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地震烈度速报与地震预警

作者: 陈会忠 【字号: 访问量:

 前言:当大地震发生后,能否以最快的时间发出地震警报,通知人们紧急避险和采取应急处置。同时快速检测到地震烈度,获取灾情分布,以对受灾地区紧急救援,减少生命损失和财产损失。这是人们当今非常关注的事情。地震烈度速报和地震预警正在努力实现这一任务。随着地震科学和技术的发展,地震烈速报和地震预警技术已经进入实用化阶段。

一、地震烈度速报

地震烈度(seismic intensity)有着不同的表述,目前比较一致的认为,地震烈度是表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度,或者说地震影响和破坏的程度。在国家标准GBT17742-2008里这样描述地震烈度:地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。原始的烈度是在没有仪器记录的情况下,凭地震时人们的感觉或地震发生后器物反应的程度,工程建筑物的损坏或破坏程度、地表的变化状况而定的一种宏观尺度。

一次地震发生后,根据建筑物破坏的程度和地表面变化的状况,评定距震中不同地区的地震烈度,绘出等烈度线,作为对该次地震破坏程度的描述,这称为地震烈度分布图,简称烈度图(图1)。一个地区的烈度,不仅与这次地震的释放能量(即震级)、震源深度、距离震中的远近有关,还与地震波传播途径中的工程地质条件和工程建筑物的特性有关。地震的烈度在不同方向有所不同,如在覆盖土层浅的山区衰减快,而覆盖土层厚的平原地区衰减慢。烈度还用于地震区划,表示将来一定期限内可能发生在某一区域内的最大烈度,估计一个建设地区可能发生的地震影响大小。

图1 汶川地震烈度分布图

早在16世纪,意大利的地图绘制者伽斯塔尔第(J.Gastaldi),首次在地图上标注滨海阿尔卑斯地震的破坏,用不同颜色表示地震影响和地震破坏不同的地区,这就是地震烈度概念和最早的烈度评定。19 世纪和 20 世纪之交,伴随地震工程学科的建立,烈度表的编制引起了各国学者的关注。1874年意大利人罗西(M. S. de. Rossi)编制了第一个有使用价值的烈度表,将烈度从微震到大灾分为 10 度,并用简明语言规定了烈度评定的宏观标志。以后日本学者制定从0到7分为 8 个等级烈度表,这就是日本气象厅JMA烈度表的基础。1904 年意大利学者麦卡利(G. Mercali)和坎卡尼(A. cancani)将烈度细分为 12 度,并给出了对应各烈度的地面加速度幅值,美国人伍德和纽曼根据本国情况,简化了烈度评定指标的宏观描述,提出修正的麦卡利烈度表,既 IMM 烈度表。1964 年前苏联学者麦德维捷夫(S. V. Medvegev)与德国学者斯彭怀尔(W. Sponheuer)和捷克学者(V. Karnik)合作编制了 MSK 烈度表,烈度划分为 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。

中国地震烈度表的编制始于 20 世纪 50 年代。地震学家李善邦曾修改麦卡利烈度表使之适应中国特点。1957 年地震学者谢毓寿参照麦德维捷夫的工作,考虑我国建筑类型和特点编制了“新的中国地震烈度表”。地震工程学家刘恢先总结我国邢台、通海、海城、唐山等地震的烈度评定经验,于 1980年修订编制“中国地震烈度表”,该表引入震害指数、地震加速度和速度峰值作为评定烈度的参考量化指标。这些烈度表均采用了12 度分档的烈度,以后中国地震烈度表又进行了多次修编。最近的烈度表GBT17742-2008,为2008年11月13日发布,于2009年3月1日实施。标准规定了地震烈度的评定指标,包括人的感觉、房屋震害程度、其他震害现象、水平向地震动参数。这个标准对于烈度的评定给出了仪器测定的峰值速度和加速度和地震烈度的对照参考值,根据近年来大地震的烈度评定经验,仪器测定的速度和加速度值已经成为评定烈度的重要参考值。近年来美国和日本等国家已经很少在震后用考察方式评定烈度分布,而是越来越使用仪器烈度(Instrumental intensity)或者观测烈度来表述地震影响程度,这是因为由于各国抗震标准的加强和房屋建筑抗御地震能力的加强,使得调查评判烈度的难度增加,必须以仪器观测的速度和加速度值作为参考,才可以最终确定烈度。

汶川特大地震发生之后,尽管我国地震速报在震后快速测定了震中参数,但是我国那时还没有建立常规运行的地震烈度速报系统,无法提供有效的地震烈度速报图,因此对于汶川地震的应急响应和紧急救援产生了巨大影响。地震烈度速报被紧急提到日程上。我国地震烈度速报技术发展非常快速。地震烈度速报是由于大地震快速响应需求而产生的,当一个破坏性地震发生以后,一般情况下能够立刻得到的信息是震级和震中位置。但是地震不是发生在一个单纯的点上。特别是大地震,一般都会在地下形成一个破裂带,造成地面破坏范围可能由震中到周围达几百公里之长。震中信息只告诉我们哪里发生了地震,并没有告诉我们在哪个地方的震动最强烈。而当破坏性地震发生后,政府部门急需了解哪个地区地震动最强烈,破坏最严重,以进行紧急救援。过去地震烈度信息主要通过烈度调查获得,需要几小时到几天的时间,对地震应急救援造成不可低估的影响。因此要求地震发生时能够快速给出不同地区的烈度分布情况。

日本是多地震国家,地震快速响应非常重要,因此投入巨资布设密集的数字化地震台网(Hi-net)和强震网(Kik-net),能够在破坏性地震发生后非常快的时间,2、3分钟内就能提供地面运动峰值分布图和仪器烈度值图像。对于地震观测台站比较稀疏的地区,像日本那样直接用台站来标注烈度的方式就会带来较大的误差,美国自1994年北岭地震之后,开始对震动图(ShakeMap)进行研究。ShakeMap的产生要比日本的烈度速报要复杂的多,由于台站的密度不够,因此就需要增加台站,于是就采用模拟的办法,在实际台站之间增加“虚拟地震台”来“加密”地震台网,快速获得地震以后的地震动图,主要包括峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)等值图、峰值地面速度(Peak Ground Velocity,PGV)等值图,仪器烈度值Imm分布图。因此地震烈度速报实际上称为仪器烈度速报或观测烈度速报。除了上述方法,目前还有根据地震震级或同震位移结合地震波衰减特性及断层或余震分布快速推算的地震烈度速报。

我国2000年以后开始利用现有地震台网进行仪器烈度速报的研究,中国地震局地震预测研究所及地球物理研究所都做了大量研究工作。在此基础上山西地震台网开发研制了目前我国地震台网适用地震烈度速报技术系统,在2013年正式投入使用,可在地震发生的过程中实时动态产出3D地震动图,产出最终烈度速报图ShakeMap,在烈度速报方面独具特色。(图2、3)

2  山西地震台网动态3D地震动图速报

3. 山西地震台网的观测烈度速报

二、地震预警

地震预警也是在汶川地震,特别是日本3.11地震之后被越来越多的人提起来,很多人把地震预警和地震预报等同起来,这就是因为在汉字里“预”字有预先之意,其实这是一个翻译的问题。地震预警这个词是从英文“Earthquake Early Warning”翻译过来的。日本叫“地震紧急速报”,中文应翻译为“地震报警或地震警报”,而不应翻译成“地震预警”。翻译成地震预警容易和地震预报混淆。美国在西海岸新建立的地震预警试验系统就叫做“Shake Alert”系统,即震动报警系统。广东地震局开发的“超快地震速报”也比较确切的表达了地震预警的真正含义。尽管我们一再呼吁不要再用“预警”这个词,但是在中国已经使用了“地震预警”这个名词,约定俗成,改起来也不容易。因此目前所说的地震预警,就是地震警报!

所以叫地震警报,就是在一个地方已经发生了地震,当地的地震监测仪器在测出了地震之后,发出警报:我这地震了!由于地震波的速度只有每秒几公里,相对电磁波的每秒30万公里要慢得多,人们就将地震发生的消息用电磁波手段(电话、广播、电视、网络、手机)迅速地传给远方,在离地震发生比较远的地方,收到警报时地震波还未到达,这时采取紧急措施逃生和关闭电、气、水等生命线设施,地铁、高铁减速等等,可以减少损失,避免次生灾害。这就和防空警报一样,知道敌机已经起飞了,拉响防空警报,提醒人们躲避。

如前所述,地震预警是一种报警技术,它是建立在现代地震观测技术和信息技术基础上发展起来的新技术。地震预警技术的主要原理有三种,一是利用地震波传播速度比电磁波慢,在地震发生后,发出地震警报,通知远处的人们采取避险措施,在英语成为“Front Warning”即远方报警。另一种是利用地震波纵波(P波)和横波(S波)之差发出报警,一般认为S波是地震破坏的的元凶。由于P波速度一般约为6 Km/s ,S波速度约为3.5Km/s,在P波到达后发出报警,S波会晚些时间到达,只能用于地震震中现场附近报警,称为“On-Site Warning” ,即现场报警或当地报警。还有一种警报,那就是地震波(一般指破坏力较大的S波)达到一定阈值发出警报,这种警报是大地震警报,作为地震紧急处置使用,比如关闭水电气的阀门,列车紧急制动等等。

图4 地震预警原理示意图

地震预警技术和传统的地震速报处理技术有很大差别,传统的快速测定地震参数,主要依靠P波和S波到时差来确定震中距离和位置,得到地震参数至少要几分钟或更长。地震预警则不同,它需要在地震波到达台站后几秒钟就要处理出:(1)是否是地震;(2)是否是大地震;(3)地震的位置或者距离;(4)地震的强度。因此地震预警的处理被称为“秒级处理技术”。目前一般通用的是使用P波的前3秒数据,主要依据是大地震和小地震地震波形频谱及位移峰值不一样来进行快速处理(图5)。

5 地震震级和地震波形记录频谱的关系

地震预警技术从原理上就存在“预警盲区”。如前所述地震预警是在大地震发生后,向远处发出大地震警报。从大地震发生到警报的发出,是需要时间的,这个时间是地震波从震源到达地震台的时间和地震台收到地震信号判定地震需要的处理时间总和。换句话说,地震发生了,并不能立刻拉警报,需要地震台(网)收到地震信号,并且确定是大地震后,才能拉警报。在这段时间地震波照样传播,由于大地震主要是由S波会造成破坏,这段时间对应的S波传播的距离,我们称之为盲区。即地震警报到达该地区时,地震波已经到达或已经过去。换句话说警报收到时,具有最大破坏力的S波已经扫过了。

     地震预警盲区的形成有两个原因,一是地震是有深度的,一般来说大地震,浅源地震多发生在10-20公里深,地震发生后地震波向各个方向传播,到达地面的地震台站需要时间。二是地震台站接收到地震信号后要进行处理。图6是一个地震台接收到地震波后最理想的盲区示意图。假设最理想就是地震台正好在一个大地震的上方,也就是在震中位置。如果地震发生在12公里深,地震纵波传到地面地震台约需2秒钟, 地震台收到地震波需要进行判定处理时间,因为多1秒地震纵波就多走了6公里,S波就走了将近4公里。目前最高水平需要使用前3秒地震波。加起来5秒中发出地震警报,这是地震纵波已经走了30公里左右,地震横波也已经走了将近20公里左右,这就是纵波和横波的预警(警报)盲区,或称P波和S波预警(警报)盲区。

图6 单台地震预警理想盲区示意图

如前所述,S波是大地震破坏的元凶,预警盲区实际是S波预警盲区。上述的预警盲区是一个理想或者极端的例子。这意味着,在盲区内地震报警基本上是没有什么效果的,因为在盲区内的人们收到预警(警报)时地震波已经过去了!实际上预警技术非常复杂,往往不是一个地震台就可以准确判断,需要一个密度足够的地震台网。而处理方法上仅用地震波初始的几秒钟来判断是否地震,还很不成熟,实际处理时间就会更长,预警盲区就会更大。理论上在预警盲区内的预警效果差,距离预警盲区越近,获益时间越少。

    根据上述分析,地震预警,也就是地震报警或警报,要发挥作用,就需要盲区越小越好。而盲区越小,需要地震后发出警报越快越好。但是地震预警的另外一个技术问题,处理是越快就误差越大,特别是测定地震强度(烈度和震级)往往会出现较大的误差。因此各国地震预警系统的地震报警,都是采用连续多报方式进行。例如日本3.11东海9.0级大地震发了15次警报。目的是即快速发出报警,又在后续的报警中不断修正地震的参数,使它越来越准确。日本3.11地震预警第一报是最近的地震台收到地震初动信号的5.4秒后发出的,震级只报了4.3级。这就是说目前的地震预警在时间和准确上有很大的矛盾。这个矛盾怎么办。目前各国都在技术上寻找解决的出路,不久之前有人在大地震时采用GPS快速测量P波前3秒同震位移,看来可以取得较好的效果。

在具体实践上,大部分预警系统仍然非常重视快速发出报警第一报,缩小盲区半径,而将地震强度的误差放在次要地位。例如日本对公众的地震警报并不报震级,只报告发生地震了和预计S波到达时间。这已经不是技术问题了,而是社会对地震预警的容忍度问题了。这是为了最大限度挽救生命和减少财产损失。但是有一个前提,那就是比必须确定真正是地震发生了,这点在技术上必须予以保证。

地震预警技术是近些年发展起来的新技术,日本和墨西哥等国实践表明,地震预警在大地震发生时可以减轻生命财产的损失,目前我国各个部门正在开展地震预警研究和示范,国家地震烈度速报和预警工程已经进入设计阶段,相信随着地震预警技术的进步,一定会提高我国防震减灾的能力。

作者简介:陈会忠,中国地震局地震预测研究所研究员。