从研究到应用：我国地震预警技术的发展_金星.pdf

10 2023-01 防灾博览专题|FEATURES2022 年 9 月 5 日 12 时 52 分 19 秒四川省甘孜州泸定县发生 M6.8 级地震。地震初始破裂后 6.2 秒，正在建设中的国家地震烈度速报与预警工程形成的中国地震预警网通过预警专用终端、手机 APP、村村响应急广播、第三方平台等渠道发布预警信息，向康定市提前9 秒、雅安市提前 21 秒、成都市提前 56 秒发布地震预警信息，此时地震 P 波传播了不到40 公里，而破坏性更强的 S 波仅仅传播了约20 公里，这些地方尚未感受到强烈的大地震动，即接收到了地震来袭的警报。10.6 秒发出第二报预警，震级6.5级；16.6秒发出第三报，震级 6.8 级，随着时间的延伸，地震预警系统持续稳定产出，其结果也越来越接近于真实数值。此外，在 2022 年 6 月 1 日芦山 M6.1、马尔康 M6.0，6 月 10 日四川马尔康 M6.0，在震后5.7和8.6秒也发布了地震预警信息。当前，此类快速的地震信息已经开始在我国的四川、云南、北京、河北、天津等地开始服务，2018年起已成功进行预警处理和发布 4 级以上地震超过百次。地震预警作为一种新型防震减灾手段，其覆盖范围、服务途径正在迅速扩大。地震预警，本质上是在地震初始破裂开始后，依托密集的地震监测台网、实时的通信网络等基础设施和现代科学技术，把科学家掌握的地震学、地震工程学等知识转化为物理规则和技术标准，以实时计算、实时分析研判的在线持续处理的方式，将预警信息服务产品加工出来、展示清楚、发布出去，争分夺秒地与破坏性地震波赛跑并跑在它的前面将警报信息传至用户的技术。从研究到应用：我国地震预警技术的发展文/金星 中国地震局厦门海洋地震研究所 马强 中国地震局工程力学研究所P波、S波走时及地震预警时间（假设10秒发出第一报）Overview of Disaster Prevention 2023-01 11或以上的强地面运动的高地震危险区，很多人口密集的大中城市都位于高地震活动性的区域，平均每年由于地震造成的直接经济损失占各种自然灾害直接经济损失的 16.5%。同时，随着我国经济快速发展和城市化进程加快，核电站、大型水坝等重大基础设施不断涌现，高速铁路、供油供气长输管线、城市管网等生命线工程日趋密集、复杂，许多城市的重大基础设施和生命线工程都面临着强地震威胁，一旦遭遇强烈地震，不仅危及工程本身的安全，造成经济损失和人员伤亡，还可能造成极为严重的次生灾害和难以估量的间接经济损失，影响国民经济可持续发展和社会稳定。我国的震情、灾情客观决定了需要发展减轻灾害风险的多种措施和手段。当然，地震预测预报仍然是科学家努力攻克的世界地震科技难题，也是减轻人员伤亡和财产损失最重要的途径之一。从 1966 年邢台地震至今，我国科学家的这种初心和使命从未改变。但当前，地震预警的各项实用化技术已趋于成熟，用于尽早捕捉地震信号实现地震预警的一张实时地震监测大网正在全国加紧铺开，监测站点超过 1.5 万个，位于北京的国家台网处理中心和各省市的省级处理中心正在有序建设，地震预警信息发布终端迅速增多，仅福建省的信息发布终端就已达到近1.5万台。通过手机、电视、广播、新媒体等多种方式和渠道的发布机制正在积极推进。十年磨一剑，我国的地震预警技术系统正在逐步投入使用。可以预期，它将在减轻地震灾害、服务社会发展等方面发挥越来越重要的作用。多措并举强化我国地震灾害风险治理地震多发、震灾严重是我国面临的基本国情之一。我国 41的国土面积处于可能遭受 0.1 个重力加速度（相当于设防烈度度）地震预警技术应用在高速公路建设中12 2023-01 防灾博览是限于目前的科技水平，要彻底解决此问题还要走过漫长的道路。提高抗震设防水平并采取相关的抗震措施无疑是减轻人员伤亡和社会财产损失最有效的途径之一。除了地震引发的次生灾害如海啸、滑坡、火灾等以外，地震中的人员伤亡和直接经济损失主要是建（构）筑物的土木工程损坏倒塌引起的。因此，将房屋盖得更结实就是最现实的选择。这自然会增加相应的投入，因而需要在预期投入和预期损失之间找一个平衡点，按此投入采取的抗震措施，将来在遭遇到预期地震时造成的损失是可以接受的。目前工业与民用建筑结构抗震设防标准，是根据经济和社会发展水平以及面临的地震灾害风险制订的，在结构使用寿命内一旦遭遇地震时，在此设防标准下造成的地震损失是国家和社会可以接受的。这种设防标准是国家强制性的最低要求，可以比设防要求高但不能比其低。改革开放四十多年来，我国的经济社会发展速度超过预期，社会财富快速积累，特别是对人的价值观念发生了深刻影响，以人为本的理念更加深入人心。按照现在的观点，地震造成的人员伤亡和连带的经济影响远超过去社会可接受的损失程度，这往往造成抗震设防要求滞后于经济社会的发展。特别是我国 20 世纪 90 年代以前城市建设的大量老旧房屋，广大的农村还有许多民居抗震设防能力不足或者根本不设防，党和国家对此十分重视，在地震多发地区实施了民居抗震加固措施，但要将其改造完仍需很长的时间。这表明，抗震设防的薄弱环节仍然很多，一旦强震来临，设防不足的历史“欠账”仍然还要“偿还”。所以，在加强地震预测预报研究、强化抗震设防管理的同时，也急需齐专题|FEATURES Overview of Disaster Prevention 2023-01 13头并进发展新技术来进一步减轻地震灾害损失，这也是提高地震灾害风险治理的客观要求。地震预警是减轻地震灾害损失的有效手段之一地震预警是在地震发生后，利用震源附近密集的各类地震观测站点检测到的地震波初期信息，快速测定地震参数并预测地震对周边地区城市和社会的影响，抢在破坏性地震波到达目标区域之前，估计预测烈度和预警时间，发布地震波来袭警报，使公众获取几秒至几十秒逃生避险的宝贵时间，使高铁、危化企业、精密仪器等重要工程提早采取地震应急处置措施，使建筑减隔震结构等提前做好主动防御地震波准备，进而减轻人员伤亡和社会财产损失。我国内陆地区的震源深度一般在 1030千米，地震发生后其能量以地震波的形式向四周传播。在震中一定范围内主要有两种波，一种是纵波，也称 P 波，其传播速度较快，约为 6 千米/秒；另一种是横波，也称 S 波，其传播速度较慢，约为 3.5 千米/秒。相对于P 波，振动幅值更大（约为 P 波的 45 倍）的 S 波携带了更多的破坏能量，也是造成结汶川地震理论地震预警时间14 2023-01 防灾博览专题|FEATURES构剪切破坏的主要因素。假设发生一次地震，震源深度 10 千米，对距离震中 60 千米处，S波的传播时间约为 17 秒，按照目前我国地震预警监测台网的密度估计，在震后 10秒内（首台触发后 35 秒），我们即能比较准确地计算相关地震参数（发震时间、地点、震级、震中烈度及预测烈度分布等）并有效发布出去，这样在破坏性 S 波到来前，则至少有 7 秒的预警时间，而在距离震中 100 千米处，其获得的预警时间则至少有 19 秒。在我们震后 10 秒处理出地震并发布出去时，破坏性 S 波已经传播了约 33 千米，这时以震中为圆心的 33千米半径内已无预警时间，即所谓的地震预警“盲区”。从以上例子也可以看出，地震监测台网越密集，处理和发布的速度越快，在某一地点获取的预警时间也越多，其“盲区”半径也就越小。地震预警是应对大震巨灾的有效手段。众所周知，7 级以上地震的产生与地震带特别是大型活动断层密切相关，一旦大震发生，其断层破裂方向的两侧烈度相对较高，灾害也相对严重，其烈度沿断层方向大致呈椭圆形分布。7 级地震的破裂长度约为 70100 千米，8 级地震破裂尺度将超过 200 千米，尽管地震预警在震中附近有一定的“盲区”，但对于高烈度区域尺度远大于盲区尺度的大震来讲，除预警盲区以外的其他高烈度地区都可以得到一定的预警时间，而且离震中越远，预警时间越长。因此，震级越大，破裂长度就越长，高烈度区域的尺度也越大，获得有效预警时间的区域也越多，预警效果就越明显。以 2008 年5 月 12 日的汶川 8.0 级特大地震为例，地震共造成绵阳市死亡及失踪 21900 余人，广元市4800 余人。绵阳市距离震中在 100 千米以外，广元市所辖县区距离震中均在200千米以外，如果我们在震后 10 秒能大致估计地震发生的汶川地震死亡人数与理论地震预警时间 Overview of Disaster Prevention 2023-01 15位置和强度，则地震预警时间约为 20 秒和 70秒左右，按照偏于保守的研究结果，破坏性地震波到来前的地震预警，可大大降低人员伤亡。过去 20 余年间，世界上多个地震频发的国家和地区都已建立起多个针对特定工程、特定城市，以及更大区域的地震预警系统，并在实际运行中取得了显著的减灾实效。如墨西哥在 1993 年投入使用的专门针对墨西哥城提供远场大震预警的地震警报系统（SAS）和 2003 年投入使用的瓦哈卡地震警报系统（SASO），2007 年 10 月起正式为全国民众提供紧急地震信息服务的日本地震预警系统等。地震预警技术的研发和系统试验实时地震学、地震工程学和信息技术的快速发展极大地促进了全球实时地震减灾的广泛应用，地震预警是其重要应用之一。地震预警技术系统的建立，把传统的地震监测从间接减灾推进到直接实时减灾，也让社会和民众最真切地感受到现代地震科学技术在应对地震灾害时所提供的最重要、最直接的帮助。地震预警的核心理论及技术就是利用少量台站的地震初期震动信息快速判定地震并估计地震参数，包括发震时刻、震源位置和震级大小，据此估计地震对社会的影响程度和范围，并为影响区域内的城市和重要工程提供预测烈度和预警时间服务。技术的难点主要体现在两个方面，一是如何解决处理结果“稳准快”的有机统一，一般来讲首台至少触发 3 秒才能较准确定位和较可靠地估计震中烈度以及中强地震震级，由于大震的近场震级饱和地震破裂的持续时间问题，震级测定具有鲜明的估算特点，只能通过量取极有限站点的有限记录的部分指示特征，动态估算地震大小。当前通过理论研究、算法改进、人工智能引入，系统的鲁棒性正在逐步提升，结果的离散性和系统偏差也正在降低。二是利用近场密集站点的波形数据快速测定断层破裂方向、破裂方式和破裂长度，因为大震时高烈度区域都沿断层带分布，只有破裂方向等破裂参数测定准确，才能更准确地估计预测烈度。首台触发后几秒钟内准确判定破裂参数目前还难以做到，这也是世界各国地震预警系统的“短板”。从目前的测试效果来看，在震后 2060 秒测定破裂方向是可能的。如何进一步缩小实时判定破裂方向等参数的时间就成为影响精准预测烈度的地震科技难题，这依赖于科学家的进一步努力。目前在发布预警第一报时只能按地震烈度点源衰减模型预测烈度，当然，不同地区地震波的衰减规律也有一定差异，为了更精准地发布预警信息，也应将烈度衰减的预测模型和测定震级的量规函数等属地化。但更为重要的是，如何把信息进行实时处理加工成满足用户要求的定制化信息服务产品并尽快通过各种渠道发布到目标用户，这既是预警是否取得减灾实效的关键，也是检验地震预警是否成功的客观标准。在前期研究的基础上，2009 年 12 月，国家科技支撑攻关计划“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”获科技部批复立项，并于 2010 年 1 月正式启动实施，标志着我国的地震预警应用进入了系统化研究和示范性应用阶段。该项目聚焦地震预警关键技术、原型软件、示范应用和部分标准建设，从科研上解决了地震事件自动判定、地震实时持续定位、震级实时估计、烈度实时测定等关键技术和实用方法等问题，研发了地震预警系统、16 2023-01 防灾博览专题|FEATURES地震基本参数自动测定、烈度速报系统、大震破裂特征快速测定与大震烈度速报软件原型，并在福建省和首都圈地区实现在线示范运行。在国家及中国地震局相关建设项目的支持下，我国又相继在首都圈、福建沿海、甘肃兰州、粤东、川滇交界等地区开展试验和示范，进一步深拓成熟技术、完善软件系统并制订技术规范，进一步试验测震仪