【明報專訊】夏天處處恍如蒸爐，城市人尚可逃進冷氣商場；而遠在熱帶雨林的野生動物，面對氣溫上升，只能尋覓較涼快的安身之所。有「地球之肺」之稱的熱帶雨林，不但吸收全球二氧化碳，亦是眾多生物的棲息地，是審視氣候變化的重點研究對象。過往的研究由於熱帶雨林的環境障礙，無法準確估算其溫度，以及氣候變化對林下生物的實際影響。因此香港中文大學與芬蘭赫爾辛基大學團隊合作，展開全球首項針對熱帶雨林內部林下微氣候的研究。團隊利用機器學習（machine learning）模型，揭開雨林微氣候面貌，為應對氣候變化提供新見解。
熱帶雨林露天溫度≠林下溫度
近年夏日氣溫屢創新高。在香港，天文台於各區設置逾80個自動氣象站，進行氣溫、風速等氣象要素的地面觀測。有別於城市，熱帶雨林廣闊且杳無人煙，地面環境危機處處，研究人員不可能大規模安放溫度計。因此以往生態學研究依靠衛星遙感數據，估算熱帶雨林氣溫。
中大理學院地球與環境科學課程戴沛權教授指出遙感數據的限制：「從一個衛星照去地面，你會看到一大片森林，其實探測的溫度只不過是樹頂以上的溫度而已。」衛星遙感一般可準確估算樹頂對上2米的露天環境溫度，然而大多數生物並非住在樹頂，而是林下環境。因此衛星測量與生物實際感受的溫度存在較大偏差，影響生態學及氣候變化研究的準確度。
收集地面15厘米高溫度數據
在此背景下，戴沛權教授和博士後研究員Ali Ismaeel博士，聯同赫爾辛基大學Eduardo Maeda教授及其團隊展開突破性研究。他們與當地科學家合作，在非洲、南美洲和東南亞的熱帶雨林安裝了180個溫度傳感器，收集離雨林地面僅15厘米高的數據，從而測量低窪灌木和植物層的溫度。
乍聽之下，足足180個地點的數據不在少數，卻仍然不足以推算整個熱帶地區的林下溫度，更何况有些地方擁有豐富物種，但人類難以抵達。戴沛權拋出一個問題：「要想吓有什麼辦法，就算那裏放不到探測儀器，也能知道樹底的溫度？」
機器學習模型 收集熱帶地區數據
以往的生態學研究亦會在熱帶雨林個別地點監測溫度，了解該處微氣候。這次研究的創新之處在於應用機器學習模型，結合180個地點實際量度的微氣候數據，以及衛星衍生的宏觀氣候、林上露天環境數據等資料，製作林下溫度數據集。這數據集覆蓋全球所有熱帶地區，製作出整個地區每30米的高解析度林下溫度數據集，現已公開讓各地研究使用。
科學家只需要親自前往180個地點採集實地數據，機器學習模型便可結合其他資料，得出整個熱帶地區的林下溫度，其發揮的效果可否形容為「以小見大」？「這樣說未必最準確，因為本身機器學習一定要有夠多數據放進去， 但是放進去之後，它可以生成的數據是再倍增的。」戴沛權指研究人員挑選的180個地點，地形、物種分佈、植物形態和氣候等環境條件各異，「180個地點要夠唔同先得，如果差不多，機器學習（模型）不能學到好多」。
戴沛權還提到應用機器學習的另一突破。以往要研究兩個變量的關係，例如不同氣象條件怎樣影響污染濃度，研究人員必須按已知的機理發展數值模型，繼而把採集的數據放進模型，以得出結果。機器學習扭轉了這種固有模式，研究者毋須明確知道變量之間的關係，模型仍可憑藉數據之間千絲萬縷的關係，把它理清出來 。「機器學習從來沒有嘗試解釋變量之間為何有此關係，但是它就是能夠向你形容兩者關係」，因此很多人會把機器學習模型形容為「black box（黑箱）」，「其實你不知道模型內部在做什麼」。
突破以往微氣候特徵估算
回到這次熱帶雨林的微氣候研究，到底揭示了什麼？研究人員發現，林下溫度平均比林上露天環境的溫度低1.6℃，而雨林近地的晝夜溫差（即同日的最高和最低溫度之差異）平均比林上露天環境低1.7℃。溫差不足2℃，影響有多大？戴沛權提醒上述溫差只是平均值，實際同一地點林上林下的溫差可能更大，是次研究發現，部分地方的溫差高達4℃。
動植物對於溫差反應敏感，例如過往有研究發現，溫度上升少許已經大大影響農作物收成。戴沛權指，這次發現的重大貢獻在於協助未來預測研究，估算氣候變化對熱帶雨林林下生物的影響。「假設將來估算林上溫度升大約3℃，但原來林下溫度的升幅可能不同。那麼我們對生物影響的估算是否錯了？」這種差異源於樹林冠層遮擋陽光，而且土壤的蒸發作用使水氣從地面移動到大氣，令林下溫度較低。
除了林上林下的氣溫差異，研究還揭示同一熱帶雨林之內的微溫度或會迥然不同。科學家向來知悉熱帶雨林的微氣候多變，但一直未有測量方法全面估算。他們希望了解每隔多遠，才會出現不同的棲息地微氣候條件。過往亞馬遜中部以林上露天環境的估算結果為400公里，但中大與赫爾辛基大學團隊這次利用林下溫度推算，發現只是平均170公里的距離內，微氣候特徵已經出現顯著差異。這可能源於天氣狀况、植物和地形特徵等差異。
助尋「氣候避難點」
換言之，林下微氣候的溫度比林上溫度更加多變。這次研究提出定量的估算，引證微氣候的複雜，同時意味全球暖化對於同一雨林內的不同區域，或造成不同程度的影響。戴沛權由此延伸，提及研究有助找出熱帶雨林中的「氣候避難點」（climate refugia），即生物受氣候變化影響時為它們提供繁衍條件的小區域。「可能某些位置特別涼快，對於氣候變化來說更具韌性，那些地點便更需要極力保護。」研究成果有助制訂保育策略和減緩氣候變化的影響。
研究或助了解香港生物多樣性
熱帶雨林有助延緩氣候變化帶來的影響，而溫度對其生物多樣性空間模式，以及雨林生態系統功能尤其關鍵。記者以為在氣候變化課題上，熱帶雨林的研究應該為數不少。戴沛權連聲說不，相對溫帶森林，熱帶雨林的研究其實仍然很少。這源於熱帶雨林所在的國家如巴西、印尼和一些非洲國家，均缺乏進行研究的資源，外國其他研究人員難以經常採集實地數據，只能依靠衛星遙感的協助。研究需要大量實地觀測的數據，然而在溫帶森林類似數據的收集工作，可能已領先幾十年。「我們也知道熱帶雨林是更加重要的，所以到現在還是一個難題。」
研究並未完結，戴沛權指由當地科學家放置的180個溫度傳感器，仍然身處熱帶雨林，團隊未來首要工作是收集林下溫度的長期數據，並在更多地方安裝傳感器改進數據集。
那麼這次研究對香港有何啟示？機器學習可在生態學與氣候變化研究中發揮作用，未來或許在本地也能派上用場。戴沛權提醒，香港也有不少樹林，且生物多樣性高。「我們都很關心究竟香港的生物多樣性，會否因氣候變化受到影響。」若未來能夠應用機器學習，可望讓我們了解香港郊野公園的微氣候，哪些樹林區域特別有利生物多樣性，從而聚焦加強保育。
■熱浪浪接浪
戴沛權解釋研究發現時提到，平均溫差的變化不容輕視。同樣道理亦可應用於理解全球暖化的數據，「很多時候說氣候變化，我們提到全球平均溫度，其實1℃、2℃的變化已非常嚴峻，等於極端溫度可能升了幾度，或者熱浪的襲擊率更大，熱夜等極端溫度的頻率又會更增加。」
2015年獲全球197個國家通過的《巴黎協定》，目標正正是把全球平均氣溫升幅控制在工業化（1850年至1900年）前水平以上低於2℃之內，並努力限制在1.5℃之內。不過，達成目標的機會愈趨渺茫，世界氣象組織（WMO）本月初預警，指未來5年內至少有一年的全球平均氣溫，有八成機會比工業化前高出1.5℃，逼近《巴黎協定》的警戒目標。
2023年是全球有紀錄以來最熱的一年，WMO估計未來5年內至少一年再創高溫的機會，高達86%。熱浪的熱不是最熱，若今天的熱已難以忍受，未來恐怕只會更難捱。
文˙ 朱令筠
{ 圖 } 網上圖片、受訪者提供
{ 美術 } 朱勁培
{ 編輯 } 王翠麗