[科普中國]-512防災(zāi)減災(zāi)日談地震烈度速報(bào)

九年前汶川特大地震發(fā)生之后，我國地震速報(bào)在震后快速測定了震中參數(shù)，為震情判斷提供了準(zhǔn)確的資料。但由于當(dāng)時未建立常規(guī)運(yùn)行的地震烈度速報(bào)系統(tǒng)，無法提供有效的地震烈度速報(bào)圖，對汶川地震的應(yīng)急響應(yīng)和緊急救援產(chǎn)生了巨大影響。震后地震烈度速報(bào)被緊急提到日程上。隨著地震科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，地震烈速報(bào)已進(jìn)入實(shí)用化階段。在防災(zāi)減災(zāi)日我們再談地震烈度速報(bào)，使更多的公眾了解地震烈度速報(bào)的知識。

1、地震烈度

地震烈度（seismic intensity）有著不同的表述，目前比較一致地認(rèn)為，地震烈度是表示地震對地表及工程建筑物影響的強(qiáng)弱程度，或者說是對地震影響和破壞的程度。在國家標(biāo)準(zhǔn)GBT17742-2008里這樣描述地震烈度：地震引起的地面震動及其影響的強(qiáng)弱程度。原始的烈度是在沒有儀器記錄的情況下憑地震時人們的感覺或地震發(fā)生后器物反應(yīng)的程度、工程建筑物的損壞或破壞程度和地表的變化狀況而定的一種宏觀尺度。

一次地震發(fā)生后，根據(jù)建筑物破壞的程度和地表面變化的狀況，評定距震中不同地區(qū)的地震烈度，繪出等烈度線，做為對該次地震破壞程度的描述，稱為地震烈度分布圖，簡稱烈度圖（圖1）。一個地區(qū)的烈度不僅與這次地震的釋放能量（即震級）、震源深度、距離震中的遠(yuǎn)近有關(guān)，還與地震波傳播途徑中的工程地質(zhì)條件和工程建筑物的特性有關(guān)。地震烈度在不同方向有所不同，如在覆蓋土層淺的山區(qū)衰減快，而覆蓋土層厚的平原地區(qū)衰減慢。烈度還用于地震區(qū)劃，表示將來一定期限內(nèi)可能發(fā)生在某一區(qū)域內(nèi)的最大烈度，估計(jì)一個地區(qū)可能發(fā)生的地震影響大小。

圖1 汶川地震烈度分布圖

早在16世紀(jì)意大利的地圖繪制者伽斯塔爾第（J.Gastaldi）首次在地圖上標(biāo)注濱海阿爾卑斯地震的破壞，用不同顏色表示地震影響和地震破壞的地區(qū)，這就是地震烈度概念和最早的烈度評定。19 世紀(jì)和 20 世紀(jì)之交，伴隨地震工程學(xué)科的建立，烈度表的編制引起了各國學(xué)者的關(guān)注。1874年意大利人羅西（M. S. de. Rossi）編制了第一個有使用價值的烈度表，將烈度從微震到大災(zāi)分為 10 度，并用簡明語言規(guī)定了烈度評定的宏觀標(biāo)志。以后日本學(xué)者制定從0到7分為 8 個等級的烈度表，這就是日本氣象廳JMA烈度表的基礎(chǔ)。1904 年意大利學(xué)者麥卡利（G. Mercali）和坎卡尼（A. cancani）將烈度細(xì)分為 12 度，并給出了對應(yīng)各烈度的地面加速度幅值，美國人伍德和紐曼根據(jù)本國情況，簡化了烈度評定指標(biāo)的宏觀描述，提出修正的麥卡利烈度表，即IMM 烈度表。1964 年前蘇聯(lián)學(xué)者麥德維捷夫（S. V. Medvegev）與德國學(xué)者斯彭懷爾（W. Sponheuer）和捷克學(xué)者（V. Karnik）合作編制了 MSK 烈度表，烈度劃分為 12 度。目前最有代表性的烈度表就是IMM 烈度表、MSK 烈度表和JMA 烈度表。

中國地震烈度表的編制始于20 世紀(jì)50 年代。地震學(xué)家李善邦曾修改麥卡利烈度表使之適應(yīng)中國特點(diǎn)。1957 年地震學(xué)家謝毓壽參照麥德維捷夫的工作，考慮我國建筑類型和特點(diǎn)編制了“新的中國地震烈度表”。地震工程學(xué)家劉恢先總結(jié)我國邢臺、通海、海城、唐山等地震的烈度評定經(jīng)驗(yàn)，于 1980年修訂編制“中國地震烈度表”，該表引入震害指數(shù)、地震加速度和速度峰值作為評定烈度的參考量化指標(biāo)。這些烈度表均采用了12 度分檔的烈度，以后中國地震烈度表又進(jìn)行了多次修編。最近的烈度表GBT17742-2008，為2008年11月13日發(fā)布，于2009年3月1日實(shí)施。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了地震烈度的評定指標(biāo)，包括人的感覺、房屋震害程度、其它震害現(xiàn)象、水平向地震動參數(shù)。這個標(biāo)準(zhǔn)對于烈度的評定給出了儀器測定的峰值速度、加速度和地震烈度的對照參考值，根據(jù)近年來大地震的烈度評定經(jīng)驗(yàn)，儀器測定的速度和加速度值已經(jīng)成為評定烈度的重要參考值。近年來美國和日本等國家已經(jīng)很少在震后用考察方式評定烈度分布，而是越來越使用儀器烈度（Instrumental intensity）或者觀測烈度來表述地震影響程度，其原因是由于各國抗震標(biāo)準(zhǔn)的加強(qiáng)和房屋建筑抗御地震能力的加強(qiáng)，使得調(diào)查評判烈度的難度增加，必須以儀器觀測的速度和加速度值作為參考才可以最終確定烈度。

2、地震烈度速報(bào)

地震烈度速報(bào)是根據(jù)大地震發(fā)生后地震應(yīng)急響應(yīng)和地震應(yīng)急救援需要而產(chǎn)生的。實(shí)際上烈度速報(bào)和傳統(tǒng)的調(diào)查烈度有著本質(zhì)的區(qū)別，它主要依靠儀器觀測到的地震動參數(shù)--地震動位移、速度和加速度，根據(jù)一定的標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)算模型在震后快速計(jì)算出烈度分布圖，也稱為震動圖（Shakemap）。

當(dāng)一個破壞性地震發(fā)生以后，一般情況下能夠立刻得到的信息是震級和震中位置。但是地震不是發(fā)生在一個單純的點(diǎn)上。特別是大地震，一般都會在地下形成一個破裂帶，造成地面破壞范圍可能由震中到周圍達(dá)幾百公里之長。震中信息只告訴我們哪里發(fā)生了地震，并沒有告訴我們在哪個地方的震動最強(qiáng)烈。而當(dāng)破壞性地震發(fā)生后，政府部門急需了解哪個地區(qū)地震動最強(qiáng)烈，破壞最嚴(yán)重，以進(jìn)行緊急救援。

地震烈度對于災(zāi)后評估地震影響和編制抗震烈度規(guī)劃是非常寶貴。傳統(tǒng)的地震烈度信息主要通過烈度調(diào)查獲得，需要幾小時到幾天甚至數(shù)月才能完成。大地震應(yīng)急響應(yīng)和地震應(yīng)急救援要求在地震發(fā)生后能夠快速給出不同地區(qū)的烈度分布情況，這就是地震烈度速報(bào)，也叫地震儀器烈度速報(bào)。

地震烈度速報(bào)需要一個密集地震觀測網(wǎng)和地震快速響應(yīng)。上個世紀(jì)日本投入巨資布設(shè)密集的數(shù)字化地震臺網(wǎng)（Hi-net）和強(qiáng)震網(wǎng)(Kik-net)，率先開展了地震烈度速報(bào)，在破壞性地震發(fā)生后2、3分鐘內(nèi)就能提供地面運(yùn)動峰值分布圖和儀器烈度值圖。近年來由于傳感器技術(shù)、微處理器技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，廉價的MEMS加速度傳感器和智能設(shè)備完全可以用來建設(shè)密集地震觀測網(wǎng)，使地震烈度速報(bào)技術(shù)得以迅猛發(fā)展。

3、怎樣進(jìn)行地震烈速報(bào)

為快速得到震后的地震烈度概括起來有三種方法：第一種是利用震后快速測定的各種地震參數(shù)、地震波傳播的衰減關(guān)系和地質(zhì)構(gòu)造及余震，快速推算的地震烈度速報(bào)，稱為推算地震烈度速報(bào)；第二種是在傳統(tǒng)地震臺站用儀器測量地震動參數(shù)基礎(chǔ)上，采用模擬虛擬地震臺站加密，產(chǎn)出的烈度速報(bào)，一般稱為地震動分布圖（Shakemap）；第三種是布設(shè)密集地震臺網(wǎng)，直接利用儀器測量的地震參數(shù)，直接產(chǎn)生地震烈度速報(bào)圖，一般稱為觀測烈度速報(bào)。

基于衰減關(guān)系推算的烈度速報(bào)是在地震發(fā)生后首先獲得地震發(fā)生的震中位置和震級，選擇適宜的衰減關(guān)系確定影響的區(qū)域，然后按30”間隔的網(wǎng)格，建立虛擬地震臺，計(jì)算出基巖地震動參數(shù)值，考慮到場地放大系數(shù)的放大作用，可以將其轉(zhuǎn)換到地表，得到地表上的地震動參數(shù)分布。這就是推算烈度速報(bào)。在得到震源信息和余震信息后還需要進(jìn)一步修訂烈度分布圖。

圖2 2015年7月3日皮山地震烈度速報(bào)（陳鯤）

另一種推算地震烈度速報(bào)，是在適用快速獲得的地震三要素和斷層走向、傾向、滑動角的情況下，通過理論計(jì)算地震的同震形變位移、大地震地表同震位移場的分布特征與該地震烈度分布，根據(jù)同震形變和地震烈度的關(guān)系推算出地震烈度分布。

美國自1994年北嶺地震之后開始對震動圖(ShakeMap)進(jìn)行研究。由于臺站的密度不夠，需要增加臺站，于是采用模擬的方法在實(shí)際臺站之間增加“虛擬地震臺”來“加密”地震臺網(wǎng)?？焖佾@得地震后的地震動圖，即峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)等值圖、峰值地面速度(Peak Ground Velocity,PGV)等值圖和儀器烈度值Imm分布圖。

圖3 同震位移推算的地震烈度速報(bào)（張晁軍）

我國2000年以后開始利用現(xiàn)有地震臺網(wǎng)進(jìn)行儀器烈度速報(bào)研究，2013年正式投入使用的地震烈度速報(bào)技術(shù)系統(tǒng)可在地震發(fā)生的過程中實(shí)時動態(tài)產(chǎn)出3D地震動圖和最終烈度速報(bào)圖ShakeMap，在烈度速報(bào)方面獨(dú)具特色（圖4）。

圖4 山西地震臺網(wǎng)動態(tài)3D地震動圖速報(bào)

密集地震臺網(wǎng)的烈度速報(bào)非常簡潔和迅速，稱為觀測烈度速報(bào)。由于臺站密集，基本上只需在地圖上顯示觀測點(diǎn)觀測到的烈度數(shù)值即可，地震波掃過地震臺網(wǎng)，烈度即可直接顯示。其優(yōu)點(diǎn)是可以快速測定臺站的速度、加速度及位移。

圖5 日本千葉近海5.5級地震烈度速報(bào)圖

（使用800多臺站，震后3分多鐘發(fā)布）

圖5是2013年12月14日12:06日本千葉近海5.5級地震的烈度速報(bào)，它是每一個地震臺站實(shí)際觀測的烈度顯示。由于臺站足夠密，地震烈度非常清晰，無需插值和建立虛擬地震臺。這個地震烈度速報(bào)使用了800多個觀測點(diǎn)，其中絕大部分是社會和民間建立的與地震預(yù)警報(bào)警器在一起的觀測點(diǎn)，其平均臺站間距大約為2.5Km。