地震預警的新發展：新型傳感器網絡的應用

孫 麗

中國地震臺網中心，北京 100045

地震預警技術利用最初幾秒的地震波信號預測地震動強度為潛在的受影響地區發布警報信息，以達到減災的目的. 傳統的地震預警技術依托于實體的地震觀測儀器網絡，儀器的布設運維、信號傳輸、數據處理、信息發布和針對預警信息的響應技術在一定時間內制約了地震預警的發展. 1868 年J.D.Cooper 提出了為舊金山建設地震預警系統的設想（Nakamura et al., 1988; Kanamori, et al., 1997），

1984 年日本有了第一個特別為鐵路設計的預警系統（Nakamura, 1984），1991 年墨西哥城出現了第一個為學校和地鐵服務的公共預警系統（Aranda et al., 1995），2001 年中國臺灣開始有地震預警系統運行，2012 年中國福建有了第一個測試運行的預警系統原型（Zhang et al., 2016; Sun et al., 2019），2015 年韓國預警系統開始運行（Sheen et al.,2017），2019 年美國西海岸的預警系統正式上線運行（Allen and Stogaitis, 2022）（圖1）. 地震預警系統從概念提出到真正開始發揮減災作用，用了超過100 年的時間.

近年來新型加速度傳感器網絡開始應用于地震預警系統，2016 年美國實現了基于智能手機傳感器的預警技術和系統MyShake（Kong et al., 2016），該系統在2019 年與美國西海岸的ShakeAlert 系統一起上線，開始非官方正式運行（圖1）. Allen 和Stogaitis（2022）介紹這個技術已經應用到新西蘭和希臘，2021 年開始提供預警信息服務，稍后還將推廣到土耳其和中亞. MyShake 的出現解除了地震觀測網絡和測地觀測網絡對地震預警系統發展的限制，為我們提供了更密集和費用低廉的傳感器網絡，有可能更高效地服務于防災減災救災. 目前基于通訊光纖的地震預警技術也是地震學的研究熱點之一，這個技術將較大地改善海域地震的預警效能，彌補海洋觀測的短板. Allen 和Stogaitis（2022）還強調越來越多測量溫度、壓力、次聲、加速度和空氣顆粒等的傳感器網絡，也為未來多災種綜合監測預警提供了觀測基礎和發展前景.

這些新型傳感器網絡多是基于個人或商業的網絡，科學和應急減災的應用需要政府和社會的全面參與協調，解決隱私和商業費用等問題. 地震預警信息的發出只是減災的第一步，重大基礎設施和生命線工程自動緊急處置措施和群眾科學的緊急避災響應是預警系統真正發揮減災作用的關鍵. 此外地震預警系統為了爭取更快的信息處理和發布速度以獲得更好的減災成效，只使用震中附近少量的地震傳感器的短時信息，存在一定的誤報概率（Allen et al., 2017, 2018; Allen and Melgar, 2019）. 我們需要制定正確應對地震預警誤報的預案以減小預警系統負面影響.

中國早在2009 年已經有了地震預警系統原型，2012 年開始在福建測試運行（Zhang et al., 2016），2018 年國家烈度速報與預警工程項目正式啟動，到2022 年已經建成了集速度計、加速度計和簡易烈度計為一體的綜合地震觀測網絡，觀測站總數超過15 000 個（圖2），項目建成后將在華北、南北地震帶、東南沿海、新疆天山中段和拉薩周邊地區形成秒級的地震預警能力（圖3）和分鐘級的烈度速報能力. 2021 年7 月27 日，京津冀、四川和云南地區的預警系統已經開始測試運行并對外提供服務. 中國是地震災害最嚴重的國家之一，地震多發且分布廣泛，基于新型傳感器的地震預警技術也是中國未來地震預警的重要發展方向.

圖 1 Allen 和Stogaitis（2022）總結的全球地震動和預警系統分布圖. 圓圈代表6.5 級及以上強震可能的震動區域. 粉色區域表示震動可以被感受到，紅色區域表示震動可能造成破壞. 地震預警系統的地理分布用醒目的藍色和綠色表示，綠色區域表示全部采用安卓地震警報系統. 日本、墨西哥、韓國和中國臺灣使用永久地震站網. 美國西部的預警系統ShakeAlert，最初通過無線應急警報系統、MyShake 和其他應用發布預警信息，現在也開始使用安卓地震警報系統Fig. 1 Allen and Stogaitis (2022) summarized the global distribution of earthquake shaking and early warning systems. Each circle shows the approximate shaking regions for magnitude 6.5 and larger earthquakes. The pink regions are where shaking is felt,and the red regions are where shaking causes damage. The current geographic distribution of EEW are highlighted in blue and green, with green areas entirely depending on Android Earthquake Alerts. Japan, Mexico, South Korea, and Taiwan, China have systems that use permanent seismic networks. The western US states have ShakeAlert, which initially sent alerts using wireless emergency alerts, MyShake, and other apps, but they now also have alerts delivered through Android Earthquake Alerts

圖 2 國家烈度速報與預警工程項目臺站分布圖. 藍色三角形為基準站，站點配置了速度計和加速度計；紅色三角形為基本站，站點配置加速度計；黃色圓點為一般站，站點配置簡易烈度計Fig. 2 The distribution of the seismic stations of National Rapid Earthquake Intensity Reporting and EEW Project. The blue triangle shows reference station equipped seismometer; red triangle shows base station equipped accelerator; yellow dot shows the regular station equipped intensity meter

圖 3 中國大陸預警能力分布圖. 色棒代表預警首報時間，單位為秒，色值變化從紅色到藍色預警首報時間從5 s 增加到15 s 以上Fig. 3 The EEW ability in China Mainland. The color bar shows the time of first EEW report (s). The color value changes from red to blue with the first report time increases from 5 s to more than 15 s