解密新海研 1、2、3 號身世！造船原來這麼不容易

• 作者／賴昭正｜前清大化學系教授、系主任、所長；合創科學月刊

我擔心人工智慧可能會完全取代人類。如果人們能設計電腦病毒，那麼就會有人設計出能夠自我改進和複製的人工智慧。 這將是一種超越人類的新生命形式。

——史蒂芬．霍金（Stephen Hawking）　英國理論物理學家

大約在八十年前，當第一台數位計算機出現時，一些電腦科學家便一直致力於讓機器具有像人類一樣的智慧；但七十年後，還是沒有機器能夠可靠地提供人類程度的語言或影像辨識功能。誰又想到「人工智慧」（Artificial Intelligent，簡稱 AI）的能力最近十年突然起飛，在許多（所有？）領域的測試中擊敗了人類，正在改變各個領域——包括假新聞的製造與散佈——的生態。

圖形處理單元（graphic process unit，簡稱 GPU）是這場「人工智慧」革命中的最大助手。它的興起使得九年前還是個小公司的 Nvidia（英偉達）股票從每股不到 $5，上升到今天（5 月 24 日）每股超過 $1000（註一）的全世界第三大公司，其創辦人（之一）兼首席執行官、出生於台南的黃仁勳（Jenson Huang）也一躍成為全世界排名 20 內的大富豪、台灣家喻戶曉的名人！可是多少人了解圖形處理單元是什麼嗎？到底是時勢造英雄，還是英雄造時勢？

在回答這問題之前，筆者得先聲明筆者不是學電腦的，因此在這裡所能談的只是與電腦設計細節無關的基本原理。筆者認為將原理轉成實用工具是專家的事，不是我們外行人需要了解的；但作為一位現在的知識分子或公民，了解基本原理則是必備的條件：例如了解「能量不滅定律」就可以不用仔細分析，即可判斷永動機是騙人的；又如現在可攜帶型冷氣機充斥市面上，它們不用往室外排廢熱氣，就可以提供屋內冷氣，讀者買嗎？

CPU 與 GPU

不管是大型電腦或個人電腦都需具有「中央處理單元」（central process unit，簡稱 CPU）。CPU 是電腦的「腦」，其電子電路負責處理所有軟體正確運作所需的所有任務，如算術、邏輯、控制、輸入和輸出操作等等。雖然早期的設計即可以讓一個指令同時做兩、三件不同的工作；但為了簡單化，我們在這裡所談的工作將只是執行算術和邏輯運算的工作（arithmetic and logic unit，簡稱 ALU），如將兩個數加在一起。在這一簡化的定義下，CPU 在任何一個時刻均只能執行一件工作而已。

在個人電腦剛出現只能用於一般事物的處理時，CPU 均能非常勝任地完成任務。但電腦圖形和動畫的出現帶來了第一批運算密集型工作負載後，CPU 開始顯示心有餘而力不足：例如電玩動畫需要應用程式處理數以萬計的像素（pixel），每個像素都有自己的顏色、光強度、和運動等, 使得 CPU 根本沒辦法在短時間內完成這些工作。於是出現了主機板上之「顯示插卡」來支援補助 CPU。

1999 年，英偉達將其一「具有集成變換、照明、三角形設定／裁剪、和透過應用程式從模型產生二維或三維影像的單晶片處理器」（註二）定位為「世界上第一款 GPU」，「GPU」這一名詞於焉誕生。不像 CPU，GPU 可以在同一個時刻執行許多算術和邏輯運算的工作，快速地完成圖形和動畫的變化。

依序計算和平行計算

一部電腦 CPU 如何計算 7×5+6/3 呢？因每一時刻只能做一件事，所以其步驟為：

• 計算 7×5；
• 計算 6/3；
• 將結果相加。

總共需要 3 個運算時間。但如果我們有兩個 CPU 呢？很多工作便可以同時（平行）進行：

• 同時計算 7×5 及 6/3；
• 將結果相加。

只需要 2 個運算時間,比單獨的 CPU 減少了一個。這看起來好像沒節省多少時間，但如果我們有 16 對 a×b 要相加呢？單獨的 CPU 需要 31 個運算的時間（16 個 × 的運算時間及 15 個 + 的運算時間），而有 16 個小 CPU 的 GPU 則只需要 5 個運算的時間（1 個 × 的運算時間及 4 個 + 的運算時間）！

現在就讓我們來看看為什麼稱 GPU 為「圖形」處理單元。圖一左圖《我愛科學》一書擺斜了，如何將它擺正成右圖呢？ 一句話：「將整個圖逆時針方向旋轉 θ 即可」。但因為左圖是由上百萬個像素點（座標 x, y）組成的，所以這句簡單的話可讓 CPU 忙得不亦樂乎了：每一點的座標都必須做如下的轉換

x’ = x cosθ + y sinθ

y’ = -x sinθ+ y cosθ

即每一點均需要做四個 × 及兩個 + 的運算！如果每一運算需要 10^-6 秒，那麼讓《我愛科學》一書做個簡單的角度旋轉，便需要 6 秒，這豈是電動玩具畫面變化所能接受的？

人類的許多發明都是基於需要的關係，因此電腦硬件設計家便開始思考：這些點轉換都是獨立的，為什麼我們不讓它們同時進行（平行運算，parallel processing）呢？於是專門用來處理「圖形」的處理單元出現了——就是我們現在所知的 GPU。如果一個 GPU 可以同時處理 10⁶ 運算，那上圖的轉換只需 10^-6 秒鐘！

GPU 的興起

GPU 可分成兩種：

• 整合式圖形「卡」（integrated graphics）是內建於 CPU 中的 GPU，所以不是插卡，它與 CPU 共享系統記憶體，沒有單獨的記憶體組來儲存圖形／視訊，主要用於大部分的個人電腦及筆記型電腦上；早期英特爾（Intel）因為不讓插卡 GPU 侵蝕主機的地盤，在這方面的研發佔領先的地位，約佔 68% 的市場。
• 獨立顯示卡（discrete graphics）有不與 CPU 共享的自己專用內存；由於與處理器晶片分離，它會消耗更多電量並產生大量熱量；然而，也正是因為有自己的記憶體來源和電源，它可以比整合式顯示卡提供更高的效能。

2007 年，英偉達發布了可以在獨立 GPU 上進行平行處理的軟體層後，科學家發現獨立 GPU 不但能夠快速處理圖形變化，在需要大量計算才能實現特定結果的任務上也非常有效，因此開啟了為計算密集型的實用題目編寫 GPU 程式的領域。如今獨立 GPU 的應用範圍已遠遠超出當初圖形處理，不但擴大到醫學影像和地震成像等之複雜圖像和影片編輯及視覺化，也應用於駕駛、導航、天氣預報、大資料庫分析、機器學習、人工智慧、加密貨幣挖礦、及分子動力學模擬（註三）等其它領域。獨立 GPU 已成為人工智慧生態系統中不可或缺的一部分，正在改變我們的生活方式及許多行業的遊戲規則。英特爾在這方面發展較遲，遠遠落在英偉達（80%）及超微半導體公司（Advance Micro Devices Inc.，19%，註四）之後，大約只有 1% 的市場。

事實上現在的中央處理單元也不再是真正的「單元」，而是如圖二可含有多個可以同時處理運算的核心（core）單元。GPU 犧牲大量快取和控制單元以獲得更多的處理核心，因此其核心功能不如 CPU 核心強大，但它們能同時高速執行大量相同的指令，在平行運算中發揮強大作用。現在電腦通常具有 2 到 64 個核心；GPU 則具有上千、甚至上萬的核心。

結論

我們一看到《我愛科學》這本書，不需要一點一點地從左上到右下慢慢掃描,即可瞬間知道它上面有書名、出版社等，也知道它擺斜了。這種「平行運作」的能力不僅限於視覺，它也延伸到其它感官和認知功能。例如筆者在清華大學授課時常犯的一個毛病是：嘴巴在講，腦筋思考已經不知往前跑了多少公里，常常為了追趕而越講越快，將不少學生拋到腦後！這不表示筆者聰明，因為研究人員發現我們的大腦具有同時處理和解釋大量感官輸入的能力。

人工智慧是一種讓電腦或機器能夠模擬人類智慧和解決問題能力的科技，因此必須如人腦一樣能同時並行地處理許多資料。學過矩陣（matrix）的讀者應該知道，如果用矩陣和向量（vector）表達，上面所談到之座標轉換將是非常簡潔的（註五）。而矩陣和向量計算正是機器學習（machine learning）演算法的基礎！也正是獨立圖形處理單元最強大的功能所在！因此我們可以了解為什麼 GPU 會成為人工智慧開發的基石：它們的架構就是充分利用並行處理，來快速執行多個操作，進行訓練電腦或機器以人腦之思考與學習的方式處理資料——稱為「深度學習」（deep learning）。

黃仁勳在 5 月 22 日的發布業績新聞上謂：「下一次工業革命已經開始了：企業界和各國正與英偉達合作，將價值數萬億美元的傳統資料中心轉變為加速運算及新型資料中心——人工智慧工廠——以生產新商品『人工智慧』。人工智慧將為每個產業帶來顯著的生產力提升，幫助企業降低成本和提高能源效率，同時擴大收入機會。」

附錄

人工智慧的實用例子：下面一段是微軟的「copilot」代書、谷歌的「translate」代譯之「one paragraph summary of GPU and AI」。讀完後，讀者是不是認為筆者該退休了？

GPU（圖形處理單元）和 AI（人工智慧）之間的協同作用徹底改變了高效能運算領域。GPU 具有平行處理能力，特別適合人工智慧和機器學習所需的複雜資料密集運算。這導致了影像和視訊處理等領域的重大進步，使自動駕駛和臉部辨識等技術變得更加高效和可靠。NVIDIA 開發的平行運算平台 CUDA 進一步提高了 GPU 的效率，使開發人員能夠透過將人工智慧問題分解為更小的、可管理的、可同時處理的任務來解決這些問題。這不僅加快了人工智慧研究的步伐，而且使其更具成本效益，因為 GPU 可以在很短的時間內執行與多個 CPU 相同的任務。隨著人工智慧的不斷發展，GPU 的角色可能會變得更加不可或缺，推動各產業的創新和新的可能性。大腦透過神經元網路實現這一目標，這些神經元網路可以獨立但有凝聚力地工作，使我們能夠執行複雜的任務，例如駕駛、導航、觀察交通信號、聽音樂並同時規劃我們的路線。此外，研究表明，與非人類動物相比，人類大腦具有更多平行通路，這表明我們的神經處理具有更高的複雜性。這個複雜的系統證明了我們認知功能的卓越適應性和效率。我們可以一邊和朋友聊天一邊走在街上，一邊聽音樂一邊做飯，或一邊聽講座一邊做筆記。人工智慧是模擬人類腦神經網路的科技，因此必須能同時並行地來處理許多資料。研究人員發現了人腦通訊網路具有一個在獼猴或小鼠中未觀察獨特特徵：透過多個並行路徑傳輸訊息,因此具有令人難以置信的多任務處理能力。

註解

（註一）當讀者看到此篇文章時，其股票已一股換十股，現在每一股約在 $100 左右。

（註二）組裝或升級過個人電腦的讀者或許還記得「英偉達精視 256」（GeForce 256）插卡吧?

（註三）筆者於 1984 年離開清華大學到 IBM 時，就是參加了被認為全世界使用電腦時間最多的量子化學家、IBM「院士（fellow）」Enrico Clementi 的團隊：因為當時英偉達還未有可以在 GPU 上進行平行處理的軟體層，我們只能自己寫軟體將 8 台中型電腦（非 IBM 品牌！）與一大型電腦連接來做平行運算，進行分子動力學模擬等的科學研究。如果晚生 30 年或許就不會那麼辛苦了?

（註四）補助個人電腦用的 GPU 品牌到 2000 年時只剩下兩大主導廠商：英偉達及 ATI（Array Technology Inc.）。後者是出生於香港之四位中國人於 1985 年在加拿大安大略省成立，2006 年被超微半導體公司收購，品牌於 2010 年被淘汰。超微半導體公司於 2014 年 10 月提升台南出生之蘇姿豐（Lisa Tzwu-Fang Su）博士為執行長後，股票從每股 $4 左右，上升到今天每股超過 $160，其市值已經是英特爾的兩倍，完全擺脫了在後者陰影下求生存的小眾玩家角色，正在挑戰英偉達的 GPU 市場。順便一題：超微半導體公司現任總裁（兼 AI 策略負責人）為出生於台北的彭明博（Victor Peng）；與黃仁勳及蘇姿豐一樣，也是小時候就隨父母親移居到美國。

（註五）或。

延伸閱讀

• 「熱力學與能源利用」，《科學月刊》，1982 年 3 月號；收集於《我愛科學》（華騰文化有限公司，2017 年 12 月出版），轉載於「嘉義市政府全球資訊網」。
• 「網路安全技術與比特幣」，《科學月刊》，2020 年 11 月號；轉載於「善科教育基金會」的《科技大補帖》專欄。

因應海洋研究需求，科技部繼 9.5 億打造「勵進」研究船後，今年底、明年初又有三艘 16 億的研究船「新海研 1 號、2 號、3 號」，投入海洋研究的行列，預備接替服務 30 年老船的「海研一、二、三號」任務，組成新的海研船隊。

三艘海上尋寶船，居然能開拓疆土？

新海研 1 號全長 66 公尺、2200 噸，未來由臺灣大學營運管理，主要跑遠程航線；新海研 2 號與新海研 3 號體型稍小，全長 40 公尺、800 噸，由臺灣海洋大學及中山大學管理，分別會跑東海與南海航線。

可別把海研船想得跟漁船、貨船一樣喔！海研船載著先進的儀器，就像是海上的「尋寶船」，可以藉由聲納、岩芯採樣等設備，來發掘海底的「寶物」、揭開海平面下的秘密，無論是對天然海底資源的開採，或是海軍潛艦攻擊與防衛皆很重要。

更厲害的是，海研船甚至能為國家擴大「海權」呢！

根據《聯合國海洋法公約》規定：如果沿海國的陸地領土有自然延伸的海床和底土範圍（大陸棚範圍），就算超過 200 海哩的專屬經濟區 (EEZ)，該國仍有海底資源開發權。

中山大學海洋科學院副教授張詠斌表示，這項規定讓各國無不卯足力量，證實鄰海附近的大陸棚與本國領土相連，正因如此，備有探測聲納裝備的研究船在他國附近海域就非常敏感。

2012 年日本就曾向聯合國申請擴大 31 萬平方公里的大陸棚面積，相當於其國土的 82％，大大增加日本對海域探勘與資源開採權，可是讓韓國、中國氣得跳腳呢^註1！

好的，現在知道「海研船」的厲害了吧！在「新海研 1 號、2 號、3 號」還沒正式開啟科研任務前，泛科學先帶大家到臺灣國際造船（臺船）的基隆廠區，瞧瞧新船的模樣，搶先一看新船的儀器設備。

海研船底的秘密：各式昂貴的聲納儀器

走進基隆廠區內，從鋼材切割、加工組裝、焊接，加裝儀器，一個個架高的棚子搭起造船生產線，這時，新海研 1 號（新海 1）已進到船塢內了。臺船將船塢的水抽乾、架高船底準備為新海一上白色的新塗裝，而塗裝完畢後，新海一就會進入海上測試階段了。

「人生難得有機會看到船底啊！快拍照」臺大海洋研究所教授詹森說道，邊拿起手機與船底的螺旋槳自拍。詹森是新海研船籌備小組成員，也是新船從無到有的催生者之一，籌備三年期間，除了到各部會開會，就是跑船廠「盯哨」看進度，開工後每月都到船廠三次，把船當成自己的孩子一樣。

其實，海研船最重要的武器都在船底喔！抬頭一瞧，船底下有各式圓圓、長長的凹槽，這些可不是進出水的洞，而是埋了市值數百萬的聲納儀器的地方喔！

船底的聲納儀器有三種：

1. 多音束測深儀 (Multi-beam)：讓研究船從大近視變成裸視 1.0

船底下長型、排列呈 T 字型的裝置，就是聲納設備「多音束測深儀」(Multi-beam)，紅色的面則是它發出聲波的音鼓。雖然它看起來毫不起眼，卻是新海研船的鎮船之寶，也是船上最貴的儀器。

有了它，臺灣就能仰賴它準確掃射海底地形，提升研究品質，順便探測海底大陸棚，擴大我們的海洋國土（誤）。

張詠斌表示，以前量測地形都是用「單音束」(Single-beam) 的測深儀，一次只能發射單束聲波，然後讓船慢慢開，一點一點把資料串起來，合成海底地形資料，但點跟點之間會產生誤差，比如說有魚游過去、水下干擾，或是地形造成波折射等誤差都無法排除，就像是「近視的人看海底，覺得底下有東西，但看不清楚是什麼形狀」。

但 Multi-beam 不一樣，不同頻率的聲波出去，可以得到各種頻率掃出去的結果，頻率越低的波束可穿透的水深越深，再將資料比對，清楚的地形資料就出來了，如同戴上眼鏡一般。

新海研配置的 Multi-beam，新海 1 在 6000 米內有效，新海二、三則是 3000 米。臺大海研所楊穎堅教授形容，以前用 Single-beam 像是拿鋤頭耕田，一次只能掃一條線，現在 Multi-beam 則是耕耘機翻土，可掃射整個海底面。

2. 單音束科學測深儀 (Single-beam)：小兵立大功

除了長型的 Multi-beam 之外，船底還有許多紅色圓形的聲納裝置（長得好像爵士鼓啊～），像是單音束測深儀或科學魚探機器 (Single-beam)，可發射單一脈衝至海底，用地形反射傳回的聲波強度推估水深。

張詠斌表示，雖然 Multi-beam 比 Single-beam 厲害許多，能將海底地形掃得更清楚，但 Single-beam 的好處就是不需經過資料處理，可以馬上秀出那條線的地形圖，而 Multi-beam 則需要比較繁複的資料處理。

因此，研究者在用 Multi-beam 前，還是會拿 Single-beam 為地形把個脈，做個初步探測。

3. 都卜勒流速剖面儀 (ADCP)：都卜勒效應好好用

另一組圓形裝置就是 ADCP ，它應用都卜勒原理，當反射波的波長變短、頻率變高，就表示水流向音鼓發出的聲源移動，反之則遠離聲源，使用四組音鼓就可以推算水流速度剖面。

船底除了三組聲納設備外，還裝設「超短基線 (USBL)」水下定位系統，因應水下儀器無法裝設 GPS，工作人員會將 USBL 收發器裝在船底，應答器放在儀器或載具上，藉由回傳的訊號量測兩者間的距離。

慢工出細活，研究船設計可需要高深的功夫！

臺船有近 50 年的造船經驗，但這是臺船第一次建造高級研究船。

臺船專案經理、基隆廠主任施炎輝表示，臺船造船速度很快，但造研究船沒辦法那麼快，儀器設備自國外進口、安裝、測試其實都需要時間，且船的設計必須符合研究需求，像是船尾的底部要非常平坦，如果設計不好，聲納儀器的效果就會大打折扣。

其講究的程度連壓克力板的厚薄都得調整。詹森表示，聲納的壓克力板太厚會吸收聲波，所以廠商必須要重新訂製。

此外，研究船實驗室與主機房內，儀器眾多，要如何將大把如同頭髮般的電線理得整齊、便於維護也是個難題。由此可知，研究船的施工與設計細節還真不少呢！

為了讓研究船可以平穩運行，有別於之前用柴油主機帶動馬達，新海研船使用發電機帶動馬達，以推動螺旋槳轉動，因此它的航行噪音較小、振動也比較輕微。此外，海研船也配置「減搖裝置」，像是新海 2、新海 3 都裝上了陀螺儀，日後研究人員暈船的狀況就「可能」不會那麼嚴重了XDD

另一方面，新海研船上還備有「動態定位系統」(DP)，臺船造船師傅提到，這個系統只有軍事船和特殊需求的船才會裝，它能夠分析海流狀況、修正船與原本 GPS 定位的差距，並調整船的位置，讓船可以不偏移。

詹森表示，以前海研船都是靠經驗老道的船員「手動」調整位置，有了 DP，船的定位可以更精準。

近期新海 2、新海 3 進入海上測試階段，臺大海研所副教授楊穎堅已搶先搭上新海 2，他表示相當滿意，「新海研船相當平穩、安靜，船的轉身速度敏捷」。

儀器測試亦是海研船交船前的重要一環，一般商船大多海試三天，海研船儀器測試和校正可是要花兩三個月呢！楊穎堅表示，臺船技術不錯，因為聲納設備跟船體的方位校正通常要花 24 小時，但新海 3 只花了 5 小時就校正完成，可見安裝時的偏離角度不大。

安全第一！新海研可是更注重安全了呢！

海研船的安全也是重要一環，在海研五號 2014 年不幸沉沒，兩位優秀研究者罹難後，監察院糾正科技部和交通部，提及海研五號的操船公司未依規定取得「安全管理章程」(International Safety Management Code,ISM)，導致海五「因人為操作缺失而沉沒」。

詹森表示，海五是大家的痛，管理海研船的學校與機構有責任維繫研究人員與學生的安全，依科技部規定新海研 1、2、3 號建造與營運都要符合 ISM 規定，船隻管理的學校臺大、海大與中山也要取得該船的「安全管理認證書」。

張詠斌提到，研究船屬於公務船，原本可以豁免 ISM，但因為海五的緣故，研究船的安全必須提升至客船等級且需符合各項國際公約，所以臺船更改設計加強船體結構、救生、水密與防火設備等等，加上每位船員都有個人房間，因此新海研 1、2、3 號即使噸位變重，容納人數也沒有增加太多。

詹森提到，研究船的安全一來倚賴優質船廠，二來則是營運單位的管理，「船員一定要由學校自己聘，不能用外包」，這樣讓船員對船有感情，做事會比較認真和謹慎，且能夠直接與研究人員溝通，對海上研究作業也有幫助。

「現在的研究船稍微可惜的地方就是研究作業區太小，像把整個貨車的東西擠在小客車上。」張詠斌表示，以安全為優先是對的，但希望日後設計研究船時也把研究需求列入考慮。

目前新海研 2 號、新海研 3 號正在最後的海試階段，在順利通過儀器檢測、驗船後，已於今 (2019) 年 11 月舉辦交船典禮，而新海研 1 號則會在明年才會完成交船。

你是否跟我一樣等不及看海研船海上馳騁的英姿呢？讓我們一起期待他們正式服役後為我們的研究帶來的新進展吧！

新海研三姐妹的小檔案（資料整理／簡鈺璇）

註解：

1. 自由時報：日本延伸大陸棚 首獲聯合國承認

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不少人都對海上研究充滿美好的想像，「海上研究就像搭著公主郵輪到海上度假？」、「海上研究可以邊研究邊捕魚，三餐都吃得到現撈海產？」。其實並不然，海上研究非但一點也不舒適，反而充滿危險，是許多海洋研究者的夢魘。

1980 年代，海研一號開啟了臺灣海洋研究的紀元，九成以上的國內海洋研究者都曾上船做研究，相關人員都對海研船又敬又怕！因為就算海象再怎麼不好，都得打起精神做實驗。

過去在臺大海洋研究所做實驗時，我總是腰間繫著塑膠袋，邊吐邊做實驗。

——臺灣海洋大學海洋環境與生態研究所終身特聘教授龔國慶

海三（海研三號）又小又晃！這讓初次擔任領隊的我，暈到躺在船艙的床上，看著圓形的窗框，一下是天、一下是海。學生也常在海洋實習過後，告訴我再也不要上船，果真「男怕入錯行」。

——中山大學海洋科學系副教授張詠斌

而這樣的辛苦的經歷，也為臺灣帶來豐碩的研究成果。正值海研船即將汰舊換新之際，讓我們一同回顧臺灣海研船的歷史與重要的海洋研究篇章吧！

開啟臺灣海洋研究的長老：海研一號

海研一號（以下簡稱：海一）是臺灣第一艘專為海洋探測與教學而興建的研究船，也是臺灣現行最老的研究船。1984 年委由挪威的造船廠建造，全長 50 公尺，總排水量 800 噸。目前以高雄港為母港，並由國立臺灣大學海洋研究所負責管理與維護。

臺大海研所教授詹森表示，他念臺大海研所碩士時，船才剛來，當時全所都很興奮，從此海洋研究不再是紙上談兵。即便現在海一船齡有 35 年，至今風華依舊，扣除歲修保養期，每年可跑 250 天。

海研一號跑遍了臺灣附近所有海域，包括：臺灣北部的東海、南部的南海與東部的西太平洋，最北至長江口，最遠則至帛琉海域。自 1985 年至 2015 年累積航跡總長達 168 萬公里，相當於繞地球 43 周。

海研一號參與無數國際合作計畫，尤以 2000 年與美國海軍研究處（ONR）合作的「亞洲海域國際聲學實驗」（ASIAEX）聞名於世。在此之後，臺美開始長期合作研究計畫。

臺大海研所教授詹森表示，這項實驗是美軍因應潛水作戰而發起的計畫，因為海水中的聲音傳播會受到波動、鹽度、壓力等影響，所以藉由這項計畫為各國水域展開相關研究，期能為潛艦作戰與防禦帶來幫助。

海研一號在這項計畫中，參與南海北部的聲學實驗（該區域亦為中共潛艦區）。然而，南海北部的海洋環境過於複雜，ASIAEX未能做出系統性的結果，但卻有意外的收穫：發現南海北部「東沙大陸棚外」有個全球最大的內波。這個內波可在 15 分鐘內落差達 150 公尺，足以淹掉北車前的新光大樓。內波不僅影響潛艦安全，還能翻攪海水，改變水溫與海水營養鹽成分，影響颱風生成、海底生物多樣性。（關於內波的實驗成果，延伸閱讀：海洋下的風暴：南海巨大內波生命）

2015 年起，海一協助臺大進行「海氣象浮標」觀測計畫，在西北太平洋颱風必經區放置兩個浮標，透過它們可即時觀測海上與海下的水溫、氣壓、鹽度等數據，並以衛星回傳資料。

「浮標計畫其實是不可能的任務」詹森說，海上天氣險惡，像他學海洋物理的人都不敢貿然施放浮標，但前任所長魏慶琳為了圓已故好友唐存勇教授的夢，積極籌設「海上颱風觀測網」，堅持試試看，在所內同仁的努力下，沒想到就成功了！

投放至今，兩個浮標被無數個颱風穿過去，像是強颱尼伯特，但它們仍堅守崗位，每十分鐘回傳一次資料，「颱風到來時，看這些數據就如同看球賽轉播般的精彩。」詹森教授表示，後來氣象局也參與此計畫，希望未來能將浮標數據放入氣象預報的數值模型中。（延伸閱讀：海上浮標護衛臺灣，讓準確預報颱風不是夢、台灣大學海洋研究所：海氣象及時傳輸浮標）

曾衝到長江口的小船——海研二號

海一作為臺灣海研船的起點，接續其使命的小船便為海研二號（以下簡稱：海二）、海研三號（以下簡稱：海三）。這兩艘小船在 1993 年委由慶富製造，噸位都低於海研一號，主要負責較近海的研究。

海研二號在 1993 年來到海洋大學，當時的校長希望甫從臺大海洋研究所博士班畢業的龔國慶能以就學期間使用海一的研究經驗，協助海二的管理與營運。

這一參與就快 27 年，今年海大校長張清風請他再去協助接收「新海研 2 號」，預備讓海二退休。「海研二號就像自己的孩子一樣！」龔國慶有感而發地說。

由於噸位小，船上無減搖裝置、北部又面東北風的緣故，搭乘海二研究必備「拚搏」的精神，風一大，晃個 10-20 度以上是常有的事。

龔國慶主要從事海洋化學與生態的研究，而化學生態組在海研船上常是最忙、最累的一組。每一站都得透過採水瓶，將十幾罐不同深度的水取出，拿到實驗室再將不同水瓶分類、加藥、過濾和前處理，有時尚未處理完後，下一站取水點又到了，「忙到邊吐也要邊做」。

他以 30 幾年海上研究經驗來傳授防暈心法，「不要怕吐，暈船還是要吃飯喝水喝可樂，絕對不要用吃藥睡覺來逃避，只要你面對它，展現意志力，就可以克服它。」

海研二號相繼參與兩個為期十多年的研究，包括「黑潮邊緣交換過程研究」（KEEP, 1989-2000）及「東海長期觀測與研究」（LORECS, 2000-2017）。

在 LORECS 研究計畫中，龔國慶教授曾領著海一、海二到長江口觀測興建三峽大壩對東海生態的影響。研究發現：大壩興建後，營養鹽減少，影響出海口的海洋生產力與生物多樣性。不過卻也意外發現，只要長江上游出現超大洪水，反而會為海上的藻類、浮游生物補充養分，增加漁業資源，不過也可能同時也帶來上游的污染。

隨著臺海情勢的加溫，近年來臺灣研究船已很難再到長江口了，「海一、海二（有這樣的經歷）算是空前絕後了！」

龔國慶亦領著團隊觀測「極端氣候對海洋影響」，在三、四月東北季風強盛時，出海觀測沙塵暴對海洋食物鏈及二氧化碳吸收的情形，發現沙塵暴帶來的鐵離子可補充海洋所缺乏的微量元素，利於藻類和浮游生物生長，增加二氧化碳的吸收量。

除了春天觀測沙塵暴外，為了觀測颱風過境對海洋生態的影響，龔國慶的研究團隊整個暑假都在等待時機，一遇到東北部外海有颱風形成時，便趕在海上颱風警報未發布時出航，測颱風前海洋生態與吸收大氣二氧化碳的反應，然後在陸上颱風警報解除後，隨即在兇猛湧浪尚未平息的狀況下，再出航取得颱風後的資料，進行颱風前後觀測資料的比對。

龔國慶表示，沙塵暴與颱風觀測都是發生在海象最惡劣的狀況，「但不做就不知道沙塵暴與颱風來臨時，海洋會發生什麼事情啊！」

海二克服颱風、東北季風為臺灣帶來寶貴的研究，今年九月龔國慶的研究團隊將帶同學們一起至黑潮洋流做塑膠微粒以及渦旋的觀測，一去又是九天，海二上無海水淡化器，為了省水，第五天後研究人員即使流汗，也得忍著不能洗澡，屆時又是辛苦但收穫滿載之旅。

海上儀器檢測站：海研三號

海三與海二是姊妹船，在同一年由同一造船廠製造，都負責近海研究。

張詠斌對海三的第一印象不算太好，從臺灣海洋大學畢業後，回到中山大學就當海三領隊，帶七天的航次。

「其實我很會暈船，頭一次上海三前兩暈到攤在床上，很不舒服，只能默想：明天會更好來撐過去。」張詠斌表示，好不容易適應海上狀況後，回到岸上又「暈路」，走路不自覺晃動，旁人看起來會覺得好笑。

海洋三號對中山海洋科學院來說相當重要。張詠斌表示，中山大學負責南海的研究，亦在東沙群島成立「東沙國際海洋研究站」，往來東沙研究工作大都由海三來協助的。此外，臺灣西南海域（墾丁外海附近）蘊藏天然能源「甲烷水合物」（可燃冰），海三有協助探勘的任務。

張詠斌表示，海三因為船小的關係，甲板空間有限，無法探鑽長達十幾公尺的地質岩芯，所以通常利用海三做前期觀測，確認地殼的成分，以及有無石油或天然氣，因為地質岩芯一鑽下去，遇到天然氣可能引爆危及船隻安全。

去（2018）年臺灣和法國的研究團隊聯合探勘西南海域，法國海洋研究船「瑪麗杜凡號」（Marion Durfresne）執行 25 公尺的岩芯採樣，首度鑽獲可燃冰。張詠斌表示，海三雖然挖不到可燃冰，但至少將把打岩芯前的功課做足了。

海三另一項重要任務，便是協助中山海下科技研究所做儀器測試。海下科技所是臺灣唯一專職開發水下載具的研究所，張詠斌表示，過往他們利用海三開發多項先進水下載具，能夠承受 3、4000 公尺的深海水壓，即時傳回海床的影像資料。

中山大學開發載具包括深海拖曳式攝影系統（ATIS）、深海拖曳式光纖探測系統（FITS）、深海視訊多管岩心採樣器（V-Corer），及視訊導引抓斗（TVG）。張詠斌表示，以往採集沈積物都是瞎子摸象，挖起來才知道有沒有挖到，現在靠著水下攝影載具，可以看到再取，大幅提升研究效率與品質。

海三協助開發的「深海拖曳式即時攝影系統ATIS」拍攝到海床泥火山噴發甲烷氣體的畫面

合體任務：意外的空難搜救

三艘海研船各自有重要的使命和任務，合體的機會少之又少，非常難得。其中一次是 2002 年澎湖空難。

當時華航客機墜海，由於海研船配備科學儀器與專業人員，三艘船遂加入搜救行動；主要利用聲納系統來搜尋機身殘骸，找出殘骸座標，以提供飛安會進行打撈。

30 年來，海研一號、二號、三號陪伴許多國內學者歷經身份的轉變，自學生、講師至教授，逐步在海洋研究的領域中大展身手。三艘海研船隨著時間老舊，每年歲修、保養期逐年拉長，為了航行安全與研究計畫持續，勢必得汰舊換新。今年底和明年初，新的海研船將陸續交船，回顧感謝三艘老船的同時，也期待新海研船能帶來更豐碩的研究成果。

海研三姐妹的小檔案（資料整理／簡鈺璇）