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再谈地震预警的“能”与“不能”

发布时间:2020年10月13日 来源:
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  最近多个网站和微信都在转载一篇美国《科学进展》的报道“地震越强预警时间就越短”。文章说:“地震预警系统可以让人们在地震之前做好充分的准备,前提是这个系统及时发送地震信息。但是现在,从事此类系统工作的科学家们发现,地震越强预警时间就越短,这也就意味着人们没有多少时间为大地震做好准备。地震都是以P波开始的,这些P波传播速度快并且造成的破坏很小。接下来是S波,它的传播速度慢,但却会造成更多的破坏。早期预警系统是通过测量P波沿地面移动情况来预测S波所造成的影响,然后发出警报。地震越大,最强的P波出发的时间就会越晚,留给人们预警的时间就越短。研究人员发现更大的地震需要更长的时间才能检测到,因为最严重地震警报(P波)只会在地震最后一刻出现,距离震中很远的人也许在S波袭击之前根本没有收到任何警告。”

  这则报道引起了诸多质疑,很多网友说看不懂其中的意思。我们在美国《科学进展》(SCIENCE ADVANCES)找到了原报道及其原文“地震预警的局限性:地震动估计的时效 The limits ofearthquake early warning: Timeliness of

  round motion estimates”。可以说,对于地震预警这样专业很强的技术无论是原文还是译文都存在很多错误。

  这篇报道正确表达的含义是:研究人员对地震预警技术的关键技术问题进行了研究和探讨。对于大地震,地震预警技术目前还不能在最快的警报中把地震的强度(或地震动强度)估计准确,一般会偏小。根据目前利用地震P波来测定地震强度的水平,对于大地震则需要在地震预警的后续警报中越来越准确,因此目前的地震预警都会根据地震数据的陆续增加而采取陆续发出多警报的方式。警报越准确,越是需要更长的时间。准确发出警报对于人们逃生和处置时间则会较短,甚至对于一些地区可能会在S波到了还没有收到警报信号。如果你在地震预警的第一报就采取措施你会获得更多的逃生时间,当然也许可能不会是大地震。

  必须强调的是,地震预警技术的原理以及目前的发展水平不是用一两句简要报道就能说清楚,这正是误解所在。本公众号在“科普中国”发表过介绍地震预警的文章《地震预警的“能”与“不能”》,重点介绍了地震预警技术原理和地震预警盲区问题。实际上地震预警在技术上存在的另一个问题是,仅用P波3秒的数据发出的第一报是不准确的。根据我国大量数据试验的结果是:对于小地震往往估计地震强度偏大,对于中等强度地震基本接近实际震级,而对于大地震往往估计的震级偏小。正因如此,各国地震预警均采用多次连续发出警报的形式。例如日本311地震的预警一共发出15报(图1)。


图1 日本311地震预警的15次警报

  地震预警的基本原理:在地震发生后,利用地震纵波(P波)比横波(S波)传播得快,识别出地震发出警报,可以为一定范围内的人们获得数秒到几十秒的逃生时间。但是地震预警技术还存在的一个问题是,地震警报要快就不准确,特别是大地震。图2为本文提及文章给出的利用日本311地震数据所做的地震预警对地震强度评估随时间的变化图。与图1一致,可以看出对于9级大地震,在第一个地震台收到P波以后第5.6秒发出了地震预警第1报(由于地震在日本东海里,距第一个地震台大约有120Km,因此第一报实际是地震后25秒左右发出),估计震级只为4.3级,烈度为1度以上(日本的7级烈度制)。前7报基本是每延迟1秒发出一报,而到了第15报都是10秒到20秒间隔发一报。我们可以看出在30秒以后(地震50秒后)估计震级为7.7,这时盲区为200Km左右。也就是说采用第7报的话,距震中200Km以内的地方得不到警报!

  


图2 日本311地震震级估计随时间的变化

  蓝色曲线是根据日本气象厅实际数据绘制的,黑色曲线是根据地震破裂过程模型做出的理论曲线(据“地震预警的局限性:地震动估计的时效性”)

  如上所述,目前地震预警技术还不可能做到警报第一报就非常准确,因此地震预警均采用逐步多报的方式发布地震报警,后面的警报虽然越来越准确,但是地震的盲区也越来越大,受益区也越来越小。日本“3·11”大地震的预警15报的情况就说明了这一问题。因此第一报对于地震预警有极其重要的作用,各国都在研究如何提高预警第一报的准确性,同时也在研究第一报的处理策略。

  尽管各国都在地震预警第一报上下功夫,但是目前实践表明,各国的地震预警系统在快和准的问题上存在较大差距,如何对待和使用第一报信息也不同。通用的做法是,尽快把发生地震的消息通知公众。例如,日本只要预估烈度达到3度,则向公众发出地震警报,警报并不报告估计强度,只报告S波还有几秒时间到达。“3·11”地震是在第一个地震台收到P波后8.6 s的第四报时才对公众发出地震警报,这时400Km之外的东京具有60秒左右报警提前量。2016年熊本地震发生在陆地,日本地震台网已经非常密集,在震后6秒就发出了第一报,发挥了很好的预警效果。台湾使用密集预警网的8个台站进行数据处理后才会发出警报,大约在地震发生后20秒发出第一报(假设为7.5级以上地震,这时盲区半径可能为80 km)。我国成都高新减灾研究所的地震预警实验网采取双台处理,大约在震后5到10秒发出第一报。

  这就是上述报道中的意思,对于大地震如果你要求地震强度估计准确,那就要牺牲预警逃生和处置的时间。文章建议地震预警警报对公众还是越快越好,尽量给公众更多的时间,尽管可能不是大地震。但是,我们认为对于特定的用户(例如核电站、大型工厂、医院等),要求地震预警的强度估计要准确,让他们设定可以“容忍”的限度,向他们发出警报信号。这称为“地震预警的容忍度能力”。这是因为地震预警工程不单单是一个技术系统建设,还是一个复杂的社会工程,是一个以人为本的工程。其实我国科技人员在设计地震预警系统时,早就注意了地震预警技术的这些“能”与“不能”的问题,比如我国拥有自主产权的高铁地震预警系统设计就充分考虑了这些关键技术问题,采用了非常适合高铁运行的技术措施。

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