日本近年來關(guān)于地震預(yù)測研究的科學(xué)計劃和科學(xué)理念

[摘要]" " 盡管日本國土面積只占世界陸地的1%，但發(fā)生的地震卻占全球地震總數(shù)的10%左右。尤其是致災(zāi)型大地震的發(fā)生率很高。為應(yīng)對這一問題，日本政府自1965年開始推進地震預(yù)測研究計劃，并經(jīng)歷了多個階段的計劃和修訂。近年來，隨著信息科學(xué)領(lǐng)域的快速發(fā)展，日本政府將信息科學(xué)引入到了地震科學(xué)研究，開展了《利用信息科學(xué)的地震研究》計劃，旨在促進面向新地震預(yù)測科學(xué)的創(chuàng)新性研究。目前，日本地震調(diào)查本部對地震預(yù)測的總體觀點“一定程度上可預(yù)測板間地震的發(fā)生時間，但現(xiàn)有研究仍無法預(yù)測未來地震，當(dāng)前工作的重點是預(yù)測未來地震的震動規(guī)模”。地震預(yù)測的科學(xué)研究理念正從原先的“災(zāi)害發(fā)生的預(yù)測”向“災(zāi)害發(fā)展過程的預(yù)測”轉(zhuǎn)變。

[關(guān)鍵詞] 日本地震預(yù)測研究; 地震預(yù)測科學(xué)計劃; 地震預(yù)測科學(xué)理念; 震動規(guī)模的預(yù)測

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2022-135

日本國土面積不足世界陸地的1%，但發(fā)生的地震卻占全球地震總數(shù)的10%左右，致災(zāi)型大地震的發(fā)生率很高。據(jù)日本文部科學(xué)省地震調(diào)查研究推進本部（https：//www.jishin.go.jp）的研究表明，過去200年日本發(fā)生的致災(zāi)型大地震中，海溝型地震平均20年一次、陸域淺源地震平均10年一次，即使危險性概率較低的地區(qū)也存在發(fā)生破壞性大地震的可能（圖1）。由于地震預(yù)測是地震減災(zāi)鏈條中的重要一環(huán)，日本政府在部署地震成因機理研究和預(yù)測科學(xué)上持續(xù)開展工作。本文描述并不完整，僅供參考。

1" 日本的地震預(yù)測科學(xué)計劃

自1965年起，日本政府組織全國高校、政府機構(gòu)和國家研究機構(gòu)聯(lián)合推進《地震預(yù)報觀測研究計劃》[1]。1965—1994期間，日本以該計劃為藍本在全國范圍內(nèi)逐步建立了高靈敏度地震觀測網(wǎng)絡(luò)。但未取得預(yù)期的地震預(yù)測研究突破。

1995年阪神7.3級大地震發(fā)生后，日本政府重新認(rèn)識了地震前兆現(xiàn)象的復(fù)雜多樣性、原始資料積累不足等問題，在1999年啟動《新地震預(yù)報觀測研究計劃》[2]。該項新計劃的目標(biāo)是，了解地震發(fā)生特征和機制、穩(wěn)步實現(xiàn)地震預(yù)測；強調(diào)地震科學(xué)基礎(chǔ)研究的投入和支持，并開始向“使用物理模型、基于觀測數(shù)據(jù)了解地震發(fā)生機制并預(yù)測地殼活動”轉(zhuǎn)變。隨著高靈敏度、高密度地震和地殼運動觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用，以及對地震前兆現(xiàn)象觀測案例的累積、對地震物理過程理解的不斷加深，該項計劃對地震的多重復(fù)雜性有了全新認(rèn)識。

2009年日本提出《推進地震和火山爆發(fā)預(yù)測觀測研究計劃》（以下簡稱“現(xiàn)行計劃”）[3]。計劃實施期間由于發(fā)生2011年東日本9.0級大地震，日本政府在2012年對現(xiàn)行計劃進行了修訂，同時將其作為特大地震的觀測研究計劃。此外，基于對現(xiàn)行計劃的評估，日本政府認(rèn)為“以東日本大地震為基礎(chǔ)的未來科技政策”，應(yīng)本著從“科技在社會、為社會”的角度來定位該計劃的減災(zāi)貢獻。

近年來隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息科學(xué)領(lǐng)域的顯著進展，國內(nèi)外已開始將這一領(lǐng)域的技術(shù)引入到地震科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中。2019年5月，日本政府地震研究推進本部制定了“地震研究的推進：促進地震觀測、調(diào)查、和研究的措施”，提出“日本未來的地震研究應(yīng)能夠在利用新的科學(xué)技術(shù)的同時，從防災(zāi)減災(zāi)的角度為社會做出進一步的貢獻”。在這一背景下，文部科學(xué)省以“信息科學(xué)×地震科學(xué)，引領(lǐng)下一代的年輕研究人員”為目標(biāo)，開始推進《利用信息科學(xué)的地震研究》（STAR-E）計劃（https：//www.mext.go.jp/b_menu/boshu/detail/mext_00137.html），以促進新的地震研究。該計劃擬通過5年時間（2021—2025），年資助規(guī)模達500～3000萬日元的經(jīng)濟投入，大力推進地震科學(xué)的創(chuàng)新性研究。

2" 代表性科學(xué)計劃/規(guī)劃

2.1" 地震預(yù)測科學(xué)規(guī)劃

日本文部科學(xué)省2013年在《推進地震和火山爆發(fā)預(yù)測觀測研究計劃》（2014—2018）中[3]，關(guān)于地震預(yù)測研究的內(nèi)容包括：

（1）地震發(fā)生率長期預(yù)測的新方法。根據(jù)史料、考古數(shù)據(jù)、地質(zhì)數(shù)據(jù)獲得過去地震的發(fā)生歷史，在陸地及海域獲得的觀測數(shù)據(jù)，定量把握板塊邊界滑移時的空間變化；根據(jù)數(shù)值模擬等技術(shù)構(gòu)建預(yù)測巨大地震發(fā)生的方法。對于內(nèi)陸地震，研究基于測地數(shù)據(jù)、地震活動數(shù)據(jù)、數(shù)值模擬等的新的長期預(yù)測方法；通過結(jié)合基于當(dāng)前活斷層的活動歷史的長期評價方法，推進長期預(yù)測方法研究；立足于物理模型的長期預(yù)測，將板邊界和板內(nèi)部整合為一個動態(tài)系統(tǒng)，構(gòu)建可以解釋觀測到的地殼變動和應(yīng)力狀態(tài)的流變學(xué)結(jié)構(gòu)模型。

（2）基于監(jiān)測地殼活動的變化預(yù)測未來地震的發(fā)生。通過海陸綜合觀測數(shù)據(jù)估計板邊界滑移時的空間變化；通過基于物理模型的數(shù)值模擬和數(shù)理模型的構(gòu)建評估中短期大地震發(fā)生概率和計算地震發(fā)生可能性的相對變化；在加強高精度觀測迅速把握地震活動時空變化的技術(shù)手段的同時，使用基于地震活動數(shù)據(jù)的地震發(fā)生預(yù)測模型進行地震活動的預(yù)測，并根據(jù)統(tǒng)計方法評價其預(yù)測性能；通過整理過去各種地震活動和地殼變動等時間變化，制作地震活動事件系統(tǒng)樹，推進地震活動預(yù)測的新方法的開發(fā)。

（3）基于前兆現(xiàn)象的地震發(fā)生概率預(yù)測。將地震活動的變化和電離層狀態(tài)等大地震發(fā)生之前的現(xiàn)象結(jié)合起來，基于中短期地震前兆現(xiàn)象的統(tǒng)計評價來推測大地震發(fā)生概率的方法；結(jié)合機器學(xué)習(xí)等數(shù)據(jù)驅(qū)動新方法，提取出新的前兆現(xiàn)象并進行統(tǒng)計評價；進一步通過理論研究和室內(nèi)實驗等，闡明前兆現(xiàn)象的發(fā)震機制；回溯驗證過去的數(shù)據(jù)，用客觀方法對地震活動和電磁現(xiàn)象等進行預(yù)測，并統(tǒng)計評估預(yù)測性能；利用地震波形數(shù)據(jù)的分析和室內(nèi)巖石破壞實驗等，對在主地震之前的微小地震活動方式和發(fā)生機制進行調(diào)查，研究適用于大地震發(fā)生概率評價的可能性。

2.2" 參加全球CSEP計劃

日本是最早參與全球“地震可預(yù)測性合作研究”（Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability， 簡稱CSEP）計劃的國家（http：//www.cseptesting.org）。2007年美國南加州地震中心（SCEC）發(fā)起CSEP計劃時，日本東京大學(xué)地震研究所（ERI）是最早的4個國際上的參加機構(gòu)之一。CSEP計劃采取可比較的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源、固定的計算規(guī)則、嚴(yán)格的第三方統(tǒng)計檢驗約束下，獲取地震可預(yù)測屬性，循序漸進地提升地震預(yù)測預(yù)報的科學(xué)認(rèn)識水平和實際預(yù)測能力[5]。在第一階段的CSEP計劃（CSEP 1.0，2007—2017）中，ERI開發(fā)了超過100種地震預(yù)測模型參與測試，日本地區(qū)也是CSEP計劃的7個測試研究區(qū)之一。在第二階段的CSEP 2.0計劃中[6]，ERI除了繼續(xù)開發(fā)地震預(yù)測模型評估方法、開展實時的地震預(yù)測外，還計劃在關(guān)東地區(qū)（Kanto）進行考慮震源深度的三維預(yù)測模型開發(fā)和測試。

2.3" 實施STAR-E計劃

日本文部科學(xué)省2021年啟動的《利用信息科學(xué)的地震研究》（STAR-E）計劃中，包含如下直接與地震預(yù)測有關(guān)的項目： ① 《面向數(shù)據(jù)同化斷層滑動監(jiān)測的測地數(shù)據(jù)解析的新發(fā)展》，該項目目標(biāo)是構(gòu)建能夠掌握板塊俯沖帶斷層滑動現(xiàn)狀并預(yù)測短期轉(zhuǎn)變的斷層滑動監(jiān)測系統(tǒng)，評估對未來大地震發(fā)生的影響； ② 《對應(yīng)地震數(shù)據(jù)不完全性的地震活動以及地震動準(zhǔn)實時空間預(yù)測的研究開發(fā)》，該項目主要致力于突破地震數(shù)據(jù)不完整性的限制，在大地震發(fā)生后實施地震活動的近實時的時空預(yù)測； ③ 《從長期到即時的時空預(yù)測和監(jiān)控的新發(fā)展》，其目標(biāo)是利用統(tǒng)計學(xué)最新的高維大數(shù)據(jù)計算方法開展對地震發(fā)生的長、中、短臨預(yù)測研究。

3" 地震預(yù)測的理念變化

根據(jù)公開資料，目前日本地震調(diào)查本部對地震預(yù)測的總體觀點為：一定程度上可預(yù)測板間地震的發(fā)生時間，但現(xiàn)有研究仍無法預(yù)測未來地震，當(dāng)前工作的重點是預(yù)測未來地震的震動規(guī)模（圖2）。在地震預(yù)測研究的理念方面，為了減輕大地震、海嘯和火山爆發(fā)等自然災(zāi)害損失，日本政府認(rèn)為需要立足于長遠，從加強對災(zāi)害機理理解的角度尋求解決方案。這意味著從原先的“災(zāi)害發(fā)生的預(yù)測”向“災(zāi)害發(fā)展過程的預(yù)測”轉(zhuǎn)變。

與此相對應(yīng)，日本政府在持續(xù)推進地震和火山爆發(fā)預(yù)測觀測研究計劃中，強調(diào)要更為務(wù)實地利用現(xiàn)有資源為防災(zāi)減災(zāi)做貢獻?！邦A(yù)測”也變成了更為廣義上的“知道（預(yù)先）”，在災(zāi)害科學(xué)中，更準(zhǔn)確地可以理解為“提前認(rèn)識并為災(zāi)難做好準(zhǔn)備”。

作為上述理念的體現(xiàn)，日本文部科學(xué)省科學(xué)技術(shù)委員會2013年在未來地震預(yù)測研究行動綱領(lǐng)中明確如下研究重點：在地震和火山爆發(fā)等發(fā)生后，通過對地震、海嘯、火山碎流、火山灰、熔巖流等災(zāi)害的預(yù)測，指導(dǎo)具體對策的實施；預(yù)測地震、火山噴發(fā)的發(fā)生及其變化，采取有效的防災(zāi)減災(zāi)措施；有針對性地提高觀測的時空分辨率、開發(fā)新的分析方法，繼續(xù)推進實驗和理論研究。

致謝

本項工作屬中國地震局“新發(fā)展階段防震減災(zāi)戰(zhàn)略研究?科技創(chuàng)新與人才資源開發(fā)”研究工作。日本統(tǒng)計數(shù)理研究所莊建倉教授為本研究提供了重要素材，并予以指導(dǎo)。

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Scientific plans and concepts of associated researches on earthquake forecast in Japan for recent years

Zhang Yan1， Bi Jinmeng2， Jiang Changsheng1， *

1. Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China

2. Tianjin Earthquake Agency， Tianjin 300201， China

[Abstract]" " "Although Japan constitutes only 1% of the total landmass in the world， it experiences around 10% of global seismicity， particularly the catastrophic great earthquakes. To address the issue， Japan initiated earthquake forecast research programs since the year of 1965， which underwent several stages of planning and revision. In recent years， with the rapid progresses of information science， Japan incorporated information science into earthquake research， and launched “Seismic Research Utilizing Information Science” program aimed at fostering innovative studies in the realm of novel earthquake forecast science. Presently， Japan Meteorological Agency maintains the overall viewpoint that “the occurrence time of interplate earthquakes can be predicted to a certain extent， but available researches show that future earthquake cannot be forecasted. The focus lies in forecasting ground intensity of future earthquakes.” The scientific research philosophy regarding earthquake forecast is shifting from the initial notion of “forecasting the occurrence of disasters” toward “forecasting the developmental process of disasters”.

[Keywords] Japanese earthquake forecast research; earthquake forecast scientific program; earthquake forecast concept; forecast of earthquake magnitude

*通訊作者： 蔣長勝（1979-），男，研究員。主要從事地震監(jiān)測技術(shù)和地震預(yù)測理論研究。E-mail：jiangcs@cea-igp.ac.cn

作者簡介： 張琰（1993-），男，助理研究員。主要從事地震危險性分析和地震學(xué)研究。E-mail：zhangyan@cea-igp.ac.cn