地震預警的十個問題＊

張晁軍 陳會忠 李衛東

1）中國地震臺網中心，北京 100045

2）中國地震局地震預測研究所，北京 100036

（作者電子信箱：張晁軍：zhangchaojun＠seis．ac．cn）

引言

地震預警是建立在高密度地震臺網基礎上的新技術，是人類社會進行地震災害防御的科學前沿領域，是人類和地震災害，乃至和自然災害斗爭的手段之一。它的研究、應用與開發規模是自然災害防御與減輕目標中的10個世界高新技術領域之一。我國擬在5年左右時間建成“國家地震烈度速報與預警工程系統”，屆時公眾可以利用地震預警系統提供的數秒至數十秒預警時間，采取避震措施，減少人員傷亡。重大基礎設施和生命線工程可以實施緊急處置措施，避免次生災害，如緊急制動高速列車、及時關閉燃氣管線、關閉核反應堆、停止精密儀器運行等。

地震預警事關人民群眾生命財產安全，事關國民經濟發展與社會和諧穩定，是一項投入巨大而復雜的社會系統工程，需要政府、各部門、公眾的共同參與。特別是地震預警系統因其自身局限性，會有預警的盲區，對中小地震減災效果不顯著；估算的地震參數和預測烈度可能存在偏差，等等，因此，需要社會各方面的理解和支持。

隨著經濟社會的快速發展，地震災害對經濟的沖擊日益加劇，對社會發展的影響愈加廣泛，社會公眾對安全的需求日益增長，在我國建設一個預警實驗系統，進而建設一個現代化的預警系統，對于探索防震減災新途徑有著重要的社會意義。本文旨在讓社會公眾能夠全面地了解地震預警工作，從而更好地參與地震預警建設，共同提升全社會的防震減災能力，更好地發揮地震預警系統的作用，最大限度的實現有效減災。

1 地震預警，不是地震預報

什么是地震預警？地震發生后，有縱波（P波）和橫波（S波）兩種主要地震波同時由震源向外傳播。縱波傳播速度較快，大約6km／s，但震動相對較小，破壞也小。橫波速度較慢，大約4km／s，攜帶能量大，是大地震時造成破壞的元兇。地震預警系統是利用震中附近監測儀器捕捉到的地震縱波后，快速估算地震參數（發震時刻、地震強度、地震地點、震中烈度等）并預測地震對周邊地區的影響，搶在破壞性橫波到達震中周邊地區之前，通過電子通訊系統發布地震強度和到達時間的警報信息，使相關機構和公眾能采取緊急措施，減輕人員傷亡和災害損失［1］。圖1是地震警示系統示意圖。

圖1 地震警示系統示意圖（據中國地震資訊，weibo．com／u／2817059020）

地震預報是對未來破壞性地震發生的時間、地點和震級及地震影響的預測，是根據地震地質、地震活動性、地震前兆異常和環境因素等多種手段的研究與前兆信息監測所進行的現代減災探索。地震預報技術是從地震監測、大震考察、野外地質調查、地球物理勘探、室內實驗研究等多方面對地震發生的條件、規律、前兆、機理、預報方法及對策等的綜合技術。

目前人類還不能準確地預報地震，它和地震預警完全是兩回事。地震預警是在地震發生之后利用P波、S波傳播速度差異，利用現在網絡技術做出的快速響應，是一種秒級技術。地震預報是在地震發生之前根據地震活動性、前兆觀測、宏觀異常等現象，對一定區域是否會發生地震做出的一種推測，短期尺度為月，臨震尺度為天或月。

2 地震預警應該叫地震報警或地震警報，是翻譯不準確

地震預警英語為“Earthquake early warning”，日本叫“地震緊急速報”，中文應翻譯為“地震報警或地震警報”，而不應翻譯成“地震預警”。翻譯成預警容易和預報混淆。美國在加州新建立的地震預警試驗系統就叫做 Shake alert（震動報警）（http：∥earthquakeearlywarning．com／），也可能是為了更準確地描述這個技術系統是個震動警報系統。

目前所說的地震預警，就是地震警報！它是在一個地方已經發生了地震，當地的地震監測儀器在測出了地震之后，發出警報：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，人們就將地震發生的消息用電磁波手段（電話、廣播、電視、網絡）迅速地傳給遠方，在離地震發生比較遠的地方，收到警報時地震波還未到達，這時采取緊急措施逃生和關閉電、氣、水等生命線設施，地鐵、高鐵減速等等，可以減少損失，避免次生災害（圖2）。

圖2 日本3·11地震造成高速公路破壞（a）、煤氣泄漏（b）、鐵路破壞（c）和山體滑坡（d）等嚴重災害

3 地震預警盲區

地震預警技術從原理上就存在“預警盲區”。在收到預警信息前，有一段時間是用來處理初至P波信息進行定位、地震強度計算和信息發布的。這段時間是不能發出預警信息的，這段時間對應的S波傳播的距離，我們稱之為盲區，即地震警報到達該地區時，地震波已經到達或已經過去。換句話說警報收到時，已經沒用了［2］。

圖3 單臺地震預警理想盲區示意圖

為什么會有這樣的現象出現呢？這里有兩個原因，一是地震是有深度的，一般來說大地震，淺源地震多發生在10～20km深，地震發生后地震波向各個方向傳播，到達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行處理確認是大地震才能發出警報，這也需要時間。圖3是一個地震臺接收到地震波后最理想的盲區示意圖，所謂最理想就是這個地震臺正好在地震的上方，也就是在震中位置。假設地震發生在12km深，地震縱波傳到地面地震臺約需2s，地震臺收到地震波進行判定是地震的處理，這是“秒級處理”技術，因為多1s地震縱波就多走了6km，目前最高水平需要使用3s地震波。這樣在上圖的情況下，加起來5s中發出地震警報，這時地震縱波已經走了30km左右，地震橫波也已經走了20km左右，這就是縱波和橫波的預警（警報）盲區，或稱P波和S波預警（警報）盲區。

如前所述，S波是大地震破壞的元兇，預警盲區實際是S波預警盲區。上述的預警盲區是一個理想或者極端的例子，假設了地震發生在10km左右深，臺站就在震中，判別地震只用了3s（據說是當前最高水平），可以看出地震預警盲區就是20km左右。這意味著，地震預警技術本身在原理上就有一個不可避免的盲區，在預警盲區地震報警基本上是沒有什么效果的，因為在盲區內的人們收到預警（警報）信息時地震波已經過去了！實際上預警技術非常復雜，往往不是一個地震臺就可以準確判斷，需要一個密度足夠的地震臺網。僅用地震波初始的幾秒鐘來判斷是否地震，還很不成熟。這樣處理時間就會更長，預警盲區就會更大。圖4從技術系統角度描繪了盲區的客觀存在。實際上，預警盲區要比理論大一些，因為人在查看信息做出反應過程中，地震的破壞還在發生，距離震中越近，盲區越近，獲益時間越少［3］。

圖4 地震預警系統的工作原理示意圖

4 P波快速判定地震是地震預警的關鍵技術

地震預警最關鍵技術是快速判斷地震技術［4］。這是個非常復雜的技術，其復雜的原因有二，一是需要在地震臺一收到地震信號后，“立即”判斷是地震，即前面說“秒級處理”技術，最好是1、2s。這是極其困難的，因為常規快速處理一個地震（稱為地震速報）需要一個地震臺網，在整個地震波記錄完整（包括接收到P波、S波及其他震相）和掃過地震臺網后，獲得完整數據后進行處理。這里最大的問題是地震初動震相的識別，即使用計算機，最快也需要幾分鐘時間才能確定地震參數，而且有時還會出現錯誤。這種處理完全是根據地震波傳播原理確定的可靠的方法。可是這種方法對于地震預警是沒有用的。

因此，地震預警技術的發展必須研發“快速判斷地震”的技術，也就是要在地震臺收到地震波以后幾秒鐘就能快速判斷：① 是地震，不是其他干擾（人為在地震臺附近的走跳、車輛、爆破、雷電等等）；② 是大地震，不是小地震；③ 地震位置；④地震震級或在震中區域的烈度。目前這個技術主要建立在大地震產生的P波周期比較大，可以初略估計地震的大小，同時也發現可以使用P波的形狀估計地震發生的距離的經驗和統計基礎上的方法。這些方法不像傳統的地震測定方法那樣具有明確的物理基礎，第一次結果快，可能會出現很大的誤差甚至錯誤。比如，2013年2月19日云南巧家ML4．9級地震的預警，地震6s后就發出第一報，應該說是高水平的警報了，可是震級只報了3級，顯然誤差很大。同樣日本“3·11”MW9．0級地震的預警第一報震級為4級，與真實震級相差甚遠。因此全球各種地震預警的警報都是采用多報形式，例如日本“3·11”地震預警，就報了15報，第15報震級為8．1，烈度為日本7度表中的六度弱。當然第15報已經是第一個臺站收到P波117s以后了（地震發生130多秒以后），預警盲區已經500km了，幾乎對于災區沒什么作用了。這說明目前用P波前幾秒判斷是大地震的方法本身就不穩定。盡管地震預警要求這些參數不像地震速報那樣精確，但是也應控制在一定范圍內，這方面技術還需發展。地震警報的實質就是與S波賽跑，最大限度縮小地震盲區范圍，最大限度降低地震災害和次生災害。

5 地震預警第一報是關鍵，目前可以不過多拘泥震級誤差

綜上所述，第一報是地震預警的關鍵［5］，因為每遲報1s就意味著盲區半徑增加4km，目前絕大多數預警系統不敢采取單臺發出第一報，因為單臺誤報和錯報率可能會很高。成都高新減災所的預警臺網基本上10km一個臺，為了保證不誤觸發，一般第一報都采用至少兩個地震臺。但是第一報的震級誤差基本是地震越大，誤差就越大，誤差可達50%。成都高新所“4·20蘆山7．0級地震”預警（對于此地震成都震中距為112km，成都地區烈度為4度；據國家地震臺網測點發震時間為8時2分46秒；S波到達成都時間為8時3分16．5秒）情況如下（據成都高新減災研究所微博發布資料）：

第一報：成都提前28秒收到四川蘆山8時2分48秒4．3級地震的預警信息，預計成都烈度1．6度。2013－04－20 08：02：53發出。

第二報：成都提前26秒收到四川蘆山8時2分48秒4．7級地震的預警信息，預計成都烈度2．3度。2013－04－20 08：02：55發出。

第三報：成都提前24秒收到四川蘆山8時2分48秒5．5級地震的預警信息，預計成都烈度3．3度。2013－04－20 08：02：57發出。

第四報：成都提前23秒收到四川蘆山8時2分48秒6．1級地震的預警信息，預計成都烈度4．1度。2013－04－20 08：02：58發出。

第五報：成都提前22秒收到四川蘆山8時2分48秒6．2級地震的預警信息，預計成都烈度4．2度。2013－04－20 08：02：59發出。

第六報：成都提前19秒收到四川蘆山8時2分48秒6．4級地震的預警信息，預計成都烈度4．5度。2013－04－20 08：03：02發出。

第七報：成都提前10秒收到四川蘆山8時2分48秒6．3級地震的預警信息，預計成都烈度4．4度。2013－04－20 08：03：11發出。

第八報：成都提前9秒收到四川蘆山8時2分48秒6．4級地震的預警信息，預計成都烈度4．5度。2013－04－20 08：03：12發出。

這就給我們提出了兩個問題，一是如何提高第一報震級的準確率，這給預警秒級處理技術研究和創新提出了一個重要課題。二是目前如何辦？一個辦法是向公眾發布預警信號不采用第一報，而是采用第三或第四報，這樣預警盲區就必然擴大，比如雅安城區（距震中33km）采用第一報可以有3s預警時間，而采用第三報就沒有了。所以，在目前技術水平和能力狀況下，可以不拘泥苛求第一報震級和烈度的精度，應該發出地震預警的警報。實際上公眾在收到預警的警報時并不會先看預警的震級，而是有地震警報就立刻采取應急避險措施。當然應該在現有技術的基礎上，加強第一報地震震級準確率的研究和開發是必要的，爭取有所突破。

另一個值得探討的問題是預警效果問題。如上所述，成都地區盡管得到了初報二十幾秒和最后數秒的預警時間，但成都烈度不到5度，是預警意義不大的地區，而極震區破裂尺度30多千米，是急需預警的地區。由于盲區的存在，極震區預警目前得不到有效預警。從預警的實際意義來講，研發極震區和次極震區地震預警（烈度7度以上區域），更具有防震減災實用效果［6］。

6 地震預警盲區實際上可能是地震破壞最大的區域

地震破裂帶的長度是和震級有關的（見表1），一般來說，5級地震為1～3km，6級為10～20km；7級為30～80km；8級為100～300km；9級為300～1 000km。如上述分析如果地震預警20km盲區，就意味著盲區直徑為40km，這可能就相當7級地震的破裂帶長度，一般來說也就是烈度最大的區域，也就是可能受地震災害最大的區域。可見地震預警對于大地震時盲區以外的地震破壞是可以起作用的，而對烈度最強的地區的地震破壞作用有限。同時可以看出地震預警對于小地震作用不大，對于大于7級以上的地震的盲區以外的地區的地震破壞具有減災作用，籠統地說地震預警可以減輕地震災

表1 震級M、斷層長度L（km）、滑動量DO（m）、卓越周期T（s）與地震矩MO的關系

7 地震預警對于烈度異常區及次生災害和生命線設施的作用

如上所說，地震預警對于地震的破壞減輕作用是有限的，但凡是大地震必然有兩種現象必須重視，一是地震的烈度異常區域，例如唐山大地震時的天津寧河，北京的通州。二是凡大地震必然引起次生災害，例如汶川大地震引起了巨大山體滑坡，日本3·11地震引起巨大海嘯，日本京都大地震引起火災等。因此，大地震和巨災都是連接在一起的，這些次生災害都是由地震引起的，其發生時間往往滯后地震的強大震動，就是地震造成的振動和地基液化引起的房屋破壞和倒塌，也要滯后于地震波到達。當然烈度異常區域往往是距震中區域有一定距離。因此，地震預警對于這些災害的緊急避險還是有相當作用的。即使是在地震預警盲區內，也會發揮一定的作用。另外地震預警對于生命線設施的緊急處置也是有作用的。即使在地震預警盲區，得到地震警報時，地震波已經到達和過去，但是對于水電氣這樣的生命線設施的積極處置還是有很大作用的，這樣地震警報信號是在地震后幾秒或十幾秒發出的，是目前最快的地震報警，對于生命線設施采取緊急處置，避免進一步產生水、電、氣的次生災害有很大的作用［7］。

8 重視利用P波和S波之差報警和S波緊急處置

地震預警技術發展到今天，有它的過程：最先的地震警報系統就是利用P波和S波時間差采取避險和處置，唐山地震時民間使用一個倒立的瓶子放在臉盆里，在地震發生后P波先到而且是上下振動，很容易將瓶子振倒，給人們提醒。目前的水、氣、電的強震緊急處置基本上很多都是當振動達到一個閾值后采取措施的。P和S波時間差預警對于盲區的緊急避險和處置使用有其實際應用效果。所以將P和S波時間差預警和S波緊急處置納入地震預警系統是十分必要的，為地震多發地區公眾和設施安裝相應的設備，是減輕地震災害的重要環節［8－9］。

9 地震預警系統應有警報的快速確認和解除功能

鑒于地震預警技術的現狀，我們不能對地震預警“求全責備”。日本氣象廳在2007年10月1日發布地震預警系統投入使用時就明確指出，由于地震預警技術本身和地震臺站環境的問題，包括其他震動的干擾、雷電干擾、儀器設備故障、地震判定技術的復雜，地震預警可能會出現漏、誤、錯報的情況。因此，地震預警的確認和解除功能就非常重要，應該成為地震預警系統的重要組成部分之一。例如，當昭通（昭通烈度為2度）公眾收到巧家地震（距昭通92km，巧家地震烈度為6度弱）警報信號時（見成都高新減災研究所－新浪微博），并沒有注意第一報的震級是多少，就已經采取了避險措施，地震過后到底是發生地震了沒有，地震有多大都是當地公眾和領導關心的問題。這時地震臺網的正式地震速報就起了決定的作用：確實發生了地震，而且是4．9級，不是3級。無疑對于安定民心起到重要作用。如果巧家地震發生在高鐵沿線，在地震警報第一報時，全線可立即采取了減速行車的措施，如果在幾分鐘后確定的地震參數只有4．9級，而且距離較遠，根據高鐵地震預案，不會有影響，高鐵可以立即恢復運行。這種解除是非常重要的，它對于確認地震和解除預警漏誤錯報，減少損失作用巨大。我國有著非常先進的大地震速報系統，目前自動地震速報可以在數分鐘完成，它對于地震預警的確認和解除是非常重要的。因此，地震的確認和警報的解除應該正式列為地震預警的一個組成部分。

10 地震預警是個復雜的社會工程，需要全社會的動員和參與

福建省地震局局長金星說：要建成一套有效的地震預警系統需要具備以下條件：一是高密度的地震臺網：每20～30km一臺（實際上應該做到10km 一個臺 本文作者注）；二是好的處理系統：利用臺網捕捉的信息迅速定位、計算震級；三是完善的發布系統：將預警信息迅速傳遞到電視、電臺、手機、網絡等公共平臺；四是健全的法律法規保障：使整個系統能有效運作。概括的說就是“測得到”、“定得準”、“傳得出”、“用得好”。這4個方面其實只是對地震部門的要求。我們說地震預警是個復雜的社會工程，就是地震預警工程不是單靠地震部門，需要全社會的參與，包括所有的行業和部門，關系到每一個人。

如前所述，地震預警就是地震警報，對于這樣的警報，各種人群、各個領域、各個行業的容忍度，是不一樣的。例如，一般公眾只要收到預警就會采取行動，并不關心預警的準確性，反正不造成損失就好，有損失我人已經躲避了。這說明公眾對地震預警有較大的容忍度；再如高鐵，接收到地震預警信息，就采取措施，先減速。但高鐵希望在1～2分鐘里確認是大地震還是小地震或者誤報？高鐵可以立刻停車或恢復運行，這說明高鐵是有一定容忍度的；而核電站不能有個預警就停止反應堆，核電站要求必須是對其有威脅時報警。停了反應堆，其恢復需要很長時間，這些行業容忍度就低。

各行各業都收到同一個地震警報，其采取的措施級別不同。誰來管？自己管，都要參與，這就叫全社會參與。日本采取了市場化的方法，隨著地震預警的發展，出現了許多地震預警增值服務商。也有行業自己制定統一辦法的，像日本廣播協會（NHK）就專門根據地震警報信號開發了供本行業使用的地震預警接收和廣播電視發布系統。

只有全社會參與地震預警，才能使地震預警報系統發揮減災作用。這就像戰爭中的防空警報，地震部門是拉警報的，到哪里躲避、怎樣躲避，還要靠自己。

（作者電子信箱：張晁軍：zhangchaojun＠seis．ac．cn）

［1］Kanamori H．Real－time earthquake damage mitigation measures．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：1－8

［2］Allen R M．The elarms earthquake early warning methodology and application across california．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：22－43

［3］Kanamori H．Real－time seismology and earthquake damage mitigation．Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2005，33：5．1－5．20

［4］Grasso V F，Beck J L，Manfredi G．Seismic Early Warning Systems：Procedure for Automated Decision Making．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：179－209

［5］Gasparini P，Manfredi G，Zschau J．The preface．Earthquake Early Warning System．Springer，2007

［6］Zhang Chaojun，Li Weidong，Li Dahui，et al．Early estimation of epicenter seismic intensities according to co－seismic deformation．Geofísica internacional，2010，49（2）：107－112

［7］Nakamura Y，Saita J．UrEDAS，the earthquake warning system：today and tomorrow．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：249－283

［8］趙紀東，張志強．地震預警系統的發展應用及啟示．地質通報，2009，28（4）：456－462

［9］朱福祥，郭迅，李山有，等．重大工程地震預警初步研究．世界地震工程，2002，18（3）：32－36