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全球地震早期预警系统应用及发展趋势

来源:网络 作者:佚名 日期:2019-04-18 15:18

   摘要:近年来地震预警技术在国际上得到迅速的发展,并有成功预警且收到减灾实效的先例。本文系统介绍了地震早期预警系统在墨西哥、日本、土耳其、中国台湾和罗马尼亚等国家和地区的应用情况及发展趋势。

 
  关键词:地震;早期预警;应用 ;前景
 
  引言
 
  “地震早期预警”(EEW)是用于描述实时地震的信息系统,该系统能够在强地面震动到来之前发出预警信息,快速检测地震破裂所产生的能量大小且估计稍后将在当地或异地发生地面震动情况,预警时间范围从几秒钟到一分钟多不等,其长短取决于预警目标与地震震中的距离。
 
  自从我们进入通讯时代以来,人们就提出了地震预警这个概念,但发展观测系统和方法仅有二十年间的时间。特别是在过去的5年里,伴随着地震台网的扩建、EEW方法改进、人们对防震减灾意识的增强以及社区减灾的需求,EEW得到了迅猛的发展。
 
  本文在Allen关于对全球各种地震早期预警系统总结的基础上,综述了地震早期预警系统的应用。
 
  地震早期预警系统的应用
 
  目前全球有五个国家和地区拥有能够为一个或多个用户提供预警信息的预警系统。除了墨西哥和日本拥有通过多种通信信道提供给公众预警信息的预警系统外,台湾、土耳其和罗马尼亚也拥有为一个或多个用户提供信息的地震预警系统。
 
  墨西哥
 
  墨西哥城的SAS系统是在1985年9月19日M8.1级地震以后发展起来的,这次地震造成了10000人死亡和30000受伤。1991年8月,该系统开始向25所学校和地铁提供地震预警服务。1993年5月,SAS系统准确地对一次M6.0级地震发布了预警。1993年8月,该系统开始向墨西哥城内的居民提供预警信息,成为世界上首个面向公众的可用的地震预警系统。该系统通过分布在墨西哥城内的58个公共调幅和调频广播电台、6个电视频道以及位于托卢卡地区的3个无线电广播电台和一个电视台发布强震预警信息(距离墨西哥城以西50公里)。此外,有超过250个的用户通过专门的无线电链路接收预警信息。这些用户主要是小学、中学、大学、紧急和安全机构、政府大楼、民间保护组织以及地铁系统。SAS预警公告也通过电子邮件和SAS网站向1800多个用户进行发布。
 
  从1991年10月至2009年3月,SAS系统发布了13个公众预警和52个预防性警告。公众预警和预防警告震级范围分别是从4.8到7.3和4.1到7.3级。Suárez等对SAS系统的运行进行了评估,认为虽然SAS系统能够探测到灾害性地震的发生并能提供预警,但震级估计的准确性并不能保证公共预警和预防性警告的合理性差别。SAS系统漏报了6.3级和6.7级两次地震,1993年11月16日虚报了一次地震,当这次公共预警信息发布出去的的时候根本就没有地震发生。这次虚假警报发出时,估计有200万听众收听了广播,但没有造成恐慌的报道。1985年9月19日M8.1级地震之后,墨西哥开始发展SAS系统,几乎在10年之后的1995年9月14日又发生了一次7.3级地震,这次地震发生之时被SAS探测到,在S波到达之前的72秒就发出了公共预警,地铁在S波到达前50秒停下,学校做出了疏散人员的应急响应。
 
  较晚发展起来的SASO地震预警系统于2003年开始向瓦哈卡民众提供预警。自那时起,SASO系统已发布了3次公共预警和5次预防性警告,还有2次漏报。由于滥用资金,SASO系统未能维持继续的运行。没有足够的教育和宣传工作经费也被视为系统运行中存在的一个严重的问题。该问题是可能导致系统停止运行,地震预警对居民的影响力降低的主要原因。也有人担心该系统没有更多的用户,只有在墨西哥城的76所学校的5500名学生可能使用该系统。这不是因为系统运行质量或对地震的检测能力不佳。在一项调查中显示,90%的使用者认为该系统提供了好的或非常好的服务。相反,事实是从来没有一个像SAS系统那样关于地震之后如何支持关键机构、关键设施和生命线做出应急响应的战略,这是被视为整体战略实施上失败的原因。
 
  日本
 
  20世纪60年代,日本铁路开始使用警报地震计,在1982年开始使用波前探测地震早期预警系统,目的是地震发生时关闭新干线列车的动力系统。现地UrEDAS系统于1992年在新干线铁路上安装使用, 1995年神户大地震后该系统得到进一步推广。神户大地震进一步促进了UrEDAS预警速度的改进,1998年改进后的UrEDAS开始应用在铁路和地铁系统中。该系统在2004年日本新泻中越M6.6级主要破坏性地震中发挥了作用,当时正在震中区运行中的火车有四列,其中有一列火车出轨。P波到达列车出轨的地段的时刻是在发震时刻2.9秒钟之后,紧接着1秒之后发布了预警,采取了关闭电源和列车制动的措施。火车司机也看到了UrEDAS发出的预警信息和之后1秒钟火车自动制动的过程。发出预警之后2.5秒钟S波到达,3.5秒钟之后强烈的震动开始。在发生列车出轨的时候,只有一节车厢留在铁轨上。
 
  1995年日本神户地震造成6000多人死亡,经济损失约为2000亿美元。神户地震的发生进一步推动了日本地震预警系统的发展。地震发生后,在全国范围内建立了系列地震台网,保证了全国范围内的台站均匀分布。这些台站包括约800个高灵敏度地震观测台站(Hi-net),其中约650个属井下强震动仪(KIK-net)。另外安装完成了约1000个地表强震动观测仪(K-net)和约70个宽带地震观测仪(F-net)。这些台站是由防灾科学技术研究所负责安装完成的。1993年北海道地震之后,为了提供更加快速和准确的海啸预警和地震预警信息,日本气象厅近已经完成了全国范围内地震传感器的升级改造,包括约200个强地面运动观测仪。随着各类观测台网的建成,2004年2月日本气象厅开始对地震早期预警系统进行试验。2005年8月16日日本宫城县外海发生7.2级地震期间,该系统在探测到第一个P波到时的4.5秒之后发布了预警,此时是S波到达仙台市之前的16秒钟。日本气象厅自2006年8月开始向部分用户提供预警信息,2007年10月后开始向公众提供预警信息。
 
  在向部分用户提供预警信息的时间段里(2006年8月到2007年10月),日本气象厅组织举办了公共教育培训活动,内容包括地震预警的目的、局限性以及应该采取的正确措施等,同时散发传单,在电视上播出视频短信息,张贴海报,举办研讨会,将信息发布在日本气象厅网站上(http://www.jma.go.Jp/jma/en /Activities/eew.html)。
 
  日本现在的地震公共预警系统由约800个Hi-net和200个JMA强震动台站组成,台站平均间隔20公里。当以日本气象厅标度的烈度超过5度弱时(梅尔卡利烈度表对应约)就发布预警。从2007年10月至2009年3月,共发布了11个公共预警,这些预警地震的烈度都是5度弱或更高。有两次地震漏报,这两次漏报地震的预测烈度为4度,不到5度弱。有3次地震虚报,这三次虚报地震的实际烈度为4度,但预测烈度为5度弱。期间发生的大地震是2008年6月14日M 7.2级地震,在第一个台站P波触发报警后4.5秒向公众发出了预警,18秒钟后进行了校正。就像预期的那样在震中区无法做出预警,但是许多人认为地震预警信息是可利用的。一些托儿所,幼儿园,学校,家庭、多处办事场所和一个工厂具体报道了所采取的保护措施。预警信息应用于自动电梯和工厂的控制系统,并且对要落地的飞机发出空中盘旋的指令。一名司机也报告收到了警告,及时停车而没有发生意外事故。该系统还对2008年9月11日日本近海发生的M 7.1地震进行了预警,表明该系统对发生在陆地和近海的地震都是有效的。目前还没有在地震发生期间发生恐慌和车祸的报道。
 
  日本气象局发布的公共预警信息通过各种渠道向公众传送。要求日本广播公司收到预警信息后及时通过9个广播电台和电视台传送。此外,122(共127个)个电视台和59个调幅/调频广播电台(共100个)播出了2008年9月的地震预警信息。综合防灾预警系统也向市政当局发出预警。截止到2009年3月,226个市(共1851个)有预警接收系统,102个市使用公共扩音系统宣布地震早期预警消息。两个移动电话公司免费向他们的用户提供警告,其中三分之一的公司正在扩大其容量。据估计,2100万人目前可以通过手机收到预警信息。
 
  除了发布这些公共预警信息外,广泛的用户把收到的警告信息合并到自动控制和相应系统中。日本气象厅并没有提供具体地点的警告信息,但是一旦一些私人服务商经日本气象厅授权后他们可以提供地震发生具体地点的信息。2008年12月发生的地震就是这样,被授权的服务商有54个,他们向204个中的52个铁路运营商(其中有些还拥有自己的地震地震早期预警系统)、工厂、建筑工地、公寓、学校、商场和医院等提供信息服务。2009年4月,第二届地震早期预警国际研讨会在日本京都举行,会上提供一些有关系统的具体事例和下面所描述的应用。
 
  私营服务商提供一系列服务,服务范围涉及将日本气象厅预警信息简单译本转换成某个位置预测的烈度、结合当地地震计所提供的另外的现地预警信息给出具体预警时间。具体的一个例子是“家庭地震计”,它把日本气象厅提供的图像信息转化为一个位置的预警信息,其中也包括基于P波探测的用于现地预警的MEMS传感器。该装置安装在墙上,接上交流电源并和互联网/以太网连接,发布并发出声响警告信息以及秒倒计时,目前大概有650台家庭地震仪部署在全日本,其中约500台安装在学校。
 
  一种家庭式地震仪被安装在东京市一所英国学校中,其报警系统与学校播音系统相连接。学校每年组织学生完成三次地震演习。第一次演习开始之前,学校预先通知学生;第二次演习,学校只告知学生哪周;第三次演习随时进行。在宫城县学区四所学校的教室已经安装了先进的地震预警系统。培训方案和录像事先备好,对学生实施定期演练。这些演习表明,学生可以在预警后5秒内躲到课桌下,并计划在县内的所有学校扩大该系统的使用。虽然学生躲到课桌下仍需要5秒时间,英国中学校长认为,公共广播仍然是重要的,让学生有足够的时间采取行动,可以让学生知道发生什么事,减少了学生的恐惧。目前,有些大学也正在安装地震早期预警。例如在东京大学工学院,目前所有教室都正在安装预警系统,距离教室近的电梯处于运行状态。
 
  在2003年发生的两次地震中,由于地震引起火灾导致宫城县冲电气半导体公司设备损坏和生产能力丧失,遭受了1500万美元的经济损失。经过这次惨痛的教训,该公司花费了60万美元进行地下室墙体加固,并安装了自动地震早期预警报警系统,一旦地震发生时可以及时关闭灾害性化学系统并将灵敏仪器移到安全位置。系统安装后所发生的两次地震中,损失减少到20万美元,而打烊的天数分别由前两次的17和13天减少到4.5天和3.5天。
 
  工程与建筑公司还利用预警系统,以增强地震发生过程中的建筑施工安全性能,保护建筑工人人身安全。鹿岛建设公司在其设备和设施中使用该预警系统,在办公楼里,电梯安装运行在距楼梯近的地方,灯光打开,百叶窗打开,注意警报已经作为个人得到保护的措施。在建筑工地,工人要远离危险区域。清水建设公司也向其办事处及建筑工地提供预警。此外,他们还向客户提供地震早期预警的各种服务。目前使用清水地震早期预警服务的用户拓展到了银行、酒店以及半导体制造商等。
 
  土耳其伊斯坦布尔市,中国台湾和罗马尼亚布加勒斯特市
 
  1999年,在位于土耳其马尔马拉海东部的北安纳托利亚断层发生了两次M 7 级以上地震,地震活动有向伊斯坦布尔发展的趋势。为此,已开始在伊斯坦布尔实施设计和安装EEW系统。初安装的两个专用EEW系统设备仍在使用:一个安装在伊塞克高层办公楼中,另一个安装在安然特拉克亚发电厂。安装完成了面向全市的EEW系统,该系统由布设在沿马尔马拉海北岸的10台强震仪组成,作为伊斯坦布尔大地震快速反应和预警系统有机组成部分。目前,预警系统触发报警是基于预先设定的两个到三个台站同时超过指定阈值来实现的。该系统现已开始运行,预计在2010年开始为一些工业用户提供预警服务。该系统将为正在博斯普鲁斯海峡马尔马拉进行管隧道施工的建筑商提供预警服务,一旦发生地震将采取制动措施防止列车进入隧道;该系统还将为伊斯坦布尔天然气配电网提供预警服务,一旦发生地震将关闭阀门。土耳其还计划在靠近断层的地方布设海底地震仪,以增加强震预警时间。
 
  1986年11月15日台湾花莲近海发生M7.8级地震,由于盆地的放大效应,远离120公里以外的台北遭到了严重的破坏。自从那时,台湾开始发展EEW系统。2001年,第一个EEW系统开始在台湾运行,并继续沿用至今。该系统由布设在岛内的约100个加速度计组成,应用虚拟子网方法来探测和定位地震并基于P波和S波能量估计震级大小。平均而言,该系统能在地震发生以后20秒发布预警,此时对应于S波波前传播离开震中70公里。应用, 和关系进行预警的第二套系统正在试验中,该系统使得预警盲区得到减小。预警信息还未有向社会发布,因为还没有对公共进行过系统化培训。但是目前预警系统正在试验过程中,期间可向铁路、捷运公司、灾害防御机构和医院提供预警服务。
 
  布加勒斯特的EEW系统用于实时监测东南部喀尔巴阡的弗朗恰区的大地震集中活动。上世纪的四个大震(M 6.9–7.7)全部发生在距离布加勒斯特160公里的同一区域内。由3个地震台组成的网络用来监测弗朗恰震中区的地震和向布加勒斯特发送预警信息,预警时间达20-25秒。目前,该系统为霍里亚胡卢贝伊国家物理和核工程研究所提供预警服务,以保证那里的核能源得到安置。此外,该系统还有计划地向更多用户提供预警服务。
 
  国内地震预警研究进展
 
  我国是世界上遭受地震灾害严重的国家之一,政府对防震减灾事业极为关注,我国的地震专家对地震预警技术和预警系统的应用也进行了深入的思考和构想。目前,在一些地区和某些部门已经建立了地震预警系统:刘林、阎贵平等在对京沪高速铁路及沿线区域地震危险性调查的基础上,对铁路地震预警系统的构成、监测设备的设置方案以及报警模式等关键问题进行了研究,给出了机械式地震仪的预警水平,并提出了适用于P波检测的M—R判别标准;中国广东大亚湾核电站在1994年建立了用于地震报警的地震仪表系统;辽宁省地震局利用数字化观测技术、GIS技术等高新技术,为中国石油天然气股份有限公司大连分公司建立了大型石化企业地震预警系统,该系统与地震应急系统相连,于2001年10月投入试运行。目前我国的地震预警研究仅停留在小范围内试验性的阶段,达到实用化还有很大距离。通过“十五”、“十一五”期间的地震台网建设,我国的数字观测台网更加密集,覆盖面更广,这些设备为地震预警提供了良好的硬件基础。但是地震预警的过程相当复杂,强震动数据的实时处理与地震三要素的快速确定、地震动场的生成、基于地震动参数的震害快速评估、应急决策与自动控制、地震预警系统的集成等科学和技术问题仍需进一步研究解决。总之,我国的地震预警才刚刚起步。
 
  远景、误解和挑战
 
  近五年里中,世界各地的EEW系统方法和应用得到迅速发展。早在2003年之前,关于EEW的手稿的数量每年为0至2篇之间。之后,这个数字一直在稳步增加,到2008年每年都超过了15篇。这表明地震学和工程学界对EEW表现出越来越大的兴趣,但同时也导致EEW系统应用出现了一些复杂性。
 
  与此同时,EEW的实施已经取得了重大进展。10年前,能够使用EEW系统提供预警的只有在日本铁路系统使用的UrEDAS和墨西哥城的使用SAS预警系统。今天日本已经在全国范围内使用EEW系统,墨西哥的预警服务范围也得到了进一步扩大。台湾、伊斯坦布尔和布加勒斯特具有了向一个或者多个用户提供预警服务的能力。所有这些系统正在不断地得到更新和完善。EEW系统正在意大利、瑞士、中国、夏威夷、加利福尼亚等各类地震台网中进行实时试验。在加州,实时测试已经证明了强地面震动之前灾害信息是可以提前预测的。
 
  2005年,第一届关于早期地震预警的国际研讨会在加州理工学院举行,该次会议的重点讨论的议题是发展EEW系统是否科学可行。2009年4月,第二次关于早期地震预警的国际研讨会在日本京都大学举行,在这次会议上人们认为发展EEW系统是可行的。EEW合乎科学,技术上可以实现,不仅可以用波前探测方法为墨西哥城提供预警,也可以为距离震中非常近的人群集中区提供预警服务,像日本陆上发生的地震。现在的问题是:这些信息有多大使用价值,应如何应用?
 
  对EEW系统的一个常见的误解是预警很可能会引起慌乱。社会学家在通过长期研究这些问题后发现并不像许多地震学家所想的那样,即预警会引起慌乱。从日本和墨西哥的许多公共地震警报的经验发现没有证据表明预警会引发恐慌。也没有预警造成交通意外和公开践踏事件的证据。EEW实施过程确实需要进行广泛的公众教育活动,像是在日本进行的那样。在墨西哥和台湾缺乏必要的教育经费是需要重视的问题。
 
  EEW实施中过程中人们普遍关心的另一个问题是,该系统每十年仅使用一次甚至更少。1992年日本铁路沿线安装了UrEDAS系统,但直到2004年才成功地进行过一次启动自动刹车的应急响应。没有任何理由解释为什么不能提供更小地震或更多地震的预警服务,这些预警信息仍然能够为一些用户提供有价值的信息, 也为EEW系统提供测试的机会。以适当的方式使用警报信息可以提醒人们注意地震灾害,增加一次学习教育的机会,使防震减灾意识得到普遍加强。
 
  EEW系统完善所面临的重要的科学挑战是如何实时获取和描述地震有限破裂过程图像。目前的EEW系统的运行都是基于震源的有限破裂做出分析和判断的。已有大量学术文章涉及对利用P波参数估计大震(M > 7)会出现震级饱和问题的讨论。大震震级估计的不确定性可能不是导致地震震动预测不确定性的主要来源。对于中强地震,很显然不确定性大来源在于地面运动预测方程的不确定性,而不在于由EEW系统快速得到的地震大小和位置。对于大地震来讲,即使具有精确的地震震级大小的估计,断层破裂的方向和破裂尺度对强地面运动具有很大的影响。当发生M > 6.5级地震后,简单的一种预警方法是对某个地区做预警。虽然只有在有些地区内的一些居民感觉震感强烈,在有些地区内的一些居民地感觉比较强烈,但大多数用户都不会认为这是一场虚假的警报。EEW系统仍然需要进一步完善,根据有限源探测方法提高探测的精确性和预警时间。利用地震学方法来实时探测地震运动有限破裂源的特征研究正在进行中。实时大地测量可以准确地提供厘米级水平变化数据,这对大地震事件的测量可提供约束条件。同时使用地震和大地测量数据,同时结合它们互补的约束条件、结合断层模型和破裂物理学进行研究的工作还有很多。
 
  EEW系统的应用都是针对重大破坏性地震的。在地震多发地区面临的挑战是要在大地震发生之前安装这样的系统而不是在发生地震之后才建立这样一个系统。为此,在非地震社区扩大EEW的服务和教育范围是很有必要的。在这方面有很多成功的范例。在意大利,ISNet已经安装完毕,目前正在针对一个潜在的地震危险区进行EEW系统测试。在加州,正在制定一部有关在一条新的高速铁路线附近部署EEW系统规章,这可能是加州和美国实施公共预警战略迈出的第一步。

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