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          從研究到應用:我國地震預警技術的發展

          2019年4月18日13時01分,臺灣地區花蓮發生6.7級地震,在地震橫波到達福建沿海城市51秒前,位于晉江的眾多地震預警接收終端就接收到了地震發生的信息及地震可能造成的影響。

          2019年12月18日08時14分,四川省內江市資中縣發生5.2級地震,四川省地震預警系統在震后8秒就發出預警信息,此時,破壞性的地震橫波剛傳播出不到30千米。


          2019年4月18日臺灣地區花蓮6.7級地震地震預警系統處理(第1報)

          2019年4月18日臺灣地區花蓮6.7級地震地震預警系統處理(第2報)

          地震預警,是在地震發生后,依托地震監測等基礎設施,依靠現代地震學與信息技術,爭分奪秒地與破壞性地震波賽跑并跑在它的前面將警報信息傳至用戶的技術。當前,用于盡早捕捉地震信號實現地震預警的一張實時地震監測大網正在全國加緊鋪開,位于北京的國家臺網處理中心和各省市的省級處理中心正在有序建設,地震預警信息發布終端迅速增多,通過手機、電視、廣播、新媒體等多種方式和渠道的發布機制正在積極推進。按照地方法規和技術標準,2018年5月12日經福建省政府授權,福建地震預警系統正式對外發布預警信息,目前發布終端已近1.5萬臺。十年磨一劍,我國的地震預警技術系統正在逐步投入使用??梢灶A期,它將在減輕地震災害、服務社會發展等方面發揮越來越重要的作用。

          01 多措并舉強化我國地震災害風險治理

          地震多、強度大、分布廣、災害重是我國的一個基本國情。我國超過58%的大陸國土面積和將近55%的人口處于7度以上的地震高烈度區,平均每年由地震造成的直接經濟損失占各種自然災害直接經濟損失的16.5%。同時,隨著我國經濟快速發展和城市化進程加快,核電站、大型水壩等重大基礎設施不斷涌現,高速鐵路、供油供氣長輸管線、城市管網等生命線工程日趨密集、復雜,許多城市的重大基礎設施和生命線工程都面臨著強地震威脅。一旦遭遇強烈地震,不僅危及工程本身的安全,造成經濟損失和人員傷亡,還可能造成極為嚴重的次生災害和難以估量的間接經濟損失,影響國民經濟可持續發展和社會穩定。我國的震情、災情客觀決定了需要發展減輕災害風險的多種措施和手段,在加強地震預測預報研究、強化抗震設防管理的同時,也急需齊頭并進發展新技術來進一步減輕地震災害損失,這也是提高地震災害風險治理的客觀要求。

          02 地震預警是減輕地震災害損失的有效手段之一

          地震預警,是在地震發生后,利用震源附近密集的各類地震觀測站點檢測到的地震波初期信息,快速估計地震參數并預測地震對周邊地區的影響,搶在破壞性地震波到達目標區域之前,發布地震波來襲警報,使公眾獲取幾秒至幾十秒逃生避險的寶貴時間,使高鐵、?;髽I、精密儀器制造等重要工程和設施提早采取地震應急處置措施,進而減輕人員傷亡和社會財產損失。按照國內外的相關研究,對破壞性大震,如有效的產出、接收地震預警信息,并采取有效的緊急避險和緊急處置措施,可減少人員傷亡5成以上。

          地震發生后其能量以地震波的形式向四周傳播。在震中一定范圍內主要有兩種波,一種是縱波,也稱P波,其傳播速度較快,約為6千米/秒;另一種是橫波,也稱S波,其傳播速度較慢,約為3.5千米/秒。相對于P波,振動幅值更大(約為P波的4~5倍)的S波攜帶了更多的破壞能量(為P波的幾倍到幾十倍),也是造成結構剪切破壞的主要因素。假設發生一次地震,震源深度10千米,對距離震中60千米處,S波的傳播時間約為17秒,按照正在建設并改造的地震監測臺網臺站密度較高的地區,在震后10秒內(首臺觸發后3~5秒),我們即能比較準確地計算相關地震參數(發震時間、地點、震級、震中烈度及預測烈度分布等)并有效發布出去,這樣在破壞性S波到來前,則至少有7秒的預警時間,而在距離震中100千米處,其獲得的預警時間則至少有19秒。在我們震后10秒處理出地震并發布出去時,破壞性S波已經傳播了約33千米,這時以震中為圓心的33千米半徑內已無預警時間,即所謂的地震預警“盲區”。從以上分析也可以看出,地震監測臺網越密集,處理和發布的速度越快,在某一地點獲取的預警時間也越多,其“盲區”半徑也就越??;此外,地震越大,其破壞的區域越大,地震預警的效果也就越明顯。

          P波、S波走時及地震預警時間

          過去20余年間,世界上多個地震頻發的國家和地區都已建立起多個針對特定工程、特定城市,以及更大區域的地震預警系統,并在實際運行中取得了顯著的減災實效。如墨西哥在1993年投入使用的專門針對墨西哥城提供遠場大震預警的地震警報系統(SAS)和2003年投入使用的瓦哈卡地震警報系統(SASO),2007年10月起正式為全國民眾提供緊急地震信息服務的日本地震預警系統,目前正在線測試運行的美國加州地震預警系統、土耳其伊斯坦布爾地震預警系統、羅馬尼亞布加勒斯特地震預警系統、意大利地震預警系統,以及我國臺灣地區的地震預警系統等。

          03 地震預警技術的研發和系統試驗

          實時地震學、地震工程學和信息技術的快速發展極大地促進了全球實時地震減災的廣泛應用,地震預警是其重要應用之一。地震預警技術系統的建立,把傳統的地震監測從間接減災推進到直接實時減災,也讓社會和民眾最真切地感受到現代地震科學技術在應對地震災害時所提供的最重要、最直接的幫助。

          基于地震觀測臺網的地震預警的核心技術是如何在破壞性大震震源破裂已經開始但還未結束前估計地震規模的大小,其核心技術方法是如何利用近震源少量臺站的地震初期震動信息快速判定地震,確定地震位置和地震大小并預測其影響程度和范圍,其難點是既要保證處理和發布的足夠“快”又要做到處理結果和發布范圍足夠“準”。

          在前期研究的基礎上,2009年12月,國家科技支撐攻關計劃“地震預警與烈度速報系統的研究與示范應用”獲科技部批復立項,標志著我國的地震預警應用進入了系統化研究和示范性應用階段。該項目聚焦地震預警關鍵技術、原型軟件、示范應用和部分標準建設,從科研上解決了地震事件自動判定、地震實時持續定位、震級實時估計、烈度實時測定等關鍵技術和實用方法等問題,研發了地震預警系統、地震基本參數自動測定、烈度速報系統、大震破裂特征快速測定與大震烈度速報軟件原型,并在福建省和首都圈地區實現在線示范運行。

          在國家及中國地震局相關建設項目的支持下,我國又相繼在首都圈、福建沿海、甘肅蘭州、粵東、川滇交界等地區開展了一系列試驗和示范,進一步擴展處理技術、完善軟件系統并制訂技術規范,進一步試驗測震儀、強震動儀和地震烈度儀等多觀測資源融合預警方案,研發信息發布平臺和信息接收終端,形成并打通了監測站點、數據傳輸、數據處理、信息發布、信息接收和應急處置的地震預警全鏈條,具備了全面鋪開的軟硬件條件。以福建為例,2012年9月福建地震預警系統開始在線示范運行;2016年1月,地震預警信息發布系統開始正式試運行;至2020年8月,4年多來觸發的地震事件達600余個,依據發布標準,自2018年5月以來向社會公眾發布地震預警事件8個。此外,地震預警信息對重大工程的服務也在有序開展,如,高速鐵路已建設覆蓋鐵路線路總長度約1.3萬千米的地震監測站點,整體覆蓋率已近40%,除自身的監測與本地地震報警外,接入全國性地震預警信息的工作也在進行中。

          04 國家地震烈度速報與預警工程已經全面開展建設

          2015年6月,國家地震烈度速報與預警工程項目建議書經國務院常務會議通過后獲批,2017年2月,項目可研報告獲國家發展與改革委批復。工程于2018年正式啟動實施,擬利用5年左右時間在華北、南北地震帶、東南沿海、新疆天山中段及西藏拉薩等重點區建設由基準站、基本站和一般站構成,臺站間距在10~15千米左右,總臺站數超過1.5萬臺的高密度綜合地震觀測網絡,建設臺站觀測系統、通信網絡系統、數據處理系統、緊急地震信息服務系統及技術支持與保障系統。根據破壞性大震發生的不同情況,在重點區震后5~10秒,具備原地報警、災害性地震預警、警戒性地震預警和遠震大震預警能力。

          我國新一代技術系統特點為多網融合的高密度地震觀測臺網;支撐運維保障的實時監控系統,高可靠的地震預警與烈度速報自動化處理系統;豐富的地震應急信息的產出和多渠道多途徑的緊急地震信息發布系統,同時滿足地震預警、地震參數速報、烈度速報和地震科學研究等多方面的需要。項目完成后,由地震部門經政府授權發布預警信息,通過廣播、電視、互聯網、移動通信、專用接收終端等方式向政府部門、社會公眾和專業用戶等提供不同類型的地震預警信息服務。

          按照“邊建設邊服務”的工程建設原則,四川、云南等作為工程建設的“先行先試”省份,部分地區已具備提供地震預警信息服務的能力。2019年至2020年7月,四川省內共發生M5.0以上地震10次,地震預警系統均有效處理。2019年6月17日四川長寧發生6.0級地震,震后11.2秒即較好地產出了第一報地震預警信息。2019年9月8日四川威遠發生5.4級地震,震后7.9秒產出第一次地震預警結果。先期布設的地震預警接收終端也有效接收并提供服務。

          05 地震預警發布既需要全社會的共同參與,也需要有效的社會管理

          在地震預警技術問題逐步得到解決的前提下,其社會屬性越來越突出,其減災效果的充分發揮需要全社會的共同參與。地震預警作為國家和社會公共安全的重要信息,具有高度的社會敏感性和極短的應急時效性。地震預警信息一旦發布,留給人們的反應和應對時間只有幾秒到幾十秒,這將使民眾和社會自行轉入應急狀態,如果處理不當,則可能造成不必要的人員傷亡和經濟損失。因此,必須通過建立健全相關的技術標準和法律制度,建立政府主導、社會參與的權威信息發布機制,統籌利用廣電媒體、互聯網、應急廣播和專用終端等各種手段提高信息發布的時效性和覆蓋面,并通過加強科普宣傳和應急演練積極引導社會和民眾正確應用地震預警信息,建立地震緊急處置體制,掌握科學避險技能,最大限度地發揮減災效益。在相關法律和技術標準中,對地震預警信息的發布主體、觸發條件以及預警信息內容、發布對象、社會協同、法律責任等問題做出規范,保障地震預警信息發布應發盡發、有章可循、快速有效、準確可靠、科學合理。

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