日本地震預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)定和技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展歷程及最新進(jìn)展

[摘要] """日本地震預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)定和技術(shù)系統(tǒng)近年來依然在不斷更新發(fā)展。2023年2月1日起，日本地震預(yù)警發(fā)布內(nèi)容中正式加入長周期地震動預(yù)測信息。2015年以來海底觀測網(wǎng)相繼納入預(yù)警系統(tǒng)，有效縮短了發(fā)生在日本海溝沿岸地震的預(yù)警首報發(fā)布時間。2018年引入PLUM法，使系統(tǒng)在傳統(tǒng)方法失效時也能夠作出地震動預(yù)報。目前正在重點(diǎn)解決地震動預(yù)測過大情況依然時有發(fā)生的問題，日本氣象廳在2023年底前后引入一體化集成IPF法以降低預(yù)測地震動過大比率。當(dāng)前日本地震預(yù)警技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展中遇到的一些問題，以及設(shè)想的未來重點(diǎn)發(fā)展方向，也是我國地震預(yù)警發(fā)展的有益參考。

[關(guān)鍵詞] 日本地震預(yù)警; 技術(shù)改進(jìn); 評估

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-183

基金項(xiàng)目："中國地震局重大政策理論與實(shí)踐問題研究課題?地震易發(fā)區(qū)房屋設(shè)施加固工程常態(tài)化推進(jìn)機(jī)制研究（CEAZY2022ZL03）資助。

0 "引言

2007年，日本氣象廳（Japan Meteorological Agency，JMA）正式向公眾提供地震預(yù)警服務(wù)^[1]。日本實(shí)施地震預(yù)警十幾年以來，業(yè)務(wù)規(guī)定和技術(shù)系統(tǒng)幾經(jīng)修改。2023年初，JMA地震預(yù)警評估改進(jìn)專家組設(shè)立專項(xiàng)工作組，總結(jié)日本地震預(yù)警的技術(shù)改進(jìn)歷程，研究當(dāng)前問題及未來發(fā)展方向，為JMA提供建議。本文梳理分析日本地震預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)定、技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用現(xiàn)狀、JMA專項(xiàng)工作組報告^[2]，總結(jié)日本地震預(yù)警業(yè)務(wù)規(guī)定和技術(shù)系統(tǒng)發(fā)展歷程及最新進(jìn)展，為我國地震預(yù)警發(fā)展研究提供參考。

1 "緊急地震速報業(yè)務(wù)規(guī)定歷史和最新情況

2007年日本修訂《氣象業(yè)務(wù)法》并于11月施行，要求JMA對由斷層運(yùn)動引起的地震動做出適合一般用途的預(yù)報和警報^[1]。JMA以外機(jī)構(gòu)和人員不得發(fā)布地震動警報，獲得JMA許可方可發(fā)布地震動預(yù)報，許可標(biāo)準(zhǔn)包括具備開展地震動預(yù)報和迅速接收J(rèn)MA地震動警報的設(shè)施和人員、預(yù)報方法符合國土交通省實(shí)施細(xì)則規(guī)定的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。JMA發(fā)布地震動警報時需立即通知警察廳等機(jī)構(gòu)以及都道府縣、日本廣播公司（NHK）。2013年，《氣象業(yè)務(wù)法》和《國土交通省機(jī)構(gòu)法》^[3]再次修訂并提出要求，當(dāng)預(yù)期嚴(yán)重災(zāi)害風(fēng)險非常大時，JMA應(yīng)發(fā)布地震動特別警報。

JMA沿用日本公眾熟悉的緊急地震速報名稱，日本緊急地震速報分為預(yù)報和警報兩種^[4]：預(yù)報主要面向特定企業(yè)和特定行業(yè)等用戶，預(yù)報的預(yù)警信息，除了用于機(jī)械控制外，還用于利用家庭終端預(yù)警信息接收地點(diǎn)的預(yù)測烈度、長周期地震動等級和預(yù)計主震動到達(dá)時間；警報主要面向普通公眾^[4]。地震動預(yù)報和警報的信息發(fā)布名稱、標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)容如表1^[4]，并明確地震動預(yù)報和警報是指從地震最初的輕微震動開始預(yù)測隨后各地區(qū)的地震動，不涉及地震發(fā)生預(yù)測。總體上，日本地震動警報力求一次發(fā)布，內(nèi)容簡潔明了，不包含具體預(yù)測震度¹和主震動到時等，便于傳播及避免后續(xù)報告，只有在未發(fā)布警報區(qū)域出現(xiàn)新的預(yù)測震度5弱以上或長周期地震動等級3級以上時，才會發(fā)布后續(xù)警報，或者出現(xiàn)空報（將雷擊等非地震現(xiàn)象識別為地震并發(fā)布）才會發(fā)布取消。地震動預(yù)報則是在檢測到地震后幾秒到1分鐘內(nèi)多次發(fā)布最新判斷，從最初優(yōu)先考慮及時性到逐漸提高準(zhǔn)確性，期間變化有時較大，尤其是低觀測密度區(qū)域單測點(diǎn)觸發(fā)的情況。

表1中的區(qū)域是指JMA在發(fā)布緊急地震速報時把日本劃分成約200個有特定名稱的固定區(qū)域，一般一個都道府縣劃分3～4個區(qū)域^[4]。地震動預(yù)報持證運(yùn)營商可以對任意地點(diǎn)提供預(yù)報。表1中的長周期地震動等級^[6]是JMA于2013年建立的用于表征高層建筑上層受長周期地震動影響程度的指標(biāo)，分為4級（1級明顯搖晃、2級較大搖晃、3級非常大搖晃、4級極大搖晃）。

2 "緊急地震速報技術(shù)系統(tǒng)和應(yīng)用現(xiàn)狀

目前JMA通過地震活動綜合觀測系統(tǒng)（EPOS）^[7]接收1500多個地震計^[7]（加速度計：JMA約250個，NIED的KiK-net關(guān)東地區(qū)約15個、Donet、S-net約200個；速度計：JMA約250個，NIED的Hi-net約800個）和4300多個震度計（JMA約670個，NIED的K-net約800個，地方政府約2900個）^[8]的實(shí)時觀測數(shù)據(jù)開展緊急地震速報，地震動預(yù)測方法為基于震源位置和震級方法與基于觀測震度方法相結(jié)合的混合法。系統(tǒng)在檢測到地震后一般2～3 s發(fā)出第1次地震動預(yù)報，5～6 s發(fā)出第2次預(yù)報，30～90 s結(jié)果穩(wěn)定后停止預(yù)報。如果達(dá)到發(fā)布條件，10 s左右發(fā)出地震動警報^[4]。地震動預(yù)報由JMA、持證運(yùn)營商、分銷商通過手機(jī)APP或?qū)Ｓ媒K端發(fā)布，地震動警報還通過J-Alert、電視、廣播、手機(jī)信息等方式發(fā)出。

JMA對公眾應(yīng)用狀況的調(diào)查結(jié)果顯示，緊急地震速報日本公眾知曉率已從2007年開通前的約35%上升到2021年的87%^[9]。總體來說，經(jīng)歷地震動警報次數(shù)越多，采取某種避險行為的比例就越高，但很多人并沒有采取推薦行為，而是“按住家具”“跑出去”等。另根據(jù)2021年2月福島關(guān)于地震中緊急地震速報的有效利用狀況的問卷調(diào)查顯示，了解緊急地震速報有地震動預(yù)報、地震動警報、以及誤報等不同情況的公眾比例還是很低的^[10]。

3 "緊急地震速報技術(shù)進(jìn)展

日本緊急地震速報系統(tǒng)2007年10月1日正式投入運(yùn)行，至2023年1月下旬累計發(fā)布地震動預(yù)報16158次，其中地震動警報258次，預(yù)測準(zhǔn)確率²總體約為80%^[2]。日本緊急地震速報歷年發(fā)布次數(shù)、預(yù)測準(zhǔn)確率和重要影響事件情況如圖1所示^[11]。

緊急地震速報中出現(xiàn)過多次因地震動噪聲、設(shè)備故障和處理不完善導(dǎo)致準(zhǔn)確率降低的情況。期間主要技術(shù)進(jìn)展^[2]包括：①觀測向潛在震中方向擴(kuò)展，地震動預(yù)報速度加快。2015—2020年，Donet、關(guān)東15個KiK-net站、S-net相繼納入系統(tǒng)。2019年6月以來，已確認(rèn)155次地震事件具有加快發(fā)布首報效果，在日本海溝沿岸確認(rèn)了首報發(fā)布速度比不使用海底地震儀時快20 s以上的情況^[2]。②引入地震動預(yù)測新方法。2018年3月，日本將PLUM（Propagation of Local Undamped Motion）方法應(yīng)用于全國地震預(yù)警系統(tǒng)中，該方法是一種簡單的波場估計方法，可直接從觀測到的震動分布預(yù)測地面運(yùn)動^[12]。系統(tǒng)啟用基于震源位置及震級的傳統(tǒng)方法和局部無阻尼運(yùn)動傳播法相結(jié)合的混合法，以改善巨大地震應(yīng)對問題。PLUM法使用實(shí)時觀測震度預(yù)測周邊震度，預(yù)報時間有限，但能夠在傳統(tǒng)方法失效時發(fā)出預(yù)報。2022年3月16日福島M7.4地震展示了新方法的優(yōu)勢，該地震發(fā)生時，由于兩分鐘前剛發(fā)生并已發(fā)布警報的M6.1地震處理仍在繼續(xù)，因此系統(tǒng)無法將其檢測為新地震，此時PLUM法根據(jù)實(shí)時觀測震度做出預(yù)測，對M7.4地震也發(fā)出了警報^[2]。③改進(jìn)震源位置和震級估計方法。2016年12月系統(tǒng)引入IPF（Integrated Particle Filter，集成粒子濾波）震源估計方法，作為當(dāng)年8月1日誤報事件的技術(shù)改進(jìn)措施，該方法可有效解決多次地震同時發(fā)生造成震源定位誤差導(dǎo)致的預(yù)測烈度高估問題。但I(xiàn)PF法運(yùn)行后仍然出現(xiàn)了2018、2020年兩起由于未能正確區(qū)分同時發(fā)生的多次地震和噪聲事件而發(fā)出過度警報的情況，分析認(rèn)為原因在于IPF法僅集成在部分觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)處理中^[2]。目前JMA已在2023年底引入一體化集成IPF法以徹底解決該問題，該方案將所有觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)一分組作為IPF法輸入，如Hi-net速度計波形先轉(zhuǎn)換為加速度波形，以最終統(tǒng)一估計震源位置和震級。方案已經(jīng)過2017年1月—2020年8月的2950例緊急地震速報事例驗(yàn)證，確認(rèn)能夠取得相同準(zhǔn)確率結(jié)果，并且能夠避免發(fā)生過的兩起過大預(yù)測案例^[2]。④增加長周期地震動預(yù)測。制定了長周期地震動等級指標(biāo)，2015年3月起試行發(fā)布長周期地震動觀測信息，2019年3月起正式發(fā)布，2023年2月起實(shí)時在線發(fā)布。2023年2月1日起，將長周期地震動預(yù)測信息正式加入地震動預(yù)報和警報發(fā)布內(nèi)容中^[2]。

4 "緊急地震速報當(dāng)前問題和未來發(fā)展方向

根據(jù)JMA專項(xiàng)工作組報告^[2]，目前日本緊急地震速報面臨4個方面的問題。①在技術(shù)層面，觀測質(zhì)量、預(yù)報速度和精度需繼續(xù)提升，震度預(yù)測與實(shí)際觀測報告之間還存在時滯，還沒有對深源地震做地震動預(yù)報，但其偶爾引發(fā)較大震動，易讓公眾誤解。②在公眾應(yīng)用方面，需考慮向視聽力障礙者、非日語母語者快速傳達(dá)信息，有些智能手機(jī)防災(zāi)APP的功能可以擴(kuò)展到APP以外，如手機(jī)閃光提醒。③在機(jī)器應(yīng)用方面，還沒有收到警報結(jié)束或取消通知后自動重啟的控制機(jī)制，通過接收地震動警報自動停運(yùn)的電梯還不多，JMA對地震動預(yù)報機(jī)器自動控制應(yīng)用的事例和狀況掌握不夠。④在地震動預(yù)報持證運(yùn)營商方面，數(shù)量增長乏力，從2007年的43家短暫增長到2013年的58家之后，又逐步回落到近4年的48家，有別于氣象預(yù)報持證運(yùn)營商數(shù)量穩(wěn)步增長的情況。針對這些問題，報告^[2]建議JMA：繼續(xù)改進(jìn)技術(shù)，進(jìn)一步減少漏報，把空報控制在一定程度內(nèi)；推進(jìn)海底觀測新應(yīng)用，做好觀測網(wǎng)維護(hù)；優(yōu)先通過基于用戶視角的評估來推進(jìn)技術(shù)改進(jìn)；與持證運(yùn)營商和分銷商商討推廣地震動預(yù)報業(yè)務(wù)的解決方案，開展適合機(jī)器使用的預(yù)報數(shù)據(jù)研究，收集分析宣傳機(jī)器自動控制應(yīng)用案例；考慮視聽力障礙者等特殊人群信息傳達(dá)問題；繼續(xù)提高公眾對緊急地震速報的正確認(rèn)識。

報告^[2]提出日本緊急地震速報未來要無縫提供從預(yù)測到觀測的詳細(xì)防災(zāi)信息，如地震動蔓延擴(kuò)展情形和以時間序列表達(dá)的地震動升降，促進(jìn)信息與公眾感受吻合，使推進(jìn)從機(jī)器緊急停止到恢復(fù)的自動控制流程成為可能。目前氣象研究所正在開發(fā)一種新的地面震動蔓延擴(kuò)展預(yù)測方法^[13]，有望取得突破。該方法不依賴震源和震級估計，利用數(shù)據(jù)同化技術(shù)估算平面震動的強(qiáng)度和傳播方向，高精度預(yù)測數(shù)秒至數(shù)十秒后的震動狀態(tài)，還可以根據(jù)斷層破裂進(jìn)展來調(diào)整震動轉(zhuǎn)變，可以預(yù)測每個周期的長周期地震動，并以平面分布和推移方式傳達(dá)地震動預(yù)測信息。因此建議^[2]JMA為未來發(fā)展做技術(shù)準(zhǔn)備，從技術(shù)和需求兩個角度不斷審視相適應(yīng)的信息形態(tài)，以應(yīng)對發(fā)展帶來的傳輸數(shù)據(jù)增長、終端設(shè)備多樣化、人工智能模型應(yīng)用等挑戰(zhàn)。

5 "總結(jié)

日本緊急地震速報業(yè)務(wù)規(guī)定比較成熟，地震動預(yù)報、地震動警報等名稱概念清晰，定義明確，但JMA在信息發(fā)布中沿用歷史習(xí)慣使用緊急地震速報（預(yù)報）和緊急地震速報（警報）的名稱，讓人難以區(qū)分，導(dǎo)致目前日本公眾對這兩類信息區(qū)別的正確認(rèn)知率很低。我國國家地震烈度速報和預(yù)警工程已經(jīng)建成，地震預(yù)警業(yè)務(wù)法規(guī)剛剛起步，在相關(guān)法規(guī)修訂中應(yīng)該吸取日本這方面的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。截止目前，日本地震動預(yù)報持證運(yùn)營發(fā)展緩慢，并沒有取得大的進(jìn)展，有必要繼續(xù)關(guān)注后續(xù)日本實(shí)踐情況，為我國地震預(yù)警信息發(fā)布傳播拓展提供思路。另外，日本地震預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)在長周期地震動預(yù)測和發(fā)布、地震動預(yù)測高估技術(shù)解決方案、不依賴震源震級估計的地面震動預(yù)測等方面的進(jìn)展，也值得參考。

1 指JMA震度。1996年起，日本開始單純依據(jù)震度計觀測發(fā)布震度報告，并把原0～7級震度表擴(kuò)展成10級（0～4、5弱、5強(qiáng)、6弱、6強(qiáng)、7）^[5]

2 根據(jù)JMA定義，地震動預(yù)測準(zhǔn)確率為一次緊急地震速報中，預(yù)測震度或觀測震度4以上區(qū)域中，預(yù)測震度和觀測震度誤差在1級以內(nèi)的區(qū)域占總區(qū)域數(shù)量的比例

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The development history and latest progress of Japan’s earthquake early warning business regulations and technical systems

Zhu Lin， Lian Weiping^*， Li Yumei， Chen Hongbo

Development Research Center of China Earthquake Administration， Beijing 100036， China

[Abstract] """"The regulations and technical systems for earthquake early warning in Japan have been continuously updated and developed in recent years. Starting from February 1， 2023， long-term earthquake motion prediction information was officially included in the Japan earthquake warning release. Since 2015， the underwater observation network has been integrated into the early warning system， effectively shortening the time for the first warning of earthquakes occurring along the coast of the Japan Trench. In 2018， the PLUM method was introduced to enable the system to make earthquake motion predictions even when traditional methods fail. At present， efforts are focused on solving the problem of frequent occurrence of excessive earthquake motion prediction. The Japan Meteorological Agency has introduced the integrated IPF method by the end of 2023 to reduce the rate of excessive earthquake motion prediction. The problems encountered in the current development of earthquake early warning technology and applications in Japan， as well as the envisioned future key development directions， provide useful references for the development of earthquake early warning in China.

[Keywords] Japan earthquake warning; technical improvements; evaluation