近十年地震預測的國際研究進展*

姜 叢，蔣長勝，張 琰，畢金孟

(1.中國地震局地球物理研究所，北京 100081；2.天津市地震局，天津 300201)

0 引言

預測(forecast)科學是基于觀察值推斷未來將要發生的合理值，追溯到1 000多年前人類就已經開始的商業活動和政治活動中的預測科學研究。由于各類資源通常是相對稀缺的，從理性上不應該浪費在虛假的認識或者未知上，這構成了預測科學最為現實的目的。現今社會中的人口規模和性別演變、股市和各類經濟趨勢、疾病傳播(例如時下正在全球肆掠的COVID-19)等社會現象，以及地震災害、突發性天氣氣候、流域性大洪水、季節性干旱、巨型滑坡、冰雪凍融等自然災害都需要進行科學預測，然后才能在此基礎上進行防御，以期在最大程度上降低對人類社會的損壞。

地震預測科學進展研究是比較國內外科學發展差異、布局未來科學規劃和持續推進學科建設的重要手段。在2009年意大利拉奎拉MW6.3地震后，“國際地震預報專家委員會”提交意大利政府的《可操作的地震預測》研究報告(Jordanetal，2011)中，在系統地總結了過去幾十年全球在地震預測相關研究方面取得的進展以及存在的問題等基礎上提出了可操作的地震預測(Operational Earthquake Forecasting，簡稱OEF)技術路線。張琰等(2019)通過對3個不同歷史時期的地震預測文獻計量學分析，揭示了地震預測科學研究議程的演變規律，即在關鍵時間節點上受到重大事件的影響顯著。這表明地震預測作為一種動態發展的學科，及時把握地震預測研究的階段性和即時性等科學議程具有重要意義。

近年來，我國包括地震科技在內的各學科發展迅猛，全球科學研究面貌也發生較大變化，及時準確把握國際上相關學科的發展趨勢和動態對進一步的科學發展較為關鍵。為揭示近10年來國際上關于地震預測研究的進展，本文將分別從科技論文的文獻計量、國際科學研究計劃、地震前兆異常新發現、地震預測模型研發、地震預測關鍵問題的新認識、預測在減災中的應用拓展等多種角度，嘗試分析地震預測相關的科學研究在近十年來的演變面貌。

1 文獻計量給出的研究趨勢和國內外比較

利用文獻計量的方式分析學科領域的研究趨勢是目前開展戰略研究和學科趨勢預測的常用手段。為總體反映地震預測研究近10年來的科技狀況和進展，本文采用文獻計量的方式進行了簡要分析。按照關鍵詞“earthquake forecast”“earthquake prediction”以及“earthquake forecasting”，在Web of Science數據庫中檢索了2010年以來發表的收于SCI-E數據庫中的研究論文，合計778篇。采用文獻計量在線分析平臺(1)https：//bibliometric.com/.對上述文獻進行了多個方面的分析。

在年度發文量上，近10年來每年維持在56～96篇，未呈現出明顯的加速和減緩趨勢，表明地震預測研究在學科方向上趨于穩定。在國家發文總量上，中國(200篇)、美國(150篇)、意大利(116篇)、俄羅斯(95篇)、日本(63篇)排在前5位。不同國家間的合著論文方面，美國、意大利50%以上的論文是與其他國家合著，日本和俄羅斯的跨國合著論文比例超過1/3，而中國的比例在20%以內、更多的是本國學者的內部協作。

在研究機構的國際合作關系和影響力上，美國南加州大學(USC)、意大利地球和火山科學研究所(INGV)、瑞士聯邦理工學院(ETH)、新西蘭地質與核科學研究所(GNS)、美國地質調查局(USGS)等機構占據地震預測國際合作網絡的中心位置并具有較高的國際影響力，中國地震局(CEA)也位于相對核心位置但影響力相對小。研究機構發文量排在前3位的分別是：俄羅斯科學院(RAC)、中國地震局(CEA)、意大利地球和火山科學研究所(INGV)。但從總被引用次數上排在前三位的則為：美國南加州大學(USC)、意大利地球和火山科學研究所(INGV)和瑞士聯邦理工學院(ETH)，中國地震局(CEA)排第8。

對地震預測的熱點關鍵詞分析表明，地震前兆、氡、地震危險性、概率預測、地震相互作用、地震活動性、b值是近10年地震預測領域較為關注的熱點。文獻計量在線分析平臺還給出了與這些熱點關鍵詞關聯緊密的“拓展關鍵詞”，包括地震斷層、模型、變形、動力學、異常。上述的熱點關鍵詞與學者們普遍認識的研究熱點一致，而拓展關鍵詞則給出了與地震預測關系相對緊密的其他研究方向的線索。

2 與地震預測有關的國際科學研究計劃

在過去的10年中，地震預測的國際科學計劃得到大規模的開展。美國南加州地震中心(SCEC)2007年開始發起的全球“地震可預測性合作研究”(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability，簡稱CSEP)計劃(2)http：//www.cseptesting.org.是其中最具代表性的科學計劃。CSEP計劃在可比較的、統一的數據來源、固定的計算規則、嚴格的第三方統計檢驗約束下，獲取地震可預測屬性，循序漸進地提升地震預測預報的科學認識水平和實際預測能力(Jordan，2006)。根據統計模型的預測時空尺度的要求，用于CSEP實驗研究的區域包括美國加州、西北太平洋、日本、意大利、新西蘭和全球尺度范圍共7個，預測時間尺度涉及1天、1年和5年等多個時間尺度。已投入運行的分布式檢驗中心包括南加州地震中心、新西蘭(地質和能源研究協會)、瑞士(蘇黎世聯邦理工學院)和日本(東京大學地震研究中心)共4個。Schorlemmer等(2018)總結了項目執行的十余年來獲得的認識，包括：CSEP已發展了數百種地震預測模型、十余種預測效能檢驗方法，小震級(M2+)事件的參與計算可獲得更多的預測信息，地震破裂預測模型(例如UCERF2)和應變速率模型(Birdetal，2015)的應用可獲得更好的預測效果，而不斷改進的庫侖模型等物理預測模型展現了重要的發展潛力(Cattaniaetal，2018)。CSEP計劃的研究方式也對其他計劃有重要啟發意義，例如誘發地震活動(Kiralyproagetal，2016)和地震預警(B?seetal，2014)等研究。

2009年4月6日意大利拉奎拉MW6.3地震及其轟動世界的“地震學家訴訟案”，直接催生了“可操作的地震預測”(Operational Earthquake Forecasting，簡稱OEF)概念及其科學研究的快速發展(Jordanetal，2011)。與一般意義上的地震預測預報有所不同，OEF的核心目標是，向公眾提供權威的隨時間變化的地震危險性權威信息，其主要應用在于，指導社會公眾對潛在的破壞性地震提前做好防震工作，以實現有效的地震減災(Jordanetal，2010，2014)。與“可操作的天氣預測”的概念(Inness，Dorling，2013)類似，OEF應具有類似天氣預報中的“operational fitness” 的三個標準，即質量——較高的實際預測效能；一致性——對不同的時空尺度的地震可預測效果具有一致性；價值——預測結果能實質性地對防震措施的實施做出貢獻(Jordanetal，2010)。國際上關于OEF的概念、關注的重要科學議題，構建OEF系統的技術基礎和實現，以及在減輕地震災害發揮科學效益的途徑等，均對當前地震預測預報發展的“瓶頸”階段帶來了重要的借鑒價值。當前OEF研究的重要議題，包括引入“概率增益”技術解決低地震發生率地區地震危險性概率實際應用問題(Marzocchietal，2009；Zhuang，2011)，考慮社會風險和災害可承受水平的地震預報發布閾值(Marzocchietal，2014)、地震動危險概率(Herrmannetal，2016)、地震應急疏散成本效益分析(van Stiphoutetal，2010)、震后的恢復重建決策(Fieldetal，2016)等，將以往的“銀彈”式(silver bullet)的預報地震事件本身、無法鏈接虛報造成的可能更高的社會風險難題，引入到可操作的層面。

3 地震前兆異常現象的研究

4 地震預測模型的研發

建模是地震預測研究的重要領域，新的地震預測模型尤其是多學科交叉的預測模型在近10年中得到快速發展。一些基于大地測量學的新的地震預測模型得到發展(Straderetal，2017)，包括利用GPS給出的應變率與地震活動平滑模型組成的混合模型(Straderetal，2018)，以及將大地測量的地震預測模型結果轉化為地震發生率預測的技術(Rhoadesetal，2017)。Hong等(2018)發展了基于GNSS的地震短臨預測指標方法，該項技術主要利用了地球物理場效應模型校正以及對數據周期性變化校正來識別位移場的異常變化。針對破裂空間展布尺度較大的強震的余震觸發各向異性問題，Guo等(2017)發展一種新的時空傳染型余震序列模型(ETAS)，可對此類強震給出更為科學合理的余震發生率估計。

工業開采活動誘發地震的預測模型是近年來快速發展的熱點領域。由于注水等工業活動和斷層活化的進程具有明顯的非平穩性，多種短期地震預測模型得到研發(Petersenetal，2015；Dostetal，2017)。Langenbruch和Shapiro(2010)使用了修正的Omori定律來預測俄克拉荷馬州地區的誘發地震活動。Bachmann 等(2011)利用R-J和ETAS模型研究了對瑞士的誘發地震背景地震活動率。在流體侵入等動力作用下的震群、誘發地震活動過程中，背景地震活動發生率隨著時間可能發生變化，因此考慮這種時間變化的ETAS模型得到發展。此類算法利用短步驟的迭代算法被用來動態地估算模型參數，已被應用于油氣開采誘發地震等的地震危險性分析中(Lombardietal，2010；Etoetal，2013；Llenos，Michael，2016)。Dieterich等(2015)利用基于速率-狀態摩擦(rate-state friction)的地震模擬器(RSQSim)，發現注水產生的誘發地震活動的時空模式對注前的斷層應力非常敏感。上述研究，可為潛在誘發地震的概率危險性評估提供重要技術保障。

混合模型(hybrid model)是近年來快速發展的領域。由多種單一預測模型集成的新的混合模型，往往具有明顯高于單一預測模型的概率增益，其本質上是采用篩選預測效能“最優”的預測模型，利用不同時間尺度或者相同時間尺度按照一定的權重系數進行“混合”，經過優化設計后作出針對性的地震預測模型。例如，Rhoades等(2015)將預測時間尺度的大小作為權重設置的依據，以HBG，PPE，PMF，PPI，FLT等5種單一模型相互混合，得到26個新的混合模型。此外，混合模型的“集成”方式得到了新的探索(Rhoadesetal，2015，2016)。在構建OEF系統過程中，混合模型可顯著提升“可操作”程度和地震危險性分析的科學增益，例如意大利OEF系統，將ETAS模型(Lombardi，Marzocchi，2010b)，ETES模型(Falconeetal，2010)，STEP模型(Woessneretal，2010)等按不同的權重組合成新的OEF基礎模型。新西蘭OEF系統(Gerstenbergeretal，2014；Rhoadesetal，2016)中，采用基于多種預測模型構建的混合模型(EE)。事實上，混合模型的發展，也正是CSEP計劃運行10年來所獲得的大量的地震可預測性的一個重要成果。Steacy等(2014)將Coulomb模型和STEP模型結合研究了Canterbury 地震序列的余震發育情況，“混合可操作地震預報模型”(Hybrid Operational Earthquake Forecasting Model)的概念被提出，并被應用于克萊斯特徹奇城市的建筑標準決策及郊區建筑重建計劃中(Gerstenbergeretal，2014)。

地震物理預測在理論體系和模型方法研究上長期以來較為匱乏。地震物理預測在方法原理方面主要集中在庫侖破裂應力變化(ΔCFF)描述斷層受力狀態及其變化與地震發生率的關系、速率-狀態摩擦定律(rate-state friction law)等方面。近10年中，對地震物理預測模型的預測性能、模型改進取得重要進展。Cattania等(2018)對速率-狀態摩擦定律和Coulomb模型等物理預測模型是否可有助于提升地震預測的可靠性，進行了震例檢驗和討論。Segou等(2013)系統地將7種不同版本的概率預測的ETAS模型和21種將庫侖應力變化和速率-狀態摩擦定理結合的物理預測CRS模型，在美國北加州地區進行了預測效能的比較。結果表明ETAS模型可以更好地預測近震源區的地震活動，CRS模型在遠離主震破裂區、主震發生后的短時間內表現更好，因此物理預測模型與統計地震學預測模型在地震預測效能上是有很強的互補性。Steacy等(2014)將庫侖應力變化模型作為空間約束，與短期地震概率預測STEP模型進行“混合”應用，取得比兩種模型單獨預測更好的預測效果，并認為考慮庫侖應力變化帶來的物理約束，可以明顯提高統計地震學預測模型的預測能力。

5 與地震預測有關的新認識和預測在減災中的應用拓展

與地震預測有關的一些基礎問題在近10年中得到解決。例如近年來廣受關注的與俯沖帶強震孕育發生過程相關的震顫(tremor)事件，為量化描述其時空遷移模式，Wang等(2017)通過引入伯努利變量和連續變量，發展了新型的隱馬爾可夫(hidden Markov)模型，并解決了對震顫事件在時間序列上稀疏分布、難以模擬的問題。針對震后早期階段余震大量缺失、難以給出準確的余震概率預測結果的問題，Omi等(2015)發展了基于連續檢測率函數和貝葉斯方法余震概率計算方法。Zhuang等(2017)發展了一種余震序列重新構建方法，并發現余震序列參數在震后早期階段應具有較強的穩定性。地震序列未來是否會發生災變性的強震或強余震，是地震預測中的核心問題之一，Shcherbakov等(2017)利用地震序列中的早期事件(前震或早期余震)以及震級-頻度分布和地震發生率分布，構建了極端事件震級大小的貝葉斯預測分布，可用于考慮不確定度情況下的主震或強余震的震級預測。在地震活動參數計算中，傳統的采用較為主觀的地震空間選擇規則，給參數計算結果帶來較大的不確定性，Kamer和Hiemer(2015)提出了基于數據驅動(data-driven)和懲罰似然方法的b值無參數計算新方法，利用數據本身來約束模型所允許的復雜度，并使用一組模型設置方案而不是采用單一的最佳模型，由此可實現無參數計算、顯著避免了地震選擇規則的主觀性。地震預測中還有一類難點問題是，對強震孕育發生過程當前所處危險狀態的預測，盡管與通常所說的面向未來一定時期的“預測”(forecasting)概念不同，但在地震危險性分析中，這種即時性的危險狀態判斷或具有更為重要的現實意義。Rundle等(2016)將宏觀經濟學中的“即時預測”(nowcasting)概念引入地震危險性分析中，并基于統計地震學構建了無參數的分析方法，進行了有益的探索。

拓展地震預測的減災效益、直接服務減輕地震災害風險的決策部署上，地震預測技術逐漸發揮重要作用。意大利民防局采用了“可操作的地震預測”(OEF)技術系統進行地震減災決策，該系統主要基于多種統計地震學方法進行集成的混合模型預測模型(Iervolinoetal，2015)。在日本，實時的余震概率預測技術系統已正式運行，并為政府提供地震減災決策參考信息(Omietal，2016)。統計地震學中的時空傳染型余震序列(ETAS)模型，已被正式用于與“統一的地震破裂”模型(例如美國加州的UCERF3模型)相結合，開始在地震危險性評價上發揮作用(Fieldetal，2016)。此外，Herrmann等(2016)利用對理論地震目錄的分析，模擬了對歷史上發生過的1356年Basel地震進行減輕災害風險決策與信息服務等問題。

6 結論和討論

為反映近10年來國際上關于地震預測研究的進展，本文通過系統地調研了2010年以來的國際上科技論文的文獻計量、與地震預測有關的國際科學研究計劃、地震前兆異常研究、地震預測模型研發與地震預測有關的新認識和預測在減災中的應用拓展等方式，試圖給出此10年期間地震預測相關研究進展的主要面貌。獲得的主要認識如下：

(1)通過對Web of Science數據庫中近10年收錄的論文的文獻計量分析表明，地震預測作為相對成熟的學科在發展趨勢上較為穩定，中國是論文發文量最多的國家，但在國家和機構影響力、國際化合作程度等方面與美國和歐洲部分國家還存在差距。此外給出了此期間的研究熱點關鍵詞。

(2)在國際科學研究計劃上，CSEP計劃完成10年期的第一階段運行并進行了系統的科學總結，在預測模型研發、地震可預測屬性研究、拓展地震預測的減災應用和啟發其他研究計劃上取得重要成果。OEF研究在解決地震預測的信息增益、服務減災的有效性、發展可操作的地震模型與技術系統等方面取得顯著進展。

(3)在地震的前兆異常研究中，持續開展了電離層異常、流體水化學等領域的前兆異常探索，在預測指標、與預測的時空距離等基本要素的關系等方面取得一定進展。

(4)在地震預測模型研發上，基于新型的多學科交叉手段的預測模型、可操作的地震預測模型和混合模型、基于地震物理預測的模型均得到大量的研發，還拓展到了工業開采誘發地震領域的預測建模。這些預測模型的研發與CSEP計劃和OEF研究的推進密不可分。

(5)在基礎研究上，與地震預測有關的重要科學問題得到探索、大量新技術得到發展。在震后應急疏散、恢復重建等減災風險決策與信息服務上，地震預測的應用得到極大拓展，這將促進地震預測科學更為緊密地融入經濟社會發展進程中。

本文對上述5個方面的回溯性總結，可能難于概括與地震預測有關的研究全貌。實際上，在與地震預測有關的長期尺度地震危險性分析、地震風險評價等應用領域，本文并未深入涉及。此外，在描述某一方面進展時，遴選的成果是否真正具有代表性仍有主觀性。從上述10年的研究進展看，CSEP計劃和OEF研究等全球性科學研究，極大地促進了預測模型、檢驗評價、預測的可操作性、減災應用拓展等方面的進步，成為主導國際上地震預測研究的主要推動力，對此類重大研究計劃未來實施情況和進展的關注，將有助于判斷今后一個時期的研究趨勢。

研究中使用了文獻計量在線分析平臺(https：//bibliometric.com/)，稿件得到云南省地震局付虹研究員的指導，在此一并表示感謝。