發佈日期:2018-03-12

都市熱島效應影響與因應作為之初探

作者: 羅良慧

政策評析 都市熱島 調適都市熱島 冷卻都市熱島 Urban Heat Island(UHI) Adapting UHI Cooling UHI

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猶記2017年8月的夏天,台北每天最高溫超過攝氏37度的天數已超過10天,更以連續10天最高溫36度以上破了120年來的紀錄(自由時報,2017)。參採歷史資料,新北市亦於2015年即測得夏季溫度平均高溫達38度以上的紀錄,其中以新莊、三重、中永和等地區最熱,除了天候的影響,工業發展快速、人口密集度高亦造成相當的影響程度,2017年新北市城鄉局啟動減緩熱島效應示範區的設立,規劃以二年的期程進行風廊通風、綠化、透保水等工作,包含推動屋頂綠美化措施以降低建築溫度(聯合報,2017)。

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台灣地狹人稠,人口和產業朝向都市集中的趨勢更為明顯,依內政部2016年統計年報估算,台灣都市化程度已高達79.9%(註1) ,遠超過全球都市化程度52%的比例(EU, 2016;轉引自科技發展觀測平台),高溫對都市居民的衝擊是迫切的,都市熱島效應又將對都市的環境造成何種影響呢?本文將分別依都市熱島形成的機制、所帶來的影響,以及對既有因應策略與措施的盤點彙整,分別說明及建議如後。

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一、都市熱島效應的形成機制

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學者林炯明(2010)指出「都市熱島(urban heat island)」一詞最早見於1958年Gordon Manley在英國皇家氣象學會出版之學報中所提出,並無統一的一致性定義,泛指都市地區氣溫較周遭為高的現象。換言之,也就是高溫化的都市區域在周圍低溫郊區的襯托之下,如同一座發熱的島嶼,在氣象學上稱這樣的現象為「都市熱島效應(urban heat island effects)」。但是為什麼為造成此種現象呢?主要還是因為人類對都市生活的需求,造成都市早期的發展型態多為符合居民生活與工作的便捷性為主,因此都市內大量使用電力或石化燃料的人工熱源,密集的建築物亦採用蓄熱量高與吸熱表面積大的材料,這些人為的設計使得都市地區溫度上升。再加上過往都市規劃中,並未適度地保留綠地,使得原本可藉由植物葉面的蒸發過程,讓地表及近地面大氣得以冷卻降溫的機制,卻因林木被砍伐或綠地被開發轉為建造建築物或道路後,其冷卻降溫的效果大幅降低,進而促使都市區域溫度上升而高於鄰近郊區(國研院,2017)。

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透過熱島效應成因的簡述,可發現最主要是對都市氣候造成影響,參採學者研究,亦可知各大都市因其氣候條件、產業特性、建築物高度與分布等的不同,都市熱島效應對個別都市造成的衝擊影響亦有所不同。例如在特定的環境條件配合下,恐在都市上方形成塵罩(dust domes),都市內各種經濟活動與交通排放的空氣污染物與廢熱更加不易散失,一旦空氣污染愈加嚴重,其中的懸浮微粒濃度愈高,除影響能見度外亦可能增加雲的形成,使得太陽入射輻射比例下降與日照時數減少(林炯明,2010)。這些對環境的直接衝擊影響又將造成怎樣的後續效應?本文將整理分析如下所述。

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二、都市熱島效應帶來的衝擊與影響

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藉由探究都市熱島的成因後,對於其帶來的影響,一般而言可分為二大類:其一為都市熱島造成都市內溫度的上升,氣溫愈高愈可能帶動空調冷房的使用需求進而增加能源的消耗,因此都市能源的使用型態也將隨之改變。其二為都市熱島亦可能導致空氣品質降低並加大極端熱事件的影響,讓都市居民面臨更高的健康風險。綜整學者們就熱島效應對都市氣候與環境造成的影響及其帶來的後續效應,請參見表1內容:

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表1 熱島效應對都市氣候與環境造成的影響

對都市氣候或環境的影響 後續效應
溫度升高 長時間使用冷氣,造成能源供給壓力增加;此外,熱島效應伴隨全球暖化現象,亦使得都市區域高溫機率增加
相對濕度減少 恐影響環境生態及植物生產力
日照時數減少 影響植物生產力及太陽能的開發使用
降水型態改變 集水區的降水減少,另因都市多採不透水鋪面,不易排水恐致淹水。此外,降雨時,都市內的建築屋頂與鋪面將升高雨水逕流的溫度,再排入水系中,將影響水生生態體系
空氣品質惡化 危害民眾健康
資料來源:林炯明(2010),簡永和(2010),USEPA(2017);本研究整理製表。
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如表1所述,都市熱島效應的影響面向甚廣,在進行影響評估時,宜依循主題以定義目的並鑑別數據需求後,選定溫度數據的類型與位置,並決定量測方式與時間。此外,也可從既有的溫度數據資料來源中篩選,或須配合主題進行現場量測,宜考量的細部需求分別為(Stewart, 2011; USEPA, 2017):

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(一)溫度數據類型:

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概分為空氣溫度(air temperature)與地表溫度(surface temperature),前者為從地面到樹木和建築物頂部的城市樹冠(urban canopy)之間量測的溫度。此為人類實際活動的環境條件,可藉由標準的氣象站,監測儀器等直接測量氣溫。後者泛指陸地、建築物和其他表面釋放的熱能,以安裝在衛星和飛機上的儀器進行量測,可較空氣溫度量測法提供較佳的區域範圍量測值。另外,可量測季節性的溫度變化等,配合時間軸繪製都市溫度型態,也可對都市熱島的發生時段有所瞭解,掌握都市熱島的3D(平面加時間)圖像。

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(二)地理區域範圍:

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若為了進行都市熱島的能源消耗評估,通常會將整體都市區域與周圍郊區的溫度進行比較,以推估都市熱島效應是否造成能源需求量的增加。此外,若是關注都市熱島對居民健康的評估,會先標注城市內不同地點之間的氣溫差異進行熱點(hot spot)辨識後,再依居民的群體特徵等,進行完整評估。

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因此,為量化都市熱島效應造成的影響,藉由前述所採取的量測方法與資料蒐整後,公部門將可掌握城市及周圍區域的溫度變化,有助於量化能源使用需求設計適宜的能源管理模式,尤其對電力系統而言,將可對短期間的高度使用量作出預防性措施,避免系統的過度負荷。再者,透過辨識城市內的熱點,亦可協助公部門在高溫發生與熱浪來襲時期,提早將預防措施集中在城市內最需要的區域,降低極端熱事件造成的危害與損失。

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三、因應都市熱島效應的策略與措施

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依國際科學研究報告顯示(PRIDE, 2015),全球溫度上升已是極可能持續發生的趨勢,而都市的生活空間型態,亦會造成都市熱島效應更為顯著,都市居民將面對變化更為劇烈的溫度升降影響,因此,除了全面性地減緩都市熱島效應並降低其發生的可能性,如何對高溫與熱浪等極端熱事件進行調適及作出相關因應以減少可能的衝擊,對公部門而言已是非作不可的決策。參採美國環保署與日本環境省對都市熱島效應的因應作為,皆包含「調適(adapting)」都市熱島以及「冷卻(cooling)」都市熱島二大類型的策略,二大策略之間要如何互相搭配並掌握本身的規劃重點,其設計概念請參見圖1所示。本文接續將對如何「調適(adapting)」都市熱島以及「冷卻(cooling)」都市熱島二大策略項下各措施內容說明如後。

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圖1 調適與冷卻都市熱島策略規劃概念圖
圖片來源:日本環境省 (2012),本研究重新修改繪製。

(一)「調適(adapting)」都市熱島

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在「調適」都市熱島上,由於都市內居民受到熱島效應影響,使得生活環境的溫度已較都市周圍郊區等非都市區域來得悶熱,若再受限個別的健康因素如年老或疾病,或是經濟條件不佳不願使用空調等,有可能因高溫造成健康的危害。因此,公部門有其必要對基礎設施、維生設備等硬體措施,以及都市居民健康管理、醫療體系等軟體措施,全面性地檢視這些軟硬體措施在面對高溫時的脆弱度,進而提高緊急應變的能力,以減少潛在的危害風險。因此,在適應作為上可分為(USEPA, 2017):

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1.短期作為:

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公部門平時應建立熱點潛勢地圖並搭配預警通報系統,並篩選面對高溫時可能的高風險族群,提高對危害因子的認識,以及瞭解與熱相關疾病症狀該如何治療,此外,分區設置降溫避難中心,當熱浪發生時提供有需求的居民得以尋求庇護。再者,因高溫引起的能源與電力需求,也需要有帶動能源效率提升相關作法與電力調配的應變措施,避免電力供給不足造成的危害。另外,不同使用標的之用水量如民生用水、農業用水等,因高溫而增加時,是否有適宜的調度配置方法,確保必要的維生需求,以及道路、火車軌道是否需改用更具彈性的材料進行強化或修改,使其可承受高溫下的使用環境。

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2.中長期作為:

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將改善都市熱島效應視為長期性作為,如接續簡介之「冷卻都市熱島」等作法,期逐步改善都市居民的生活環境外,亦可分為平日與緊急二大策略方向,提升都市居民認識熱島效應帶來的衝擊與影響。因此,在平日而言,重點措施在於教育宣傳大眾如何掌握高溫、熱浪等極端氣候事件的預警通知,並瞭解天氣預報、警示系統及健康風險宣傳等所表示的意涵。緊急的時刻則是指在遭逢熱浪來襲的當下,強化位於都市熱點居民的自保意識,適時導引有庇護需求的居民至降溫避難中心,或是尋求相關支援協助。另外,對興建已久的道路、橋樑和鐵路,以及能源與資源使用配置等各項基礎設施、維生設備,若仍未完成因應高溫的強化調整時,在面對熱浪來襲的緊急狀況,應特別關注此類型潛在風險及其脆弱度,必要時應先啟動預防隔離機制,避免危害的發生。

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(二)「冷卻(cooling)」都市熱島

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綜觀各國對減緩都市熱島效應的作法,在範圍與層次上可概分為以社區行動為主及以都市空間規劃為主二大類,因此,本文參採美國環保署網站所建置的熱島社區行動資料庫(Heat Island Community Actions Database),綜整歸納以社區行動為主的五大類都市熱島冷卻策略內容(USEPA, 2017; Berkeley Lab, 2017),以及蒐整分析日本以環境規劃設計理念為主的減緩熱島效應策略,如引海風以對都會區降溫等(環境資訊中心,2006;AKASHI, 2008),依序簡介如後。

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1.在社區層次可進行的「冷卻(cooling)」都市熱島策略:

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  • 增加樹木和植物覆蓋率:種植樹木和植物一直是調節微氣候的重要作法之一,逐漸成長的樹木和植物除了可形成遮蔭覆蓋外,亦可因蒸散作用提供降溫以降低空氣溫度和地表溫度。另外,藉由樹木和植物的生長也可以減少雨水逕流以防止地表土壤的侵蝕。
  • 安裝綠色屋頂:即是以在屋頂上栽種植物(如植物、灌木、草或樹等)的作法,透過植物蒸散作用並提供遮蔭,去除生活環境中的熱量,有效地降低屋頂表面和周圍空氣的溫度外,並對雨水管理的改善也有其效用。
  • 安裝反射性材質為主的冷卻屋頂:指在屋頂上搭建由反射性材料或塗料製成的遮蔽式建物,藉由反射陽光和建築物的熱量以降低屋頂溫度,提升居住者的舒適度並使建築物室內溫度下降進而降低冷房空調等能源使用需求。
  • 使用涼鋪面:在人行道、停車場使用具反射性或可滲透性的鋪路材料,使其反射太陽能及增加水分蒸發,達成比傳統路面更涼爽的效果。選用適合的鋪路材料不僅可以冷卻路面和周圍的空氣,還可以減少雨水逕流並可提高夜間能見度。
  • 實踐智慧成長:推動社區居民的共同參與,以維持發展且宜居的環境為目標,提出相關措施與行動使其在經濟發展之餘亦保護環境。
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以加州為例(USEPA, 2017),在「冷卻熱島」策略的工程手段上,最早於2001年為了應對電力短缺,在建築物能源管理規範中加入「冷卻屋頂」作為提升能源效率選項。2005年之後,這些冷卻屋頂條款成為面積超過180平方公尺或大規範整修的非住宅建築維修及翻新屋頂工程的強制性要求,使其在貢獻節能成效之外,也對減緩熱島效應有所助益。在「涼鋪面」上,加州交通部(Caltrans)制定「涼鋪面手冊」,對涼鋪面的設置提出標準規範,2015年建築標準委員會研議將手冊的規範納入「加州綠色建築標準規範」之中。此項加州綠色建築標準代碼(California Green Building Standards Code, CALGreen)於2011年1月1日生效,該規範涵蓋了住宅和商業建築,提供了52個非住宅強制性措施和130個可供選擇的規定,與緩解熱島效應相關的自願措施,如遮蔭、涼鋪面和冷卻屋頂等技術含括在內。在城市綠化上,除了2011年公部門提出了高額的經費加以推動外,此項以「增加樹木和植物覆蓋率」為主的措施亦廣泛地被使用在「針對公衛的氣候行動(Climate Action for Health)」、「加州氣候變遷調適規劃指南(California Adaptation Planning Guide)」及「加州城市和社區綠化(California Urban and Community Forestry)」等計畫中,期能逐漸增加城市內的綠地、綠屋頂等,以長期的持續作為減少氣候變化帶來的城市熱島效應。另外,在預防性管理作為上,加州公共衛生部門為評量高溫與熱浪等極端熱事件對個體社區的危害,設定相關風險指標包含:老年人口比例高、社會孤立人口、兒童、戶外工作者、窮人、慢性病和醫療服務不足等,並透過這些指標進行普查以衡量熱事件脆弱性指數值,進而繪製極端熱事件之風險潛勢地圖(Public Health Vulnerability to Climate Change and Mapping Risk),用以識別需關注的熱點區域及其個體社區。

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2.以環境規劃設計理念所進行的減緩都市熱島策略:

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日本早在2002年即辦理跨部會會議處理都市熱島效應(大紀元,2002),透過跨部會協調合作,全方位的考量如何因應處理,2004年提出的「減緩都市熱島效應政策框架」中(日本環境省,2004),提出四大類因應對策,分別為:減少人為熱輻射、改善城市地面、改善城市結構,以及改善生活方式。另一方面,參考內政部建築研究所研究報告(內政部,2008)對東京都熱島緩和實施狀況的盤點資料,可看出日本對如何降低熱島效應的積極態度,即以東京都為例,統整了都市設計、住宅、下水道、環境、產業勞動、建設等各區處,分別就「綠化增加」、「熱排出、冷卻」等不同減緩策略類型,依其管轄範圍提出相關執行計畫。

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2006年日本學者透過對都市空間的規劃,研究引進海風幫助都市降溫的措施(環境資訊中心,2006)。由調查結果發現,因東京都有樂町區東面的建築物高度皆低於56公尺,所以從東京灣吹來的海風可直達此區域,相較之下,東京都的新橋區卻因周圍高樓大廈林立,阻礙風的對流,更顯得特別悶熱。由此可知,若能透過都市規劃加以配合整體環境,對改善熱島效應將有其助益。另外,日本國立研究開發法人建築研究所(Building Research Institute, BRI)則針對建築物密集的區域創建「風道」(wind path)的效果進行模擬評估(AKASHI, 2008),以東京中部地區在港口區域建造摩天大樓的案例進行檢視,發現大樓興建擋住來自海上的涼風且影響都市內風的對流,恐加劇都市熱島效應,因此提出了三大措施,包括:1)評量摩天大樓之間的狹縫通道,藉以改善弱風帶,2)拆除部份建築物既有的牆形建築物,3)善用河面上的高架公路來打造「風道」,期透過空間規劃措施來改善都市環境,創造更適宜的都市空間分布型態以減少熱島效應的形成。

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此外,在公部門的作為上,日本政府如前所述確有將減緩熱島效應付諸行動,依日本環境省所公布的「熱島對策指引(2012年)」之內容(日本環境省,2012),在因應作為上分為六大類20項技術,此六大類包含:1)風的應用對策,如引入海風、山谷風以及從河川來的風;2)綠化的應用對策,如公園、綠地、街道樹、停車場、建築工地、屋頂及牆壁等各種綠化方案;3)水的應用對策,如噴水、水景設施、路面灑水、建築物建材、排水設備等;4)日照反射與遮蔽的應用,如涼鋪面、冷卻屋頂、人造遮蔭等;5)人為減緩排熱效應:區域性冷暖房系統的應用、減少建築物與汽車的排熱;6)宣導教育,如預防熱中暑等預防性宣導。在此指引中亦對各技術內容的原理、預期效果、相關應用及關聯性制度提出詳盡的說明與介紹,讓使用者可快速掌握技術的內涵。另外,針對社區的部份,日本環境省於2016年公布「社區熱對策指南」(日本環境省,2016),其內容除防熱、防中暑等措施推廣,亦對專業人員如何採取相關措施以緩解熱島效應,提供了具體對策與技術資訊。整體而言,就日本因應熱島效應的作法來看,對城市空間的規劃、街區與建築的設計等,日本各界都提出相關改善方案與建議,並以公部門的力量持續落實推動。

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四、結論

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以台灣北、中、南、東四大區域的人口空間分布來看,北部及西部都會區人口集中的狀況最為顯著,帶動這二大都會區人口密度呈現持續上升的趨勢,也因此都市內的高樓大廈如雨後春筍般地陸續興建,交通路網也日漸複雜,但公園綠地面積卻逐漸縮減,造成都市內地面不透水率提升,都市也逐漸喪失自我溫度調節功能,導致都市熱島效應也更加地顯著。當台灣六都周邊資源亦不斷向都市中心集結時,形成為大都會區或城市區域的高度發展空間型態等趨勢已成必然,如此一來,都市規劃的方向將攸關整體環境的永續性。

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以北部都會區為例,如欲減緩都市熱島效應,參採前述對社區層次的行動及都市空間規劃等策略及措施,本文建議可從下述三方面進行相關改善行動:

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(一)提升民眾因應熱事件的自我調適與保護機制:

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就個人層次而言,參照北部都會區近來的夏季高溫紀錄及未來趨勢,並考量都市熱島效應帶來的熱事件及其後續影響,公部門有其必要強化對民眾的宣導管道,提升民眾的認知與警覺,更需要搭配社區的通報機制,在高溫來襲時,對具高風險的脆弱族群(如年老體弱、經濟狀況不佳者等),透過聯繫訪視確認外,宜規劃可供有需要民眾權宜休憩避熱的場所,減少對個人健康的衝擊與危害。

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(二)結合社區原有動能規劃宜居環境:

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因熱島效應的成因與造成的影響會依其發生位置而有其特殊性,主責的公部門單位可藉由社區內鄰里行政系統及持續運作中的社區營造等機制,導引社區關注與協力減緩熱島效應影響,以連結社區能量與善用在地智慧的作法,亦可作為凝聚社區共識的起點,持續以社區生命共同體的概念,激發居民的集體行動處理切身的議題,找出解方共同打造宜居的家園。

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(三)順應原有地貌讓都市「換氣」:

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從公部門立場來看緩解熱島效應或減少其發生的可能性,都市的空間規劃仍是最主要的措施手段,如學者汪中和指出(台灣醒報,2016),台北盆地受限盆地的地理因素,只要被高壓籠罩就會出現氣流下沉效應,因此,在通風受先天因素的限制下,無法改善太多,但台北盆地有新店溪、基隆河與大漢溪,具有天然疏導熱能的功用,可思考在水流導熱上可多下功夫,或可引風入城市,提升對流的效果。換言之,若能以考量自然環境條件來改善既有的都市空間設計時,相信受益的不只是改善高溫難耐的環境,而會使整體都市生態環境的品質更加良好。

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學者林炯明(2010)指出:「都市熱島的形成是都市化後的必然結果,也可以說是都市化後的後遺症。從現今的角度來看,人地關係的和諧實可涵蓋環境永續發展(sustainable development)與災害風險管理(disaster risk management)兩者的綜合概念。」因此,當人們享受都市化帶來的方便舒適之際,善待環境與善用資源的作法亦應成為都市規劃的核心思維,本文藉由爬梳熱島效應造成的衝擊與影響,進而盤點適宜的策略與措施,不僅希望回應學者所指出,都市熱島效應是一個反應都市內人與地關係是否和諧的指標外,更希望在面臨台灣的「熱島」問題之際,我們可以「調適」並「冷卻」,塑造一個與環境共存、宜居的都市。

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註釋

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註1:2016年內政部戶政司統計之全國人口數為23,539,816人,營建署統計之都市計畫區現況人口數為18,808,936人,台灣都市化比例為79.9026% (都市計畫區現況人口數 / 全國人口數)。

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參考文獻

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