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過了這次乾旱還有下次!臺灣不容樂觀的水資源困境──專訪許晃雄

研之有物│中央研究院_96
・2021/07/12 ・4976字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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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|陳亭瑋
  • 美術設計|林洵安

臺灣在 2021 前半年面臨嚴重的乾旱,中南部水情見紅,讓在地居民相當憂心。這次乾旱是否就是氣候變遷的結果?中研院環境變遷研究中心許晃雄特聘研究員指出,氣候系統極端複雜,不宜驟下結論。那麼,科學家是如何評估氣候的?首先需要處理複雜運算的「地球模擬器」,而許晃雄就是「臺灣地球系統模式」的主要推動者。如何用氣候模式看待乾旱?透過研之有物專訪一起瞭解。

「長期來看,未來下雨的情況,臺灣的水資源、自然災害的情況都容不樂觀。」許晃雄認為,依據氣候變遷推估的情境,雖然本次為號稱百年一遇的大旱,但未來類似的旱象極可能更加頻繁。圖/研之有物

未來還會有乾旱嗎?

佇立在桃園石門水庫的土地公廟與酋長石,隨著枯水期蓄水吃緊,奇景完整浮現在遊客面前;旱象之下日月潭持續乾涸,手機、車牌、乾隆年間的墓碑以及邵族沉沒的大型獨木舟也陸續在潭底被尋獲。

2021 前半年,臺灣遭遇號稱百年最大乾旱,中南部連續「好天氣」未有降水。事情要回到深受疫情影響的前一年,2020 的初夏梅雨少落,夏秋颱風罕見地過門不入,翻年受高壓影響春雨只走了個乾巴巴的過場。解除旱象始終要看老天爺的臉色,而推估未來的氣候走向,則是中央研究院「環境變遷研究中心人為氣候變遷專題中心」的核心任務。

「長期來看,未來下雨的情況,臺灣的水資源、自然災害的情況都容不樂觀。」中研院環境變遷研究中心特聘研究員許晃雄認為,依據氣候變遷推估的情境,雖然本次為號稱百年一遇的大旱,但未來類似的旱象極可能更加頻繁。今年的旱象應該視為水資源管理的重要警訊,提醒臺灣全體及早為了氣候變遷做出適當的因應。

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規劃因應對策之前,首先當然需要了解在氣候變遷的情境下,臺灣的氣候將面臨哪些變異與變遷。自 2010 年起,以中央研究院環境變遷研究中心為核心,在科技部的支助與中研院的支援下,聚集臺灣多所大學的研究人員,組成了「氣候變遷研究聯盟」,以建立臺灣氣候變遷模擬與詮釋所需的關鍵能力。除了自行研發改進「氣候模式系統」,也利用此模式研判氣候變遷與極端天氣未來將帶來的衝擊。

科學家如何「算計」氣候系統?

氣候模式是什麼?又如何估算未來氣候狀況呢?

「(氣候模式系統)有點像是用電腦語言建一個『地球模擬器』,電腦基本上可以模擬我們觀測到的現象,比如說大氣、環流、海洋、水循環、雲。」許晃雄說明,透過將地球在水平方向切割成數萬個網格(每格約 60~100 公里)與垂直方向數十層,就可用超級電腦進行模擬、計算出每個網格的氣候狀況。

許晃雄表示,全世界目前有約 40~50 個「地球模擬器」,但還沒有公認模擬或推估能力最完善者,各單位的成果各有長處與短板。現階段如聯合國政府間氣候變遷專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC)撰寫氣候變遷評估報告的時候,通常會採用類似「多數決」,同時使用多個模式,以多模式模擬和系集模擬(ensemble simulation),獲得重要的預估資料。

現有的諸多氣候系統模式均投入了許多科學家的努力,但離完美模擬還有很長的一段路要走。由地球科學的角度來說,地球可以被分成大氣、冰雪、水、陸地、生物等五項子系統,這五項系統的交互作用,都會影響地球的氣候。因此考慮這些子系統間相互影響的物理過程,根據物理、熱力、化學定律組成的方程式,編寫成電腦程式,就可以在超級電腦上模擬大氣、陸地、海洋隨時間的變化。但是,全球氣候模式的解析度仍不夠精細,每格網格大小為數十到百公里,在此一尺度上,無法處理較小尺度、但極重要的物理過程(如大氣輻射、對流、氣膠、雲等),都需要將之以參數簡化,這也造成不夠精確的氣候模擬結果。

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「像是在原本的氣候模式裡面,很難定義『一朵雲』。」

許晃雄說明,區域天氣中很重要的雲朵、地形輻射等因素,在原本的參數裡都難以精準呈現。而這也是許多科學家持續努力的目標,在此,臺灣的研究團隊自然也沒有缺席。

臺灣「氣候變遷研究聯盟」團隊在有限的人力物力之下發展「臺灣地球系統模式」(Taiwan Earth System Model,TaiESM,解析度約 100 公里, 無法模擬颱風),以既有的美國國家大氣研究中心「社群地球系統模式」(CESM1)與美國海洋與大氣地球物理動力實驗室「高解析大氣模式」(HiRAM,解析度約 25 公里, 可以解析颱風)為基礎,再納入臺灣特有研究專長的模組,改善大氣物理參數化,以及海洋模組的調整。

舉例來說,TaiESM 的特色之一,即是納入臺大大氣科學系自行研發的「雲與氣膠」模組,在運算中大幅改善了對於氣膠與雲的微物理交互作用的模擬能力;還有中研院環變中心的三維地形對太陽輻射的吸收,雲量的模擬與對流的啟動機制;此外關於海洋模組,中興大學發展出「海氣交互作用」模組,對於一維雪、冰、海洋模組有極高的解析度,並且耦合全球大氣模式後,可以成功呈現許多氣候模式都無法恰當模擬的熱帶「季內振盪」(Intraseasonal Oscillation,ISO),其對於全球天氣氣候影響僅次於聖嬰現象。

氣候模式系統有點像是用電腦語言建一個「地球模擬器」,模擬我們觀測到的現象。氣候模式系統會將地球在水平方向切割成數萬個網格(每格約 60~100 公里)與垂直方向數十層,因此模擬所需計算量龐大,需要用超級電腦計算出每個網格的氣候狀況。圖/研之有物

許晃雄分享,雖然「臺灣地球系統模式」建置的研究人力與資源遠不如國外相關的團隊,但已在短短的十年間獲得不錯的成果。近年已經加入世界氣象組織轄下世界氣候研究計畫中的「耦合模式比對計畫」(Coupled Model Intercomparison Project,CMIP)第六期計劃,臺灣成為少數有能力模擬與推估長期氣候變遷的國家,並且將貢獻相關成果給全世界。TaiESM 還有不少需要改進的地方,但是與全球數十多個模式評比發現,TaiESM 模擬現代氣候的表現與全球領先的地球系統模式相比,並不遜色。

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複雜就是臺灣氣候系統的特色

當然,人為氣候變遷專題中心研究團隊也被大眾期待要處理在地議題,而模擬臺灣附近的氣候系統,本身難度就較世界其他地方高一截。「臺灣屬於亞洲季風區,全世界的季風區中,最複雜的地方。在這個區域中,有多重尺度的交互作用必須要同時處理。」許晃雄說明。

臺灣的天氣氣候深受颱風跟季風的影響,但這兩者有尺度上有一定的差異,但彼此間又會有複雜的交互作用。颱風本身會影響大尺度的環流,從而影響季風系統;反之季風系統的情況,本身也會影響颱風的生成。臺灣剛好位在歐亞大陸與太平洋的交會點,海陸分布很複雜,處於多個系統的交會點,也就很容易受到遠方的氣候因子影響。

如今年的旱象,起源自去年度氣溫較高,太平洋副熱帶高壓強,海面上生成的颱風弱而生命期短;也有研究指出,去年度印度洋海溫破紀錄,的確有可能會影響太平洋颱風生成;而在氣候變遷的情境下,印度洋的確是海溫升高速度最快的洋盆……此間的關係錯綜。許晃雄提醒,氣候系統極端複雜,雖然有些現象與推估類似,但原因不同,不宜貿下結論認為本次的臺灣大旱都是由氣候變遷所導致。

「大氣是連續的,臺灣(的天氣)會受到外面季風、氣候變化的影響。」既然無法自外於世界的變化,那就要盡力打造自身的研究能力。而未來的終極發展方向,將朝著「無接縫天氣氣候預報系統」持續發展,打破傳統將大氣現象依據時間空間尺度區分的概念,這就是氣候模擬與推估研究的終極目標。

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乾旱與高溫:氣候變遷對臺灣的衝擊

有了所需的研究工具,面臨無可避免的氣候變遷趨勢,臺灣將會遭遇哪些高風險狀況呢?

首先當然還是跟民生息息相關的降雨變化。環境變遷研究中心結合科技部「臺灣氣候變遷推估資訊與調適知識平台(TCCIP)」計畫合作,在中研院永續科學中心的支助下,2018 年完成的研究「臺灣乾旱研究:變遷、水資源衝擊、風險認知與溝通計畫」在結果中就指出,北臺灣未來(2040 – 2060)春季乾旱可能會變得更嚴重,民生與農業用缺水率會顯著增加。

TCCIP 研究推估臺灣未來的降水變遷,也發現降水時期的不平均會更極端,枯水期越乾,豐水期越濕;枯水期不下雨的天數增加,乾旱時間可能延長;而豐水期則降雨強度變大,面臨豪雨或暴雨更嚴重的狀況,反而可能加劇淹水與土石流的威脅,對於蓄水設備(如水庫淤積)造成更大的負擔。

「臺灣的乾旱通常不是特別嚴重,通常是幾個月就過去了,跟澳洲美國那種大陸型乾旱不一樣。」對於大家容易遺忘水情常岌岌可危,許晃雄舉例,2002 – 2004 年就斷斷續續有過旱災,連大臺北地區都經歷分區供水。但由於災情通常能在梅雨季或颱風季獲得緩解,旱象少有超過一年,也因此較不容易留在大家的記憶中,珍惜水資源的意識也因此較為薄弱。

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但實際上,臺灣特殊的地理環境導致雖然降雨不少,但水資源管理相對辛苦,以石門水庫為例,每年至少要補充四次。研究也指出,臺灣 2 到 4 月的春雨往往是第一期稻作重要的灌溉水來源,因此春雨期間降雨的多寡,攸關當年度的水情與農作。前述研究的氣候模擬顯示,臺灣在世紀中春雨的降雨量預估將減少 13.2%,連續乾日會增加 55.7%,北臺灣未來的乾旱情況可能會更加嚴重。

另一個臺灣很可能面臨的氣候變遷情境,是高溫

相關研究均指出,臺灣未來平均氣溫的升高是無法避免的。過去百年間,臺灣的氣候已經由冬天長夏天短逐漸轉變為夏天長冬天短,推估未來夏季可以長達 150 天,「熱浪不會是很多個斷斷續續來,會是只有一個,以現在的標準,未來整個夏季都是熱浪。」許晃雄描述臺灣將進入「炙熱的世界」。

根據許晃雄先前的氣候模擬報告顯示,臺灣在世紀中春雨的降雨量預估將減少 13.2%,連續乾日會增加 55.7%,北臺灣未來的乾旱情況可能會更加嚴重。圖/研之有物

先充分了解衝擊,再進行調適策略規劃

氣候變遷已迫在眉睫,那麼我們該如何對此做出因應?

許晃雄表示,現階段應該盡快完成有關氣候變遷衝擊影響的研究,才適合進一步研擬調適策略。氣候變遷影響的層面非常廣泛,對於環境、農林漁牧、公共衛生、健康、生態等領域,都很可能造成明顯衝擊。但現階段對於這領域相關研究內容仍不夠充足,對於「衝擊」沒有充分的認知,就貿然進行「調適」的規劃,恐將事倍功半。

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舉例來說,之前環境變遷研究中心「乾旱研究」即已指出,未來臺灣北部主要集水區的雨量在春季減少得最為明顯,因此受氣候變遷影響,直到世紀中,北部的缺水率最多將超過 20%,甚至北部農業用水的缺水率可能超過 40%。如此的衝擊認知仍然較為粗略,更詳細來說,在缺水情境下,哪些領域將受到最嚴重的衝擊,都還需要更細緻的研究。

「以前在(氣候變遷)討論的內容是自然科學,現在討論的方向,已經滲透到人類生活每個層面裡面去,這個是相當不同的地方。」

曾於 1997 年與魏國彥教授合著出版《全球環境變遷導論》的許晃雄浸淫在此議題中幾十年,他表示氣候變遷議題,已經廣泛到影響所有人,所有人都應當參與。關心相關議題不需要拘泥於科系領域,不管是數理化、工程、生物、健康、環境、經濟、社會科學,只要學有專精皆有可發揮之處。在不久的未來,我們必須要在各方面技術上與制度上有突破性的進展,在節能減碳的同時,也能因應氣候變遷帶來的衝擊。

氣候變遷的議題廣泛而影響深遠,將帶來許多衝擊改變。但若能及早因應面對,臺灣未嘗不能透過各種新發展化危機為轉機。

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研之有物│中央研究院_96
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地震之島的生存法則!921地震教育園區揭開台灣的防災祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/20 ・4553字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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為什麼台灣會像坐在搖搖椅上,總是時不時地晃動?這個問題或許有些令人不安,但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計,台灣每年有 40,000 次以上的地震,其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日,花蓮的大地震發生後,台灣就經歷了超過 1,000 次餘震,這些數據被視覺化後形成的圖像,宛如台北101大樓般高聳穿雲,再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。

地震發生後,許多外國媒體擔心半導體產業會受影響,但更讓他們稱奇的是,台灣竟然能在這麼大的地震之下,將傷害降到這麼低,並迅速恢復。不禁讓人想問,自從 25 年前的 921大地震以來,台灣經歷了哪些改變?哪些地方可能再發生大地震?如果只是遲早,我們該如何做好更萬全的準備?

要找到這些問題的答案,最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館:國立自然科學博物館的 921地震教育園區。

圖:跑道捕捉了地震的瞬間 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

下一個大地震在哪、何時?先聽斷層說了什麼

1999年9月21日凌晨1點47分,台灣發生了一場規模7.3的大地震,震央在南投縣集集鎮,全台 5 萬棟房子遭震垮,罹難人數超過 2,400 人。其中,台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過,地面隆起2.6公尺,多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區,保留這段震撼人心的歷史,並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。

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車籠埔斷層保存館建於原操場位置,為了保存地表破裂及巨大抬升,所以整體設計不採用樑柱結構,而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成,外觀為曲線造型,技術難度極高,屬國內外首見,並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍,讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力,進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館,透過互動展示,讓參觀者親手操作,學習地震工程相關知識。

國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示,面積上,台灣是一個狹長的小島,卻擁有高達近4000公尺的山脈,彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史,從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震,到1999年的921大地震,都發生在台灣西部,與西部的活動斷層有密切關聯,震源位於淺層,加上人口密度較高,因此對台灣西部造成了嚴重的災情。

而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域,地震震源分佈更廣。與西部相比,雖然東部地震更頻繁,但由於人口密度相對較低,災情相對較少。此外,台灣東北部和外海也是地震多發區,尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶,至沖繩海槽向北延伸,甚至可能影響到台北下方,發生直下型地震,這種地震因震源位於城市正下方,危害特別大,加上台北市房屋非常老舊,若發生直下型地震,災情將非常嚴重。

除了台北市,蔣正興博士指出在台灣西部,我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響,該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外,我們也需要留意西南部的地震風險,如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部,因為存在眾多活動斷層,當然也需要持續注意。

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我們之所以擔心某些斷層,是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量,一旦達到臨界點,就會釋放,進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘,尋找過去地震的證據,如受構造擾動沉積物的變化,然後透過定年技術來確定地震發生的時間點,估算出斷層的地震週期,然而,這些數字的計算過程非常複雜,需要綜合大量數據。

挑戰在於,有些斷層的活動時間非常久遠,要找到活動證據並不容易。例如,1906年的梅山地震,即使不算久遠,但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難,更不用說那些數百年才活動一次的斷層,如台北的山腳斷層,因為上頭覆蓋了大量沉積物,要找到並研究這些斷層更加困難。

儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動,我們仍然可以預先對這些構造做風險評估,從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區,就是那個可以發現應變之道的地方。

圖:北棟教室毀損區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

921 後的 25 年

在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員,常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後,台灣進行的六大改革。制定災害防救法,取代了總統緊急命令。修訂了建築法規,推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍,在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產,增設了歷史建築類別,確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。

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最後,則是推行防災教育。黃英哲表示,除了在學校定期進行防災演練,提升防災意識外,更建立了921地震教育園區,不僅作為教育場所,也是跨部門合作的平台,例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作,進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址,讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力,最具可看性;然而除此之外,園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地,為未來的地震研究提供了寶貴的資源。

堪稱園區元老,在園區服務將近 19 年,主要負責日語解說工作的陳婉茹認為,園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化,如抬升的操場和毀壞的教室場景,讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力,尤其是對於年輕的小朋友,即使他們沒有親身經歷過,也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。

陳婉茹回憶,之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀,原本小朋友並不認真聽講,到處跑來跑去,但當他看到隆起的操場,立刻大聲說這他在課本看過,後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。

圖:陳婉茹在第一線負責解說工作 / 圖片來源:921地震教育園區

除了每看必震撼的地景,園區也透過持續更新策展,邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到,去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生,當時她儘管驚恐,依舊背著腿軟的學姊下樓,讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。

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在地震體驗平臺的設計中,黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力,更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作,一樓展示區採用了時光機的概念,運用輕鬆、童趣的風格,希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片,讓遊客真實感受921地震的情境。她強調,這次展覽的目標是全民,設計上避免了血腥和悲傷的元素,旨在讓觀眾帶著正向的感受離開,並重視防災意識。

圖:地震體驗劇場 / 圖片來源:921地震教育園區

籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始,九月完成,為了迅速而有效地與設計師溝通,黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具,來加快與設計師溝通的過程。

圖:黃惠瑛與設計師於文件中討論設計/ 圖片來源:921地震教育園區

蔣正興博士說,當初學界建議在此設立地震教育園區,其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生,這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後,安朔葉教授立刻趕到台灣,認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點,建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年,在斷層館的展示更新中,便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。

此外,作為 20 週年的相關活動,今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄(MOU),強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀,感謝他不遺餘力,長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。

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右圖:法國巴黎居禮大學安朔葉教授。左圖:兵庫縣立人與自然博物館主任研究員加藤茂弘
/ 圖片來源:921地震教育園區

前事不忘,後事之師

盡力保存斷層跟受創校舍,只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示,921地震發生在車籠埔斷層,其錯動形式成為全球地質研究的典範,尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示,距離車籠埔斷層約100公尺內,住在上盤的罹難率約為1%,而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近,特別是上盤,是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動,這一數據清楚告訴我們,在上盤區域建設居住區應特別小心。

2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。

在921地震後,政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長,全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性,但台灣不同,斷層活動十分頻繁。例如 1951 年,米崙斷層造成縱谷地震,規模達 7.3,僅隔 67 年後,在 2018 年再次發生花蓮地震,這在全球是罕見的,也因此 2016 年劃設的地質敏感區,在 2018 年的地震中便發現,的確更容易發生地表破裂與建築受損,驗證了地質敏感區劃設的有效性。

圖:黃英哲表示曾來園區參訪的兒童寄來的問候信,是他認真工作的動力 / 圖片來源:921地震教育園區

在過去的20年裡,921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步,也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡,每一項展示,都在默默提醒我們,那段傷痛歷史並未走遠。然而,我們對抗自然的力量,並非源自恐懼,而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區,感受那因地震而隆起的操場,或是走過曾經遭受重創的教室,你會發現,這不僅僅是歷史的展示,更是我們每一個人的責任與使命。

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來吧,今年九月,走進921地震教育園區,一起在這裡找尋對未來的啓示,為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。

圖:今年九月,走進921地震教育園區 / 圖片來源:劉志恆/青玥攝影

延伸閱讀:
高風險? 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟!」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇-霧峰九二一地震教育園區|天下雜誌

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臺灣的水真的沒辦法生飲嗎?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/09/13 ・6474字 ・閱讀時間約 13 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。 

根據衛福部建議,我國成人每天應該飲用約1500至2000 c.c. 的水,但在日本與歐美許多國家,只要一打開水龍頭,就能馬上擁有一杯能喝下肚的水。臺灣自詡為科技大國,為什麼卻無法擁有讓人安心的 Tap water?

冤有頭債有主,造成我們不敢生飲水的最大原因,其實不在自來水廠。從自來水廠出來的自來水,早已去除水源中的化學有機污染物、有害重金屬及致病性微生物,完全符合「飲用水水質標準」。在非常嚴密的檢驗和監控下,照理來說,你我都能夠非常安心的直接飲用這些自來水。然而,就連對水質信心滿滿的自來水廠,也大力呼籲民眾「不要直接飲用自來水」,這是怎麼一回事?

圖片來源:shutterstock

從水廠到家裡的自來水會經過哪些污染源?

首先,是管線老舊。不只是老舊管線內壁會積聚沉澱物和生物膜,管線本身若有生鏽、腐蝕的情形,還會在水中增加的鐵鏽和金屬離子。

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臺灣管線老舊的程度到底有多嚴重呢?根據台水公司108年的資料顯示,我國自來水管線長度超過6萬3千公里,其中超過48%的管線已經超過使用年限。再加上施工、地震、車輛超載等原因,使得管線容易破裂、漏水,進而影響水質。

除了管線品質外,蓄水池與水塔的清潔和維護也是影響自來水品質的重要因素。根據環境部指出,有高達7成以上的自來水污染事件,都是因為住戶疏忽清洗水塔的重要性,導致細菌和泥沙在儲水設施中繁衍和沉積。然而,超過45%的台灣民眾沒有定期清洗蓄水池和水塔的習慣。

這邊也要特別提醒,管線破損與蓄水池的污染,不只會讓飲用水再次受到重金屬與細菌的污染,更讓我們需要當心「新興污染物」的威脅。

什麼是「新興污染物」?

所謂新興污染物,指的是那些對環境有潛在威脅,但還沒有受到國家或國際法律廣泛監管的化學物質總稱。他們來自各種日常化工用品,並且透過城市、工業、家庭廢水進入河川與水體中。

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根據聯合國環境署的說明,「符合新興污染物資格的化合物清單很長,而且越來越長」。這些污染物其實離我們並不遠,是我們周遭常見的物質,例如抗生素、止痛藥、消炎藥、類固醇和荷爾蒙等藥物類,驅蟲劑、微塑膠、防腐劑、殺蟲劑、除草劑等環境荷爾蒙類,還有工業化學類的界面活性劑、火焰阻燃劑、工業添加劑、汽油添加劑、PFAS、鐵氟龍等等。

其中的全氟及多氟烷基物質PFAS,因為耐腐蝕、抗高溫,在自然環境中幾乎無法分解,又被稱為「永久性化學物質」。容易在環境及人體內累積,具有生物累積和生物放大性。而且PFAS衍伸的化合物超過一萬種,在防水、防油的紙袋、紡織品、化妝品中都很常看到。

PFAS成員全氟辛酸PFOA在2023年,被聯合國的國際癌症研究機構IARC,從2B級「可能對人類致癌」提升為一級「充分證據顯示對人類致癌」。另一個成員全氟辛烷磺酸PFOS則列為2B級致癌物。而環境部也在2024年,更針對PFOA、PFOS訂定飲用水濃度指引值。

PFOA 已被列入 IARC 第1類致癌物質,圖:Wikipedia

麻煩的是,這些新興污染物在都市中大多還未納入常規監測項目,我們對於他們對環境與人體的影響也還未全盤了解。甚至很多污染物,可能是十年前都還沒出現的。我們也不知道十年後,新興污染物的名單上,還會增加哪些名字。我們能做的事,就是盡量避免再避免。而徹底解決管線破損,與城市污水滲入蓄水池的可能性,我們才能避免這些新興污染物,進入到我們的飲用水中。

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使用淨水器過濾,會是淨化水質更好的方法嗎?

淨水器比起單純加熱煮沸,裡面包含了許多科技結晶,確實可以一口氣解決所有問題。但相對的,材料的選用與設計,就會更直接影響水質的好壞。

例如今天要介紹的eSpring益之源淨水器Pro,裡面用的濾材,是很常聽見的「活性碳」。

活性碳的作用是「過濾」,就像麵粉通過篩網,可以篩掉較大的顆粒。活性碳的製備,很多來自木材、椰子殼等高碳含量的原料。在經過高溫碳化,並通過活化劑或化學藥劑處理之後,會形成多孔結構,這些不規則的微小孔隙可以有效過濾水中的污染物。然而,活性碳的作用遠不止如此!其實,活性碳的過濾原理是「吸附」雜質。

活性碳是常見的濾材,圖:Wikipedia

有研究透過光譜和密度泛函理論(DFT)分析顯示,活性碳表面的含氧官能團,如羧基(carboxyl groups)和酚基(phenol groups),能夠與鉛離子(Pb(II))形成穩定的化合物,達到淨水的效果。這意味著活性碳能有效吸附和去除水中的重金屬,如鉛、銅、汞等重金屬,從而保證飲用水的安全性。

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也就是說,活性碳不僅通過物理吸附去除水中的懸浮物和大分子,還可以通過化學吸附來處理更複雜的污染物。除了重金屬以外,眾多的有機物、臭味分子甚至是餘氯,也都在活性碳的守備範圍內。一篇發表在《Reviews in Chemical Engineering》的論文也指出,面對日益增加的新興污染物,活性碳也正是一種具有前景的選擇之一,尤其農藥、個人保健與衛生藥(PPCPs)以及內分泌干擾物質(EDC)與活性碳有很強的吸附性,能有效的過濾這些新興污染物。

更進一步,科學家們正在研究各種農業廢棄物和不同的活化方式。他們發現,透過不同的原料和活化方式,活性碳表面官能基和結構的差異可以提高對不同污染物的吸附能力。例如,當使用鷹嘴豆、甜菜甘蔗渣或咖啡渣作為前驅物時,這些活性碳材料展現出對銅離子、鉻離子、染料及其他重金屬和有機污染物的優異吸附能力。

接下來,如果你的淨水器功能只有過濾,能確保的只有有機物與重金屬的去除,細菌可能還是存在。

當我們談論淨水器的功能時,許多人誤以為只要經過過濾就能確保水質的安全。實際上,這樣的理解並不全面。如果淨水器的功能僅限於過濾,它能確保的只有去除水中的有機物質和重金屬,然而,過濾並不能消除所有細菌,因此水中的微生物仍然可能殘留。這就是為什麼,即便過濾器

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之外,還需要強效殺菌來進一步保證水質。

紫外線是我們日常生活中常見且高效的殺菌工具,從居家用的烘碗機到手術室、圖書館的空氣或表面消毒,紫外線技術的應用無所不在。在淨水系統中,特別是UV-C 紫外線(波長範圍100-280nm)被證明能夠有效殺滅水中的微生物。許多先進的淨水器配備 UV-C LED ,這種燈能夠針對細菌、病毒進行消毒。

圖片來源:Amway

怎樣算是一個合格的淨水器?

美國國家衛生基金會(NSF)制定了一系列針對淨水器的性能、安全性和耐用性的標準,稱為NSF/ANSI標準。

針對台灣飲用水可能遇到的問題:細菌、重金屬、新興污染物、餘氯,各有專門的訂定標準。

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NSF/ANSI 標準指的是美國國家科學基金會下美國國家標準協會的所訂定的標準,

eSpring益之源淨水器Pro通過的第一跟二項標準是NSF/ANSI 53和401標準,53項針對的是健康相關的污染物,包含重金屬如鉛、銅、汞等有害金屬離子,還包括一些有機污染物如揮發性有機化合物(VOCs)。401項則是針對來自農藥、藥物等新興的有機污染物,因為在傳統的水處理過程中難以去除,因此特別訂定。

第三項,則是針對UV-C LED紫外線滅菌艙殺菌效果的NSF/ANSI 55標準。這個標準不僅規定了紫外線強度,還包括了水流量和微生物減少效果的測試與持久性,確保淨水器具有足夠的殺菌消毒能力。根據實驗數據,UV-C  LED紫外線能夠有效消滅高達99.9999% 的細菌,99.99% 的病毒,以及99.9% 的囊胞菌,為飲用水提供極高的安全保障。

最後一項標準是NSF/ANSI 42,他針對的餘氯和其他會影響味道與氣味的雜質。也就是像eSpring益之源淨水器Pro有通過第42項標準的,在確保飲用安全的標準之上,還能讓你的水更好喝哦。

這邊也要補充,除了第42、53、以及401項規定的標準,eSpring益之源淨水器Pro還請NSF做了標準之外的各項過濾性能檢測,總共有超過170種污染物的過濾符合標準,包含各種化學物質、重金屬、生物性、農藥、藥物、甚至是近年大家關注的石綿、氡氣與塑膠微粒,都在可被有效過濾的列表之中。這真的很重要,如同一開始我們講的,隨著工業文明的發展,新興污染物的名單只會越來越長而不會減少,多做幾項檢測,絕對是更安心的。如果你的淨水器已經用了很久,但擔心新興污染物沒有在獵捕名單內,可以考慮換成有通過更高標準的淨水器哦。

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另外,一些品牌雖然也有NSF認證,但很多都只有零件認證。eSpring益之源淨水器Pro不只針對濾心,還通過「全機認證」,確保從淨水器流出來的每一滴水都符合標準。

進一步了解商品: eSpring益之源淨水器Pro

參考資料:

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全球與台灣面臨怎樣的水資源困境?有解方嗎?【2023 臺灣國際水論壇】
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/12/14 ・3777字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文由 經濟部水利署 委託,泛科學企劃執行。

人體有 70% 是水,而地球表面亦有 70% 被水覆蓋。「水」對人類來說,是賴以為生的必要資源,又因「水」相對容易取得,讓人們不易察覺水的珍貴。

在近年氣候變遷衝擊下,旱澇交替已成常態,經濟部水利署賴建信署長接受泛科學專訪時亦表示,依據聯合國政府間氣候變遷專門委員會(IPCC)第 6 次評估報告(AR6)分析,未來臺灣連續不降雨日數及最大暴雨強度將明顯增加,對於水資源及水環境帶來嚴峻挑戰。

具體來說,未來降雨將會更集中在特定時間與地點,在降雨地區造成更嚴重的洪災,讓非降雨地區的缺水情形更加嚴重。結果是降雨地區的水庫會不斷洩洪,無法有效收集雨水,而非降雨地區的水庫又會完全沒水。

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這情景也預示著我們平常容易取得的「水」,將轉變為更稀缺珍貴的資源;然而,水又是人生存所必須,若現在不採取行動,水資源終將成為人類生存的最大束縛。

為了讓企業、政府、學術單位能更重視未來所面臨的水資源問題,水利署於 10 月 23 日舉辦的「2023 臺灣國際水論壇」以「水未來」(Vision for Water)為主題,針對「水與企業永續」、「水與能源鏈結」、「水與自然解方」、「水與減碳科技」,希望形成創新的漣漪,向外擴散,激盪出國內外產、官、學界合作契機。

由於氣候變遷,看似唾手可得的乾淨用水,已逐漸成為稀缺資源。圖/Pexels

而擔任「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次的講者,是來自東海大學國際學院永續科學與管理學士學位學程的 Aleksandra Drizo 教授,她以數據與實際案例,揭露水資源短缺到底有多麼迫在眉睫。

全球有35億人,沒有安全與衛生的水可用

Drizo 指出,聯合國 2023 年公布的 SDGs 第六項「確保所有人都能享有水、衛生及其永續管理」報告中,指出世界上 35 億人缺乏乾淨用水與基本衛生條件,並強調:「獲得安全用水,環境衛生和個人衛生是人類健康與福祉的最基本需求。」而若要達到 SDGs 的 其他目標,又以第六項為最重要的核心,因為唯有確保人人都能用上乾淨的水,才有路徑完成其他目標,例如:第二項「終止飢餓」,就必須在確保有穩定乾淨的水源情況下,才可能達成。

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水資源為 SDGs 中的核心,所有指標與其息息相關。圖/Aleksandra Drizo 簡報
聯合國 2023 年的報告指出, 2022 年仍有 35 億人沒有乾淨用水與衛生環境,其中 19 億人連基本用水門檻與衛生條件都無法達到。圖/Aleksandra Drizo 簡報

Drizo 進一步指出,近幾十年來,儘管在改善飲用水和衛生條件方面有所進步,但仍有大量人口無法獲得安全飲用水和基本衛生設施。根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,對水資源的調度與供給造成了巨大壓力。而在 2023 年世界衛生組織提供的乾淨飲用水調查資料中,直到2022年,仍有 22 億人口無法獲得安全飲用水,也與前面聯合國 2023 年的調查報告呼應,再次呈現水資源問題日益棘手的趨勢。

根據聯合國發布的 《Development and Globalization: Facts and Figures 2016》 資料,從 1990 年到 2015 年間,全球人口增長了 26 億,而未開發國家有近三分之一的人,無法確保乾淨用水。圖/Aleksandra Drizo 簡報

水資源困境並非全是全球人口成長惹的禍,全球氣候變遷造成更加頻繁的極端天氣事件,正讓全球面對過往不曾出現的乾旱。《衛報》2022 年報導歐洲面臨前所未見的熱浪與旱災,法國、荷蘭、比利時、瑞士、義大利、西班牙的河流,已經能直接看到河床,當時西班牙政府宣布限水,表示全國儲水量已達歷史新低,只有總儲水量的 40%,且每周都以 1.5% 的速率持續下降。

2022 年歐洲各地都傳出規模不一的旱災災情,如今西班牙缺水問題仍持續影響當地人民的生活。圖/Aleksandra Drizo 簡報

如今全球氣候變遷造成的水資源問題,也逐漸成為常態,《紐約時報》2023 年 10 月報導,如今西班牙仍處於缺水中,西班牙南部的水龍頭已經流不出水了,甚至連水井都已經枯竭,不只農業無法正常發展,民眾還必須仰賴水罐車或罐裝水維生,根據西班牙政府的報告,若缺水成為常態,則本世紀末將有近 74% 的西班牙國土,將面臨沙漠化的問題。

臺灣也面臨缺水問題

臺灣也未能逃離缺水的命運。2021 年春天,發生了 56 年來最嚴重的乾旱,當時外國媒體全都持續關注這場旱災,深怕缺水影響新竹科學園區的產線。而水利署搶先在 2021 年開通的「桃園—新竹備援管線」,從桃園每日調度 20 萬噸的水給新竹,才讓外媒的擔心沒有成真。

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2021年臺灣大缺水,外國媒體都十分關注。圖/Aleksandra Drizo 簡報

此外,臺灣水污染與地下水過度開採也導致水資源匱乏。要扭轉這一局面,則需要從多方面著手,水利署也已經開始建置相關工程並陸續投入使用,例如:高屏溪的「伏流水」與臺中水楠經貿園區淨化污水再利用的「再生水」,為地方開創多元水源,創造更有保障的用水環境。

Drizo 表示,臺灣的水庫也因氣候變遷面臨「優氧化」問題。由於水庫的水停滯過久,營養物質(氮和磷的化合物,相當於肥料)逐漸累積在水中,加上近年溫度上升,讓水中藻類與浮游生物孳生。在 2023 年的水利署水質檢測報告中,全國 20 個主要水庫中有 8 個水庫的水質已經優養化,這些優養化的水會對淨水廠造成額外負擔,而過濾出來的廢棄物處理也是個難題。

2023 年 7 月,水利署發布的水質調查報告指出,臺灣水庫有水質優養化問題。圖/Aleksandra Drizo 簡報

而 Drizo 針對優養化問題,提出以自然為本的解決方案(Nature-based Solutions, NbS)),並分享過去在各地施行的案例,例如:在 2009 至 2011 年與屏東科技大學的研究計畫,架設的社區小型污水淨水廠,以及用在美國俄亥俄州的農業污水淨水方案。最後 Drizo 分享了將廢棄物轉化生成富營養肥料等高附加價值產品的相關技術研發。也就是說,在淨水的同時,還能把廢棄物轉換為有價值的肥料,這不僅可以提高水資源利用效率,也具有重要的環保意義。

Drizo 的演講代表了學界在水資源問題上的重視,也提到了水利署正一步一腳印地改善臺灣用水環境,那麼身為用水大戶的企業,又有什麼作為呢?

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企業面臨的永續發展難題

臺灣美光記憶體的環安衛、風險管理暨永續發展處處長江頴俊在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」場次分享該公司的實際經驗,臺灣美光記憶體透過「綠色基礎設施」、「流程優化」和「設備更新」的措施,成功達成每一滴水重複利用三次的目標,這項措施每年節省約 6000 萬立方公尺的水,相當於 6500 座奧運游泳池的水量。

然而,像美光這樣能提出具體目標與可信成果的企業並不多見,一同演講的法國北方高等商學院基礎建設研究中心 (EDHEC infra)的資深研究工程師 Nishtha Manocha,則說明大部分企業的永續發展目標缺乏 「設定具體可行的環保目標」以及「準確量化環保成果」。

許多企業的永續發展目標僅停留在概念階段,並沒有具體的達成路徑與量化檢核指標,這種模糊不清的目標將無法帶領企業持續行動。而更嚴重的是在量化成果這塊,目前企業仍多以內部數據來評估成效,缺乏第三方機構的驗證,資料的真實性可能會遭到質疑,也衍生出了「漂綠」的相關問題。

同場演講者—資誠聯合會計師事務所所長暨執行長周建宏,則表示「永續發展」已經是熱門的投資標的,投資人也害怕自己把錢給了「漂綠」的公司,最後虧得血本無歸。因此,在投資人的引導下,企業的永續發展目標會更為清晰,加上相關監管機構陸續成立,企業勢必將花更多心思在財報與資料呈現上,不能再打著永續發展的大旗,來跟投資者畫大餅。

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打造全球水未來

在「水與ESG-厚植企業永續競爭力」這場演講中,我們看到政府、企業、學界一同合作,共同討論如何解決水資源匱乏的難題。無論是學界針對水質優養化問題所提出的解決方案,抑或是透過投資人監督,讓企業能落實永續發展目標,都能看見世界正迅速朝永續水資源管理轉型。然而,各項監測指標仍顯示氣候變遷亦在加速,將我們推入未知領域,我們必須加快行動,才不會讓更嚴峻的水資源稀缺成為未來世代的枷鎖。

參考文獻

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