總統府今天舉行國父紀念月會,由李總統登輝先生親自主持,並聽取國立成功大學校長吳京的專題報告。
月會是於上午十時開始,總統由總統府秘書長吳伯雄及參軍長陳廷寵陪同蒞臨會場,中央、地方政府首長都起立致敬。
隨後,吳京校長以「大氣與海洋的相互作用」為題,為與會者作專題報告。吳校長在報告中指出,大氣與海洋的相互作用,是地球環境變化最重要的一項,對人類生活空間有直接而且巨大的影響,因此大氣與海洋科學已深為各國重視。
吳校長進一步指出,經過多年的努力,我國大氣與海洋科學的發展已經有了相當的基礎,可是這兩個領域的範圍太廣,我們人力的分布也顯得薄弱而難以凸顯其效果;為此,吳校長建議我國發展大氣與海洋科學應分別著眼在國際、民生及國防等三方面。
吳校長專題報告全文為:
大氣與海洋的相互作用
─理論與應用 現況與發展
總統、副總統、各位長官、各位女士、各位先生:
壹、前言
十年前,我帶領一個研究海洋與大氣領域的教授團從美國回來訪問;次年受李資政國鼎先生的囑咐,籌擬「大氣與海洋相互作用」大型研究計畫。這項研究計畫,不僅是跨院系而且也是跨校際的整合;不過當時由於這個研究領域還沒有受到國人的注意,因此未能如期推動。今天卻能在國科會郭主委推薦下,到總統府來作這項報告,實在是國家科學研究的一大進步,可惜的是九年的時光已經過去了。
貳、大氣與海洋科學的研究領域
在談大氣與海洋的相互作用之前,讓我先談談大氣科學及海洋科學的領域。這兩個學科都很廣泛,今天所談的也祇是跟主題有關的一小部分。所謂大氣科學,以我們日常生活最常用的話來說,其範圍主要包括短暫性的、每日變化的、小區域的「天氣」,以及長期性的、季節性的、大區域的「氣候」。今天我要談些大區域的氣候,也要談些小區域的天氣。
至於海洋科學所研究的現象,也非常廣泛。單就物理方面來說,就包括了海洋表面不同程度的波動、海面下的內波、洋流以及渦流。
所謂「天氣」,從科學的觀點來描述,是指多個不同溫度、不同濕度的氣團,在不同速度下運轉的現象。我們無時無刻不在這些氣團的籠罩下,我們感受到的冷熱、陰晴、風力大小,都取決於籠罩我們的氣團。傳統上我們用升空氣球及先進的探空雷達去偵測這些氣團;因為我們都住在陸地上,這些觀測也都集中在陸地上空。可是地球表面約近八成是海面;尤其對我們台灣來說,海的影響更大,因為侵襲我們的氣團大都來自海上。
大氣科學比海洋科學起步早些,因為從陸地上進行對空觀測,比從海面上去作深水觀測來得容易多了。「海」也可以用對等的方式來描述。它包含多個不同溫度、不同鹽度的水團,以不同的速度在運轉。研究這些水團的學門是物理海洋學。也有人說,「海」不外乎是一套水面下的天氣系統。這種說法,對我們的海軍潛艦官兵來說,應該是最容易瞭解的。
參、大氣與海洋兩大系統互動而非獨立
大氣與海洋兩大系統,是相互牽引、相互影響,而不是各自獨立、互不相干的。他們互相的牽引是靠動量、熱量及質量的交換。最明顯的動量交換,可以用我們的一句成語來說明─「興風作浪」。就這樣大氣系統帶動了海洋。換言之,海洋運轉的機制主要就是靠風作用在海面上的剪力及永遠存在的地心引力對水體重力的作用。在另一方面,大氣系統帶動海洋則主要靠熱量與質量的交換。
海面上有波浪,波形的運行蠻快的。可是那祇是水面起伏形成的波形而已,水的質點大致上僅順風作少許運動;因此以動量的觀點來說,海洋對大氣系統的影響不大。那大氣系統又是如何起動的呢?大半是靠海洋輸送給大氣系統的熱量與質量。熱量的輸送像蒸氣機,質量的輸送像內燃機,海洋就這樣把大氣系統推動。這裏好像把話給講反了─好像是說自然現象依照我們人類設計的機械原理在運轉。其實人類的發明,大都是由於自然現象的啟發,這也是我們今天要研究自然科學的一個主要理由。
大氣與海洋相互作用的研究,直到最近的十多年前,都偏重在大氣影響海洋,太過注重單向的影響。而十多年來我們發現了愈來愈多沒法解釋的現象,起初就叫它反常;後來慢慢察覺見反常裏仍有些常規,研究人員體認到我們該多探討海洋對大氣系統的影響,因此大氣與海洋相互作用的研究,因雙向並重而蓬勃發展起來。
肆、大氣與海洋相互作用主要在海面
大氣與海洋相互作用最頻繁、兩方受到影響最大的,當然是在大氣與海洋交界的地方,即海面及其附近區域。換句話說,直接的作用區域都在交界處,間接的作用區域,當然影響到高空大氣和深海區域。而海面及它的附近區域正是人類活動集中的地方:諸如海上運輸、漁業發展、資源開發、海上休閒,甚至敵人的飛彈為了躲避雷達偵測也是貼近海面而來,更有日漸受到重視的海洋排污放流,也都安置在靠近海面的地方。還有大氣與海洋的相互作用,會造成水氣的交換、蒸發或降雨;而「水」則是今日台灣最迫切的民生問題之一。總之,大氣與海洋科學中,跟日常生活最有關係的部分,都在大氣與海洋相互作用的研究領域內。
在這大氣與海洋相互作用的領域內,我們究竟要做些什麼呢?又有那些目標?從自然科學的觀點來看,最重要的是瞭解相互作用的機制。當然研究科學的最主要目的是為人類謀福利,大氣與海洋相互作用的研究,也是這樣;它代表了地球環境變化最重要的一環。世界各國政府都已經有了極深刻的體認,這個對人類生活空間有直接而且巨大威脅的問題,要靠有識之士和政府的共同努力來解決。研究大氣與海洋相互作用的機制及其量化更能凝聚人民對環境變化的關切,主導相關政策的釐定。再者,如果把著眼點從全球拉到我們國家的海域,把同時從長遠縮到現在,則大氣與海洋相互作用的研究,就是要達到預測我國海域環境變化的目的,作為我們作業、活動的依據。
伍、大氣與海洋科學研究的瓶頸
大氣與海洋相互作用的研究容易嗎?不。要去瞭解這個錯綜複雜的現象,必須從理論及觀測兩方面著手。研究人員對大氣、海洋的觀測已經有了一段歷史。傳統上,對大氣的觀測是用探空氣球,氣球上的儀器隨著升空而記錄下各種物理量。在海上呢,則是用海測船。不管用探空氣球也好,海測船也好,很明顯地都是在作浩瀚地球表面上的一個點的測量,氣球及海測船的數目也畢竟有限;這些觀測上的缺陷正是阻礙科學研究的瓶頸,資料的不足更讓科學界爭論不休,諸如地球有沒有變熱?海平面上升有多快?因此大氣與海洋的觀測急待充實,我們需要更多的資料,尤其是靠近海面的資料。在這裏必須指出,問題的關鍵,不在於觀測時取得靠近海面的資料比遠離海面少,而在於海面現象隨同時與空間的變化大,我們需要的資料量也大。
不少人建議,今後十年,我們該集中力量觀測最靠近海面的上下十公尺的區域。
陸、大氣與海洋科學發展的突破
在這實地資料急需之際,大氣與海洋科學發展似乎達到一個瓶頸的時候,應運而生的是衛星微波遙測。衛星上的儀器可以對地球表面作一個面的掃描而不是點的觀測,掃描的寬度大致在十到百公里間;更可以日夜掃描,看穿雲層。我們今天已經進入了衛星氣象學、衛星海洋學的時代。我們所取得的微波影像,經過判讀可以偵測到海面的溫度,海面上的風速、流速、波高;從影像資料上,更可以看出海面的漂油、海上的降雨、船艦的航行;也能看穿海面,偵測海底的地形及海下潛艦、魚群等等。這些衛星資料曾幫助英、美兩國近年在南美洲及中東作戰中,迅速地取得最大優勢。
雷達是微波遙測的主要儀器,在此就談談它偵測海洋的原理。雷達在二次世界大戰中出盡了風頭。可是海浪對雷達訊號的干擾,至今仍然是雷達作目標偵測的難題;這也正是飛彈所以要貼近海面飛行,以免被偵測到的原因。海浪對雷達波的干擾是怎麼產生的呢?那是由於雷達波與海面波浪的相互作用而產生。因為雷達的波長很短,大都在幾毫米到幾厘米間,因而海面同樣長度的波浪對雷達波的影響也最大。所以並不是大尺度的波浪對雷達訊號有影響,而是乘載於大波浪上的那些小碎波;由於電磁波與這些小碎波的交互作用,而造成雷達波的反射與散射。這些小碎波,易生易滅,他們的生命通常尚不足一秒鐘,因此,很容易逃過我們的眼睛;可是雷達的影像很容易記錄下它們的組成,從而能夠很靈敏地反應當時當地的各項流體狀況。因此從接收到的雷達訊號,按照流體動力學的處理就可以分辨出風、流、浪這些物理量。這也說明了在科學的領域裏,往往沒有絕對的正面或負面;雷達的「雜音」對目標偵測產生的干擾卻正是海洋遙測的「寶藏」!不過,利用雷達作微波海洋遙測,雖然已在運用,也祇算得上是起步而已,量化的技術仍嫌不足;相關的物理問題,還有待更多的研究與探討。
在觀測技術大幅進步之際,大氣海洋科學的理論研究,拜大型電腦之賜,也迅速地發展了計算流體力學。因而我們可以把觀測所得的數據,在理論的基礎上由電腦計算軟體加以整理與模擬,去探討大小尺度、長期短期的氣象與海象變化,然後用實際的觀測資料來驗證這些理論假設與結果。衛星的觀測配合電腦計算程式的模擬,以瞭解進而達到預測大氣海洋各種現象是今日大氣及海洋科學的大體走向。
柒、我國發展大氣與海洋科學的現況
經過多年的努力,我國大氣與海洋科學的發展已經有了相當的基礎,可是這兩個領域的範圍太廣,我們人力的分布也顯得薄弱而難以凸顯其效果。再說今日大氣與海洋科學的研究,也要靠衛星遙測與電腦計算的配合,國內這方面的研究較少。這些年來的研究工作,似乎仍多採用傳統的觀測方法。是否能把攸關我們國計民生的大氣海洋科學帶入新境界,目前到了檢討與再出發的時候了。
從研究的性質來說,向上游看,科學研究要生根;而科學的根是建立在基礎研究上,基礎研究需要長同時才能見效,也就是需要安定的人力作較長同時的研究。這在國內來說似乎不是問題,所欠缺的或許是作高深科學研究的動力。再向下游看,高深科學研究必須配合應用,應用才能為科學研究帶來新生命與動力。再從研究方法的角度來說,雖然傳統的技術仍需維持,但高科技的衛星遙測已是國際研究的主流,而且正在日新又新的發展,相形之下國內的發展已落後很多,甚至在亞洲地區內也顯得落後;再者,這方面的發展是要靠跨領域的合作,也是讓國內同事們多作團隊研究的好機會。此外,大氣與海洋系統本無國界,這方面的研究常有多國計畫。然而無可諱言的,每個國家的研究都有些它獨特的興趣,因此一項大型國際計畫的進行,其研究方向常由科學強國所主導;甚至在亞洲的一些跨國性計畫,也是由歐美科學家帶頭。這不是最妥當的事。一年多前當我仍在美國時,就跟幾位同事創辨了美華大氣海洋科學學會,想跟國內的同事聯手釐定最符合我們這個地區的研究計畫。總之,今天國內的大氣與海洋科學,在研究理念、觀測技術以及團隊精神上,都該有嶄新的想法與做法才是。
捌、我國發展大氣與海洋科學的途徑
談到具體工作,我有三項建議分別著眼在國際、民生及國防等三方面。
在國際方面:今天人類面臨的重大問題之一是由於人口急速的增加,工業污染日漸嚴重,地球的生態遭到某種程度的破壞,進而造成地球環境反常的變化。這些變化都在大氣及海洋系統內,如冷熱異常及急劇變化,帶來很多生態的變化而造成一連串的異常反應;全球平均溫度持續升高,除影響生態外,也造成海平面的上升,直接威脅我們的生活空間等等。要特別說明的是,人類生活的區域多集中在海岸地帶,我們國家就是很明顯的例子;因之各國協商合力瞭解這些變化的急迫性,不言可喻。
我國隨著經濟的持續成長及科學研究的推展,在這方面也應該不能後人;更何況被很多人認為對全球氣候有樞紐作用的地區,就在鄰近我們的西太平洋。再說,繼經濟發展、政治開放,把我們國家帶上國際舞台之後,我們學術界也該有一些抱負,積極地組織起來研究西太平洋區的大氣海洋相互作用,並探討其對地球環境廣大的影響。
在民生方面:今天我們面臨的最大問題是水,而常受到威脅的是颱風。水與颱風又怎麼跟大氣與海洋相互作用有關係呢?水在水利工程上分「上水」與「下水」,「上水」是指水的來源,來源靠降雨,而台灣最大宗的雨量是靠颱風帶來的。颱風是大氣海洋相互作用的產品,颱風靠海面的水氣來助長及維持它的生命,因之颱風登陸後很快的就會減弱消失。我個人的研究興趣最近也擴展到颱風的形成及觀測,探討較精確的颱風預測方法,以減少生命財產的損失。剛剛提到水的來源,最有關的是雨量;返國後也組織了一個小團隊,包括海洋、電子及航太工程人員,從衛星看降雨。其次談到「下水」,「下水」也就是污水。為了維護我們的河川,海洋放流不可免。污水包括熱水的冷卻,必須先瞭解在大氣與海洋相互作用範圍的「流場」─流場是指水及氣體的流動狀況。前所提及的海面上下十公尺正是最重要的區域,而充分掌握台灣四週的這個近海面區域則是我們的目標。
在國防方面:也因我國四面環海,國防以海防為主。今日科技的進步,空防有較長的預警同時,威脅可能多來自貼近海面的飛彈及海下的潛艇,這兩者可造成較嚴重的騷擾。再者,在海域上佈施水雷可能是有效的防禦方法。這一切最有效的操作技術都得建立在大氣與海洋相互作用的科學基礎上,要直接與海象資料連接起來。譬如敵人來襲飛彈的偵察,以及我們發射攻擊飛彈的導航,都要有即時的海象資料配合電腦的作業。潛艇的偵察及水雷的操作,則更依賴對水域運動之充分暸解。今日的武器雖已日新又新,但仍以不能隨瞬息萬變的週遭環境進行調整為瓶頸;因之國防科學最先進的美國,對海洋研究特別重視。譬如物理海洋學的研究經費,就由國家科學基金會及國防部平均分擔。在精兵政策的國軍科學化原則下,我們國家必須擴充國防科學的腹地。就以今日我們的一項神聖任務保護南海的國家領土及資源來說,討論也已經展開,集合海峽兩岸及海外華人的大氣海洋科學人員對南海海況作充分的瞭解,讓我們國家至少在科學上佔有相當的優勢。
玖、整合資源促進科技再突破
做好科學研究工作,首先要有組織,網羅人才,並把經費作最有效的利用。目前的確是我國科學更上一層樓的契機。人才方面,國內近年研究所的教育蓬勃發展,且有海外大批人才等候徵召。經費方面,衡諸各國近年來的情形,我國仍算充裕。組織方面,已漸完善,惟欠缺有計畫地結合海內外華人為中華民族科學史再創新頁。
以上所說不僅是目標,也有必要;不僅是理想,也有可能做到。讓我舉例子說明:返回母校後,一方面要把成大帶向一個國際性的研究大學,要加強學術研究;另一方面也要積極把研究成果推廣到實用方面。有衝突嗎?不。正像我們的國家、社會一樣,多元的發展是相輔相成的。所以在教授們職有專精的情況下,我們在教育部核准下開創了研究總中心,把成大教授和同學的研究成果向實用方面推展。研究總中心的建立將可以在這時候吸收最優秀的人才,因為我們學校各學系、研究所的教職員名額已滿,每遇空缺,申請人數都在兩百到四百之間;再者,實際應用的工作多要求整體性的解決答案,研究總中心可作科技整合,跨越相關部會的職掌,結合相關機構的資源。讓我舉個例子說明:剛回到成功大學就知道造船系要建造一座近億元的拖船水槽,之後更發現海洋大學也要建近兩億元的高速水糟。在得知我們國家對科學研究的投資,感到興奮之餘,聯想到以後國內是否有可能讓這些世界級的設備物盡其用。似乎不太可能;即使把國內所有這方面的研究工作及經費都集中在兩校仍然太少。不過如兩校能夠充分合作,整合設備,再加上海外可網羅回來的人才,將讓我們在這方面取得世界上領先的優勢。而不再僅受限於國內的工作,步向廣大的世界科技市場。成大的研究總中心,已在朝這方面努力中。
拾、結語
去國卅餘年,我首先要感激國立成功大學的徵召,讓我這個逃兵能回到母校服務。十個多月來,兢兢業業,從師生們已有的和氣中,逐漸化侷促在南台灣的一些抑鬱為豪氣。在學校既有的良好的基礎上,創造新的發展空間。我深深的慶幸有這樣的一個機會,今日的台灣不但有事可做,也有條件把大事做成。
三個月前我去台南女中演講,一位女同學竟問我:「校長,我們國家行政這麼僵化,你回來真能做些事嗎?」此刻,我沒同時詳細談論當時的對話,我的結論是:我發現國內的朋友,也許把行政僵化看得太過嚴重了。這一陣子在成大,很感激我們的主管部門,對我的熱誠支持;困難的倒是在於向大眾證明,不要再像那位女同學一樣被行政僵化的說詞誤導。返國後,我也很滿足還有同時浸潤在大氣與海洋科學之中;不僅原來在美國創辦的大型試驗室,仍能為國內的同事所使用,國內的工作也正在逐步開展中。
最後,謝謝 總統給我這個機會和榮幸,向各位先進作以上的報告,敬請 指教。敬祝 總統政躬康泰,各位先進身體健康,精神愉快。謝謝各位。