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从研究到应用:我国地震预警技术的发展

发布时间:2020-10-12 20:56:47 来源: 访问次数:337 字号:[ ] 视力保护色:

金星(中国地震局厦门海洋地震研究所研究员)

马强(中国地震局工程力学研究所研究员)

  2019年4月18日13时01分,台湾地区花莲发生6.7级地震,在地震横波到达福建沿海城市51秒前,位于晋江的众多地震预警接收终端就接收到了地震发生的信息及地震可能造成的影响。

  2019年12月18日08时14分,四川省内江市资中县发生5.2级地震,四川省地震预警系统在震后8秒就发出预警信息,此时,破坏性的地震横波刚传播出不到30千米。

2019年4月18日台湾地区花莲6.7级地震地震预警系统处理(第1报)

2019年4月18日台湾地区花莲6.7级地震地震预警系统处理(第2报)

  地震预警,是在地震发生后,依托地震监测等基础设施,依靠现代地震学与信息技术,争分夺秒地与破坏性地震波赛跑并跑在它的前面将警报信息传至用户的技术。当前,用于尽早捕捉地震信号实现地震预警的一张实时地震监测大网正在全国加紧铺开,位于北京的国家台网处理中心和各省市的省级处理中心正在有序建设,地震预警信息发布终端迅速增多,通过手机、电视、广播、新媒体等多种方式和渠道的发布机制正在积极推进。按照地方法规和技术标准,2018年5月12日经福建省政府授权,福建地震预警系统正式对外发布预警信息,目前发布终端已近1.5万台。十年磨一剑,我国的地震预警技术系统正在逐步投入使用。可以预期,它将在减轻地震灾害、服务社会发展等方面发挥越来越重要的作用。

  01  多措并举强化我国地震灾害风险治理

  地震多、强度大、分布广、灾害重是我国的一个基本国情。我国超过58%的大陆国土面积和将近55%的人口处于7度以上的地震高烈度区,平均每年由地震造成的直接经济损失占各种自然灾害直接经济损失的16.5%。同时,随着我国经济快速发展和城市化进程加快,核电站、大型水坝等重大基础设施不断涌现,高速铁路、供油供气长输管线、城市管网等生命线工程日趋密集、复杂,许多城市的重大基础设施和生命线工程都面临着强地震威胁。一旦遭遇强烈地震,不仅危及工程本身的安全,造成经济损失和人员伤亡,还可能造成极为严重的次生灾害和难以估量的间接经济损失,影响国民经济可持续发展和社会稳定。我国的震情、灾情客观决定了需要发展减轻灾害风险的多种措施和手段,在加强地震预测预报研究、强化抗震设防管理的同时,也急需齐头并进发展新技术来进一步减轻地震灾害损失,这也是提高地震灾害风险治理的客观要求。

  02  地震预警是减轻地震灾害损失的有效手段之一

  地震预警,是在地震发生后,利用震源附近密集的各类地震观测站点检测到的地震波初期信息,快速估计地震参数并预测地震对周边地区的影响,抢在破坏性地震波到达目标区域之前,发布地震波来袭警报,使公众获取几秒至几十秒逃生避险的宝贵时间,使高铁、危化企业、精密仪器制造等重要工程和设施提早采取地震应急处置措施,进而减轻人员伤亡和社会财产损失。按照国内外的相关研究,对破坏性大震,如有效的产出、接收地震预警信息,并采取有效的紧急避险和紧急处置措施,可减少人员伤亡5成以上。

  地震发生后其能量以地震波的形式向四周传播。在震中一定范围内主要有两种波,一种是纵波,也称P波,其传播速度较快,约为6千米/秒;另一种是横波,也称S波,其传播速度较慢,约为3.5千米/秒。相对于P波,振动幅值更大(约为P波的4~5倍)的S波携带了更多的破坏能量(为P波的几倍到几十倍),也是造成结构剪切破坏的主要因素。假设发生一次地震,震源深度10千米,对距离震中60千米处,S波的传播时间约为17秒,按照正在建设并改造的地震监测台网台站密度较高的地区,在震后10秒内(首台触发后3~5秒),我们即能比较准确地计算相关地震参数(发震时间、地点、震级、震中烈度及预测烈度分布等)并有效发布出去,这样在破坏性S波到来前,则至少有7秒的预警时间,而在距离震中100千米处,其获得的预警时间则至少有19秒。在我们震后10秒处理出地震并发布出去时,破坏性S波已经传播了约33千米,这时以震中为圆心的33千米半径内已无预警时间,即所谓的地震预警“盲区”。从以上分析也可以看出,地震监测台网越密集,处理和发布的速度越快,在某一地点获取的预警时间也越多,其“盲区”半径也就越小;此外,地震越大,其破坏的区域越大,地震预警的效果也就越明显。

P波、S波走时及地震预警时间

  过去20余年间,世界上多个地震频发的国家和地区都已建立起多个针对特定工程、特定城市,以及更大区域的地震预警系统,并在实际运行中取得了显著的减灾实效。如墨西哥在1993年投入使用的专门针对墨西哥城提供远场大震预警的地震警报系统(SAS)和2003年投入使用的瓦哈卡地震警报系统(SASO),2007年10月起正式为全国民众提供紧急地震信息服务的日本地震预警系统,目前正在线测试运行的美国加州地震预警系统、土耳其伊斯坦布尔地震预警系统、罗马尼亚布加勒斯特地震预警系统、意大利地震预警系统,以及我国台湾地区的地震预警系统等。

  03  地震预警技术的研发和系统试验

  实时地震学、地震工程学和信息技术的快速发展极大地促进了全球实时地震减灾的广泛应用,地震预警是其重要应用之一。地震预警技术系统的建立,把传统的地震监测从间接减灾推进到直接实时减灾,也让社会和民众最真切地感受到现代地震科学技术在应对地震灾害时所提供的最重要、最直接的帮助。

  基于地震观测台网的地震预警的核心技术是如何在破坏性大震震源破裂已经开始但还未结束前估计地震规模的大小,其核心技术方法是如何利用近震源少量台站的地震初期震动信息快速判定地震,确定地震位置和地震大小并预测其影响程度和范围,其难点是既要保证处理和发布的足够“快”又要做到处理结果和发布范围足够“准”。

  在前期研究的基础上,2009年12月,国家科技支撑攻关计划“地震预警与烈度速报系统的研究与示范应用”获科技部批复立项,标志着我国的地震预警应用进入了系统化研究和示范性应用阶段。该项目聚焦地震预警关键技术、原型软件、示范应用和部分标准建设,从科研上解决了地震事件自动判定、地震实时持续定位、震级实时估计、烈度实时测定等关键技术和实用方法等问题,研发了地震预警系统、地震基本参数自动测定、烈度速报系统、大震破裂特征快速测定与大震烈度速报软件原型,并在福建省和首都圈地区实现在线示范运行。

  在国家及中国地震局相关建设项目的支持下,我国又相继在首都圈、福建沿海、甘肃兰州、粤东、川滇交界等地区开展了一系列试验和示范,进一步扩展处理技术、完善软件系统并制订技术规范,进一步试验测震仪、强震动仪和地震烈度仪等多观测资源融合预警方案,研发信息发布平台和信息接收终端,形成并打通了监测站点、数据传输、数据处理、信息发布、信息接收和应急处置的地震预警全链条,具备了全面铺开的软硬件条件。以福建为例,2012年9月福建地震预警系统开始在线示范运行;2016年1月,地震预警信息发布系统开始正式试运行;至2020年8月,4年多来触发的地震事件达600余个,依据发布标准,自2018年5月以来向社会公众发布地震预警事件8个。此外,地震预警信息对重大工程的服务也在有序开展,如,高速铁路已建设覆盖铁路线路总长度约1.3万千米的地震监测站点,整体覆盖率已近40%,除自身的监测与本地地震报警外,接入全国性地震预警信息的工作也在进行中。

  04  国家地震烈度速报与预警工程已经全面开展建设

  2015年6月,国家地震烈度速报与预警工程项目建议书经国务院常务会议通过后获批,2017年2月,项目可研报告获国家发展与改革委批复。工程于2018年正式启动实施,拟利用5年左右时间在华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段及西藏拉萨等重点区建设由基准站、基本站和一般站构成,台站间距在10~15千米左右,总台站数超过1.5万台的高密度综合地震观测网络,建设台站观测系统、通信网络系统、数据处理系统、紧急地震信息服务系统及技术支持与保障系统。根据破坏性大震发生的不同情况,在重点区震后5~10秒,具备原地报警、灾害性地震预警、警戒性地震预警和远震大震预警能力。

  我国新一代技术系统特点为多网融合的高密度地震观测台网;支撑运维保障的实时监控系统,高可靠的地震预警与烈度速报自动化处理系统;丰富的地震应急信息的产出和多渠道多途径的紧急地震信息发布系统,同时满足地震预警、地震参数速报、烈度速报和地震科学研究等多方面的需要。项目完成后,由地震部门经政府授权发布预警信息,通过广播、电视、互联网、移动通信、专用接收终端等方式向政府部门、社会公众和专业用户等提供不同类型的地震预警信息服务。

  按照“边建设边服务”的工程建设原则,四川、云南等作为工程建设的“先行先试”省份,部分地区已具备提供地震预警信息服务的能力。2019年至2020年7月,四川省内共发生M5.0以上地震10次,地震预警系统均有效处理。2019年6月17日四川长宁发生6.0级地震,震后11.2秒即较好地产出了第一报地震预警信息。2019年9月8日四川威远发生5.4级地震,震后7.9秒产出第一次地震预警结果。先期布设的地震预警接收终端也有效接收并提供服务。

  05  地震预警发布既需要全社会的共同参与,也需要有效的社会管理

  在地震预警技术问题逐步得到解决的前提下,其社会属性越来越突出,其减灾效果的充分发挥需要全社会的共同参与。地震预警作为国家和社会公共安全的重要信息,具有高度的社会敏感性和极短的应急时效性。地震预警信息一旦发布,留给人们的反应和应对时间只有几秒到几十秒,这将使民众和社会自行转入应急状态,如果处理不当,则可能造成不必要的人员伤亡和经济损失。因此,必须通过建立健全相关的技术标准和法律制度,建立政府主导、社会参与的权威信息发布机制,统筹利用广电媒体、互联网、应急广播和专用终端等各种手段提高信息发布的时效性和覆盖面,并通过加强科普宣传和应急演练积极引导社会和民众正确应用地震预警信息,建立地震紧急处置体制,掌握科学避险技能,最大限度地发挥减灾效益。在相关法律和技术标准中,对地震预警信息的发布主体、触发条件以及预警信息内容、发布对象、社会协同、法律责任等问题做出规范,保障地震预警信息发布应发尽发、有章可循、快速有效、准确可靠、科学合理。

国际减灾日专题:http://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/zyzt/gjjzr/index.html

(责任编辑:雷蕾)

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