科學月刊 2018 01月號 577期 氣象預報

577 2018 / 01

變化專欄

生酮飲食的概念原析 28 天地專欄

捷運影響地磁強度？ 32 科技新知

氣象預報 從觀測、分析到播報，數字與 圖像的背後有什麼秘密？

NT199 ISSN:0250-331X 01

9 770250 331001

台積電3奈米的奇蹟 66

577 Contents

2018 / January

COVER STORY

38 天色透視 才不是擲杯算出來的呢！

40

精緻化的現代氣象預報 謝佩芸

天氣預報的延伸—

46

短期氣候展望 李明營

風雨將臨 —

52

從多重時空尺度的天氣預報到即時天氣預報 黃椿喜

用電腦做天氣預報是什麼碗糕？

58

淺談數值天氣預報 洪景山

從傳統聖嬰現象到新型聖嬰現象—

64

聖嬰現象專家：加州大學余進義教授專訪 文詠萱

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1

黃喉

貂的

能 攀爬

力一

流。

黃喉貂 Martes flavigula chrysospila 圖/文

游崇瑋

臺灣特有亞種黃喉貂，俗稱「羌仔虎」，最讓人感到驚嘆的除了牠一 身華麗黃黑毛髮之外，就是充滿高度智慧與默契的群獵行為了。黃喉 貂在野外通常三隻一組，這三隻黃喉貂經常形影不離，打獵在一起、 吃飯睡覺也都在一起，但牠們彼此之間的關係目前仍不清楚。

群獵成功之後黃喉貂會從獵物的肛門開始向內進食（可能是因為比較 軟、比較好下口），有人認為黃喉貂只吃獵物的內臟，但有可能只是 因為牠們通常獵到獵物之後，才剛剛吃完內臟，獵物屍體就引來其它 動物覬覦，而被迫放棄獵物（熊鷹或者臺灣黑熊等動物來搶食）。

體態流線優雅、毛色華麗的黃喉貂在地上跑動時總是一躍一躍前進， 就像是草地上的海豚一樣，真是特別且優雅的運動方式！即便是現 在，我們對黃喉貂的野外生態認識仍相當皮毛，如果往回推個 15、

20 年以上，黃喉貂就更可以說是幾乎沒什麼人見過的謎樣生物了。

。 式共同生活 以小群體方 黃喉貂大多

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SCIENCE MONTHLY 2018.1

。 名由來 」的命 黃喉貂 「 是 ， 黃色毛皮 部的亮麗 喉部到胸

。 動靜 前方 觀察 來 勢 立姿 用站

黃喉貂在草地上以跳躍方式前進，就像是隻草上的海豚。

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5

非關

科學

科學 Color

海報褪色的秘密 王韻青

不小心誤入科學歧途的設計小羔羊，本刊美編。 （Shutterstock）

有組成物會均勻地分散在連接料中，是 一種具有一定黏性的流體物質。顏料是 色彩的來源，由各種天然成分中萃取出 來（如：植物、昆蟲等），再經由化學合 成，為粉狀物質；連接料俗稱調墨油， 讓油墨有適當的粘性和流動性；填料為 白色粉狀，可以調節油墨整體的濃稠程 圖一：褪色海報。（王韻青攝影）

度；附加料是當以上 3 種配方仍無法滿 足印刷需求時才予以添加。

海報褪色的原因有很多，紫外線、溫度、 濕度等等都是可能的因素。不過，大家 是否有注意過，公佈欄上張貼許久的海 報，常常呈現如圖一的樣子嗎？為什麼 褪色之後，色調會偏藍、綠色呢？

色＜青色 ≒ 黑色。 印刷完成後，洋紅色的油墨會因為比重 的關係稍微往上浮。去過印刷廠的讀者， 也許會發現，油墨已經乾燥的印刷品會 較剛印刷好的色調偏紅一些，膚色尤其 明顯。所以，當海報或印刷品放置一段 時間之後，會從洋紅色開始褪色，其次 是黃色。最終我們看到年代久遠的彩色 海報，就是紙張泛黃以及海報上剩下尚

一般印刷為四色印刷，指的是色料三原

未完全褪色的油墨所呈現的色彩了（圖

色——青色（cyan）、洋紅色（magenta）、

二）。

黃 色（yellow）， 再加上黑色（black）這 四色油墨，由四種油墨依比例調出所需 顏色。油墨調製時，由於各種成分添加

色料三原色

原因在於印刷油墨的比重。油墨是由顏

比例上的差異，不同顏色會有不同的比

色料三原色混合時可以產生其他

料、連接料、填料、附加料等組成，所

重（密度），其比重大小為：洋紅色＜黃

顏色。當這三種原色以等比例疊 加在一起時，會變成灰色；若將 三原色的飽和度均調至最大並且 等量混合時，理論上會呈現黑色， 但實際上由於顏料的原因呈現的 是濁褐色。正因如此，印刷上增 加了黑色，以彌補三原色的不足。 所以在電腦上製作印刷品的檔案 時， 要 設 定 成 的「CMYK 模 式 」 就是就是印刷的四色。

C

M K Y

圖三：色料三原色的混合方式。 圖二：褪色會由洋紅色開始（左），呈黃綠色調，黃色再褪掉後呈藍色調（右）。（王韻青攝影）

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非關

科學

科學碎碎念

意識的定義與本質 郭家銘

學圖景時，數學便會成為自然科學的語

可以跟冥想大師一起飛到外太空的男子，本刊編輯。

言，然而這些感官詞彙很難以簡單而抽 象的數學名詞捕捉。伽利略並未否認感 達爾文的自然選擇（natural

selection）

研 究， 比 方 說 意 識 的 神 經 關 聯， 即 研

官品質的存在，反之將其視為物質世界

理論中，最簡單的細菌從環境中提取生

究受試者報告經驗與其腦中活動之關

外的實體，並將其屏除在自然科學之外。

存所需的物質並進行繁衍，最終在一個

聯 性， 並 找 出 特 定 的 大 腦 活 動 區 域、

無意識與目的的演化過程中，出現了智

或 整 個 大 腦 活 動 的 模 式； 而 先 進 的 大

從唯物論者（Materialists）的角度來看，

人 及 許 多 擁 有 大 腦 的 生 物。 然 而 在 行

腦成像技術提供我們大腦的生理過程

為之上，誰才是一切的開始？笛卡爾曾

與 經 驗 間 的 相 關 性， 如 腹 側 下 丘 腦

說，意識是我們的存在裡不可否認的事

（ventromedial

實之一。那麼意識究竟是什麼呢？普遍

引發飢餓的感覺。然而是什麼使這些事

認為，意識是一種對品質覺察的狀態，

件相關聯，且生理系統如大腦，是如何

並 作 為 心 智（mind）的 執 行 控 制 系 統

「經驗」的呢？哲學家查爾默斯（David

（executive

Chalmers）曾 提 出「 意 識 的 難 題（hard problem of consciousness）」，意 指 我

control system）。 意 識 聽 起來好似與認知（cognition）有幾分像、 卻又有些許差異，哲學家丹尼特（Daniel Dennett）曾表示，人的認知並不包含理

hypothalamus）受刺激

們如何擁有現象上的經驗，以及感知能 力如何獲取顏色與口味等質地或特性

解，我們有意識的想法僅代表大腦處理

（characteristics）。

訊息的某些片段。

在伽利略（Galileo

神經科學對心智功能（mental function） 與相關行為背後的生理機制有著長足的

Galilei）之前、人們 普 遍 認 為 物 質 具 有 感 官 品 質（sensory quality），如番茄是紅色的、辣椒嘗起 來辣辣的、花兒聞起來是香甜的。伽利

他們仍渴望有一天能用最簡單的物理詞 彙闡述意識一詞，通常他們會以「重新 定義意識」來避免這個難題，並指稱意 識並非經驗、而是與經驗相關的複雜行 為功能，如人類監控內在狀態（internal

state）的能力、或處理環境中的資訊， 然解決意識的難題並不能只是將主體 （subject）代換掉。各路學派對意識總 有不同的定義與解釋，然而除提問「什 麼」是意識，我們還可以想想「為何」 是意識凌駕其上，使萬物獨特地存在著。

延伸閱讀

Philip Golf, Can science explain Consciousness?, Philosophy Now, 2017.

略曾表示，當有朝一日能以數學闡述哲

（Pixabay）

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NEWS FOCUS

分解塑膠碎片的海洋生物 據估計，全世界每年會製造出 1.2 億噸以

片，且在糞便中觀察到許多塑膠碎片。研究

上的塑膠製品，像是手提袋、塑料瓶等，

也發現影響其降解速度不在於塑膠的類型，

而這些產出，都是塑料污染的主要來源。

若隨時間的積累使塑膠外裹上一層有機材料

最近，科學家發現一個塑膠提袋會被海洋

（生物膜），則會使降解速度增加 4 倍。

生物分解成約 175 萬個微小碎片，造成潛 在的環境破壞與物種危害。

研究人員表示這與先前海鳥攝食的研究相 似，海洋生物會被富含生物膜或散發特殊

英 國 的 普 利 茅 斯 大 學（ University

of

化合物氣味的塑膠吸引，當成食物，造成

Plymouth ）研 究 團 隊 藉 由 觀 察 一 種 棲

塑膠碎片的擴散。研究人員進一步表示，

息在北歐和西歐沿海地區的端足類動物

綜觀目前的研究顯示，已有超過 700 種海

（Orchestia gammarellus），發現此種節

洋生物會攝入塑膠碎片，並對個體造成直

肢動物會將海洋中的塑膠垃圾撕成微小碎

接的危害。

（Shutterstock）

D.J. Hodgson, A.L. Bréchon and R.C. Thompson, Ingestion and fragmentation of plastic carrier bags by the amphipod Orchestia gammarellus Effects of plastic type and fouling load, Marine Pollution Bulletin, 2018.

掠食者獨特的面孔具相對應的行為特徵 許多哺乳類掠食者都擁有獨特的面孔、

加州大學生物學家卡羅（Tim Caro）與其團

重疊的特徵，複雜的臉孔使其能輕易辨識

或 在 胸 口 有 特 殊 的 圖 樣， 如 眼 鏡 熊

隊蒐集了 164 張陸生掠食動物照片，這些

相同的種類，避免與其他物種交配。擁有

（spectacled bear）眼睛周圍滾出的大一

動物包含犬科（canids）、貓科（felids）、

複雜的臉部陰影、隸屬貂科的巽他臭獾

塊 黑 色 圓 圈、 或 是 非 洲 果 子 狸（african civet）脖子上那條明暗交錯的「項鍊」。

熊科（ursids）、貂科（mustelids）、靈貓

（Mydaus javanensis）與非洲艾虎（Ictonyx

科（viverrids）與獴科（herpestids）等六種

striatus）其肛腺會分泌有毒液體，用以驅

這些動物的獵物通常會長出能與環境融合

動物科，針對每一個種（Species）的光影分

離掠食者。而貓科動物由於其圖樣並未與

的斑點或條紋作防備，許多掠食動物也都

析其色彩組成、陰影與對比狀況。該動物

任何特質顯著媒合，因此尚無定論。

有，但無論掠食者是否具備環境偽裝，都

的臉部或胸部若擁有高對比與色調，則給

能在他們的臉上或胸口找到沒有混在一起

予高複雜分數（complexity score），反之則

的標誌。

得分較低。

體色的演化驅力在這份研究裡展露無遺， 在阿拉巴馬大學攻讀動物體色的生物學家 希爾（Geoffrey Hill）表示，未來的研究可納

研究人員媒合這些分數與動物行為發現，

入更多元素，如日行性與夜行性、動物的

擁有複雜圖樣的犬科，如胸前有白色條紋

棲地等。此外，卡羅正鑽研演化史上與我

並披有對比強烈的黃褐毛色的衣索匹亞狼

們相近的哺乳類動物，發現許多猩猩與猴

（Canis simensis），其在獵食時較具社會

子亦在臉部及胸部有複雜體色，至於為何

性，此時的特徵使牠們能辨識彼此。靈貓

演變至此，尚待研究。

科的果子狸（Civettictis civetta）身上的條 紋與斑駁的面孔具警示性，多會對其他掠 食者進行反擊，亦能在追捕獵物時作為偽 （Shutterstock）

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裝、降低獵物的警覺。熊科之間則有較多

Tim Caro, et al., The evolution of anterior coloration in carnivorans, Behavioral Ecology and Sociobiology, Vol 71:177, 2017.

NEWS FOCUS

黑洞磁場比預期要弱上許多 近 期 美 國 佛 羅 里 達 大 學（University

of

察得到的資料。研究團隊負責人達利拉

Florida）分析距地球 8000 光年的天鵝座 V404 Cygni 黑洞後發現，其周圍磁場比 預估值低了 400 倍，將修正長期以來的

（Yigit

黑洞模型。

更了解宇宙是如何運作的。

這項研究是分析 2015 年 V404

發生在 1989 年，這項發現將協助科學家

Cygni 黑

洞爆發其所蒐集的數據得到的結果，該 事件是利用西班牙加那利群島加那利大 型望遠鏡（Gran

Dalilar）表 示，2015 年 爆 炸 僅 維

持了幾周的時間，而該黑洞前一次爆發

Telescopio Canarias）觀

Yigit Dallilar et al., A precise measurement of the magnetic field in the corona of the black hole binary V404 Cygni, Science, Vol. 358: 1299-1302, 2017.

（Andrew Beardmore (Univ. of Leicester) and NASA/Swift）

眼神接觸有助親子腦波同步 腦部各區資訊傳遞所仰賴的腦波，是由

實驗一裡，成人注視嬰兒的眼睛時、嬰兒

數以萬計的神經元活動產生。過去研究

的腦波會較未注視時來得接近成人，而當

顯示成人傳遞訊息時，兩者腦波在同步

成人轉頭但尚未將眼神移開的瞬間，會產

（synchrony）的狀態下，會有不錯的溝

生最大的同步效應。研究人員認為，嬰兒

通效果。劍橋大學嬰幼兒人際神經溝通

可能在過程中得到成人欲與其溝通的強烈

學 習 實 驗 室（Baby-LINC

Lab）日 前 就 嬰

訊息，而在實驗二當中，嬰兒與成人的腦

兒與成人互動時腦波同步的可能性進行

波同步程度又更多了些。研究人員指出，

研究，並探討眼神接觸是否為影響因子，

這表示腦波同步化的成因不單只是受試者

其研究結果刊登於近期的《國家科學院

看到對方的臉或看到有趣的事物，還有彼

院刊》（PNAS）。

此共享的那份溝通意圖。

研究團隊以腦電圖（electroencephalography, EEG）檢測 36 組嬰兒的腦波型態（brain wave pattern），比較嬰兒及成年人之

研究作者之一里昂（Victoria

腦部活動。第一個實驗裡，嬰兒觀看一

的動作有所回應，其腦波也將更同步，

個成人唱著童謠的影片，且影片中的成

這個機制也許可以使孩子的學習更有效

人 目 光 直 視 嬰 兒， 期 間 成 人 會 轉 頭 避

率。此外，為瞭解嬰兒的溝通行為，研

開 視 線、 最 後 再 將 頭 轉 回 看 著 孩 子；

究人員亦記錄其「發聲（vocalisations）」

第 二 個 實 驗 過 程 與 先 前 並 無 差 異， 只

的頻率，發現孩子發聲越多、其腦波與

是將影片裡的人代換成一個真正的人，

成人同步的程度也越高。然而眼神接觸

Leong V. et al., Speaker gaze increases infantadult connectivity, PNAS, 2017.

Leong）博士

表示，兩者相視時對彼此釋出「可交流」 與「欲求溝通」的訊號，當彼此對注視

前後兩次實驗中成人的腦波都會受到

與發聲如何帶來每秒 3~9 次的同步腦波，

腦電圖偵測。

需再進一步研究。

（Pixabay）

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專欄文章

世界的形狀—宇宙的故事

余海峯

天體物理學家、科學專欄作家。瑞典皇家理工學院博士後研究員，

研究興趣為伽瑪射線暴輻射機制。

數千年前，沒有電視、沒有網絡。夜幕低垂，人類抬頭仰望

地球的形狀

星空，也許會問：世界到底是什麼形狀的？從前，我們認

那麼，世界……噢不，那麼宇宙究竟是什麼形狀的？宇宙的

為「世界」就是我們居住的地球。直到今天，「世界」這

邊緣在哪裡？宇宙有多老？宇宙有終結的一天嗎？這些人類

個詞的意思仍多指「地球」，與科學認知的整個「宇宙」

史上從古至今的宇宙大哉問，其實全是最前沿的科學研究題

意思不同。

目。讓我們首先來看看從前人們是如何看這個地球的吧！

幾千年前，人類就認識到地球不是平的。古希臘人發現能 看見遠方帆船的帆但卻看不見船身，發現地球表面是彎曲 的。另一個證據就是月食，很早的時候，古希臘人就已經 發現月食形成的原因，是因地球影子投影於月球之上所形 成。他們發現月食時的陰影永遠都是正圓形的，而只有當 地球是球狀三維立體時，投下的影子才會出現這個情況。

不過在那時候，仍然有很多人認為地球是平的。一部分原 因是直觀的日常感覺，我們看不出地表有曲率。另一方 面，由於當時科學只是屬於有錢人的玩意，一般百姓很難 獲得最新的知識，導致科學資訊不流通。（畢竟當時可沒 有臉書和谷哥大神啊！）

人類是好奇心很強的生物，我們渴望知道、害怕不知道。 有時候，我們甚至不惜虛構出神話故事去填補心靈上的空 虛。其中一個耳熟能詳的古代「宇宙模型」，即地球是一 哥白尼。（Wikipedia）

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塊平的陸地，放在一隻巨大的象或烏龜的背上。而為什麼

理 物 |

Physics

正午運行到天頂。換句話說，當天正午時，位於該地的所 有東西都是沒有影子的。埃拉托色尼發現在夏至當天，在 埃及古城賽恩城（Syene）的井裡可以看見太陽的倒影， 即太陽剛好運行至賽恩城的天頂。於是他就在另一年的同 一天在埃及的另一個城市亞歷山卓（Alexandria）垂直地 面放一支杆，量度了它影子的長度，派人測量了賽恩城與 亞歷山卓的距離，用相似三角形定理算出地球的圖周。 埃拉托色尼計算的結果是：地球圓周長約 25 萬「斯塔德」， 換算做現代單位約為 40233 公里。現在，我們當然不用 派人徒步測量城市距離，因為人造衛星在太空上可以非常 精確地測量地球圓周。現在，我們知道地球的平均圓周約 為 40075 公里，這與埃拉托色尼的數值誤差只有 0.39% ！ 埃拉托色尼能夠在兩千多年前得出地球是正球狀的結論， 並做出這個簡單而準確的實驗，其意義非常深遠。他告訴 我們，物理世界是可以利用邏輯和計算去理解的。

而我之所以說地球的「平均」圓周，是因為其實地球並非 正球狀的。由於地球會自轉，重力的一部分會用來提供向 伽利略。（Wikipedia）

心力，因此赤道附近其實是些微凸起的。地球的赤道半 徑為 6378.1 公里、南北極半徑為 6356.8 公里，相差了

要放在動物的背上？原來原因也非常科學，因為古人要解

21.3 公里。聽起上來，23.1 公里差距好像蠻大的，但這

釋海浪和地震！對比現代的地平論者，古代的地平說可算

其實只有地球平均半徑 6371.0 公里的 0.36%，這就好比

是非常有科學精神的啊。

一個桌球凸起了 1.5 條頭髮那麼多的厚度。因此，地球其 實是非常接近正球狀的。那麼，宇宙的形狀呢？

然而，埃拉托色尼（Eratosthenes of Cyrene，西元前 276~ 前 195/194）知道並理解地球不是平的。他認為地球是個

太陽系的形狀

正球狀的立體，而且做了一個美麗的實驗——測量地球圓

很早以前，人類就已經發現夜空中點點繁星當中，有幾顆

周，而且是在西元前 200 多年！雖然埃拉托色尼的著作

與別不同。有別於一般星星，有時候我們發現這幾顆光

《測量地球》今已佚失，我們仍能夠從其他學者的著述得

點會反方向運行，古人稱呼這現象做逆行運動。而會逆

知埃拉托色尼測量地球圓周的方法。

行的光點，就稱為行星，又稱為「漫遊者」。在哥白尼 （Nicolaus Copernicus, 1473~1543） 之 前 的 時 代， 人

由於地球自轉軸並非垂直於公轉平面，因此位於北回歸線

類只發現了 5 顆行星（當時行星之列並不包括地球），分

及南回歸線之間的所有地點，太陽每年都會在其中一天的

別為水星、金星、火星、木星和土星。

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專欄文章

跨年夜的捷運影響地球磁場？

大眾捷運系統 造成地球磁場觀測的擾動 陳界宏 顏宏元

國立中央大學地球科學學系教授兼系

主任，研究領域為重磁測勘、地體構造物理學。

時任國立中正大學地球與環境科學學

系副教授，現職中國地質大學（武漢）固體地球 物理學系，研究領域為地磁學、地震前兆。

位於陽明山國家公園的地磁觀測站是為了監測臺灣北部地

鐵屑會沿著磁力線排列，磁力線越密集的地方代表磁場強

區火山活動，但長期在特定時間記錄到明顯的擾動訊號，

度較強。其實，因為地球磁場的緣故，在我們的周遭空間

干擾幅度約為 3~5 nT（奈特斯拉，nano-tesla）。經研

分布著不同密度的磁力線，磁力線的疏密就如磁鐵吸鐵屑

究發現，地磁觀測站長期受到擾動是臺北捷運系統的供電

實驗一樣，意謂著周遭磁場強度有所不同。

和回流電流不平衡造成。 戰國時期人類已經發現了磁石能吸引鐵的現象。偶然間發

地球磁場

現條狀的天然磁石竟然都會固定指向南北方向（向南與向

在求學階段，大家都做過「磁鐵吸鐵屑」實驗（圖一），

北），因此就應用磁石磨成指南針，並藉它來辨別方向。 但當時還不知道為什麼指南針會一直指著南北方向？其實 這就表示地球有磁場存在的證據。

雖然對於地球磁場的起源，至今仍未找到一個令人滿意的 答案，但科學家們根據長期對地球磁場的觀測資料，已基 本掌握了地球磁場的分布與變化規律。地球的磁場分布如 圖二所示，它阻擋絕大部分高速太陽風所造成的輻射能， 為地球提供了一個無形的屏障。地球磁場強度因地點不同 而有所差異，地球磁場最強是位在加拿大東北部的「地 磁南極」，其強度可達 66000 nT；最弱則是在南美洲的 圖一：鐵屑會沿著棒狀磁鐵產生的磁力線排列。（Wikipedia）

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24000 nT，臺北的地磁場強度約為 45000 nT。

天 地 |

Earth Science

地球磁場強度亦會隨時間而變化，大家最熟悉地球磁場短

洋波動等，都會造成地磁場微弱的擾動情形。至於都會區

期且顯著的變化就是「磁暴」現象。當磁暴發生時，太陽

大眾運輸系統營運會引起地球磁場的擾動，我們則是在無

風中的帶電粒子會順著地磁場的磁力線方向運動，與大氣

意間被發現的。

中氣體分子碰撞放電，在極區或較高緯度地區引發瑰麗、 且瞬息萬變的「極光」。其他如大地震、隕石雨、甚至海

發現地磁紀錄異常 大屯火山群位於臺北盆地正北方，主要由七星山、紗帽 山及磺嘴山等 20 餘座火山組成，一般認為是因菲律賓海

太陽風

衝擊波面

磁層頂 地球磁力線

N

板塊往北隱沒作用所造成。根據最新研究發現，在大屯 火山群下方地殼深部有岩漿庫的存在；另由火山灰研究 指出大屯山之最後一次噴發可能在 5000~6000 年前， 所以將大屯火山群歸類為「休眠的活火山」。為了即時 監測大屯火山活動，在陽明山國家公園菁山自然中心成立 「大屯火山觀測站」，該觀測站在大屯火山群及其周邊設 置多項即時火山監測儀器，其中於「大屯火山觀測站」下

范艾倫帶

方安裝一套三分量地磁觀測設備，稱為陽明山地磁觀測站 100000 公里

（YMM，圖三）。

磁鞘

我們檢視該地磁觀測站的資料時，無意間看到 2013 年元 旦清晨 1 點 30 分到 4 點 30 分的地磁資料，與平常同時段

圖二：地球磁場分布是從地表到磁層頂。

a

b

圖三：（a）三分量地磁感應器是被埋在地底下（施工過程所拍攝）。（b）透過 FRP 內的傳輸裝置，將所觀測到的地磁資料傳送到紀錄中心。地 磁感應器則是埋在 FRP 左上方的樹林裡。（a 為陳俊榕攝影、b 為顏宏元攝影）

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COVER STORY

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天色透視 變化萬千的氣象對人類生活有著密切關係 小從出門是否帶傘，大至影響農夫耕作收成 欲知明日天氣依賴預報，而預報內容怎麼來？ 預報員如何從複雜的資料中推測未來天氣狀況？

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COVER STORY

1 在「看天吃飯」的眾多行業裡，氣象工作者大概是最名符 其實的一個。這份工作有些原罪——永遠不可能百分之百 準確，也永遠要背負報不準的罵名。儘管已經進入 21 世 紀很久了，時至今日還是有不少人會說，「我家路口種田 的阿伯看天氣都比氣象預報準，就連我用擲杯的都會對一 半！看氣象預報要幹嘛？」雖然預報員總是日復一日地在 批評聲浪中自我質疑、找尋這個身分的定位和價值，但風 雲萬千的魅惑和挑戰性，還是吸引氣象愛好者願意繼續投 身，努力在無法百分百完美的預報裡尋求突破的契機。

氣象預報是門年輕的科學。雖自人類有文明以來，就有氣 象預測的需求，然而在過去人類漫長的歷史中，大多只能 觀物識天、靠著經驗法則猜測天氣變化，想當然爾，被老 天打臉的機率自然不低。身為現代預報員可幸運多了，隨 著觀測儀器和電腦運算技術的進步，我們終於可以用科學 的方式來分析和推測老天爺的臉色。

才不是擲杯算出來的呢！

氣象預報的基礎科學理論在 20 世紀初期被提出，但當時 僅靠人腦計算的速度，遠遠趕不上預報的需求；而現代的

精緻化的 現代氣象預報

天氣預報技術，也就是「數值天氣預報」，是直到 20 世 紀後期，跟著計算機技術的突飛猛進才開始發展的。臺灣 開始引進這套技術預報天氣的歷史，距今大約只有 30 年 的時間，比臺灣有電視台的時間還短得多呢！關於數值天 氣預報的介紹，本專輯的另一文章中有更詳細的說明，在 此不多贅述。

氣象預報的基本流程 俗話說，事出必有因，所有晴雨冷熱的變化，背後肯定有其 影響機制，因此預報天氣前，要先有「診斷」天氣的能力， 就像醫生看病一樣，必須先找出現象發生的成因，才能推敲 下一步將如何變化。由於大氣是立體的，一個專業預報員必 謝佩 芸 報員。

氣象預報中心預

需分析每個氣象參數在時空裡的變化，最重要的包括各個場 量在空間裡水平與垂直的三維分布、這些分布隨時間的演 進、以及過去不同時刻的預報資料「隨時間調整的趨勢」。 每個預報員一到班，面對的便是排山倒海而來、且不斷持續

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COVER STORY 1

更新的大量資料，這些資料大致上分成兩部分：一種是實際 的觀測、其二為電腦模式的預報。目前我們常使用的觀測資 料，包括各個氣象站所量測諸如溫度、雨量、風場、天氣現 象之類的參數，還有衛星、雷達等遙測資料，以及用來解析 大氣垂直結構的探空等，讓我們可以得知天氣系統實際的強 度、位置和影響情形，了解天氣系統的過去和現況，亦可藉 以修正預報資訊。

而電腦模式的預報資料則像是神奇的水晶球，奠基在科學 原理上，讓我們能預知、望見未來天氣變化的圖像。目前 氣象局常使用美國、歐洲及臺灣本身發展的模式資料，由 預報員綜合評估各家預測內容，整合出可能的預報看法。 我們也會回頭用觀測資料，來比對過去模式對這個時間點 的預報到底準不準確，藉以分析該模式可信度有多高、未 來的預報是否能信任參考，這是預報流程中，很重要的 「校驗」工作。

分析完各式各樣的資料後，不同預報員出現不同看法，是 常有的事，因此必須開會討論，經過一番唇槍舌戰、交換 意見達成共識，才能給定一個官方的結論，也才能開始進 入下一步——製作預報產品。

天氣是「畫」出來的：精緻化預報 對現代人來說，打開手機或電腦點幾下，就能隨時查詢到 各個地點最新、最當地的天氣，這是個再簡單不過的動 作。但過去的人要知道明天天氣，得靠電視新聞、廣播或 報紙才能了解個大概，而且最多只能看到 22 個以縣市為 主、半天一筆的粗略預報資訊——這聽起來彷彿像是上個 世紀的事了。當年的預報員，是將天氣、溫度等預報結論， 用手動的方式一格一格打進白紙黑字的表格內，製作出預 報單的。然而這個「當年」其實並沒有很久，這些聽起來 很傳統的作法，不過是才 6 年前的事而已！ 民國 101 年的元旦，是臺灣氣象預報邁向新里程的一個轉捩 點。氣象預報從 22 個縣市分區瞬間進化成 368 個鄉鎮，並

圖一：預報作業流程圖。

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Interview

從傳統聖嬰現象到新型聖嬰現象—

聖嬰現象專家： 加州大學余進義教授專訪 文詠萱

本刊主編。

（文詠萱攝影）

余進義

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SCIENCE MONTHLY 2018.1

1984 年 臺灣大學大氣科學系學士 1993 年 美國華盛頓大學博士 1993~2002 加州大學洛杉磯分校博士後研究員、助理研究員、副研究員 2002 至今 美國加州大學爾灣分校助理教授、副教授、教授

Interview

傳統聖嬰現象為東太平洋在隔幾年海水異常升溫的現象，

「 到 了 21 世 紀，

早在數百年前南美洲祕魯地區漁民就已發現此現象。他們

發現我們的聖嬰預

發現，在正常時期，會因海底深層湧升流上升，其中富含

報沒有以前準了。

大量營養鹽，帶來大量漁獲；而在每隔 2~5 年，會有某

我們發現聖嬰改變

一年因海水升溫，導致漁獲量大減。

了， 不 是 我 們 20 世紀所認識的傳統

而到了 1960 年代，加州大學洛杉磯分校（University of

聖嬰。」余進義說。

California, Los Angeles, UCLA）氣象學家畢雅克尼斯 （Jacob Bjerknes）在大量氣象與海洋資料中，觀察出聖

21 世紀發現新型聖

嬰現象為大氣與海洋交互作用，不單只是海洋現象。科學

嬰現象後，開啟了科

家開始深入對聖嬰現象有興趣，而從對於聖嬰現象一無所

學家對聖嬰研究的

知，到研究出整套物理理論、並能將物理理論以電腦模

新章節。氣候學家了

擬，共花了 2、30 年的時間。

解聖嬰現象具多種 樣子後，著手進行研

氣象學家畢雅克尼斯。（圖源 : Hedvig Bjerknes）

自 21 世紀起，科學家發現太平洋上聖嬰現象的模式有些

究，並討論為什麼地球上有如此多的聖嬰現象，探討每種聖嬰

改變，過去海水從東太平洋開始升溫的現象，自 1990 年

現象背後形成的原因，以及不同聖嬰現象對全球（包含臺灣）

代出現了從中太平洋、國際換日線附近開始升溫的聖嬰現

氣候有什麼影響。「最近聖嬰現象相關研究主要針對聖嬰多樣

象。美國加州大學爾灣分校（University of California,

性的動力原因，以及不同聖嬰在全球影響的研究。」余進義說。

Irvine）教授余進義與其研究團隊在 2009 年提出此種中 太平洋海水溫度異常上升的特殊氣候變化，稱之為「中太

科學家對於非典型聖嬰現象成因提出不同看法

平洋聖嬰現象（Central-Pacific El Niño）」，又稱為「非

對於 21 世紀中太平洋聖嬰現象出現的原因，科學家提出

典型聖嬰現象」。

了三種不同的解釋方式。第一種最普遍的解釋方式為「全 球暖化」，因全球暖化導致地球大氣環流模式改變。熱帶

《科學月刊》本月專訪全球聖嬰現象研究具領先地位的余

地區溫度較熱，熱空氣會上升，而極區冷空氣會下降，冷

進義教授，請他分享非典型聖嬰現象研究心得與過程。

空氣會往熱帶地區移動，熱空氣會往極區移動，這就是是 地球的大氣環流。「就像一輛在開動的車子，把熱空氣往

21 世紀的非典型聖嬰現象

北運、冷空氣往南運。但全球暖化改變了南北氣溫的分

相對非典型聖嬰，20 世紀的傳統聖嬰現象又稱為「東太

佈，大氣循環就必須改變，像汽車換檔一樣，改變車子的

平洋聖嬰現象」，或稱「典型聖嬰現象」。「這兩種聖嬰

速度，進而改變了全球氣候狀態，以應付全球暖化。」余

都是聖嬰，都是自然界本來就存在的，只是我們 20 世紀

進義用汽車換檔做比喻全球暖化對大氣環流的影響。當環

不知道聖嬰現象有兩種，直到 21 世紀我們才觀察到。」

流改變了，所伴隨的大氣 – 海洋交互作用也跟著改變，就

余進義說。

產生了新的非典型聖嬰。

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科技新知

應用在 AI、5G 的先進製程技術：

鰭式場效電晶體（FinFET） 曲建仲／臺灣大學電機工程學系博士，曾榮獲中華民國 96 年度全國

優秀青年工程師獎章並獲總統召見，致力臺灣科技教育多年，擅長

—

e

以淺顯易懂的文字由淺入深帶領非理工背景的讀者們了解艱深困難

圖一：MOSFET 代表一個 0 或一個 1，就是

的科技原理。

電腦裡的一個「位元」。

（ 矽 ） 叫 做「 源 極（source）」， 在去（2017）年 9 月底，中央通訊社

光罩曝光系統已經利用到了極限，台

右 邊 灰 色 的 區 域（ 矽 ） 叫 做「 汲 極

報導，台積電宣佈 3 奈米新廠落腳

積 電 3 奈 米 技 術 已 經 研 發 2~3 年，

（drain）」，中間有塊金屬（紅色）

臺南，並且比原先預估的時程提早約

對於成功量產很有把握，但是 2 奈米

突 出 來 叫 做「 閘 極（gate）」， 閘 極

一年量產，這等於宣告台積電技術領

是否能夠成功則要再努力幾年才會知

下 方 有 一 層 厚 度 很 薄 的 氧 化 物（ 黃

先， 對 競 爭 者 如 三 星、 英 特 爾 產 生

道，而 2 奈米以下已經到了紫外光的

色），因為中間由上而下依序為金屬

震懾作用，更可以給予大客戶信心。

物理極限，因此就很困難了！

（metal）、氧化物（oxide）、半導體 （semiconductor），因此稱為「MOS」。

台 積 電 不 但 技 術 領 先， 更 將 技 術 結 合人工智慧（Artificial Intelligence,

Apple 新推出的手機從第六代（iPhone

AI）、 第 五 代 行 動 通 訊（fifth

6s）開始內的 A9 應用處理器，就已

MOSFET 的工作原理與用途

generation, 5G）、雲端應用（cloud

經開始使用新的「 鰭 式 場 效 電 晶 體

MOSFET 的工作原理很簡單，電子由

application）， 對 臺 灣 產 業 發 展 是

（FinFET）」， 代 表 FinFET 開 始 全

左邊的源極流入，經過閘極下方的電

絕佳助力。有關 3 奈米新廠建廠時間

面攻佔手機處理器，基本上 10 奈米以下

子通道，再由右邊的汲極流出，中間

表與投資總金額，台積電表示，目前

的電晶體都必須使用這種新型的結構，

的閘極則可以決定是否讓電子由下方

仍未定，初步規劃強效版 7 奈米製

到底什麼是「場效電晶體（FET）」？

通過，有點像是水龍頭的開關一樣，

程將於 2019 年量產、5 奈米製程預

什麼又是「鰭式場效電晶體」呢？

因此稱為「閘」；電子是由源極流入，

計 2020 年量產、3 奈米製程預計在

2022 年量產。

66

也就是電子的來源，因此稱為「源」；

什麼是場效電晶體？

電子是由汲極流出，看看說文解字裡

FET 的 全 名 是「 場 效 電 晶 體（Field

的介紹：汲者，引水于井也，也就是

目前半導體製程技術已推進到 10 奈

Effect Transistor, FET）」，先從大家

由這裡取出電子，因此稱為「汲」。

米， 根 據 台 積 電 董 事 長 張 忠 謀 的 預

較耳熟能詳的「MOS」來說明。MOS

估，3 奈米技術會成功實現，但是 2

的全名是「金屬 – 氧化物 – 半導體場效

當閘極不加電壓，電子無法導通，代表

奈米則有不確定性，換句話說 3 奈米

電 晶 體（Metal Oxide Semiconductor

這個元件處於「關（OFF）」的狀態，

有可能是半導體終極先進技術，主要

Field Effect Transistor, MOSFET）」，

我們可以想像成這個位元（bit）是 0，

是因為目前使用的紫外光雷射光源與

構 造 如 圖 一 所 示， 左 邊 灰 色 的 區 域

如圖一（a）所示；當閘極加正電壓，

SCIENCE MONTHLY 2018.1

電子可以導通，代表這個元件處於「開

米到底有多小呢？細菌大約 1 微米，

之間的接觸面積變大了（圖二黃色的

（ON）」的狀態，我們可以想像成這

病毒大約 100 奈米，換句話說，人類

氧化物與下方接觸的區域明顯比圖一

個位元是 1，如圖一（b）所示。

現在的製程技術可以製作出只有病毒

紅色虛線區域還大），這樣一來即使

1/10（10 奈米）以下的結構，厲害吧！

閘極長度縮小到 10 奈米以下，仍然

MOSFET 是目前半導體產業最常使

保留很大的接觸面積，可以控制電子

用的一種場效電晶體，科學家將它製

製程線寬其實就是閘極長度，只

是否能由源極流到汲極，因此可以更

作在矽晶圓上，是數位訊號的最小單

是圖一看起來 10 奈米的閘極長

妥善的控制電流，同時降低漏電和動

位，我們可以想像一個 MOSFET 代

度反而比較短，因此有人習慣把

態功率耗損，所謂動態功率耗損就是

表一個 0 或一個 1，就是電腦裡的一

它叫做「線寬」。

這個 FinFET 由狀態關變開（0 變 1）

個「位元」。電腦是以 0 與 1 兩種數

或開變關（1 變 0）時所消耗的電能，

位訊號來運算；我們可以想像在矽晶

FinFET 將半導體製程帶入新境界

降低漏電和動態功率耗損就是可以更

片上有數十億個 MOSFET，就代表

MOSFET 的結構自發明以來，到現

省電的意思囉！

數十億個 0 與 1，再用金屬導線將這

在已使用超過 40 年，當閘極長度縮

數十億個 MOSFET 的源極、汲極、

小到 20 奈米以下的時候，遇到了許

閘極連結起來，電子訊號在這數十億

多問題，其中最麻煩的是當閘極長度

掌握 FinFET 技術 就是掌握市場競爭力

個 0 與 1 之間流通就可以交互運算，

愈小，源極和汲極的距離就愈近，閘

簡而言之，鰭式場效電晶體是閘極長度

最後得到使用者想要的加、減、乘、

極下方的氧化物也愈薄，電子有可能

縮小到 10 奈米以下的關鍵，擁有這個

除運算結果，這就是電子計算機（電

偷偷溜過去產生「漏電（leakage）」；

技術的製程與專利，才能確保未來在半

腦）的基本工作原理。晶圓廠像台積

另外一個更麻煩的問題，原本電子是

導體市場上的競爭力，這也是讓許多國

電、 聯 電， 就 是 在 矽 晶 圓 上 製 作 數

否能由源極流到汲極是由閘極電壓來

際大廠趨之若騖的主因，而在過去幾年

十億個 MOSFET 的工廠。

控制的，但是閘極長度愈小，則閘極

台積電與三星的競爭中，台積電幾乎是

與下方通道之間的接觸面積（圖一紅

完勝三星，與台積電擁有成熟的鰭式場

閘極長度：半導體製程進步的關鍵

色虛線區域）愈小，也就是閘極對通

效電晶體（FinFET）製程與專利密不

在圖一的 MOSFET 中，「閘極長度

道的影響力愈小，要如何才能保持閘

可分，也使得台積電成為臺灣少數具有

（gate length）」大約 10 奈米，是所

極對通道的影響力（接觸面積）呢？

國際競爭力的世界級高科技公司。

有構造中最細小也最難製作的，因此 我們常常以閘極長度來代表半導體製

因此美國加州大學柏克萊分校胡正

程的進步程度，這就是所謂的「製程

明、金劉（Tsu-Jae King-Liu）、波科

線寬」。閘極長度會隨製程技術的進

（Jeffrey Bokor） 等 三 位 教 授 發 明 了

步而變小，從早期的 0.18 微米、0.13

「 鰭 式 場 效 電 晶 體（Fin Field Effect

微米，進步到 90 奈米、65 奈米、45

Transistor, FinFET）」，把原本 2D 構

奈 米、22 奈 米、10 奈 米， 到 日 前 台

造的 MOSFET 改為 3D 的 FinFET，如

積電宣佈正在開發中的 7 奈米、5 奈

圖二所示，因為構造很像魚鰭 ，因此稱

米、3 奈米。當閘極長度愈小，則整

為「鰭式（Fin）」。

e

—

個 MOSFET 就愈小，而同樣含有數 十億個 MOSFET 的晶片就愈小，封

由圖中可以看出原本的源極和汲極拉

裝以後的積體電路（IC）就愈小，最

高變成立體板狀結構，讓源極和汲極

後 做 出 來 的 手 機 就 愈 小 囉！。10 奈

圖二：FinFET 就是把原本 2D 構造的源極和

之間的通道變成板狀，則閘極與通道

汲極拉高變成立體板狀結構。

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留學生專訪

埋下不設限的種子—

蔡沛學專訪 李依庭

本刊編輯。

（王弘奕攝影）

在一個毛毛雨已漸歇、烏雲漸散的早

潔的讓人明瞭身處繁殖生理與細胞生

觸與想法，「尤其在獸醫領域中，學

晨，走在臺大的校園中，到處散落著

物學實驗室。

生畢業後大多只想要開業，這是很可 惜的事情，我覺得研究並不是每個人

此起彼落的吆喝聲，學長姐精神抖擻 的為坐在台階上、那一個個懵懂又略

進到辦公室中，蔡沛學隨即熱情地招

都可以做，需要有其天分，而那些有

顯緊張的神情展現出無比的熱情。不

呼，從他臉上看不出剛去東京大學進

天份的學生，就在這個校園中；開業

難得出今日是大學開學的第一天，迎

行暑期客座教授一個月的疲憊，取而

救的是眼前這隻動物，而研究影響的

新、團康，都是為了讓這群生澀的新

代之的是專業與自信的神情。寒暄過

是整個系統，可能讓某一個疾病從

鮮人能揮別高壓的高中生活，無縫接

後，蔡沛學先是啜了一口咖啡後說：

此消失，造就一個更大的趨勢，這也

「 我常覺得身為老師，這個身份除了

是我不斷嘗試著從我所看到的角度，

做研究外，還有一個很重要的角色，

去影響學生的觀念，do something

走進獸醫一館，按圖索驥來到 3 樓的

就是你怎麼去影響你身邊的學生們，

with great impact, rather than great

辦公室前，敲敲門後，前來應門的人，

發表論文、做研究固然重要，不過對

incoming ！（做一些對他人帶來好

是往後 2 個小時中的訪談對象——蔡

於學生而言，那些離他們都太遙遠，

的影響的事勝過於有好的收入！）」

沛學。走進蔡沛學辦公室，映入眼簾

但透過不斷地交談，能讓很多事物與

的是一面與此空間極為衝突的亮橘色

想法變得不一樣。」笑容滿溢的眼神

大學畢業後出國念書、做研究，是蔡

牆，搶眼的佇立在辦公桌身後。帶上

中不難看出對教育的堅定。

沛學進入中興獸醫系就讀後就打從心

軌的適應新環境、新生活。

裡不變的初衷，縱使一開始是單純以

門後，眼睛卻隨即被門上的塗鴉所吸 引，一顆精子在游泳，直接、卻也簡

74

SCIENCE MONTHLY 2018.1

對於獸醫系，蔡沛學更是有深切的感

賺取工讀金為由進入實驗室清掃狗

舍。但待在實驗室的閒暇時刻，觀看

並不滿足於此，也不打算將荷蘭當作

辭去這份短命的工作，蔡沛學回憶當年

學長姐所做的各種研究，都讓蔡沛學

他最後的終點。「身為臺灣人，我有一

並沒有做太多的猶豫，「 還記得在博

覺得有趣且新奇，也讓他一頭栽入獸

個美國夢，想體驗那邊的生活，就算

士班畢業時，指導教授送給我的一句

醫的研究領域中。

是去看美國職籃（National Basketball

話：『Publication is not everything,

Association, NBA）也好，就是要去看

there are more important things in

遠赴異鄉的生活

看，誰都無法阻止我。」蔡沛學哈哈

your life.（發表論文不是一切，你的生

畢業後的他，即踏上前往荷蘭烏特列

大笑的說。

活中還有更多重要的人、事、物。）』，

支大學（Utrecht University）的路程；

這一番話重重衝擊著我，縱使學術領

而流行病學與經濟學碩士課程，是蔡

因為嚮往，蔡沛學舉家遷移到了美國，

域上成就再高，但在未來的人生中，

沛學不願增加家裡負擔、評估過後的

迎來第二個博士後研究，是一份在麻

陪伴我的不會是那一張張的論文，而

選擇。「荷蘭的碩士課程跟臺灣不太

州醫學院的研究工作。然而，在這無

是家人。」

一樣，在臺灣是考上之後直接找有興

一處不充滿美國氣息的環境中，實驗

趣的老師，以老師的實驗方向為主；

室的氣氛與生活上的改變卻讓他開心

離 開 麻 州 後， 蔡 沛 學 進 入 哈 佛 醫 學

在荷蘭是選擇不同類型的課程，像獸

不起來。「老闆人非常好，但那個實

院。 在 為 期 2 年 半 的 研 究 中， 觀 察

醫方面，可能有病理課程、實驗動物

驗室的氛圍不適合我，而且那時候我

世界一流的單位做研究的方式、體系

課程或流行病學與經濟課程等，碩士

的家是在波士頓，因為太太在哈佛工

的運作等，在在都讓他倍感新鮮與特

期間有 80% 在上課，其餘 20% 的時

作。所以，每天我必須要花數個小時

別，當然過程中也見識到許多良性與

間是自由的，是否進實驗室則為額外

坐火車通勤，早上 5 點離開家門、晚

惡性的競爭，但並不失他在哈佛的愉

的選擇。」

上 7、8 點才能回到家，讓我沒有太多

快體驗。而就在一次偶然的機會中，

時間與家人相處，持續 1 年後，我決

蔡沛學面臨生涯的選擇。「當時哈佛

定改變這樣的生活。」

已要將我升到講師（lecturer）的職

就 讀 碩 士 的 2 年 間， 蔡 沛 學 將 其 餘

20% 的時間，選擇重新拾起大學時 期所研究的方向，加入繁殖生理實驗 室，爾後幾年，遂持續待在此實驗室 攻讀博士。「雖然我碩士讀的是流行 病學與經濟學，看起來可能跟繁殖生 理與細胞生物有些分歧，但是這 2 年 的學習讓我後來的研究道路上能更宏 觀，而不只是侷限眼前的事物。」蔡 沛學接著說，「舉例來說，觀察到某 隻動物的繁殖性能下降、精子的活力 變差，在著重探究精子哪部位所出現 的微觀問題外，也會學著去注意是否 只有個別動物出問題，還是整個族群 都產生的宏觀問題。」 待在荷蘭 9 年的歲月，從碩士、博士

蔡沛學的博士論文，將兒子照片拼湊出的封面，既呼應其所學（繁殖生理），相較一般常見的

到博士後研究一路的身分轉換，但他

論文封面，又更加別出心裁且具個人風格。（王弘奕攝影）

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下期帶您一窺重力波偵測的關鍵技術和背後神奇的科學原理！

重力波在 2015 年首次被偵測，印證一百年前愛因斯坦的推論，同時也開啟天文學的新領域。

重力波偵測的關鍵解析

科學月刊 578 期 精采預告