地震预警(EEW)被用来描述实时地震信息系统在大地震来临之前提供警告的能力,目标是通过相应决策让人们能够在多种环境中保护自己,并减轻与地震相关的次生灾害。地震预警概念在电子通讯时代就已产生,由Cooper博士在1868年首先提出,是指利用地震波从震中到预警区域的传播时间差赢得逃生活动的时间。而必要的监测设备和计算方法在最近20年才被开发出来,特别是在最近10年,随着地震观测网络扩展与整合的影响以及预警算法的发展,地震预警有了快速发展和规划,人们越来越希望通过地震部门降低由地震带来的危险。
地震预警(EEW)或实时地震预警系统是指,几秒内检测到临近区域可能发生的强烈地震后,对本地提供预警信息的系统。作为一种新型地震减灾手段,地震预警系统受到越来越多的重视,世界上很多国家和地区先后建立自己的地震预警系统,并在防震减灾的实际应用中取得显著实效,如:墨西哥地震预警系统(Espinosa-Aranda et al,1995;Espinosa-Aranda et al,2009)、日本地震预警系统、中国台湾地震预警系统(Wu and Teng, 2002;Hsiao et al,2009)、土耳其地震预警系统(Erdik et al,2003;Alcik et al,2009;Fleming et al,2009)、罗马尼亚地震预警系统(Wenzel et al,1999;Ionescu et al,2007)、美国地震预警系统(Allen and Kanamori, 2003;Wu et al,2007;Bose et al,2008;Allen et al,2009)、意大利地震预警系统(Zollo et al,2007, 2009)和中国地震预警系统(Peng et al,2011)。
日本、墨西哥等国成功的地震预警技术和经验,为我们提出防灾减灾新的思路,使我国更科学合理地利用现有地震监测台网资源变为可能。在我国地震预警系统建设过程中,通过借鉴这些成熟的方法和经验,可以有效提高地震预警系统的可靠性和稳定性。日本为世界上最早应用地震预警的国家之一,在实时地震预警的过程中,有很多先进的技术和管理经验值得学习。研究日本地震预警系统的发展以及推广并应用地震预警,可以为我国地震预警系统的建设提供参考。
1 日本新干线EEW系统图 1显示了日本铁路地震灾害预防系统的研究和发展历史。在20世纪60年代末期,日本铁路系统在铁路沿线安装地震传感器,当地震烈度超过设定阈值后将自动关闭列车上的电源。东海道新干线开始运行时就开发了第1套列车自动控制系统。在该系统中,新开发的机械报警地震仪被安装在东北新干线的变电所内(每个变电站大约20 km间隔),当地震仪获取的加速度峰值超过标准阈值时(一般为40 cm/s2),从变电站到铁路沿线的电力供应将自动断开,列车的紧急刹车装置同时自动启动。这种使用传感器报警的方法,只有在地面已经发生剧烈震动时才能提供预警。若大地震远离陆地发生,因地震波传播到铁路沿线距离较远,而随着日本东海岸观测仪器的部署,就可以获得更多的预警时间(Nakamura,1984)。预警系统均利用前端探测概念,依托于网络环境建立,可以为异地提供预警服务。
在20世纪70年代中后期,东北新干线需要新的地震预警系统,以预防日本东部地区太平洋海岸频发的大地震。在该系统中,传感器被安装在海岸线靠近目标地震的震中附近。一旦海岸线附近的传感器探测到地震,预警系统立刻把预警信息传送到内陆地区的东北新干线,在强震动到达前即可实现列控断电操作。此为第一个地震预警系统,当时被命名为海岸地震观测系统,预警信息判断通过识别强震动的S波信息来完成。新型震动传感器记录的地震最大加速度峰值同时被传送到新干线沿线变电站,使得铁路沿线的列控断电判断效率进一步提高。
随着日本新干线列车提速和紧急地震探测和预警系统(UrEDAS)的需求,铁路技术研究院(RTTI)开发出更快速的预警判断系统。UrEDAS系统根据单个观测点的P波前几秒数据估计震中位置和震级大小,并评估强震波及范围(Nakamura,1988)。此外,精简版UrEDAS系统于1995年兵库县南部地震以后开发,通过简化UrEDAS功能,缩短地震预警判断时间。UrEDAS和简化版UrEDAS在新干线沿线大约90个地点运行。
1.1 UrEDAS(紧急地震探测和预警系统)UrEDAS是现场特别警告(Nakamura,1988)在地震预警系统广义概念的起源。UrEDAS使用P波记录前3 s数据估算震源参数,其中固有频率用来估算震级、P波幅度和震级用来估算震中距、粒子运动用来估算方位角及震源深度。以上估算结果均依托于一个三方向传感器准确测量的数据。震源数据点用来描述一个触发预定义标准的现场警报器。现场UrEDAS系统1992年开始沿新干线布设工作,并在1995年神户大地震后推广使用。
UrEDAS系统基于地震发生后立即给出的M—Δ关系图来确认报警,这种新的报警方法叫做M—Δ报警。与现有自动地震观测系统不同,UrEDAS无需传输实时观测波形到远程数据处理中心,而是使用P波和S波实时采样幅值数据计算参数,如:后向角、预警震级下的固有频率、垂直水平比,依托于实时数据处理而无需存储波形数据,支持基于地震参数详细信息的重启操作。这套相对简单的预警系统像滤波一样不间断地进行数据处理,而不管地震是否发生,所以程序处理的数据量不会因为地震发生而增加。
1.2 简化版UrEDAS1995年神户大地震激励了日本地震科研人员,于1998年开发出一套速度更快的预警产品(简化版UrEDAS),可在铁路和地铁系统运行。简化版UrEDAS仅使用P波记录前1 s数据的简单原则提供快速报警(Nakamura and Saita, 2007b)。2004年日本新泻发生6.6级破坏性地震,正值新干线白天运行时间,4列火车正在震中地区行驶,其中1列火车脱轨。地震发生后2.9 s列车脱轨,此时P波传播到简化版UrEDAS系统,1 s后系统确认报警,自动切断列车供电电源并刹车。列车操作员看到简化版UrEDAS系统预警,随后手动刹车。系统报警2.5 s后S波到达列车,1 s后强烈震动开始(Nakamura and Saita, 2007b)。
1.3 FREQL(快速仪器反应防止地震荷载)FREQL系统集成了UrEDAS系统功能,也就是说,FREQL能够在P波到达后1 s内估算震源参数(比UrEDAS速度快),并可在0.2—1 s内判断地震动危险性。P波到达后,FREQL系统比简化版UrEDAS计算速度快,具输出的预警信息是基于加速度和RI(实时烈度地震)计算出来的。
FREQL系统比较容易安装,由传感器、A/D转化器、放大器、CPU等组成的地震仪被放置在一个5英寸电绝缘铝压铸盒子中,安装在构筑物上的FREQL系统可以当做一个复杂的噪声试验系统。
FREQL系统具有忽略雷电噪声影响检识小震动P波功能,解决了普通地震预警的已知问题,朝着地震预警的新方向发展。日本消防局超级救援队经常在余震风险下开展救援服务,虽然营救效果惊人,但危险系数较大。在2004年新潟地震灾区营救行动以后,基于FREQL系统的便携性和有效性,日本消防局建议采用该系统做为营救行动的支撑系统,以随时关注快速准确的警报信息。日本消防局的FREQL系统由FREQL主体、可支撑3小时的不间断电源设备、中心监视系统和可便携警报设备(具有105 dB以上声音和旋转光的警报器)构成。日本消防局于2005年春天安装FREQL设备,至2007年已参与3次超级救援队行动。在2005年巴基斯坦地震救援行动中,FREQL系统给出了正确的救援指导。
现在很多便携式FREQL系统安装在日本当地消防站内,而固定式FREQL系统在日本更多领域应用,如地铁、核电站、高层建筑和半导体设施等。
2 日本分区域预警 2.1 观测网络从历史发展来说,地震观测网络把连续的实时数据回传至网络处理中心,通过自动处理用以检测、评估并发布地震。日本现运行地震预警系统采用JMA(日本气象局)基于网络化的地震仪报警概念方法(Kamigaichi et al,2009)。JMA系统在日本全境以20 km为台间距布设大约1 000套地震观测仪器,其中200个台站由JMA负责运行,800个台站由NIED(国家防灾科学技术研究所)负责运行,由JMA(Hoshiba et al,2008)和NIED(Nakamura et al,2009)共同负责集成方法研发。当单独一个台站观测到超过100 cm/s2的地面加速度振动后,报警器即被触发(网络化地震仪报警方法)。
2.2 震源参数和震级确定2007年10月,JMA负责的EEW系统在日本境内运行,该系统使用JAM网络和Hi-net网络大约1 100个地震观测台站数据记录,震源参数需经多种算法计算才能确定(Hoshiba et al,2008)。
地震发生后,震源参数可通过单台或多台P波检测方法确定。利用单台P波检测方法确定震中位置,采用波形起振斜率计算震中距,通过椭圆形粒子运动拟合方法确定方位角(Odaka et al,2003)。当1个或2个台站检测到P波振动,而其他台站未被触发,则可确定该地震的危险性区域(Horiuchi et al,2005),危险区域的中心被认为是震中,震源深度固定为10 km。一旦3个或3个以上台站被触发,通过网格搜索优化震源位置,最大程度地减少与使用P波到达时间方法计算结果之间的不适配(Kamigaichi,2004)。
使用P波幅值和震级之间的比例关系估计震级,修正震源深度。连续检测三方向波形数据的向量总和,随幅值增加而更新估算震级。一旦S波到达,则有一个新的比例关系被使用。给出震源位置和震级、地面运动峰值加速度,通过估算基岩峰值速度分布而得到基岩峰值速度,利用场地放大因子,将峰值速度转换为JAM仪器烈度(Kamigaichi,2004)。美国ShakeMaps(震动图)也采用了同样方法。
3 日本地震预警信息发布通过实时传输计算后的地震震级、震中位置、地震烈度到EPOS(日本气象厅地震观测系统)后由系统决定是否对外发布预警信息。由于地震动引起的S波平均传播速度为2—5 km/s,而电信号传播速度接近光速,这就保证了基于电信号传播的预警信息在强地面震动到达居民区前已经送达,使人们获得更多逃生时间变为可能。
为了能够对外发布更有针对性的预警信息,JMA把日本分成188个预警区域。通过安装在每个预警区域内的10台烈度仪(预警点)速报的最大烈度值来确定该区域地震烈度。JMA利用这些地震烈度预警值对外发布2种类型的地震预警信息,即高级预警信息和地震警报。
3.1 高级预警(向高级用户发布)高级预警信息的确认条件为,至少一个地震烈度台站监测到大于等于Ⅲ度的地震烈度或预估到大于等于3.5级的地震震级(Hoshiba et al,2011;Matsumura,2011)。向高级用户发布的预警信息包含地震的起始破裂时间、预估震级和该地区预估地震烈度。如果预估地震烈度超过Ⅳ度,预警信息还会包含受影响地区的名字、各地区对应的预估烈度以及S波到达时间。随着数据的增多,JMA将准确性不断增加的预警信息连续发送出去。通常,JMA在一次地震探测后的最初60 s内需确认5—10次报警信息。若第1次预警后10 s内无第2个台站被触发,则对外发布取消预警的信息(Kamigaichi et al,2009)。
预警信息对外发布的高级用户包括重要场所、构筑物、建筑物、公用设施等。同时,为了提高预警信息的紧急处置能力,JAM与高级用户签订合同后还需对用户进行系统的技术培训。结合JMA发布的预警信息,高级用户终端还具有自动计算本地震中距和震级的功能,通过利用本地和远程终端的计算结果来增加预警的准确性,减少由于误报而造成损失。截至2009年,已有超过52个国家204个铁路公司安装地震预警接收终端,以便地震发生时列车能够提前降速(Kamigaichi et al,2009)。
由于EEW系统在断层破裂早期就探测到地震,所以预警信息的发布在时间和准确性上必须有一个重要的权衡。JMA通过区分高级用户中不同的受众群体,有针对性的对用户发布准确度相对宽松的预警信息。
3.2 公众预警(向公众发布)公众预警信息的确认条件是至少2个地震台站监测到大于等于Ⅴ度的地震烈度(修正的麦卡利烈度为Ⅶ—Ⅷ)。与高级预警信息的发布类似,JMA会在发布第1报预警信息以后60 s内向公众发布及时更新的预警信息。通常第1报预警信息只包含地震烈度大于等于Ⅲ度的地区,而连续的预警信息会随着震中位置、预测震级和预测地震烈度大于等于Ⅳ度的地区而更新。然而不同于高级预警信息的发布,对公众的预警信息并不会因为当地监测到地震烈度小于Ⅴ度而被取消(Hoshiba et al,2011),以避免后续预测地震烈度再增大而造成混乱。
JMA通过多种途径对公众快速发布预警信息,如:户外扩音喇叭、电视、广播网络、手机广播等。截至2005年,在日本70%的城市已经在建筑物的顶层、大街和官方的公务用车上安装扩音系统。NHK(日本放送协会,也就是日本广播公司),是日本国家公共广播机构,负责运行2套地面电视服务、2套卫星电视服务和3套网络广播。根据气象服务法案(Act No.115,2007),按照法律要求,NHK要通过这些网络广播紧急通知,也包括地震预警。这些预警信息通过文字和声音的方式以5种语言(日语、英语、韩语、汉语和葡萄牙语)对外广播。除NHK以外,日本127家电视公司中的122家、100家调幅广播公司的59家、53家调频广播公司的25家也负责广播这些预警信息(Kamigaichi,2009)。截至2009年3月,对城市提供预警服务的J-Alert系统接收终端已在1 851个城市的226个城市中安装;102个城市使用公众扩音喇叭系统发布EEW系统的预警信息。2个电话公司对其用户提供免费预警信息,据估计有2 100万人能够在手机端接收到预警信息(Kamigaichi et al,2009)。因为日本是世界上老龄化程度严重的国家,为确保所有人均能接收到预警信息,传统通讯方式必须保留。
然而,这些预警信息通过传统方式对外进行发布却有其局限性。通常,电视网路和广播网络的覆盖范围有限,且设备(电视、收音机)只有保持开机状态才能收到信息,在夜间设备处于关状态,这种问题最为突出。JMA为了解决以上缺点使用SMS-CB(手机短消息广播)方法向公众推送预警信息。SMS-CB是在特定区域内一对多的短信服务,能够向分布在蜂窝内的全部移动设备同时发送1条多文字预警信息。1个手机信号塔覆盖运行1个蜂窝,而且要求手机信号塔和手持设备均具有蜂窝广播功能。为了保证预警信息的发布和接收,手机运营商在信号塔和手机上默认开启SMS-CB功能,用户手机必须也开启手机广播功能。从保护公众隐私的角度出发,手机运营商可以直接通过手机的定位信息精准的对受到地震影响地所有用户进行预警信息推送。
3.3 定制预警(向定制用户发布)除公众预警信息以外,一个更大范围的用户需要把接收的预警信息加入自动控制和反应系统。由于JMA本身并不对外提供定制场地的预警服务,但私人服务商可以经JMA确认后对外提供服务。定制服务范围从简单提供特殊场地的预测烈度和预警时间到包含融合本地烈度值后复杂的场地预警。
截至2008年9月,54家经JMA认证的私人服务商向204家铁路公司中的52家(这些公司大多已安装自己的EEW系统)、工厂和结构场地、复合公寓、学校、购物中心和学校等提供私人服务(Kamigaichi et al,2009)。工程场地和建筑公司利用定制预警服务,在增强建筑物抗震性能的同时,保护建筑工人的生命。鹿岛建筑公司在其办公楼内使用定制预警系统,为保证工作人员安全,警报确认以后电梯会自动停靠在最近楼层,并自动打开灯光和百叶窗;清水公司对其办公室和结构场地提供定制预警服务,地震来临前提醒人们快速离开或远离危险地点。另外,清水公司对顾客提供很多关于建筑施工后的定制预警服务,客户涵盖银行、旅馆和半导体制造商。
4 结论最近10年,EEW系统在全球关于预警方法和实施方面均有快速发展。公众对地震工程领域中EEW技术的关注度持续增长,成熟的EEW技术实用化相应增加。日本已具备覆盖全国范围的公众预警系统,墨西哥也扩展了预警系统的应用范围,中国台湾、土耳其和罗马尼亚也已经对用户开始提供预警服务。随着预警技术地持续发展和改进,意大利EEW预警系统的实时测试已在多种地震网络中进行;瑞士、中国、美国加州的实时预警测试系统已经通过方案论证试验。
快速确定地震的大小和位置对于地震预警系统来说较为重要。经过最近10年的发展,地震学界大多数争论集中在P波的时域特征上,提出P波最初几秒的辐射能量能否准确预估地震破裂后的最后震级的问题(Olson et al,2005;Rydelek et al,2006),大量学术文章也提出对利用P波参数估计大震(M>7)会出现震级饱和问题的讨论。目前,EEW系统的运行均基于震源的有限破裂做出分析和判断,对未来预警系统发展而言,实时断层源成像识别技术已成为重要的科学挑战。
5 中国地震预警发展中国是饱受地震灾害的国家之一,20世纪90年代中国地震专家开始开展地震预警相关研究。目前,中国地震预警技术的研究和系统建设已发展到实施阶段,除针对少数重大工程项目建立的地震报警系统[如:核电站地震报警装置(大亚湾核电站、秦山核电站、岭澳核电站)、输油气体管道地震报警系统(冀宁、中缅)、高速铁路地震监控预警系统(京广、京沪、京津、哈大、京石武、福厦、大西)]以外,依托于《国家地震社会服务工程》项目建设首都圈地震预警示范系统。首都圈地震预警示范系统接入首都圈地区130个测震台、80个背景场项目建设的强震台和唐山地区100个烈度仪实时观测数据。以上这些项目的实施,为中国后续地震预警系统建设奠定了坚实的技术基础。
地震预警面临的首要困难是台网建设。“十五”期间,数字地震观测网络项目建设完成由均匀布设在全国的1 014测震台站和非均匀分布在21个地震重点监视防御区的2 019个强震台站组成的地震监测台网,其中强震台网由1 154个自由场台、236个背景场台、310个烈度速报台以及12个各类专业台阵(319台)组成。大部分强震动观测台站由于仍采用无线通讯方式传输数据(部分已采用光纤数据传输),尚不能完成地震预警数据实时处理任务。依托于“十三五”国家地震烈度速报与预警工程,计划5年内建成5 000个融合测震台网和强震台网的实时地震监测台站,实现全国范围的地震烈度速报和覆盖华北地区、南北地震带(涉及川滇甘宁等省区)地区、东南沿海地区和新疆西北部地区的地震预警,中国地震监测能力将得到较大提高。
在中国,推广地震预警离不开相关法律制度,既要明确地震预警的发布条件、发布内容,更要指定发布权限,尽量避免地震预警信息发布后的负面效应。地震预警技术的应用离不开国家政策的实施和社会的支持,只有公众充分认识到地震预警技术的局限性,提高对预警“盲区”的认知,才能在最大程度上减小由于预警信息的“误报”和“漏报”而造成的社会风险。中国地震预警技术在未来的发展道路上会遇到诸多难题,预警系统的投入和产出也不会立竿见影,对政府和公众提供可靠的地震预警服务还有很长的路要走,任重而道远。
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