研發服務平台亮點成果獎─佳作獎
亮點成果：高解析度空氣品質預報及診斷模式之發展與應用
使用平台：國家高速網路與計算中心「台灣杉三號超級電腦」

在繁忙的現代城市裡，每天出門通勤的那一刻，我們常會意識到熙來攘往的車輛、高聳林立的建築、擁擠的人群，卻常常忽略一項影響我們健康的關鍵指標——空氣品質。

空氣污染是現代人最容易暴露的健康風險之一，當空氣中的污染物，像是懸浮微粒（如PM_2.5）、臭氧等物質濃度過高時，身體會在不知不覺中受到危害。當人體長期暴露於品質不佳的空氣環境中，就可能會增加罹患心血管、呼吸道、氣喘等疾病的機會。

高解析度空氣品質預報

對於居住地的空氣品質狀況，若能提前預知幾天後的空氣污染程度，就有機會提前預防或做出應對，減少空氣污染對健康的衝擊，也能減少公共醫療支出。而要預測一個地方的空氣品質，就必須要發展可信賴的「空氣品質模式」。

空氣品質模式是一種科學工具，是使用數值方法藉由電腦運算來模擬與預測大氣中污染物的行為，並納入可能發生的化學反應與物理變化，同時要考量到地形變化、風向、風速、溫度、濕度及是否下雨等情形。空氣品質模式會根據所輸入的數據，藉此計算出污染物在空氣中的傳輸、擴散甚至是化學反應等變化過程，最終將複雜的運算結果輸出，科學家就能用以預測空氣中污染物的分布與濃度。

由中央研究院環境變遷研究中心研究員兼空氣品質專題中心執行長林傳堯團隊所發展的高解析度空氣品質預報模式，是以美國國家大氣科學研究中心WRF-Chem模式為基礎，並進一步改善及優化成為適合臺灣複雜地理環境之高解析度空氣品質預測系統，不僅可以提前預測全台72小時後的空氣品質狀況，更針對人口較密集的六大都會區（如台北市、新北市、桃園市等）提供每3小時的精確預報，讓一般民眾可提前準備好防護措施，避免在空污較嚴重的時候進行戶外活動，降低健康風險。

林傳堯團隊得以有效改善預報解析度，並將平均空氣品質指標預報準確率提升至超過70%，有賴於嚴謹的科學方法。發展空氣品質預報模式，不僅是輸入龐大且複雜的數據來得到模擬運算成果，還要與觀測結果進行校驗，進而確認空氣品質預測是否符合實際情況。

以監測資料改善模式表現，參與國際合作

林傳堯指出，空氣品質模式誤差及不確定性的主要來源除了來自氣象因素外，模式中污染物的排放資料的準確性，也是一項重要的挑戰。污染物的排放通常來自於汽機車、工廠，甚至是農林畜牧業等眾多類型，由於這類排放資料的彙整相當費時，因此在進行空品模式模擬時所納入的污染物排放資料，通常不是即時資訊，導致模式模擬及預測結果出現偏差。因此，在修正空氣品質模式的過程中，必須不斷與觀測資料比對，才能逐步改善空氣品質預報模式的準確度。

林傳堯團隊所採用的其中一個校驗方法，就是使用環境部國家級空氣品質監測站所提供的高精度監測資料，配合設置於全台超過一萬個空氣盒子（一種小型、低成本的空氣品質監測器，可即時偵測PM_2.5濃度），成功將空氣品質預報模式的水平網格解析度提升至3公里，並可針對特定需求提高到1公里解析度，以深入分析空氣污染狀況。然而即使是國家級監測站資料也僅能提供近地面懸浮微粒（PM₁₀、PM_2.5）總濃度，對於懸浮微粒（又稱氣膠）的組成並無法得知，因此研究團隊也定期採樣分析，了解氣膠成分，藉以診斷空氣污染物之組成，探討可能成因。

除了地面資料，研究人員也將高空觀測資料納入模式，作為改善依據，例如採用光達，藉由發射雷射脈衝至大氣中，再接收雷射受氣膠反射及散射的訊號，以獲取污染物的空間分布狀況。若空氣中氣膠濃度高，所獲得的訊號就會越強，甚至可以從氣膠的移動狀態，來推算風速及其對空氣污染造成的影響。此外，也透過人造衛星的遙測技術，藉由分子光譜的特徵描繪二氧化氮在臺灣的空間分布，推估排放量和關鍵污染源，來協助校驗臺灣地面的污染物排放資訊。

藉由模式的發展成果，研究團隊也參與國際科研合作，如2018年德國科研飛機在亞洲的觀測實驗（EMeRGe-Asia）與2024年美國NASA亞洲飛航實驗及高屏實驗（Asia-AQ&KPEx），除了提供即時的預報，也將模式應用於解釋和診斷嚴重空氣污染事件的成因及影響。本次得獎的論文即是與德國的科研團隊合作，利用飛機觀測數據進行模式校驗，並評估東南亞生質燃燒之空氣污染物對東亞區域環境之可能影響，取得重要的研究成果。

前瞻計畫與國網中心支持

空氣品質預報模式為了要精確模擬真實的大氣系統運作，除了本地污染源外，也必須考慮境外長程輸送的影響：冬、春季節，東北季風可將中國沙塵暴與空氣污染物長程傳輸至臺灣，春季也可能會受到來自東南亞的生質燃燒影響。特別是臺灣地形複雜，加上人口密度高，工業與交通高度集中，更加使空氣品質預測變得困難。若要進一步提高空間與時間解析度，所需的運算資源就會如指數級成長，這並非是一般小型的電腦設備所能執行的，而是需仰賴超級電腦進行運算。

藉由民生公共物聯網產業展開計畫的經費挹注，以及國家高速網路與計算中心（簡稱國網中心）的全力支持，讓林傳堯團隊所開發的高解析度空氣品質預報模式得以實現。國網中心穩定提供的2,000顆專屬CPU運算核心，除了讓林傳堯團隊能夠每日精準提供環境部空氣品質預報資訊，更讓團隊有充足資源投入嚴重污染案例研究，或是用於模式改進測試，以找出模式中所涉及的問題癥結。

「工欲善其事，必先利其器，因為國網中心提供穩定的運算資源，我們才有辦法做出成果。」林傳堯表示，空氣污染的形成涉及非常複雜的物理、化學過程，導致無法依賴直觀的因果關係制定改善策略。污染源的多樣性、地形的複雜性、氣象條件的變化等多種因素相互作用，導致每次污染事件背後成因也大為不同。因此，空氣品質治理不僅需要法規的支持，更需要仰賴精準的科學方法進行監測和預測。

未來林傳堯希望能夠持續改進空氣品質預報模式，提供更準確的資訊，並將成果提供給相關政府機關，幫助政府單位提前預警、做決策，甚至是管制污染物的排放，降低民眾健康風險，以實現聯合國永續發展目標——建構出具備安全與韌性的永續家園。