[科普中國]-512防災(zāi)減災(zāi)日談地震預(yù)警

日本311地震后地震預(yù)警技術(shù)進(jìn)入了公眾視野。地震預(yù)警是指大地震發(fā)生后對地震快速處理發(fā)出警報(bào)，提醒遠(yuǎn)處人們在地震波沒有到達(dá)之前逃生和避險(xiǎn)。隨著地震科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展地震預(yù)警技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，它將在大地震發(fā)生后為防災(zāi)減災(zāi)發(fā)揮重要作用。在防災(zāi)減災(zāi)日我們再談地震預(yù)警問題，目的是使更多的公眾了解地震預(yù)警知識。

1、地震預(yù)警實(shí)際是地震警報(bào)

地震預(yù)警是在汶川地震，特別是日本3.11地震之后被越來越多的人提起。很多人把地震預(yù)警和地震預(yù)報(bào)等同起來，這是因?yàn)樵跐h字里“預(yù)”有預(yù)先之意，其實(shí)這是一個(gè)翻譯問題。地震預(yù)警一詞是由英文“Earthquake Early Warning”翻譯過來的。日本叫“地震緊急速報(bào)”，中文應(yīng)譯為“地震報(bào)警或地震警報(bào)”，而不應(yīng)譯為“地震預(yù)警”。譯為“地震預(yù)警”很容易和“地震預(yù)報(bào)”混淆。美國在西海岸新建立的地震預(yù)警試驗(yàn)系統(tǒng)稱為“Shake Alert”系統(tǒng)，即震動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)。廣東省地震局開發(fā)的“超快地震速報(bào)”也比較確切地表達(dá)了地震預(yù)警的真正含義。盡管我們一再呼吁不要再用“預(yù)警”一詞，但在國內(nèi)已經(jīng)約定俗成，改起來也不容易。因此目前所說的地震預(yù)警，就是地震警報(bào)！

所謂地震警報(bào)，就是在一個(gè)地方已經(jīng)發(fā)生了地震，當(dāng)?shù)氐牡卣鸨O(jiān)測儀器在測出地震之后發(fā)出警報(bào)：我這里地震了！由于地震波的傳播速度為每秒幾公里，相對電磁波的每秒30萬公里要慢得多，人們就將地震發(fā)生的消息用電磁波手段（電話、廣播、電視、網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)）迅速地傳給遠(yuǎn)方，在離地震發(fā)生比較遠(yuǎn)的地方人們收到警報(bào)時(shí)地震波還未到達(dá)，這時(shí)采取緊急措施逃生和關(guān)閉電、氣、水等生命線設(shè)施，地鐵、高鐵減速等等，可以減少損失，避免次生災(zāi)害。這與防空警報(bào)一樣，知道敵機(jī)已經(jīng)起飛了，拉響防空警報(bào)，提醒人們躲避。

2、地震預(yù)警原理

如前所述，地震預(yù)警是一種報(bào)警技術(shù)，是建立在現(xiàn)代地震觀測技術(shù)和信息技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)。地震預(yù)警技術(shù)的主要原理有三種，一是利用地震波傳播速度比電磁波慢，在地震發(fā)生后發(fā)出地震警報(bào)，通知遠(yuǎn)處的人們采取避險(xiǎn)措施，英文表述為“Front Warning”，即遠(yuǎn)方報(bào)警。另一種是利用地震波縱波（P波）和橫波（S波）之差發(fā)出報(bào)警，一般認(rèn)為S波是地震破壞的元兇。由于P 波速度一般約為6 Km/s ，S波速度約為3.5Km/s，S波比P波晚些時(shí)間到達(dá)，因此在P波到達(dá)后發(fā)出報(bào)警。這種方法只能用于地震震中現(xiàn)場附近報(bào)警，稱為“On-Site Warning” ，即現(xiàn)場報(bào)警或當(dāng)?shù)貓?bào)警。還有一種警報(bào)，當(dāng)?shù)卣鸩ǎㄒ话阒钙茐牧^大的S波）達(dá)到一定閾值發(fā)出警報(bào)，這種警報(bào)是大地震警報(bào)，作為地震緊急處置時(shí)使用，比如關(guān)閉水電氣的閥門，列車緊急制動(dòng)等等。

圖1地震預(yù)警原理示意圖

3、怎樣進(jìn)行地震預(yù)警

地震預(yù)警技術(shù)和傳統(tǒng)的地震速報(bào)處理技術(shù)有很大差別。傳統(tǒng)的快速測定地震參數(shù)主要依靠P波和S波到時(shí)差來確定震中距離和位置，得到地震參數(shù)至少需要幾分鐘或更長。地震預(yù)警則不同，它需要在地震波到達(dá)臺站后幾秒鐘就要確定：（1）是否是地震；（2）是否是大地震；（3）地震的位置或者距離；（4）地震的強(qiáng)度。因此地震預(yù)警技術(shù)也被稱為“秒級處理技術(shù)”。目前一般采用P波的前3秒數(shù)據(jù)，主要依據(jù)大小地震的波形頻譜及位移峰值不同來進(jìn)行快速處理（圖2）。

地震預(yù)警技術(shù)從原理上就存在“預(yù)警盲區(qū)”。如前所述地震預(yù)警是在大地震發(fā)生后向遠(yuǎn)處發(fā)出大地震警報(bào)。從大地震發(fā)生到警報(bào)的發(fā)出是需要時(shí)間的，這個(gè)時(shí)間是地震波從震源到達(dá)地震臺的時(shí)間和地震臺收到地震信號判定地震的時(shí)間總和。換句話說，地震發(fā)生了，并不能立刻拉警報(bào)，需要地震臺（網(wǎng)）收到地震信號，并且確定是大地震后，才能拉警報(bào)。在這段時(shí)間地震波照樣傳播，由于大地震造成的破壞主要是S波，這段時(shí)間對應(yīng)的S波傳播的距離，我們稱之為盲區(qū)。即地震警報(bào)到達(dá)該地區(qū)時(shí)地震波已經(jīng)到達(dá)或已經(jīng)過去。換句話說警報(bào)收到時(shí)，具有最大破壞力的S波已經(jīng)掃過該區(qū)。

圖2 地震震級和地震波頻譜的關(guān)系

地震預(yù)警盲區(qū)的形成有兩個(gè)原因，一是地震是有深度的，一般來說大地震，淺源地震多發(fā)生在10-20公里深，地震發(fā)生后地震波向各個(gè)方向傳播，到達(dá)地面的地震臺站需要時(shí)間。二是地震臺站接收到地震信號后需要進(jìn)行處理。圖3是一個(gè)地震臺接收到地震波后最理想的盲區(qū)示意圖。假設(shè)最理想的情況是地震臺正好位于大地震發(fā)生的上方，在震中位置。如果地震發(fā)生在12公里深，地震縱波傳到地面地震臺約需2秒鐘， 地震臺收到地震波需要進(jìn)行判定處理時(shí)間，目前最高水平的處理時(shí)間需要3秒。那么最快需要5秒中發(fā)出地震警報(bào)。由于1秒地震縱波（P波）走了6公里，橫波（S波）走了將近4公里。發(fā)出警報(bào)時(shí)地震縱波已經(jīng)走了30公里左右，地震橫波也已經(jīng)走了將近20公里左右，這就是縱波和橫波的預(yù)警（警報(bào)）盲區(qū)，或稱P波和S波預(yù)警（警報(bào)）盲區(qū)。

圖3 單臺地震預(yù)警理想盲區(qū)示意圖

實(shí)際上預(yù)警技術(shù)非常復(fù)雜，往往不是一個(gè)地震臺就可以準(zhǔn)確判斷，它需要一個(gè)與傳統(tǒng)地震臺網(wǎng)不同的高密度地震臺網(wǎng)來減小預(yù)警盲區(qū)，發(fā)出警報(bào)越快越好。但是地震預(yù)警的另外一個(gè)技術(shù)問題是資料處理越快就誤差越大，特別是測定地震強(qiáng)度（烈度和震級）往往會出現(xiàn)較大的誤差。因此各國地震預(yù)警系統(tǒng)的地震報(bào)警均采用連續(xù)多報(bào)方式進(jìn)行。例如日本3.11東海9.0級大地震共發(fā)出15次警報(bào)。目的是即快速發(fā)出報(bào)警，又在后續(xù)的報(bào)警中不斷修正地震參數(shù)，使它越來越準(zhǔn)確。目前各國都在技術(shù)上尋找解決出路，使預(yù)警的第一報(bào)更加準(zhǔn)確。

大部分預(yù)警系統(tǒng)仍然非常重視快速發(fā)出報(bào)警的第一報(bào)，縮小盲區(qū)半徑，而將地震強(qiáng)度的誤差放在次要地位。例如日本對公眾的地震警報(bào)并不報(bào)地震大小，只發(fā)地震警報(bào)和報(bào)告預(yù)計(jì)S波到達(dá)時(shí)間，為的是最大限度挽救生命和減少財(cái)產(chǎn)損失。發(fā)警報(bào)的首要前提是必須確定真正是地震發(fā)生了，這點(diǎn)在技術(shù)上必須予以保證。

4、地震預(yù)警是復(fù)雜社會工程

地震預(yù)警和其它科學(xué)工程不同，它是一個(gè)復(fù)雜的社會工程。它不像其它地震技術(shù)工程建成以后就可以發(fā)揮效益，地震預(yù)警觀測網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)系統(tǒng)建成后僅僅具有發(fā)布地震警報(bào)的功能。但是這一點(diǎn)并不能保證產(chǎn)生地震預(yù)警的目的和效益。因?yàn)榈卣鹁瘓?bào)產(chǎn)生效益不僅是取決于技術(shù)系統(tǒng)的產(chǎn)出，還要取決于社會的接受程度、獲得警報(bào)方式、預(yù)警對象采取的處置措施是否得當(dāng)?shù)榷喾矫嬉蛩?。也就是說，公眾和預(yù)警接受對象如何得到警報(bào)，在得到警報(bào)后如何采取逃生避險(xiǎn)措施甚至更加重要。

各國面對地震預(yù)警的復(fù)雜性建立起來的地震預(yù)警試驗(yàn)系統(tǒng)有著不同的處理方式。到目前為止，我們看到最多的是技術(shù)系統(tǒng)的建立和研究開發(fā)，大多是在技術(shù)上建立一個(gè)地震預(yù)警發(fā)布警報(bào)系統(tǒng)，很少有如何處理社會問題的論述。日本在處理地震預(yù)警社會效應(yīng)封面做的較為完善。他們在地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)、地震預(yù)警服務(wù)和終端設(shè)備的市場化、地震預(yù)警的立法、地震預(yù)警的社會培訓(xùn)與宣傳等方面的成果值得借鑒。

地震預(yù)警技術(shù)是近些年發(fā)展起來的新技術(shù)。日本和墨西哥等國實(shí)踐表明，在大地震發(fā)生時(shí)可以減輕生命財(cái)產(chǎn)的損失。目前我國各個(gè)部門正在開展地震預(yù)警研究和示范，國家地震烈度速報(bào)和預(yù)警工程已經(jīng)進(jìn)入實(shí)施階段，相信隨著地震預(yù)警技術(shù)的進(jìn)步，它將為挽救人類生命、減輕災(zāi)害做出貢獻(xiàn)。