文/土木三 高銘陽
人物簡介
沈志全學長在大學時就讀土木工程學系，在碩士時主要研究GIS系統，在畢業前夕參與學校和荷蘭水利工程師合作的計畫，過程中看到荷蘭工程師處理洪水預警系統中水文與水理的流程和水文氣象資料轉換的方式，可以用模組化方式(將問題拆分成小問題後，將小問題一一解決後並組合起來。這過程通常需要考量標準化的方式與可能性，在前期分析與測試會花較多時間，但標準化後就可以以重複使用來節省時間與成本。)，這些動作整合完成之後所呈現的結果，跟之前我們在寫報告時看到的一些數據結果呈現或是自己透過程式樣算的結果相符且可以標準化與作業化，而漸漸地對這方面產生興趣，後來在工研院與博士班時也主要從事這方面的研究，現為方圖科技股份有限公司的執行長，方圖科技為一間致力於提供水災或水文氣象模式整合的專業諮詢服務的公司。
正文
每當颱風來臨或豪雨發生時，我們不禁會擔心哪裡會淹水，需不需要提前做好準備以因應這次災害？這時水文分析與預測可以幫助我們更好的推估災害來臨的時間與規模，分析過程大致為:1.資料處理 2.模型建置3.模式運算（資料輸入與結果產出）4.成果與觀測資料比對5.事後修正與檢討。對於從事水文防災的人來說，在平時大部分做模型的最佳化與更新，主要是透過預測與觀測數據之間的比較，來調整模型的建置方式與參數調整更新；而在災害來臨前到結束的過程中，透過定時監控模型運算與資料接收與匯入之情況，以確保能及時提供模擬預測的結果，進行事先的整備來減少災害所帶來的損失。
資料處理
首先我們先來看資料處理的過程，這時主要將過往的氣象資料與現況之水文、地文資料，包括雨量、流量、水位、土壤類型與數值高程模型等，調出來參考，而因為不同資料之間的型態不同，所以需要將它們整合成統一或相容格式，使得輸入模型時彼此之間不衝突。在處理水文資料，尤其是在做水文防災時，不免需要用到資料同化或者是系集預報等氣象領域的東西，在這方面對於土木系學生來說，是相對陌生的領域需要額外的學習。在使用氣象局的資料時主要分為，觀測資料與預報資料兩種，觀測資料通常用在檢定驗證上當成真值或參考值(雖有誤差，但較小)；而預報資料常為模型的輸入值，用來預測未來的水文情況，但它需考量使用限制和使用條件，因應不同情境與狀態的資料內容來調整，例如:颱風預測準確度相較於梅雨來的高，目前在分析颱風資料時，我們可以在系集預報上取平均到25％的超越機率(超越機率越高越容易發生)來使用，在梅雨期間由於不確定性越高，超越機率可能會使用到10%的資料進行分析。但在實際處理水文資料上須不停地隨著時間與觀測及預報成果去調整，不停地更新資料，使得誤差能及時修正或改善。
註：系集預報指透過蒐集不同模式成員計算出來的預報結果，再搭配統計方法，產出統計出空間位置上可能發生的降雨量，例如:系集模式有50個預報成員，有40個成員預報該區域降雨量達300毫米，在系集模式中該區域降雨量達到300毫米之發生機率有80%。
模型實作
接著我們來看模型產生的過程，這過程主要是在處理模型的參數(集水區大小、土壤含水量與土地利用等，但具體用那些參數或依據不同的模型與分析方法而有所不同，不過我們可用敏感度分析決定特定參數的影響性。)與不同資料間的轉換，設定好的參數使得模型在模擬時能符合實際情況，模型出來的資料型態可能不同，我們需要在這些資料間轉換出想要的結果。在模型的參數設定時，第一考量通常為符不符合物理原則，所以在看別人的模型或自己的模型時，常透過自動化程式檢查參數合是否合理，例如:「有時會發現把集水區的面積調的太小，使得資料符合這次觀測結果，但這其實有問題，可能不符合模式本身的物理特性。」。過來我們利用水文循環跟水文、地文資料蒐集上的概念，搭配空間資訊與GIS上的應用，像是空間資料的處理、從空間跟時間的時間序列的資料處理、甚至是不同物理量的資料轉換等，來調整參數的設定與模式之間的轉化。在建好模型後，通常是系統自動化處理，但在颱風或豪雨災害時，擔心資料中斷導致預報無法即時更新，需要有人進駐到水利署等相關機構來確保資料穩定的進入到伺服器中，模型在運作的過程中，會即時用觀測與預測結果進行修正，而這方法已寫進程式之中，電腦會自動修正。在災害應變中，提供資料給主管機關進行災情應變的決策，包括決定撤村、封閉橋梁、調度抽水機等決定；在災害過後，資料也需要提供給不同的單位來使用，例如提供給災害調查的，提供給水利專家來研判模型成果等。
評估與檢討
最後在每次自然災害後，我們需要使用觀測資料來重新評估模型的成效，調整或修正參數來進行整個模型最佳化，透過觀測資料來判斷哪些參數使得結果離真實的情況相差過大，調整這些參數使得在相同的條件下能盡可能的貼近結果，使得當下次災害來臨時預測可以更加準確。如同模型的產生，符合物理原則為調整模型的第一要點，但根據經驗太過追求理論上的準確在實際應用上不一定較為準確，因此常設有一參數來調節理論和現實中的誤差，現實與理論的誤差也有可能來自於，模型本身的假設，例如我們常假設一地方的降雨與土壤條件為均勻的，但實際上的降雨與土壤條件會因為位置不同而有不同的數值，這就造成誤差的來源。接著檢查是否超過淹水的保護標準，有些淹水情況並非水理或水文特性(雨量過大或水位過大)所造成的，而是現場的維護或管理不當所引起的，像是排水系統或下水道管線堵塞，因此再檢討時，可能會發現怎麼模擬都跟觀測資料有相當的落差，可能要進一步確認或評估是否為維護管理不當而造成淹水，例如:早期很多淹水是因涵洞、下水道維護管理不佳導致阻塞，另外現地的情況有可能跟模型的情況有些差距，圖資有可能沒更新使得模型模擬的情況是錯的，沈執行長建議做水文分析或水理模式建置時不妨到現場走一走，可以讓自己對現地的狀況更為了解。
管理層對模型的想法
沈執行長在當初研究員時，花了大部分的時間在資料處理與模式之間的轉換，這時期對於整個操作細節較為清楚；而在成為主管後，對於模型資料流程比較重視，重點擺在模型是否有達到檢核目標(模型預測的結果，例如水位、流量和是否會淹水等)，模型是否能在期限內做完等結果層面的事上，有時也需要協助研究員，處理建造模型的難關。另外沈執行長提到在工程顧問公司中有新的想法很重要，因為模型每年都需要更新，能有不同的想法對於新模型的建構非常有幫助，但在試新方法時須符合規定的要求，甚至不能比舊方法差。
給未來想走水文防災的人一些建議
如果未來想從事水文防災方面工作的人，沈執行長建議在大學時可以多修一些程式與空間資訊與統計及GIS方面的課程，其中又以空間資訊GIS方面的知識在後續應用最頻繁，因為水文防災主要是在考量時間、空間與物理量的交換，另外如果在時間序列的處理上得心應手，也可以考慮往金融領域發展，金融商品在開發中時間序列的觀念相當的重要。另外在國外做水文水理模式軟體開發的人，有許多是數學系與物理系出來的，因為在處理水文問題時有許多解方程式與物理上的問題，所以能在求學時多了解一些數學或物理領域的知識，對於未來也是有些幫助。在學習跨領域的知識時，除了透過書本與課程的學習外，還可以多參加國內外研討會或會議，在這過程中會有一些新的衝擊，使自己能有一些不同於課程上學習到的一些知識，也有助於新想法的產生。
