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更新日期:110年12月22日

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

量化構造或氣候活動對地表作用的速率與機制是地形學的研究課題之一,然而眼前的地形早已歷經無數次侵蝕(erosion)與堆積(deposition)。過去地形學家常用河川縱剖面、山脈起伏、沉積物粒徑分布等方法去反演構造或氣候活動對地形演育的影響,然而事件尺度的降雨作用,在長期地形演育過程中,所扮演的角色始終不是很清楚。實驗或數值模擬等方式也許能夠回應部分答案,但仍受到尺度效應(scale dependence)影響,無法與真實地形全然比較。臺灣西南部惡地地形,或稱之月世界,應該更為人知,有著易侵蝕、岩性均質與降雨強度大的特色,正好可以作為一個天然的實驗室。

無人機航照產製的高精度數值高程模型(digital elevation model)可以提供觀察細微地形變化的素材。研究團隊的研究區域有1平方公里大,且在惡地地形上難以廣佈航拍控制點,因此團隊將數以百萬計的點雲(Point clouds)放入多層網格,分別計算每一層、每一格的點雲標準誤,找出最適合的分析網格尺寸,接著設定可以接受的最小變動量(difference of DEM),所得到的高程誤差量是以網格為單位。

知名學者A. D. Howard基於在美國西維吉尼亞州的惡地研究,提出了影響地形學發展深遠的的水力下切模型 (stream power incision model),模型巧妙串起集水面積(drainage area)、坡度(gradient)與侵蝕三者關係,並成為眾多地形演育模型的基本假設。在此基礎上,將坡度變化作為坡度與集水面積的函式,這是一個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度。

此研究下一步需要不同強度的地形作用力做為這個新方法的驗證。經過了將近兩年的無人機的觀察,累積了四個地形變遷的結果,分別代表梅雨、颱風以及兩場小雨,而在短時期(年尺度),泥岩惡地經歷三種降雨類型,產生多樣的侵蝕行為,研究團隊發現動態的坡度平均值變化正好對應到不同強度的降雨類型,結果顯示梅雨減緩地形坡度平均值從47.2度到46.5度,颱風又降低3度到43.2度,隨後兩場小雨又提高到45.3度,坡度始終維持在45度正負1度左右,這是惡地地形喜歡的坡度。利用這四個坡度與坡度變化分布的關係,可以用來建立長期地形演育模式,經過數十萬次迭代模擬,產生的坡度分布可視為單一降雨類型的作用結果。數值模擬結果與實際觀測的結果吻合。接著應用此研究方法到集水區尺度,在2019年莫拉克颱風的侵蝕下,來社溪集水區同樣具有與惡地地形相同的坡度變化趨勢。在這個研究中,量化了個別降雨事件對於長期地形演育的影響,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。

論文全文現已發表在Nature Communications,此研究是由科技部計畫支持下進行,論文第一作者為臺大地理系楊啟見博士,與臺大地理系林俊全教授及臺北科技大學土木工程系張國楨教授以及德國團隊(Jens Turowski, Niels Hovius)共同完成。

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

  • 圖1

    臺南龍崎泥岩惡地無人機空拍照。

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