[科普中国]-512防灾减灾日谈地震预警

日本311地震后地震预警技术进入了公众视野。地震预警是指大地震发生后对地震快速处理发出警报，提醒远处人们在地震波没有到达之前逃生和避险。随着地震科学和技术的发展地震预警技术已经进入实用化阶段，它将在大地震发生后为防灾减灾发挥重要作用。在防灾减灾日我们再谈地震预警问题，目的是使更多的公众了解地震预警知识。

1、地震预警实际是地震警报

地震预警是在汶川地震，特别是日本3.11地震之后被越来越多的人提起。很多人把地震预警和地震预报等同起来，这是因为在汉字里“预”有预先之意，其实这是一个翻译问题。地震预警一词是由英文“Earthquake Early Warning”翻译过来的。日本叫“地震紧急速报”，中文应译为“地震报警或地震警报”，而不应译为“地震预警”。译为“地震预警”很容易和“地震预报”混淆。美国在西海岸新建立的地震预警试验系统称为“Shake Alert”系统，即震动报警系统。广东省地震局开发的“超快地震速报”也比较确切地表达了地震预警的真正含义。尽管我们一再呼吁不要再用“预警”一词，但在国内已经约定俗成，改起来也不容易。因此目前所说的地震预警，就是地震警报！

所谓地震警报，就是在一个地方已经发生了地震，当地的地震监测仪器在测出地震之后发出警报：我这里地震了！由于地震波的传播速度为每秒几公里，相对电磁波的每秒30万公里要慢得多，人们就将地震发生的消息用电磁波手段（电话、广播、电视、网络、手机）迅速地传给远方，在离地震发生比较远的地方人们收到警报时地震波还未到达，这时采取紧急措施逃生和关闭电、气、水等生命线设施，地铁、高铁减速等等，可以减少损失，避免次生灾害。这与防空警报一样，知道敌机已经起飞了，拉响防空警报，提醒人们躲避。

2、地震预警原理

如前所述，地震预警是一种报警技术，是建立在现代地震观测技术和信息技术基础上发展起来的新技术。地震预警技术的主要原理有三种，一是利用地震波传播速度比电磁波慢，在地震发生后发出地震警报，通知远处的人们采取避险措施，英文表述为“Front Warning”，即远方报警。另一种是利用地震波纵波（P波）和横波（S波）之差发出报警，一般认为S波是地震破坏的元凶。由于P 波速度一般约为6 Km/s ，S波速度约为3.5Km/s，S波比P波晚些时间到达，因此在P波到达后发出报警。这种方法只能用于地震震中现场附近报警，称为“On-Site Warning” ，即现场报警或当地报警。还有一种警报，当地震波（一般指破坏力较大的S波）达到一定阈值发出警报，这种警报是大地震警报，作为地震紧急处置时使用，比如关闭水电气的阀门，列车紧急制动等等。

图1地震预警原理示意图

3、怎样进行地震预警

地震预警技术和传统的地震速报处理技术有很大差别。传统的快速测定地震参数主要依靠P波和S波到时差来确定震中距离和位置，得到地震参数至少需要几分钟或更长。地震预警则不同，它需要在地震波到达台站后几秒钟就要确定：（1）是否是地震；（2）是否是大地震；（3）地震的位置或者距离；（4）地震的强度。因此地震预警技术也被称为“秒级处理技术”。目前一般采用P波的前3秒数据，主要依据大小地震的波形频谱及位移峰值不同来进行快速处理（图2）。

地震预警技术从原理上就存在“预警盲区”。如前所述地震预警是在大地震发生后向远处发出大地震警报。从大地震发生到警报的发出是需要时间的，这个时间是地震波从震源到达地震台的时间和地震台收到地震信号判定地震的时间总和。换句话说，地震发生了，并不能立刻拉警报，需要地震台（网）收到地震信号，并且确定是大地震后，才能拉警报。在这段时间地震波照样传播，由于大地震造成的破坏主要是S波，这段时间对应的S波传播的距离，我们称之为盲区。即地震警报到达该地区时地震波已经到达或已经过去。换句话说警报收到时，具有最大破坏力的S波已经扫过该区。

图2 地震震级和地震波频谱的关系

地震预警盲区的形成有两个原因，一是地震是有深度的，一般来说大地震，浅源地震多发生在10-20公里深，地震发生后地震波向各个方向传播，到达地面的地震台站需要时间。二是地震台站接收到地震信号后需要进行处理。图3是一个地震台接收到地震波后最理想的盲区示意图。假设最理想的情况是地震台正好位于大地震发生的上方，在震中位置。如果地震发生在12公里深，地震纵波传到地面地震台约需2秒钟， 地震台收到地震波需要进行判定处理时间，目前最高水平的处理时间需要3秒。那么最快需要5秒中发出地震警报。由于1秒地震纵波（P波）走了6公里，横波（S波）走了将近4公里。发出警报时地震纵波已经走了30公里左右，地震横波也已经走了将近20公里左右，这就是纵波和横波的预警（警报）盲区，或称P波和S波预警（警报）盲区。

图3 单台地震预警理想盲区示意图

实际上预警技术非常复杂，往往不是一个地震台就可以准确判断，它需要一个与传统地震台网不同的高密度地震台网来减小预警盲区，发出警报越快越好。但是地震预警的另外一个技术问题是资料处理越快就误差越大，特别是测定地震强度（烈度和震级）往往会出现较大的误差。因此各国地震预警系统的地震报警均采用连续多报方式进行。例如日本3.11东海9.0级大地震共发出15次警报。目的是即快速发出报警，又在后续的报警中不断修正地震参数，使它越来越准确。目前各国都在技术上寻找解决出路，使预警的第一报更加准确。

大部分预警系统仍然非常重视快速发出报警的第一报，缩小盲区半径，而将地震强度的误差放在次要地位。例如日本对公众的地震警报并不报地震大小，只发地震警报和报告预计S波到达时间，为的是最大限度挽救生命和减少财产损失。发警报的首要前提是必须确定真正是地震发生了，这点在技术上必须予以保证。

4、地震预警是复杂社会工程

地震预警和其它科学工程不同，它是一个复杂的社会工程。它不像其它地震技术工程建成以后就可以发挥效益，地震预警观测网络的技术系统建成后仅仅具有发布地震警报的功能。但是这一点并不能保证产生地震预警的目的和效益。因为地震警报产生效益不仅是取决于技术系统的产出，还要取决于社会的接受程度、获得警报方式、预警对象采取的处置措施是否得当等多方面因素。也就是说，公众和预警接受对象如何得到警报，在得到警报后如何采取逃生避险措施甚至更加重要。

各国面对地震预警的复杂性建立起来的地震预警试验系统有着不同的处理方式。到目前为止，我们看到最多的是技术系统的建立和研究开发，大多是在技术上建立一个地震预警发布警报系统，很少有如何处理社会问题的论述。日本在处理地震预警社会效应封面做的较为完善。他们在地震预警系统建设、地震预警服务和终端设备的市场化、地震预警的立法、地震预警的社会培训与宣传等方面的成果值得借鉴。

地震预警技术是近些年发展起来的新技术。日本和墨西哥等国实践表明，在大地震发生时可以减轻生命财产的损失。目前我国各个部门正在开展地震预警研究和示范，国家地震烈度速报和预警工程已经进入实施阶段，相信随着地震预警技术的进步，它将为挽救人类生命、减轻灾害做出贡献。