地理系楊啟見博士與林俊全教授利用惡地地形記錄個(gè)別地形事件
研究成果發(fā)表於Nature Communications

量化構(gòu)造或氣候活動(dòng)對(duì)地表作用的速率與機(jī)制是地形學(xué)的研究課題之一，然而眼前的地形早已歷經(jīng)無數(shù)次侵蝕(erosion)與堆積(deposition)。過去地形學(xué)家常用河川縱剖面、山脈起伏、沉積物粒徑分布等方法去反演構(gòu)造或氣候活動(dòng)對(duì)地形演育的影響，然而事件尺度的降雨作用，在長(zhǎng)期地形演育過程中，所扮演的角色始終不是很清楚。實(shí)驗(yàn)或數(shù)值模擬等方式也許能夠回應(yīng)部分答案，但仍受到尺度效應(yīng)(scale dependence)影響，無法與真實(shí)地形全然比較。臺(tái)灣西南部惡地地形，或稱之月世界，應(yīng)該更為人知，有著易侵蝕、巖性均質(zhì)與降雨強(qiáng)度大的特色，正好可以作為一個(gè)天然的實(shí)驗(yàn)室。

無人機(jī)航照產(chǎn)製的高精度數(shù)值高程模型(digital elevation model)可以提供觀察細(xì)微地形變化的素材。研究團(tuán)隊(duì)的研究區(qū)域有1平方公里大，且在惡地地形上難以廣佈航拍控制點(diǎn)，因此團(tuán)隊(duì)將數(shù)以百萬計(jì)的點(diǎn)雲(yún)(Point clouds)放入多層網(wǎng)格，分別計(jì)算每一層、每一格的點(diǎn)雲(yún)標(biāo)準(zhǔn)誤，找出最適合的分析網(wǎng)格尺寸，接著設(shè)定可以接受的最小變動(dòng)量(difference of DEM)，所得到的高程誤差量是以網(wǎng)格為單位。

知名學(xué)者A. D. Howard基於在美國(guó)西維吉尼亞州的惡地研究，提出了影響地形學(xué)發(fā)展深遠(yuǎn)的的水力下切模型 (stream power incision model)，模型巧妙串起集水面積(drainage area)、坡度(gradient)與侵蝕三者關(guān)係，並成為眾多地形演育模型的基本假設(shè)。在此基礎(chǔ)上，將坡度變化作為坡度與集水面積的函式，這是一個(gè)看待地形變遷的全新視角，透過不同坡度的變化分布，量化地形作用的方向和強(qiáng)度。

此研究下一步需要不同強(qiáng)度的地形作用力做為這個(gè)新方法的驗(yàn)證。經(jīng)過了將近兩年的無人機(jī)的觀察，累積了四個(gè)地形變遷的結(jié)果，分別代表梅雨、颱風(fēng)以及兩場(chǎng)小雨，而在短時(shí)期(年尺度)，泥巖惡地經(jīng)歷三種降雨類型，產(chǎn)生多樣的侵蝕行為，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的坡度平均值變化正好對(duì)應(yīng)到不同強(qiáng)度的降雨類型，結(jié)果顯示梅雨減緩地形坡度平均值從47.2度到46.5度，颱風(fēng)又降低3度到43.2度，隨後兩場(chǎng)小雨又提高到45.3度，坡度始終維持在45度正負(fù)1度左右，這是惡地地形喜歡的坡度。利用這四個(gè)坡度與坡度變化分布的關(guān)係，可以用來建立長(zhǎng)期地形演育模式，經(jīng)過數(shù)十萬次迭代模擬，產(chǎn)生的坡度分布可視為單一降雨類型的作用結(jié)果。數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)際觀測(cè)的結(jié)果吻合。接著應(yīng)用此研究方法到集水區(qū)尺度，在2019年莫拉克颱風(fēng)的侵蝕下，來社溪集水區(qū)同樣具有與惡地地形相同的坡度變化趨勢(shì)。在這個(gè)研究中，量化了個(gè)別降雨事件對(duì)於長(zhǎng)期地形演育的影響，在高程資訊與分析上有所突破，並且提供地形演育模型更多的資料選項(xiàng)。

論文全文現(xiàn)已發(fā)表在Nature Communications，此研究是由科技部計(jì)畫支持下進(jìn)行，論文第一作者為臺(tái)大地理系楊啟見博士，與臺(tái)大地理系林俊全教授及臺(tái)北科技大學(xué)土木工程系張國(guó)楨教授以及德國(guó)團(tuán)隊(duì)(Jens Turowski, Niels Hovius)共同完成。

Nature Communications全文：https://doi.org/10.1038/s41467-021-24903-1