伍、記「地球系統科學、海岸帶管理與海床探勘」之觀察心得
(國立臺灣大學海洋研究所 俞何興 教授)一、前言
最近對地球系統科學、海岸帶管理與海床 探勘這三個子題整理了個人的一些想法。想談 談地球系統科學的動機是因去年寫了一篇短 文「地球系統科學— 二十一世紀的地質學」， 曾刊載於台灣大學全球變遷研究中心出版的 簡訊，之後特別注意有關地球系統科學的文 獻。提出對海岸帶管理的看法需特別感謝今年 十月師大地理系張瑞津教授在台大海洋所公 開演講「台灣海岸地形的回顧和展望」」。張教 授演講內容豐富，在她三十多年的地理學研究 生涯中，全省走透透，對於台灣的海岸地形瞭 若指掌，做出了許多重要的貢獻，尤其有關台 灣海岸的文獻收集，更是十分豐富，用功之 深， 可見一斑。對於台灣海岸研究的展望， 張教授提出了八點：(1) 方法的精進—3S 的應 用 ( 即 Remote Sensing, Global Positioning System,及 Geographic Information System)，(2) 河川輸沙量的推估—土沙收支，(3) 颱風效應 的監測—衝擊與恢復，(4) 水庫效應的監測— 攔沙與海岸線的後退，(5) 土地利用改變之監 測—沙源之增減，(6) 海岸漂沙的監測—高潮 面與低潮面，(7) 沿岸保育研討—海岸保育的 基準線，及 (8) 海岸經營研討—合理的經 驗；其中後兩項引起了個人的興趣，為回應張 教授的看法，僅略述感想以做拋磚引玉，就教 於關心台灣海岸的人士。至於第三部分所論及 的海床探勘介紹是因緣於拜讀英人安尼塔麥 康尼爾的著作「沒有深不可測的海--海洋儀器 史」，書中介紹最原始的海洋儀器，例如，各 類測深儀、海流計、採水器及溫度計等儀器的 發展過程及使用，以及影響海洋儀器進展的主 要因素，充份說明「工欲善其事，必先利其器」 與海洋科學發展史的關係，可容易讓一般讀者 入門使用何種海洋儀器來從事海床下岩層探 勘與海底地形測量，了解海洋儀器在研究海底 的重要性，因此想介紹給大家。現依地球系統 科學、海岸帶管理與海床探勘與測量分述如 下：二、地球系統科學
這本「地球系統科學」一書是由彼岸科學 出版社在 2002 年出版，編著者是華思文及許 強。全書共分六章 390 頁，第一章主要介紹地 球系統科學的背景和基本概念；第二至第四章 重點介紹地球系統科學的研究方法、理論基 礎、子系統、學科分支等內容；第五章概要介 紹地球系統科學的數字表達— 數字地球；第 六章說明地球系統科學研究示範，主要以青藏 高原大陸碰撞各圈層統一相互作用研究為 例，進行詳細闡述。其內容十分豐富，可做為 大學三四年級及研究生有關地球系統科學課 程的參考書。書中的序由彼岸科學院院士童慶 禧執筆，寫得十分簡要而且相當精采，現在略 述原文如下。 地球系統指的是由岩石圈、大氣圈、水圈 和生物圈 (包括人類社會) 組 成 的 整 體 地 球，它包括從地核到地球外層空間，是一個複 雜的巨系統；其間存在地球系統各組成部分之 間的相互作用，物理、化學和生物三大基本過 程之間的相互作用以及人與地球系統之間的 相互作用。地球系統科學是研究地球系統在複 雜的相互作用中運轉的機制、地球系統變化的 規律和控制這些變化的機理，從而奠定全球環 境變化預測的科學基礎，並做為地球系統的科 學管理的依據。中國科學院遙感應用研究所華思文研究員和成都理工大學許強教授撰寫的 《地球系統科學》專著，正是針對上述目標而 建構，頗值得一讀。地球系統科學是 20 世紀 80 年代中期開始之新興科學的前緣領域。他 的產生和發展是人類為解決所面臨的全球性 環境問題的需要，也是地球科學與其他科學技 術的結合，並向深度和廣度發展的必然結果。 今天，遙感、地理信息系統、全球定位系 統以及通信技術的發展和計算機的廣泛應 用，使得我們有可能在繼續深化對地球科學及 分支學科研究的同時，更加重視地球系統整體 行為的集成研究，地球系統各圈層間相互作用 的研究，以及人類活動誘發的重大全球環境變 化研究。全球變化中最活躍的物質 — 碳和水 與人類生存的物質基礎— 生物圈緊緊聯繫在 一起，圍繞全球碳循環、水資源與水循環、食 物與纖維三大主題，在更高層次上開展綜合集 成研究，必將極大地推動地球科學及其新生長 點 — 地球系統科學的發展。近年來，對資 源、環境、災害的認識深度、廣度和研究重點 已發生了重大變化。對資源找尋的視野越來越 大，逐步從地球表層走向深部，從陸地走向海 洋，從單純地注重礦產資源的找尋逐步轉移到 已可持續發展為目標的資源合理利用與環境 保護並重上；對環境問題的關注已從局部走向 全球；對自然災害的研究也從單一災害走向群 體發生災害的研究，從單純的監測、預報走向 集監測、預報、預警、災情評估和防治於一體 的綜合研究上。技術科學的進步為地球系統科 學研究提供強而有力的手段，數學、化學、物 質科學的發展為地球系統科學的研究主題提 供了新的方法和理論基礎，地球系統科學內部 學科的交叉以及與其他科學間的滲透為生命 和人類的起源與進化、地球的形成與演化方面 的研究注入了新的活力，使得固體地球科學、 短期氣候預測、環境生態研究、地球系統的複 雜性研究、區域可持續發展等成為新的研究熱 點。 數字地球將成為新世紀地球科學的重要 特徵，推動地球系統科學從對自然現象的定性 描述向定量化的方向發展。因此，地球系統科 學理論構建的意義是：21 世紀，地球系統科 學將以全球性、統一性的整體觀、系統觀和多 時空尺度，研究地球系統的整體行為。地球系 統科學的發展，將使人類更好地認識所賴以生 存的環境，更有效地防止和控制可能突發的災 害對人類所造成的損害。地球系統科學將地球 作為一個整體來進行研究，但他並非是一門凌 駕於地球科學、環境科學和生命科學之上的 “超級學科”，而是以學科之間的交叉作為其 主要特點和研究領域，以學科之間的相互滲透 和合作為其研究方式的一門大跨度交叉學 科，對他的研究需要有創新的觀念、方法和理 論。 華思文研究員自 1991 年以來，一直不懈 地從事地球系統科學理論的探索，以構建地球 系統科學理論體系框架，開展深層次的地球系 統科學研究作為目標。其中包括多方面的內 涵：一是介紹了地球系統科學提出背景和基本 概念，加深對複雜地球具系統的認識，探索和 研究了地球系統科學的研究方法、基礎理論、 子系統和地球系統科學的學科分支等內容；二 是依托“數字地球”對地球系統科學進行數 字表達：三是以青藏高原大陸碰撞各圈層統一 相互作用為例做為地球系統科學研究示範，剖 析地球系統各圈層之間的相互作用與影響。我 們對於地球的研究雖然已經有很長時間，但是 對於地球系統科學，即地球系統各圈層間相互 作用的研究工作才剛剛開始，甚至很多人對此 還不大瞭解，亟需有一些全面介紹有關地球系 統科學的書籍。本書的出版，正是符合地球科 學和社會發展的需要，我衷心希望它將有助於 兩岸地球系統科學研究工作的開展。此書第六 章從地球系統科學的思路，以統一構造理論、 地球系統動力學和現代力學為理論基礎，對青 藏高原大陸碰撞各圈層統一相互作用進行深
入研究，其研究的成果可供我學界瞭解評估彼 岸在地球系統科學研究工作的情況。
三、海岸帶管理
陸地與海岸交會的界限稱為海岸線或海 濱線。海濱 (潮間帶) 是從低潮面到波浪或潮 汐向陸地所能達到最高點間的區域。海岸是海 濱以上的陸地邊緣部分，因此海岸與海濱分別 代表陸地邊緣與海水邊緣。過去海岸的定義及 意 義 ， 近 年 來 已 擴 充 到 更 廣 闊 的 海 岸 帶 (Coastal Zone) 。狹義的海岸帶包括三個部 分：沿岸的陸地，潮水出沒的海濱及低潮面下 的水下岸坡，水深約 30 公尺處。廣義的海岸 帶向海擴展至 200 海里專屬經濟區的外界，有 些地方水深可達 1000 公尺。人們瞭解，海岸 的形成是海水與陸地長期相互作用的產物，現 在特別重視海陸交互作用的整體性，因此，將 海岸 (狹義的陸地) 擴充至海岸帶，將水下的 地形、地質及水文等特性包括其中。 話說回頭，台灣的地理及地質工作者 (包 括張瑞津教授) ，已經完成了台灣海岸 (陸地 邊緣) 的調查及研究工作，但是沿岸海下的調 查研究工作，相較之下就顯得不足了，因此要 完成台灣海岸帶的調查工作，海岸工作者需要 投入更多的努力，結合海下與陸地的資料才能 完成台灣的海岸帶調查工作，如此才能真正執 行台灣海岸的經營及保育任務。海岸帶是人類 賴以生存和進行經濟活動非常重要的地方，例 如沿岸的捕魚及養殖、交通運輸、旅遊休閒、 石油天然氣及其他生物資源的開發利用等。海 水的波浪、潮汐及海流不停影響著海岸，產生 了沿岸侵蝕、搬運及堆積現象，海岸的形貌不 斷地改變中，有些是不利人類的經濟活動，如 沙灘的流失，海岸的崩塌導致房屋的損毀等。 而人類的活動也造成近岸海域污染加重，環境 品質下降及生物資源逐漸枯竭。在一些自然作 用及人類活動兩者不利的影響下，海岸帶的環 境與資源正經歷前所未有的改變，正如張瑞津 教授所言，海岸(海岸帶)的保育及經營是有其 迫切性的需要，為將來努力的方向。 聯合國人類環境大會於 1972 在瑞典召 開，當時就瞭解海岸帶各種資源的開發及利用 是整體性的，僅依靠單項的專業考量是不足 的，需要以綜合的觀點來進行海岸帶的管理。 同年美國頒佈“海岸帶管理法”，隨後歐洲各 國相繼開始實施海岸帶管理。1982 年聯合國 海洋經濟技術處的專家學者，對世界四十多個 國家的海岸帶管理加以研究分析，完成“海岸 帶管理與開發”的研究報告，其目的是幫助開 發中國家如何發展出一項有效的海岸帶管理 辦法。1980 年代末期已經有四十多個國家實 施海岸帶管理。進入 1990 年代，沿海國家的 海岸帶管理業務在聯合國、世界銀行及部份歐 美國家的推動和支持下，目前已有九十五個國 家在三百八十五個海岸地區展開海岸帶管理。 聯合國在全球海岸管理的發展上扮演主 導的角色。1992 聯合國提出“21 世紀議程” 要求沿海國家應發展海洋及海岸帶管理。1993 年聯合國世界海岸大話提出“海岸帶綜合管 理指南”、“氣候變化對海岸帶綜合管理的影 響”及“海岸帶脆弱性分析”等專題研究報 告，對於海岸帶管理的理論、方法和發展都有 實質的助益。1997 年聯合國提出整體海岸帶 管理，其中針對氣候變化與海平面上升、侵蝕 作用、海水入侵和海上風暴的關連多所闡述， 也強調沿岸生物多樣性的保護工作。台灣四面 環海，靠海吃海是理所當然之事，重視海岸帶 管理也是順理成章之事，個人身為海洋學界的 一份子，關心台灣的海岸帶應是分內之事，藉 此短文盼我學界更加關懷台灣的海岸帶。四、海床探勘與測量
海洋地質及地球物理學研究海底有兩個主要目標。一、描述海床形貌，確定其成因及 了解海床的構造；二、探討海洋沉積物及下覆 岩層的組成、厚度、分佈及成因。描述海底的 深度及形狀，早期受限於技術落後，只能定點 測量海床可能深度，而不容易準確地描述海床 的形狀，因此海底地形的繪圖是相當粗糙的。 廿世紀人類量度海底的深度一般以鉛繩法 (Lead and Line)，即將鉛塊 (或重物) 固定於 繩索或鋼絲末端，沉入海中，當其達到海底 時，由繩索長度前後的差異，而得知海底深 度，這種測量海底水深的方法稱為測深法 (Sounding)。其缺點為費時以及因繩索的擺動 偏移及船隻位置不易確定造成水深量度的準 確性低。淺海較易使用此法，但深海的測量誤 差相當地大 。直到 1925 年，回聲測深儀 (Echo-Sounder) 技術的引進，測量的方式由聲 波取代鉛繩，海底深度測量由點而線，因此大 大提高了海底深度及地形測量的效率及精確 度。將回聲測深儀放置船底，發射出之聲波可 傳達到海底，聲波被反射回來的時間可以精確 地紀錄下來，聲波由船底至海床回來時間的一 半，乘以水中聲波速度便是海床的深度。這種 測深法稱為回聲測深法 (Echo-Sounding)，其 聲波能量垂直向海床下傳播，一般便用下列公 式測得水深： 水深 = 1/2 tv 式中 t 為聲波來回發收傳播時間，v 為聲 波速度 (一般使平均值 1,463 公尺/秒) ，如果 要非常精確的水深量度，海水的鹽份及溫度的 性質則需要加入修正聲波的速度。 回聲測深法實為聲納 (SONAR) 的其中 一種方法。聲納之原文 SONAR 為 Sound Navigation And Ranging 字首的縮寫，其意為 聲波的航行及範圍。聲納發出的聲波方向並非 只有垂直海底方向 (回聲測聲儀)，而是有特 定須求的方向，由其路徑及時間可估算回聲水 中物體的位置。例如，某潛艇聲納發出的特定 方向聲波可測知敵方水面上的船艦或水中的 潛艇。目前，回聲測聲儀是一般船隻測量海底 深度及地形的標準配備。例如，我國海洋一號 研究船就配置了回聲測深儀，利用三萬八千赫 音頻之聲波，沿線收集水深值，在百公尺內其 精確度只有數公分誤差。但要了解海床下岩石 的層次 (Layering) 及構造，主要靠震波反射 (Seismic Reflection) 及 震 波 折 射 (Seismic Refraction) 兩種方法。其原理如下，由震源 產生低頻率 (一般低於 100 千赫) 高能量的震 波，傳送至海床，部份震波能量由海床反射回 去，被放置於船後之水中受波器 (Hydrophone) 所接收，但大部份聲波能量能進入海床下的岩 層，遇到不同的岩層界面 (密度不同) 反射回 海面，被水中受波器接收依次向下傳送及反 射，直到震波能量消失。例如，海研一號探測 船以一定的速度航行及一定的時間間隔 (一 般為 10 至 30 秒) 發射震波，進行探測海床下 的岩層構造，由反射回來的震波時間與船隻行 進間的距離，可進行複雜的資料運算，最後畫 出海床下岩層的震波剖面及岩層的構造剖 面。為了解海床下較深部岩層及海洋地殼的性 質，可利用震波折射法，其原理是震波被折射 後進入岩層 (具有較快的震波速度) ，沿著岩 層介面行進，再折射出至海面為水中受波器所 接收。在海上作業震源依一定的時間間隔發生 震波，進入海床後，折射回來的震波由另一探 測船之所接收。經折射震波資料處理後，可畫 出海床下岩層的基底及莫荷面。民國八十四年 台大海洋研究所與美方海洋研究機構就是利 用這種雙船震波折射作業，研究台灣東部海域 的海洋地殼構造。 海底地形測量，首要之事就是如何得到正 確的船隻位置及航線，其次為測量海底深度及 繪製海底地形圖。早期探測研究船多利用迴轉 羅盤儀及六分儀等測量工具，求得船隻位置， 隨著電子技術的發展，引進了電子系統定位方 法，例如羅蘭法 (LORAN)。70 年代有一個極
其 重 要 的 技 術 突 破 ， 就 是 全 球 定 位 系 統 (Global Positioning System) 的建立，有了這個 定位系統，船隻在海上的位置就可以確定，相 對的海底深度位置也可以精確地描述到海圖 上。有了人造衛星的發射，使得海上定位依賴 衛星導航 (Satellite Navigation)，自動紀錄準 確的航線位置，以修正依據電子系統所測定之 航線及位置。自 1980 年代起，利用相隔數公 里至數百公里的兩部接收機接收衛星所傳播 的高頻電碼，船隻可利用全天候連續性導航， 定位精度並可提高到數公尺。全球定位系統原 由美國空軍於 1970 年代為軍事上導航及定位 目的而發展出來的衛星計劃，後來由美國國防 部於 1973 年接管，成為能應用於民間三度空 間精確測量的定位系統。此計劃於 1992 年完 成後，有 24 顆衛星均勻分佈於 6 個高度為 20,183 公里，傾角為 55°的圓形軌道上，使得 全球各地均可在 24 小時內任何時間能同時觀 測 4 至 8 個幾何關係良好的衛星，供全球全天 候連續性高精度的三向度即時導航及大地測 量用。 傳統的回聲測深儀所發出的聲波具有寬 頻的聲束的特色當其到達海底時其形狀有如 一個圓錐狀。理論上，第一個回聲是離船底最 近的海底一個點，實際上，郤是一個球面，因 此，海底的回聲會被後來的來自球面範圍內的 回聲干擾，因此，海床上較細微的起伏無法精 確的分辨出來。近年來科技的進步，將回聲測 深儀發出的聲波聲束變窄，到達海床時成扇 狀，改進了上述回聲干擾的缺點。同時，測深 時由船底發射多個聲束涵蓋海床形成一個帶 (Strip)，列如，利用十六個聲束 (船底兩邊各 八個) 就可以描述一個寬 1.8 公里的帶狀區 域。因此，探測船行進間收集的海底回聲是一 個面，且非一個點，大量的資料，經過精密的 分析，就可以得到精確的海底地形。依賴天空 上衛星傳播資訊的功能，進一步發展出差分式 全球定位系統 (Differential Global Positioning
System)，其精確度可達仟萬分之一，例如， 100 公里的距離其誤差為 1 公分。 八 ○ 年 代 利 用 側 掃 聲 納 法 (Side-Scan Sonar) 描繪海床表面的小尺度的不規律起伏 落差，例如，海床上的沉船，管線及人工漁礁 等。此方法將船後之聲源放置在海床上 20 至 150 公尺左右，向船的兩側發射聲波，藉反射 回來聲波的方向及能量，可測得海床的不規則 形貌。這種海底測量方法，大量使用於淺海或 沿岸海下工程作業。側掃聲納紀錄分別顯示出 海底的飛機殘骸及沉船。廣闊的海洋中，有一 部份，因天候惡劣，不利航行及海上測勘作 業，例如，位於澳洲及南極間的海域，利用回 聲測深儀得到的水深料相對於濱海域就少的 很多了，因此，描繪出來的海底地形其精確度 就較差了。補救的辦法是利用衛星來測量平均 海平面及重力，再由這兩個量度反算出海底深 度分佈圖 (Bathymetry)，往後，如有實測的水 深資料再回饋到原先海底深度分佈資料，再由 運算產生新的更精確的海底深度分佈圖。由於 雷達電磁波可穿透海水的表層，因此，可利用 衛星合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radar, SAR) 攝象，將淺海地區的海底地形顯現在衛 星照相上，例如，台中港外海及台灣灘的沙波 海底地形都可利用此方法獲得。
參考文獻
黃思文、許強 2002. 地球系統科學。科學出 版社，北京。 鹿守本、艾萬鑄 2001. 海岸帶綜合管理---體 制和運行機制研究。海洋出版社，北京， 748 頁。Hopley, D. 1992 Global change and the coastline: assessment and mitigation planning. Journal Southeast Asian Earth Science,.7:pp 5-15.
