今年的5月12日是第13個(gè)全國防災(zāi)減災(zāi)日，主題是“防范化解災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，筑牢安全發(fā)展基礎(chǔ)”。5月8日至5月14日是防災(zāi)減災(zāi)宣傳周，希望大家增強(qiáng)防災(zāi)減災(zāi)的意識(shí)和能力。

地震預(yù)警，如何實(shí)現(xiàn)？地下巖石的突然錯(cuò)動(dòng)，引起地震，其能量以地震波的形式往四面八方傳播。巖石的破裂面越大，地震震級(jí)越大；距離地震震中越近，地震動(dòng)越劇烈。劇烈的地震動(dòng)，造成山崩地陷、房倒屋塌和人員傷亡。我們無法阻止地震的發(fā)生，但面對(duì)地震災(zāi)害，人類不會(huì)坐以待斃，我們?cè)诓粩嗾J(rèn)識(shí)地震、防御地震，最大限度地減輕其給人類社會(huì)帶來的影響和損失。目前，科技的發(fā)展尚不能在地震發(fā)生前準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)其發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和大小，但我們能否在地震發(fā)生后，搶跑在破壞性地震波之前并打聲招呼？

什么是地震預(yù)警？

地震發(fā)生時(shí)，地球內(nèi)部產(chǎn)生兩種體波，一種是P波（壓縮波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)和傳播方向一致），其到來時(shí)人的感覺接近于上下晃動(dòng)；另一種是S波（剪切波，質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向和傳播方向垂直），其到來時(shí)人的感覺接近于水平晃動(dòng)。P波跑得快，每秒傳播約6千米，S波跑得慢，每秒傳播約3.5千米。S波振動(dòng)幅值更大，攜帶的能量是P波的幾倍到幾十倍，其水平向剪切作用是造成結(jié)構(gòu)破壞的重要因素。

圖1 某5.8級(jí)地震強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)記錄到的南北向地震動(dòng)記錄（震中距60千米，震源深度10千米，P波傳到約10秒，S波傳到約17.5秒，S波和P波到時(shí)差為7.5秒。其S波幅值約為P波的5倍，能量約為P波的25倍）

如果我們能在地震發(fā)生后，搶在攜帶更多能量的S波到達(dá)前，甚至P波到達(dá)前若干秒，以警報(bào)的形式告知地震動(dòng)的可能大小或潛在破壞，則公眾可獲取緊急逃生避險(xiǎn)時(shí)間，而高鐵、?；髽I(yè)、醫(yī)院手術(shù)室等則可提早采取地震應(yīng)急處置措施，進(jìn)而減少人員傷亡和社會(huì)財(cái)產(chǎn)損失。這就是我們所說的地震預(yù)警。

圖2 地震預(yù)警信息的應(yīng)用

以2008年汶川特大地震為例，如圖3，在地震發(fā)生之后，以現(xiàn)有臺(tái)網(wǎng)密度，我們能在震后10秒內(nèi)第一次估計(jì)出地震發(fā)生的位置和大小，此時(shí)S波以震中為中心，傳播了約33千米，此區(qū)域S波已經(jīng)到達(dá)，無地震預(yù)警時(shí)間，我們稱之為“預(yù)警盲區(qū)”。而盲區(qū)外的可能破壞地區(qū)能在S波到達(dá)前，甚至在P波到達(dá)前數(shù)秒獲知地震波即將到來的信息，如地震烈度為11度的北川在S波到來前有接近20秒的時(shí)間，地震烈度為10度的青川縣時(shí)間可達(dá)1分鐘，而地震烈度為6度的西安獲取的預(yù)警時(shí)間甚至接近3分鐘。而其他地區(qū)，如武漢、北京、上海等有震感地區(qū)，可在感受到震感數(shù)分鐘前得到地震信息，這將減少地震帶來的恐慌。

圖3 汶川地震S波傳播示意圖

地震預(yù)警系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)？

地震預(yù)警系統(tǒng)為實(shí)時(shí)、全自動(dòng)、高時(shí)效，且24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行處理的技術(shù)系統(tǒng)，其實(shí)現(xiàn)和減災(zāi)效果的發(fā)揮需要高密度的地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)、低時(shí)延的通信網(wǎng)絡(luò)、高可靠的自動(dòng)化處理系統(tǒng)、多渠道的緊急信息發(fā)布系統(tǒng)和有效的緊急避險(xiǎn)及緊急處置措施。其系統(tǒng)組成如圖4所示。

圖4 地震預(yù)警系統(tǒng)組成

地震預(yù)警的技術(shù)難點(diǎn)

地震預(yù)警的核心技術(shù)是利用最接近震源處的少量臺(tái)站的地震初期震動(dòng)信息快速判定地震并測(cè)定地震參數(shù)，進(jìn)而預(yù)測(cè)尚未傳播開來的地震動(dòng)大小、烈度分布、影響范圍和影響程度。其技術(shù)環(huán)節(jié)包括從地震監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的噪聲和干擾中準(zhǔn)確判別地震信號(hào)，實(shí)時(shí)估計(jì)地震發(fā)生的位置和大小，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地震波的傳播和地震烈度場(chǎng)的分布，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)可能的災(zāi)害。其理論和技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在：

所用信息極其有限為達(dá)到地震預(yù)警的高時(shí)效要求，在進(jìn)行地震預(yù)警處理時(shí)，僅能用到近震源有限數(shù)量臺(tái)站的極其有限的記錄波形信息來判別地震、測(cè)定發(fā)生位置并估計(jì)地震大小，進(jìn)而預(yù)測(cè)地震波尚未傳開處的可能地震動(dòng)大小。一般在三個(gè)監(jiān)測(cè)臺(tái)站地震P波到達(dá)并觸發(fā)后開始估計(jì)地震基本參數(shù)，此時(shí)，觸發(fā)臺(tái)站數(shù)量、獲取的波形信息的不完備導(dǎo)致出錯(cuò)的幾率增加，結(jié)果的準(zhǔn)確性降低。

大震的破裂尚未完成地震時(shí)地下巖石的破裂不是瞬間完成的，而是以一定的破裂速度進(jìn)行，一般情況下低于S波波速。以2008年汶川特大地震為例，實(shí)際上其地下破裂面長達(dá)300多千米、寬約40千米，破裂自汶川開始，往東北方向擴(kuò)展，破裂的持續(xù)時(shí)間約為90秒。對(duì)地震預(yù)警來說，我們?cè)谡鸷?0秒估計(jì)地震大小時(shí)，其破裂長度僅為30千米左右，不足最終破裂的十分之一，根據(jù)其傳出的地震波信息，估計(jì)到的地震震級(jí)大約6.5級(jí)左右，這會(huì)造成預(yù)警信息發(fā)布的范圍較實(shí)際破壞范圍小。但需要說明的是，地震預(yù)警的處理是持續(xù)進(jìn)行的，隨著時(shí)間進(jìn)展和觸發(fā)臺(tái)站數(shù)量及記錄長度的增加，其結(jié)果也會(huì)越來越接近真實(shí)值。

實(shí)時(shí)確定地震破裂方式和破裂方向困難依據(jù)現(xiàn)有理論和技術(shù)發(fā)展，目前利用少量臺(tái)站的有限波形信息實(shí)時(shí)可靠地確定大地震的破裂是單側(cè)還是雙側(cè)、破裂具體朝哪個(gè)方向發(fā)展仍然困難，這也會(huì)造成預(yù)測(cè)烈度場(chǎng)與實(shí)際存在偏差。

涉及監(jiān)測(cè)、傳輸、處理和發(fā)布的全自動(dòng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)地震預(yù)警系統(tǒng)是一整套涉及多個(gè)環(huán)節(jié)的復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)，需要監(jiān)測(cè)、傳輸、處理、發(fā)布、接收等各子系統(tǒng)的實(shí)時(shí)、協(xié)調(diào)、可靠運(yùn)行，系統(tǒng)的復(fù)雜性也決定了其實(shí)現(xiàn)的難度。

地震預(yù)警技術(shù)的局限性

地震預(yù)警可以在破壞性地震波到來前提供緊急警報(bào)信息，是減輕地震災(zāi)害的有效手段之一，但其原理和技術(shù)實(shí)現(xiàn)本身也決定了其局限性。原理本身的局限性主要體現(xiàn)在：存在預(yù)警“盲區(qū)”的可能、可供緊急處置的時(shí)間以秒計(jì)、破壞越嚴(yán)重的地區(qū)可提供的預(yù)警時(shí)間越短、提供預(yù)警時(shí)間長的地區(qū)破壞相對(duì)較輕。技術(shù)本身的局限性主要體現(xiàn)在：一是全自動(dòng)實(shí)時(shí)系統(tǒng)存在誤報(bào)和漏報(bào)的風(fēng)險(xiǎn)，二是對(duì)處理中“快”和“準(zhǔn)”的矛盾會(huì)導(dǎo)致超發(fā)布區(qū)和漏發(fā)布區(qū)。隨著監(jiān)測(cè)技術(shù)的提升、監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)密度的提高、處理技術(shù)的發(fā)展，可在一定程度上降低但不可避免其局限性，減輕地震災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)仍然需要多措并舉。

圖5地震預(yù)警技術(shù)的局限性

我國地震預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的進(jìn)展

我國“國家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”建設(shè)于2018年正式啟動(dòng)，擬利用5年左右時(shí)間在華北地區(qū)、南北地震帶、東南沿海、新疆天山中段及西藏拉薩等重點(diǎn)區(qū)形成地震預(yù)警信息服務(wù)能力。按照“邊建設(shè)邊服務(wù)”的原則，四川、云南、河北等作為工程建設(shè)的“先行先試”省份，目前已打通了地震監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布、信息接收的地震預(yù)警系統(tǒng)全鏈條，四川等部分地區(qū)已開始試驗(yàn)性提供地震預(yù)警信息服務(wù)。當(dāng)前，用于盡早捕捉地震波信號(hào)的一張實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)大網(wǎng)建設(shè)已經(jīng)接近尾聲，核心處理軟件經(jīng)過多年的試運(yùn)行已趨于成熟，位于北京的國家數(shù)據(jù)處理中心和全國各省級(jí)處理中心建設(shè)正在有序進(jìn)行，統(tǒng)籌利用廣電媒體、手機(jī)服務(wù)、應(yīng)急廣播和專用終端等手段和渠道的緊急地震信息網(wǎng)絡(luò)正在全面覆蓋，政府主導(dǎo)、社會(huì)參與的信息發(fā)布機(jī)制正在建立，相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和法律制度正在逐步健全，“跑贏地震波，劇烈震動(dòng)來臨前打聲招呼”的秒級(jí)地震預(yù)警服務(wù)目標(biāo)正在實(shí)現(xiàn)，分鐘級(jí)的地震烈度、地震基本參數(shù)、地震動(dòng)參數(shù)、震源參數(shù)、地震災(zāi)害評(píng)估等防震減災(zāi)應(yīng)急服務(wù)產(chǎn)品正在往更精細(xì)發(fā)展?？梢灶A(yù)期，豐富的緊急地震信息服務(wù)產(chǎn)品將在減輕地震災(zāi)害、保障地震安全、服務(wù)社會(huì)發(fā)展等方面發(fā)揮越來越重要的作用。