重溫2012(二)土石流之險

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

爬山是許多人熱愛的休閒運動，而台灣得天獨厚，儘管在繁華的市區附近，也不乏許多親山步道。爬山時除了眺望美景外，你是否低頭留意腳下的步道，以及雙足與土地親近踩踏的感覺呢？

「為什麼郊山距離短走完膝蓋痛，但百岳的步道走很久，可爬起來卻比較舒服？」10 多年前徐銘謙是個熱愛征服百岳的年輕人，她從爬山的經驗拋出這個問題，沒想到在找解答的過程中，竟轉換了自己的生涯方向，開始在台灣推動手作步道，成為台灣少數的資深步道師，現為「千里步道協會」副執行長，亦是臺大國發所兼任助理教授。

大學就讀歷史系，畢業後在臺大國發所攻讀碩博士，以海洋政策、兩岸政策作為她的研究領域。那是怎麼跟「步道」結緣的呢？

在2002年時，她只是個熱愛攀登百岳的登山客，但注意到陽明山坪頂古圳步道安山岩的石階因生青苔被挖起棄置路旁的消息，新的步道工程為了搬運外來材料，必須砍樹作施工便道，以換上新的花崗岩石階，這才讓她開始留意到一般工程對山林破壞的問題，遂接二連三參與環保、文史及許多民間團體的運動，包括陽明山「刷青苔、救步道」、「愛山林、反纜車」等倡議活動。然而，在當時她及這些民間團體都是工程「外行」，面臨「欠缺步道工程專業」的質疑，步道難道只能用修築馬路的工程形式修建嗎？修步道還有無更好的方式呢？於是 2006 年她帶著好多問題，加入阿帕拉契山徑志工的行列，在山林裡待了快兩個月，每天揮汗如雨地學習如何用鋤頭、石頭和木材鋪設山林合一的小徑。

她笑著表示，手作步道的精髓就是「渾然天成、大隱無形」，施作時通常會就地取材，讓步道與周圍環境融為一體，表面上看來它僅是一條鋪著落葉、塵土或石子的路痕，你甚至感受不到人工斧鑿的痕跡。

這與郊山常見的塑膠木棧道、水泥強制固定的石階，或是各大風景區瘋狂蓋的天空步道是差很多的！

手作步道不安全？手作步道可以解決很多問題

經歷阿帕拉契山徑志工的洗禮後，徐銘謙加入徐仁修、小野、黃武雄辦理的「千里步道協會」，在 2007 年與林務局合作開始「步道工作假期」，以志工自費出力的工作假期形式，希望結合公民與志工的力量，以手作步道的工法進行步道日常維護，喚起大眾對山林步道受到工程過度破壞的問題。

然而，缺乏工程背景的人做步道安全嗎？山區常見的土石流、山崩問題，不是應該靠水泥才將石階穩穩黏在地上嗎？上述是大家對手作步道工法常見的質疑。

「礫石地、泥土都是質地軟硬不同的，你拿水泥去黏石板，面對大自然的水沖刷怎麼會穩？」徐銘謙表示，一下大雨，水泥與土壤的黏接接縫容易被掏空，步道很容易就壞了，相反地石頭卡進泥裡抓地性更強，土壤亦不容易受到沖刷。

手作步道反而能解決很多傳統工程無法解決的問題呢！擦拭天使的眼淚，修補嘉明湖的沖蝕溝就是個好例子。

嘉明湖是登山客熱點，被譽為一輩子一定要去一次的地方，但這段通往天使眼淚的陡坡上，地質相當破碎，遊客數量太多，產生凹陷，再有水沖刷就形成深溝，久之步道就形成深度超過「100 公分」的沖蝕溝，人就避開走旁邊，在好漢坡路段上更有四五條複線步道，這不是遊覽車輾過的車道，而是人走出來的瘡疤！

為了拯救沖蝕溝，千里步道協會與台東林管處合作，自 2014 年起每年辦理手作步道工作假期。30 名志工得連續七天不洗澡，在酷寒天裡排起一列的人龍傳遞現地石塊，用大量石塊把沖蝕溝補起來，並用土石設計導流裝置，讓水順利排除。

步道補完並不代表傷痕就消失，步道師每年都會回來巡查，確保步道狀況，若原路沖蝕狀況仍然嚴重，就需要另尋平緩路段改道。她也建議，政府應針對脆弱地質環境，定期做環境乘載量評估和踩踏分析，必要時限制入山人數，調節森林的呼息節奏，找到環境與人更好的共處之道。

師法大自然、耆老學修步道

手作步道的工法看似樸實，但裡頭藏著許多 know-how。去年徐銘謙、幾位步道師以及千里步道協會同仁，受林務局委託，集結國內外、自身修建步道的經驗，編纂《步道工法設計手冊》。

手冊厚達 400 頁，裡頭涵蓋 120 種工法、44 張施工設計圖，說「手作步道是門紮實的學科」一點也不為過！

特別的是，步道學的建立並非只有師法國際經驗，還有許多是向台灣在地資深步道師請教的成果。這才發現每條步道都有豐富歷史文化意涵，且與工法的施作是息息相關。

徐銘謙舉例，竹苗山城客家庄一帶的步道常見大顆鵝卵石鋪設的階梯，細看鵝卵石並不是平卡進斜坡，而是有些斜卡入土中，稱為「龍抬頭」，這是因為卵石表面比較圓不夠平整，為了防止往下滑的設計。此外，每階的高度亦是精準估計，讓人扛著扁擔爬階梯時，配合步調能夠省力，有時步道旁還有平滑的斜坡，那是古代牽牛時，牛在走的路。

屏東排灣族的「舊達來部落」則可見另一種步道修建方式。

舊達來部落大都是易碎頁岩石板，但碎石塊其實很難鋪在斜坡上、咬住地面，因此族人採用日本人教導的「立砌小石」工法：

先將步道挖凹槽，然後回填石塊，將大塊的放在第一層增加摩擦力，並以石塊長徑埋入為原則，每塊石頭都要交錯、咬合，像排拼圖一樣，最後再將細碎的石子卡入石頭縫隙中，即完成平整美觀又兼顧水土保持的砌石步道。

族人稱這個工法「cemu kad」（類似國語「怎麼幹」音），徐銘謙笑說：「當時聽到族人講『怎麼幹』時，就有點嚇到，想說自己是不是冒犯他們了。」後來才知道這個「立砌小石」工法的動詞用法在排灣族語就唸成「怎麼幹」，一經解釋後，大家才豁然開朗，算是在舊達來部落遇到的歡樂插曲。

排灣族的砌石工藝實在了得，石頭更是排灣族的靈魂 ，每顆石頭依大小都有不同的名字，太大顆的石頭 (ta gulj) 還不能動，否則會帶來厄運。徐銘謙表示，當工法加入脈絡和在地歷史特色時，我們看工法就會有截然不同的感受，在做步道的同時，也將老祖先的智慧給傳下去了！

扼殺步道生態的怪獸：發包工程制度

千里步道協會自 2006 年成立至今，已辦理數百場的手作步道工作假期，修築的步道遍佈全台，累積超過 100 多條。為了系統化訓練手作步道人才，2015 年提出「步道學課程體系」及公布「步道師」認證方式，現在全台已有 40 多位的手作步道師。

從環境運動開始，一路走來快 20 年。徐銘謙坦言：「做步道不難，最困難的還是改變體制。」過往國家訂立各類工程發包制度，主導步道景觀設計，但發包制度卻成為扼殺步道生態的怪獸。

她感嘆，政府發包工程的「建造百分比」規定，以及長期最低標惡性競爭，將步道設計費壓低，設計費佔實際工程決算的比例往往須低於 5%，因此步道設計圖大都畫得簡略，僅大致說明步道材質、寬度而已，然後施工者就照著做了，而工程大部分的費用除了用於鋪設人力之外，就是買更多外來建材。

發包工程的作法完全違背手作步道的精神，徐銘謙苦笑說：「照現在的發包制度，廠商根本沒有誘因採用手作步道工法，所以集結公民社會的力量，改變現存國家和營建業者為主的工程技術模式。」

因此，持續辦理工作假期、培育手作步道人才，甚至為政府設計手作步道工程發包的 SOP 及系統化整理手作步道工法……這些都是必要的事情。唯有如此，才能喚起更多人的重視，進而推翻鞏固以久的體制。

「我一個人絕對做不了這些事情，要大家一起才行！」徐銘謙表示，今年淡蘭古道修建，政府決定全面採用手作步道的工法，這正是公民社會一起促成步道施工技術改善的結果。

台灣山多，步道還很長，但徐銘謙相信在公眾齊心努力下，有天全台步道都可以是手作步道，讓山林得以用渾然天成的樣貌迎接每位登山者。

2015-16年入冬以來第一波寒流即將在1月23日來襲，早在一週之前，許多人就開始流傳手機app上接近0度誇張的低溫預報。更有甚者，日本氣象協會在18日預測台北市在25日有下雪機會，引起軒然大波；網路上甚至一度傳出號稱台北101下雪的影片，後經網友指出應為下雨影片放慢所造成的錯覺。

其實中央氣象局在17日的預報並沒有反映出寒流（定義台北市預測氣溫低於10度方為寒流），直到18日才將預測氣溫逐步下修。19日，日本氣象協會預測台北24日低溫為1度，而中央氣象局早上初步預測低溫8度，後改為6度。

是什麼原因造成不同氣象預報來源的預報差異？我們又應該相信誰呢？尤其寒流又是台灣四大氣象災害之一（另三大為颱風、梅雨與乾旱），往往造成生命財產損失，預報不一致讓大家何去何從？

PanSci泛科學2012年《祛除氣象預報的迷思》一文中已探討過，大氣現象瞬息萬變，並非現代科技可以全盤掌握。儘管中央氣象局2012年向日本添購超級電腦，可望將預報精確度提高百倍，但超級電腦並非萬能。因此在了解、分析與討論氣象預報前，必須了解「預報必定存在誤差」的事實。

氣象預報的基礎—數值天氣模式

前文以颱風的定量降雨預報切入，而定量降雨預測技術尚未成熟，大幅誤差在所難免；但最近的話題則是寒流的低溫預測，溫度是氣象觀測與預報最基本的項目之一，為何依然存在可觀的預測誤差呢？現代氣象預報的主要依據是電腦模擬的「數值天氣模式」。數值天氣模式將大氣分割成許多網格，好比電腦以點陣圖的方式把圖片化為一整個表格的數字，才能進行儲存與處理。氣象機構蒐集觀測資料（氣溫、濕度、氣壓、風速、風向等）之後，計算出每一個網格中的各種大氣數據，接著將這些數據輸入超級電腦，根據模式設定的複雜大氣方程式進行大量運算，取得未來可能的天氣情況。

網格解析度

由於數值天氣計算極為複雜，實務上氣象機構會依照需求，對地球上的不同區域採用不同的分割解析度：數值天氣模式可粗略分為全球模式與區域模式，首先由「全球模式」模擬整個地球表面的大氣，再逐步使用網格解析度更高的「區域模式」，分析預測部分區域的天氣。

以中央氣象局為例，由於服務的主要對象是台灣地區，因此數值天氣模式在台灣與周邊區域的解析度較高（網格較細密），方便進行更精密的計算與預測。中央氣象局採用的全球模式網格大小為55公里見方，越靠近台灣網格尺寸越小，台澎金馬地區的區域模式網格最為細密，為5公里見方。如此逐步計算，確保在台灣地區取得最精確的計算結果。

此時氣象機構預測差異的一大來源已經顯而易見：不同地區的氣象機構，由於主要服務客群不同，也會在數值天氣模式中，對不同區域採用解析度較高的區域模式，以便達成節省運算量與精確預測本地天氣的平衡。因此歐美日等地氣象網站對台灣的天氣預測，在數值天氣模式多半直接採用低解析度的全球模式，未經區域模式的精密計算優化，因此預測的氣溫自然會與中央氣象局有所差異了。

觀測為預報之母

前面提到數值天氣模式需要觀測資料作為初始條件輸入電腦，才能進行運算以預測未來的氣候變化。觀測資料又分為實測資料與非實測資料，前者以地面測站以儀器（溫度計、風向風速計、雨量計等）直接測量到的數據為主（也包含進入颱風中實測的飛機與投落送），後者則是以氣象雷達和氣象衛星掃描大氣所得。氣象雷達與衛星取得的數據，多半為全球公開或多國合作分享，因此各國氣象機構在這方面取得的觀測資料是相當接近的。

然而，非實測資料存在諸多限制，一來雷達與衛星資料須經複雜的計算解讀後才可使用，使用的方程式多少都對大氣條件做了一定的簡化，因此難免與實際天氣有所出入。二來雷達掃描容易受到地形與人造障礙物阻礙。相比之下，實測資料就是不同氣象機構佔有本地優勢之處。全台目前包括人工氣象站、自動氣象站與自動雨量站在內，共有超過400個氣象測站，蒐集的觀測資料除了更能反映各地的天氣差異、充實數值天氣模式的數據之外，也有助於短期預報與預警（如豪雨特報、土石流警戒等）。除主要測站外，這些氣象測站的完整觀測資料，須向中央氣象局申請才可取得，外國氣象機構特地採用的意義也不大，連帶影響預報的精確度。

人工修正

俗話說盡信書不如無書，更有醫師進一步延伸說道：「盡信實驗數據不如無現代科學儀器」。因此電腦依照數值天氣模式計算出的數據，在發布於氣象機構網站、app與各種平台之前，多半經過預報員依個人專業經驗加以人工修正。中央氣象局對寒流或強烈冷氣團的初期預報多半較為保守、與數值模式有所出入，預報主任鄭明典也於18日指出，過去幾次電腦模式預測寒流，但經預報人員判斷，並沒有降低預測氣溫至寒流水準，事後證明預報員判斷正確。23日開始的這波寒流，客觀資料支持度較高，因此才決定調整預報來反映。鄭明典並在19日進一步表示：

預報員要為提供的資訊負責，所以有幾分把握說幾分話。

而許多手機app的天氣資料來源，不外乎幾家國外知名的氣象公司，例如The Weather Channel、Weather Underground、AccuWeather等等。這些app多半可查詢全球天氣，而這些氣象機構主要服務的客源多來自美國地區，對於全球的預報資料，不太可能全部經過預報員人工校正。因此偶有因數值天氣模式穩定性較差，而造成預報一直改來改去、波動很大，或者預報後期出現誇張數值的情形。

綜合以上幾點，預測台灣地區的天氣，建議大家仍以中央氣象局的預報為主，畢竟在數值天氣模式的網格解析度、地面測站觀測資料與人工修正三個方面，都比外國氣象機構 / 網站的預報更有優勢。

但其他來源的氣象預報也不是全無參考價值，只是在使用前必須了解其限制，以及針對主要服務範圍的優化。不要隨意盡信或拘泥於數字上的差異，面對媒體的誇大報導更須謹慎。尤其現在各大預報齊指寒流，呼籲大家盡早做好防寒準備；不論最後實際溫度如何，別忘了凡是預報必有誤差的基本觀念！

《台北會下雪嗎？》下集將討論台灣氣象史，平地真的下過雪嗎？敬請期待～

參考文獻：

• 李名揚 (2009) 氣象預報為什麼會不準？ 科學人2009年第92期10月號
• 張麒偉 (2007) 氣象預報與防災應用。《科學發展》2007年2月，410期
• 于國平，盡信實驗數據不如無現代科學先進儀器。
• tytony，[討論] 關於國外氣象網站或手機APP的預報，批踢踢實業坊
• 鄭明典Facebook
• The Weather Channel
• Weather Underground
• AccuWeather
• 中央氣象局
• 日本氣象協會