日本地震及海嘯預警服務能力提升

[摘要]" " 近年來為提高防震減災的智能化水平，日本氣象廳不斷完善地震觀測系統的功能和海嘯的智能化預測水平，并且努力提升地震和海嘯預警服務能力。2022年12月開始發布北海道及三陸地區后續地震預警信息，2023年2月開始發布長周期地震動等級的地震預警信息。本文旨在為中國的地震預警系統的研究與建設提供參考和借鑒。

[關鍵詞] 地震活動等綜合觀測系統（EPOS）; 地震海嘯監測系統（ETOS）; 人工智能; 日本

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-041

基金項目： 中國地震局新發展階段防震減災戰略研究防震減災事業發展目標指標研究項目（ZLKT01-06）資助。

1" 地震活動等綜合觀測系統的完善

日本氣象廳作為政府部門的主要職能包括在預防和減輕自然災害、保障交通安全、發展和繁榮工業及改進公共福祉的同時，促進氣象業務的國際合作。除了氣象相關工作之外，日本氣象廳還負責日本地震、火山和海嘯的監測預警等服務。日本氣象廳由總部、6個區域中心和5個直屬機構組成。其中總部是日本氣象廳的管理和業務中心，位于東京千代田區，由廳長、副廳長以及總務部、信息基礎部、地震火山部及氣候海洋部4個部門組成；6個區域中心分別位于札幌、仙臺、東京、大阪、福岡和沖繩（圖1），區域中心下屬50個地方氣象臺和2個氣象站[1]。

近年來，日本氣象廳主持完善的地震活動等綜合觀測系統（Earthquake Phenomena Observation System，EPOS）（圖2），強化了地震預警信息自動發布功能。EPOS系統負責處理日本全境的地震海嘯觀測數據的處理和實時分析，以及向政府各相關部門和媒體提供地震海嘯告警預警信息。通常情況下，氣象廳總部負責全國地震預警信息和南海海溝地震相關信息的發布，同時也處理分析首都圈及名古屋等大城市周邊地區的地殼形變數據的觀察和分析[2]。為避免因大規模自然災害造成供電中斷所導致的系統癱瘓事態發生，氣象廳總部和大阪氣象臺的兩套EPOS系統互為備份，即使在東京或大阪周邊發生大規模地震災害，EPOS系統也可以正常完成地震災害監測及預警信息的發布處理。

氣象廳利用設置在日本各地的地震計和海嘯觀測儀器反饋的實時觀測數據，對地震和海嘯事件進行24小時不間斷的監測。當地震或海嘯等大規模自然災害發生時，立即發布相關災害預警信息。除了日本氣象廳設置的地震海嘯觀測儀器之外，防災科學技術研究所（NIED）以及各地方政府也構建了多個高密度的地震監測網絡，其中強震觀測網（k-net）和高精度地震觀測網（Hi-net）發揮了巨大作用。在日本全境，共設置約4400個強震觀測臺站、約1800個地震監測臺站、約410臺（套）海嘯觀測設備（包含海嘯觀測點、海浪高度計、岸流水壓計等）、以及39個南海海溝形變觀測臺站等（圖3）[3]。這些地震監測網絡通過互聯網與氣象廳EPOS主系統和札幌、大阪、福岡等各區域中心氣象臺，以及大阪氣象臺的EPOS災備系統、沖繩氣象臺的地震海嘯監測系統（Earthquake and Tsunami Observation System，ETOS）連接，從而構成地震觀測數據聯網互備的實時處理機制[4]。

2" 海嘯智能化監測預報的發展

歷史上日本就是一個經常遭受海嘯侵襲的國家，所以日本很早就開始了海嘯的觀測與研究。在20世紀90年代日本陸續在全國范圍內建設了一系列的海洋觀測設施和地震觀測網，為海嘯預警系統的建設奠定了基礎。特別是2004年印度洋海嘯后，日本加速了對海嘯預警系統的技術改進?？梢哉f日本已經擁有了當時世界最先進的海嘯預警系統，但是由于政府在經濟規劃與海嘯評估過程中低估了未來可能遭受到的最大海嘯的規模，導致在2011年東日本大地震中，由于海嘯災害造成了無法挽回的人員傷亡及經濟財產損失。

2011年東日本大地震后，日本政府在認真總結經驗教訓的基礎上，對現行災害管理體制存在的問題進行了多維度審視，提出了一些構建新型災害管理體制的新路徑和新理念。針對海嘯預警工作，日本氣象廳搭建了世界上最大的海嘯傳感器監測網絡，用于監測海底地殼運動。但因為需要大量數據運算和解析處理，數據模型復雜，并且數據實時發生變化，必須使用超級計算機等大規模計算資源才能實現短時間內海嘯預警信息的發布。但是超級計算機的使用資源有限，不可能被海嘯預警系統獨占，因此僅利用圖形工作站等小型計算資源就可以實現快速和準確的海嘯災害預測成為研究的目標。

在最新研究中研究人員按照預先設定海嘯的各種變化模型，使用超級計算機進行海嘯模擬演算，得到沿岸海浪高度的觀測數據和模擬演算結果的關系。他們在圖形工作站上讓人工智能學習了1萬種的海嘯模擬事件，并利用實際海嘯觀測數據對其進行測試，測試結果精度達到了海嘯預警信息發布的要求，預警處理時間也大大縮短。測試結果表明，只要讓人工智能深度學習更多的海嘯模擬事件，即使今后發生人類未曾經歷過的海嘯災害，人工智能也可以準確快速地完成海嘯災害預測，不斷提升防震減災智能化監測預報的能力[5]。

3" 預警能力的提升

日本地震預警系統已經得到廣泛的應用，同時也提升了應對突發地震災害的能力。地震預警技術具有更大的發展潛力，為了不斷提高地震預警信息的精度和信息發布的時效性，2014—2018年由日本氣象廳氣象研究所承擔了地震預警技術的相關研究課題。此項研究利用日本國內部署的高密度地震觀測網數據，致力于開發新的實時地震烈度算法和長周期地震動破壞規模預測的應用技術[6]。

3.1" 長周期地震動等級信息發布

隨著現代化城市的高速發展，城市人口的快速增長和高度密集造成城市土地面積短缺，超高層建筑的數量也隨之增加。由于超高層建筑結構的自振周期較長，對于長周期地震波的長周期成分較敏感，易發生共振而產生非常嚴重的破壞，引起的人員傷亡和財產損失也是巨大的。長周期地震動已經成為超高層建筑抗震設計中越來越重要的考慮因素[7]。

從2013年開始，由日本氣象廳組織的專項課題工作組開展了對長周期地震波的技術研究，利用歷史地震作為參考對象進行震源和震級的預測，希望在地震發生后極短時間內得出長周期地震波強度和周期的預測結果。有了震動的周期和強度，對抗震性能較差的建筑物，可以在劇烈震動發生之前采取相應的應急對策。

2023年2月開始，日本氣象廳發布的地震預警信息中新增了長周期地震動等級信息（圖4）[8]。在近些年的地震學研究中，對于長周期地震動等級的預測手段已經有了顯著提高。以2011年東日本大地震為例，大阪市最大烈度值只有3度（JMA烈度），但是也出現了因長周期地震動造成高層建筑受損的情況，例如人員被困電梯、建筑外裝和內裝破損、防火門因變形無法關閉等情況，帶來了不小的財產損失。

為了統一各類預警警報的發布方式，便于警報接受方進行正確的應急處置，氣象廳決定在預警信息的發布信息中增加長周期地震動等級信息，并且不改變現有的預警信息發布流程，對長周期和短周期地震動也不進行區別處理?？紤]到現階段發布長周期地震動等級預警信息的次數不會太多，一般情況達到長周期地震動等級3級以上的地區，也會滿足烈度3級預警信息發布的條件。建議民眾當接到預警信息時，特別是有震感地區高層建筑內的民眾，應該采取適當的自我防護措施和心理準備。

3.2" 后續地震預警信息發布

2022年12月16日，日本氣象廳啟用了一套新的地震預警系統，主要針對位于日本海溝和千島海溝附近的北海道及三陸地區太平洋沿岸，今后可能發生9級以上大地震的區域所做的準備。后續地震預警系統是一個提醒后續可能會引發更大地震的預警系統，在發生MW7.0以上地震時，后續地震預警信息將告知民眾需要密切注意后續大地震的發生[9]。

1904—2017年期間共觀測到全球MW7.0以上地震共計1477次，震源500 km范圍內連續發生MW7.8以上地震次數如圖5所示[10]。歷史上從房總半島近海開始，途經三陸近海，一直到千島群島的附近海域一直不斷發生MW7.0～9.0的破壞性地震，并且經常伴有巨型海嘯災害的發生?？偨Y歷史地震發現，MW7.0地震發生后，有引發9級以上的超大地震的可能性。例如在2011年3月11日發生東日本大地震的前2天，在日本海溝附近就發生了M7.3地震，2天后再次引發M9.0大地震；1963年10月12日在千島海溝發生M7.0地震，18小時后發生了M8.5地震；2016年4月14日熊本發生M6.5地震，當專家分析研究認為此次M6.5地震為主震的2日后，4月16日又在熊本發生M7.3地震，并且造成了非常嚴重的財產損失和人員傷亡。這種前震主震型的破壞地震發震原因仍待探索，但正是由于可能引發更大規模的破壞性地震，因此需要提前做好應急準備，盡可能將損失降低。在后續地震預警信息發布后，政府不會要求民眾提前避難，也不會進行交通限制和學校停課，會讓民眾在今后一周內隨時為大地震和海嘯做準備，比如提前備好防災用品，穿好隨時可以避難的衣服睡覺，和兒童老人在同一個房間住等等。正常情況下后續地震預警信息會在一周后解除[11]。

4" 建議

（1）當前的地震預警技術還存在著一些不足之處。通過梳理中國國內典型的大規模災害地震，并根據地震發生的類型、地域、震級及破壞情況，建立地震目錄、波形數據、前兆信息、烈度信息等地震預警數據信息庫，通過人工智能技術對海量的數據進行學習訓練總結出預測模型。通過數據量的不斷增加，可以持續改進地震預測模型的準確率，從而提升預警信息的準確性。

（2）進一步加強地震預警系統平臺的建設。日本氣象廳在災害預警方面實現了全程自動化處理，提高了預警信息的發布時效性。地震預警信息的種類從常規地震預警信息的發布，衍生出長周期地震動等級信息及后續地震預警信息的發布，預警信息的精細化程度不斷提高，對我國的地震預警系統今后的發展有重要的參考價值。

（3）日本是世界上首個將地震預警系統實用化的國家，從預警試驗平臺發展到今天，地震預警系統已成為日本民眾生活中不可缺少的一部分。經歷了20年的發展，日本地震預警系統在各方面均處于世界領先地位。密切跟蹤日本氣象廳的發展，對我國地震事業現代化建設和地震預警系統的發展具有借鑒和促進作用。

參考文獻

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Improvement of earthquake and tsunami early warning service capabilities in Japan

Yan Enhui， Long Haiyun*， Zhao Ping， Xu Jiajing， Li Xiaofan， Cui Manfeng

China Earthquake Networks Center， Beijing 100045， China

[Abstract]" " "In recent years， in order to improve the intelligent level of earthquake prevention and disaster reduction， the Japan Meteorological Agency has continuously improved the functions of the earthquake phenomena observation system （EPOS） and the intelligent prediction level of tsunami， and has made efforts to improve the earthquake and tsunami early warning service capabilities. In December 2022， it began to release follow-up earthquake early warning information in Hokkaido and Sanriku regions， and in February 2023， it began to release earthquake early warning information of long-term ground motion levels. This article aims to provide reference for the research and construction of earthquake early warning systems in China.

[Keywords] Earthquake Phenomena Observation System （EPOS）; Earthquake and Tsunami Observation System （ETOS）; AI; Japan