地震烈度速報與地震警告

 前言：當(dāng)大地震發(fā)生后，能否以最快的時間發(fā)出地震警報，通知人們緊急避險和采取應(yīng)急處置。同時快速檢測到地震烈度，獲取災(zāi)情分布，以對受災(zāi)地區(qū)緊急救援，減少生命損失和財產(chǎn)損失。這是人們當(dāng)今非常關(guān)注的事情。地震烈度速報和地震預(yù)警正在努力實現(xiàn)這一任務(wù)。隨著地震科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展，地震烈速報和地震預(yù)警技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入實用化階段。

一、地震烈度速報

地震烈度（seismic intensity）有著不同的表述，目前比較一致的認(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、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，作為對該次地震破壞程度的描述，這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)。地震的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，估計一個建設(shè)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不同的地區(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，既 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。1957 年地震學(xué)者謝毓壽參照麥德維捷夫的工作，考慮我國建筑類型和特點編制了“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，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、其他震害現(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和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，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，這是因為由于各國抗震標(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。

汶川特大地震發(fā)生之后，盡管我國地震速報在震后快速測定了震中參數(shù)，但是我國那時還沒有建立常規(guī)運(yùn)行的地震烈度速報系統(tǒng)，無法提供有效的地震烈度速報圖，因此對于汶川地震的應(yīng)急響應(yīng)和緊急救援產(chǎn)生了巨大影響。地震烈度速報被緊急提到日程上。我國地震烈度速報技術(shù)發(fā)展非常快速。地震烈度速報是由于大地震快速響應(yīng)需求而產(chǎn)生的，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。過去地震烈度信息主要通過烈度調(diào)查獲得，需要幾小時到幾天的時間，對地震應(yīng)急救援造成不可低估的影響。因此要求地震發(fā)生時能夠快速給出不同地區(qū)的烈度分布情況。

日本是多地震國家，地震快速響應(yīng)非常重要，因此投入巨資布設(shè)密集的數(shù)字化地震臺網(wǎng)（Hi-net）和強(qiáng)震網(wǎng)(Kik-net)，能夠在破壞性地震發(fā)生后非常快的時間，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像。對于地震觀測臺站比較稀疏的地區(qū)，像日本那樣直接用臺站來標(biāo)注烈度的方式就會帶來較大的誤差，美國自1994年北嶺地震之后，開始對震動圖(ShakeMap)進(jìn)行研究。ShakeMap的產(chǎn)生要比日本的烈度速報要復(fù)雜的多，由于臺站的密度不夠，因此就需要增加臺站，于是就采用模擬的辦法，在實際臺站之間增加“虛擬地震臺”來“加密”地震臺網(wǎng)，快速獲得地震以后的地震動圖，主要包括峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)等值圖、峰值地面速度(Peak Ground Velocity,PGV)等值圖，儀器烈度值Imm分布圖。因此地震烈度速報實際上稱為儀器烈度速報或觀測烈度速報。除了上述方法,目前還有根據(jù)地震震級或同震位移結(jié)合地震波衰減特性及斷層或余震分布快速推算的地震烈度速報。

我國2000年以后開始利用現(xiàn)有地震臺網(wǎng)進(jìn)行儀器烈度速報的研究，中國地震局地震預(yù)測研究所及地球物理研究所都做了大量研究工作。在此基礎(chǔ)上山西地震臺網(wǎng)開發(fā)研制了目前我國地震臺網(wǎng)適用地震烈度速報技術(shù)系統(tǒng)，在2013年正式投入使用，可在地震發(fā)生的過程中實時動態(tài)產(chǎn)出3D地震動圖，產(chǎn)出最終烈度速報圖ShakeMap，在烈度速報方面獨具特色。（圖2、3）

圖2  山西地震臺網(wǎng)動態(tài)3D地震動圖速報

圖3. 山西地震臺網(wǎng)的觀測烈度速報

二、地震預(yù)警

地震預(yù)警也是在汶川地震，特別是日本3.11地震之后被越來越多的人提起來，很多人把地震預(yù)警和地震預(yù)報等同起來，這就是因為在漢字里“預(yù)”字有預(yù)先之意，其實這是一個翻譯的問題。地震預(yù)警這個詞是從英文“Earthquake Early Warning”翻譯過來的。日本叫“地震緊急速報”，中文應(yīng)翻譯為“地震報警或地震警報”，而不應(yīng)翻譯成“地震預(yù)警”。翻譯成地震預(yù)警容易和地震預(yù)報混淆。美國在西海岸新建立的地震預(yù)警試驗系統(tǒng)就叫做“Shake Alert”系統(tǒng)，即震動報警系統(tǒng)。廣東地震局開發(fā)的“超快地震速報”也比較確切的表達(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”這個詞，但是在中國已經(jīng)使用了“地震預(yù)警”這個名詞，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！

所以叫地震警報，就是在一個地方已經(jīng)發(fā)生了地震，當(dāng)?shù)氐牡卣鸨O(jiān)測儀器在測出了地震之后，發(fā)出警報：我這地震了！由于地震波的速度只有每秒幾公里，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，收到警報時地震波還未到達(dá)，這時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。這就和防空警報一樣，知道敵機(jī)已經(jīng)起飛了，拉響防空警報，提醒人們躲避。

如前所述，地震預(yù)警是一種報警技術(shù)，它是建立在現(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，通知遠(yuǎn)處的人們采取避險措施，在英語成為“Front Warning”即遠(yuǎn)方報警。另一種是利用地震波縱波（P波）和橫波（S波）之差發(fā)出報警，一般認(rèn)為S波是地震破壞的的元兇。由于P波速度一般約為6 Km/s ，S波速度約為3.5Km/s，在P波到達(dá)后發(fā)出報警，S波會晚些時間到達(dá)，只能用于地震震中現(xiàn)場附近報警，稱為“On-Site Warning” ，即現(xiàn)場報警或當(dāng)?shù)貓缶＿€有一種警報，那就是地震波（一般指破壞力較大的S波）達(dá)到一定閾值發(fā)出警報，這種警報是大地震警報，作為地震緊急處置使用，比如關(guān)閉水電氣的閥門，列車緊急制動等等。

圖4 地震預(yù)警原理示意圖

地震預(yù)警技術(shù)和傳統(tǒng)的地震速報處理技術(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波到時差來確定震中距離和位置，得到地震參數(shù)至少要幾分鐘或更長。地震預(yù)警則不同，它需要在地震波到達(dá)臺站后幾秒鐘就要處理出：（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)警的處理被稱為“秒級處理技術(shù)”。目前一般通用的是使用P波的前3秒數(shù)據(jù)，主要依據(jù)是大地震和小地震地震波形頻譜及位移峰值不一樣來進(jìn)行快速處理（圖5）。

圖5 地震震級和地震波形記錄頻譜的關(guān)系

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。從大地震發(fā)生到警報的發(fā)出，是需要時間的，這個時間是地震波從震源到達(dá)地震臺的時間和地震臺收到地震信號判定地震需要的處理時間總和。換句話說，地震發(fā)生了，并不能立刻拉警報，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。在這段時間地震波照樣傳播，由于大地震主要是由S波會造成破壞，這段時間對應(yīng)的S波傳播的距離，我們稱之為盲區(qū)。即地震警報到達(dá)該地區(qū)時，地震波已經(jīng)到達(dá)或已經(jīng)過去。換句話說警報收到時，具有最大破壞力的S波已經(jīng)掃過了。

     地震預(yù)警盲區(qū)的形成有兩個原因，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)生后地震波向各個方向傳播，到達(dá)地面的地震臺站需要時間。二是地震臺站接收到地震信號后要進(jìn)行處理。圖6是一個地震臺接收到地震波后最理想的盲區(qū)示意圖。假設(shè)最理想就是地震臺正好在一個大地震的上方，也就是在震中位置。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)行判定處理時間，因為多1秒地震縱波就多走了6公里，S波就走了將近4公里。目前最高水平需要使用前3秒地震波。加起來5秒中發(fā)出地震警報，這是地震縱波已經(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）盲區(qū)，或稱P波和S波預(yù)警（警報）盲區(qū)。

圖6 單臺地震預(yù)警理想盲區(qū)示意圖

如前所述，S波是大地震破壞的元兇，預(yù)警盲區(qū)實際是S波預(yù)警盲區(qū)。上述的預(yù)警盲區(qū)是一個理想或者極端的例子。這意味著，在盲區(qū)內(nèi)陸震報警基本上是沒有什么效果的，因為在盲區(qū)內(nèi)的人們收到預(yù)警（警報）時地震波已經(jīng)過去了！實際上預(yù)警技術(shù)非常復(fù)雜，往往不是一個地震臺就可以準(zhǔn)確判斷，需要一個密度足夠的地震臺網(wǎng)。而處理方法上僅用地震波初始的幾秒鐘來判斷是否地震，還很不成熟，實際處理時間就會更長，預(yù)警盲區(qū)就會更大。理論上在預(yù)警盲區(qū)內(nèi)的預(yù)警效果差，距離預(yù)警盲區(qū)越近，獲益時間越少。

    根據(jù)上述分析，地震預(yù)警，也就是地震報警或警報，要發(fā)揮作用，就需要盲區(qū)越小越好。而盲區(qū)越小，需要地震后發(fā)出警報越快越好。但是地震預(yù)警的另外一個技術(shù)問題，處理是越快就誤差越大，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)的地震報警，都是采用連續(xù)多報方式進(jìn)行。例如日本3.11東海9.0級大地震發(fā)了15次警報。目的是即快速發(fā)出報警，又在后續(xù)的報警中不斷修正地震的參數(shù)，使它越來越準(zhǔn)確。日本3.11地震預(yù)警第一報是最近的地震臺收到地震初動信號的5.4秒后發(fā)出的，震級只報了4.3級。這就是說目前的地震預(yù)警在時間和準(zhǔn)確上有很大的矛盾。這個矛盾怎么辦。目前各國都在技術(shù)上尋找解決的出路，不久之前有人在大地震時采用GPS快速測量P波前3秒同震位移，看來可以取得較好的效果。

在具體實踐上，大部分預(yù)警系統(tǒng)仍然非常重視快速發(fā)出報警第一報，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并不報震級，只報告發(fā)生地震了和預(yù)計S波到達(dá)時間。這已經(jīng)不是技術(shù)問題了，而是社會對地震預(yù)警的容忍度問題了。這是為了最大限度挽救生命和減少財產(chǎn)損失。但是有一個前提，那就是比必須確定真正是地震發(fā)生了，這點在技術(shù)上必須予以保證。

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踐表明，地震預(yù)警在大地震發(fā)生時可以減輕生命財產(chǎn)的損失，目前我國各個部門正在開展地震預(yù)警研究和示范，國家地震烈度速報和預(yù)警工程已經(jīng)進(jìn)入設(shè)計階段，相信隨著地震預(yù)警技術(shù)的進(jìn)步，一定會提高我國防震減災(zāi)的能力。