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警报,警报!与地震赛跑的地震预警系统

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发表于 2014-8-4 15:16:38 |显示全部楼层
什么是地震预警?

首先我们需要明确一个概念:

地震预警(earthquake early warning),不是地震预测或预报。

地震预警是指在地震发生以后,抢在地震波传播到设防地区前,向设防地区提前几秒至数十秒发出警报,以减小当地的损失。

地震预警系统是指实现地震预警的配套设施。按照系统响应的顺序可包括:地震监测台网、地震参数快速判测系统、警报信息快速发布系统和预警信息接受终端。整套系统的特点是“高度集成、实时监控、飞速响应”,尤其是飞速响应这一点至关重要。因为地震预警系统其实就是在和地震波赛跑,多跑赢一秒,就能多获得一秒的应对时间,用分秒必争来形容最为恰当不过。

地震预警的工作原理

地震的成因是由于地下几公里至数百公里的岩体发生突然破裂和错动。而这些破裂和错动释放的能量又以地震波的形式向四周辐射出去,就像往平静的水面投入一块石头,石头运动的能量会以水波的形式向四周辐射。地震波是一种机械波,具有一定的传播速度,也就是说,当地震发生后,大家不会立刻感觉到地面的震动,而是要等相应的地震波传播到人所在的位置。这个时间差给地震预警留下了时间差的可能。

地震预警系统的工作原理就在于可以探测到地震发生最初时发射出来的无破坏性的地震波(纵波即P-波,primary wave),而破坏性的地震波(横波即S-波,secondary wave)由于传播速度相对较慢则会延后10~30秒到达地表。深入地下的地震探测仪器检测到纵波(P-波)后传给计算机,即刻计算出震级、烈度、震源、震中位,于是预警系统抢先在横波(S-波)到达地面前10~30秒通过电视和广播发出警报。并且,由于电磁波比地震波传播得更快,预警也可能赶在P波之前到达。

当地震发生后,离震中最近的几个预警台站会陆续接收到地震信号,触发地震参数快速判测系统;在收到信号的几秒至十几秒内,快速判测系统将估算出地震的发震时刻,发震位置,震源的类型和震级的大小;然后利用这些参数模拟出相关区域内地面运动的强烈程度;根据模拟的结果,抢在相应地震波以前,向不同地区发出相应的预警信息。

拿汶川地震举例:地震波从震中传到北川县城大概需要25秒。如果预警系统在发震5秒后感受到了地震波,并花了15秒钟打电话告诉北川地区地震波即将来临,那么北川的群众将会获得5秒的应急时间。

地震预警的局限性

预警系统的原理决定了地震预警系统能够提供的应急时间是有上限的。美国虽然没有部署地震预警系统,但相关研究已经开展了很多年,其中包括一个在旧金山湾区进行研究的名为ElarmS的地震预警系统。结果表明,这套ElarmS预警系统,对于不到一半的地震,能够提供10秒以上的预警时间;对于绝大多数地震,能够提供的有效预警时间不超过30秒。在几秒至数十秒的时间内,我们能够采取什么样的措施减少损伤?停止高速列车、从电梯撤离、终止或保护关键仪器和设备、人员撤离到安全地带等等……我们可以做的很多,但是我们不能做的却更多。

此外,预警系统面临一个尴尬的规律:越是地面运动强烈的极震区,能提供预警的时间就越短;对预警系统依赖越弱的地区,能提供的预警时间反而越长。再拿汶川地震举两个极端的例子:离震中不到20公里的映秀镇,处于预警系统的响应盲区,基本没有可能获得提前预警;而距离震中约1500公里的北京,可获得大约3分钟的提前预警,但又几乎没有意义。日本也在其预警系统的宣传手册中提到,如果距离震中太近,预警信息和地震波可能同时到达。

除去这些天生的缺陷,预警系统在关键技术上还没能做到十全十美,尤其是地震参数的快速判定。作为5个部署了地震预警系统的国家地区之一,日本的投入最大,性能也是最好的。然而2008年1月27日,日本时报(The Japan Times)一则标题为“地震预警系统再次失效”的新闻,从一个侧面反映出了地震预警系统的现状。新闻中提到,预警系统对在日本海岸发生的震级为4.7级的地震并未发出预警信息,原因是快速判定的地面运动强度为4级(根据日本烈度表),低于警报阈值5级,而实际的地面运动强度为7级。在6月14日里氏7.2级的地震中,预警系统虽然被即时触发,但预估的震级为5.7级,仍远低于实际的7.2级。

地震参数快速判定,难就难在一个“快”字上。对于一个5-6级的地震,震源的破裂过程会持续几秒至十几秒。而预警系统试图利用前几秒的地震波形,就预估出整个地震的大小,发震的位置,震源的性质,进而得出各个地区地面运动的强烈程度。这一过程类似于盲人摸象,摸出来的结果可靠不可靠,跟盲人的经验就有很大关系了。

是否需要地震预警?

一般来说,开发地震预警系统的地区,有如下特点:

1、地震发生频繁。如日本、台湾、墨西哥和美国加州都位于环太平洋地震带上,地震活动频繁。只有频繁的地震活动才需要频繁的地震预警,来减轻地震造成的损失。如果不能减少一定的损失,那么部署这套昂贵的系统本身就是一笔损失。

2、有较强的经济实力。地震预警系统由于整合度高,对地震台站密度有要求且需要长期不间断运作。地震预警系统的警报终端还需要与相关行业和部门合作开发,如电视台、铁道部门、工厂、医院等等,都需要装备相应的警报终端才能发挥预警系统的功效。因此预警系统的部署成本并不算是低廉,对当地可能有一个长期的经济压力。

3、设防区域小,预警价值高。日本,台湾均为整体设防,因为他们需要防御的总面积偏小,美国的地震预警系统主要也是针对旧金山周边区域。同时,这些防御区域经济相对发达,高科技产业密集,人口密度大,长期预警的经济社会价值可观。

综合上述的情况,对于是否需要地震预警系统,科学界内仍未能形成一致的看法。支持的学者认为这是一个很棒的想法,可以减少地震灾害的损伤;不支持的学者认为这套系统成本高昂、功能有限,前途并不光明。2004年《科学》杂志有文章标题用“打赌”来形容各个国家对于地震预警系统的态度。迄今,我们仍无法看到这个赌局的结果。不过有一件事很确定,日本等国将继续在这个赌局上不断下注。

仍需更多应急培训

为了充分发挥预警系统的功效,需要与之配套的社会工程和应急培训。在日本预警系统的宣传手册中有一部分内容很有意思,它告诉居民在收到预警信号后,最好不要从居民楼和办公楼逃离。这可能与大家的常识相违背。这样的要求一是因为预警系统针对的是普通地震和强震,对于毁灭性的特大地震功效有限;二是日本对本国建筑的抗震性能很有信心;三可以避免由于混乱逃生引起的踩踏伤亡事件。通过这个细节我们可以看出,保证建筑的抗震等级与实际施工质量,以及对设防区的人员进行相应的培训是十分必要的,缺乏必要的宣传和培训,预警系统甚至会带来负面的效果。

部署地震预警系统,是一个整体的社会工程,并不是一个简单的技术问题,需要综合考虑科技因素、经济因素和社会因素。目前,仅有罗马尼亚、土耳其、墨西哥、台湾和日本拥有投入使用的地震预警系统,正在开发预警系统的国家和地区有美国加州、冰岛、瑞士、意大利、希腊、埃及和印度。据2004年《科学》杂志报道,日本2004年花费9000万美元完成的地震预警系统是迄今最为全面的预警系统。

值得注意的是,地震大国同时也是地震研究实力最为强劲的美国,至今仍没有实际运作的地震预警系统,因为有美国学者批评建设此类系统会挤占大量地震学的研究经费,不利于地震学的长期发展。对于中国来说,是否需要建立地震预警系统,以及如何建立这样的系统,仍需要更多研究的支持,以及相关政策的确立。


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发表于 2014-8-4 15:23:15 |显示全部楼层
了解了解还是有好处的~
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