地方造成太大的副作用?經過科學研究的探索後,如何讓臺灣的空氣品質更好而不衝擊社會文化和經濟?

空污管制並非是一味阻擋臺灣經濟和工業發展,空品專題中心希望可以藉由科學的力量,更精準、更沒有副作用的改善臺灣空氣品質。

除了大氣科學理論和空氣污染排放清單有所不足之外,像是能源政策、交通規劃、國土計畫都需要重頭思考。周崇光說:「一路研究下去,我們開始疑惑,當初為什麼我們都傻傻的,把這麼多的大型污染源擺在海邊,讓海風把污染物往內陸帶?為什麼臺灣的國土利用那麼集中?」這一些命題,都是一環扣一環。

最後周崇光強調,「空氣品質絕對是應用導向的研究,因此,我們除了做科學,也要讓這些研究結果有願景、有視野,讓臺灣變得更好。」

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