我們可以從日本地震預(yù)警系統(tǒng)中學(xué)到什么？＊

Erika Yamasaki

引言

日本是世界上地震多發(fā)國家之一，其原因在于數(shù)以百計(jì)的活動(dòng)斷裂縱橫交錯(cuò)，分布于整個(gè)國家以及太平洋沿岸大陸和海洋板塊邊界，因此地震時(shí)常發(fā)生。日本已經(jīng)建成了一個(gè)高效的地震預(yù)警系統(tǒng)，能夠讓居民采取預(yù)防措施。即使提前60s發(fā)出預(yù)警信息，也足以在地震造成地震動(dòng)破裂之前，讓司機(jī)把車停在路邊或讓學(xué)生躲到桌子下面。2011年3月11日日本東北9．0級(jí)地震襲擊了日本東海岸，讓全世界目睹了自然災(zāi)害的致命力量［1］。日本最近的地震更加說明了一個(gè)高效和可靠的地震預(yù)警系統(tǒng)的重要性，也暴露了系統(tǒng)急需改進(jìn)的潛在領(lǐng)域。因?yàn)槿毡咎幱诘卣鸺夹g(shù)的前沿，本文將分析日本地震預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并評(píng)估其在最近的東北地震中的運(yùn)行情況。為了理解該技術(shù)如何應(yīng)用于其他地震多發(fā)的國家，本文還將討論日本的文化環(huán)境及其在構(gòu)建一個(gè)成功的預(yù)警系統(tǒng)中的作用。

1 地震預(yù)警系統(tǒng)綜述

日本地震預(yù)警（緊急地震速報(bào)）系統(tǒng)（EEWS）由日本氣象廳（JMA）管理，于2007年10月1日正式運(yùn)行［2］。它是一種前端檢測(cè)型預(yù)警系統(tǒng)，即利用震源附近的地震計(jì)向更遠(yuǎn)的都市區(qū)域發(fā)布地震預(yù)警信息。它分為2個(gè)階段，即地震事件檢測(cè)和預(yù)警信息發(fā)布。為了確定發(fā)生地震的時(shí)間和地點(diǎn)，日本密集的地震臺(tái)網(wǎng)不斷接收地面運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)；然后監(jiān)測(cè)臺(tái)站對(duì)信息進(jìn)行分析，并確定是否有必要發(fā)布地震預(yù)警。如果一個(gè)預(yù)警信息確認(rèn)無誤，那么此地震信息就通過各種媒體如電視、廣播和移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)播放給附近居民。為了減輕地震損失，專門的警報(bào)還發(fā)送給企業(yè)運(yùn)營者和企業(yè)設(shè)施，以便采取必要的對(duì)策，如關(guān)閉危險(xiǎn)設(shè)施或減緩火車速度等［3］。

1．1 地震監(jiān)測(cè)

對(duì)于地震監(jiān)測(cè)，重要的是要理解由地震釋放的2種類型的地震波，即P波和S波。雖然這些波是在同一時(shí)間釋放，但P波能量較小且運(yùn)動(dòng)速度較快，所以早期識(shí)別這些地震波是很關(guān)鍵的，可以最大限度地增加預(yù)警時(shí)間。

（1）P波。P波傳播類似于聲波，通過沿波行進(jìn)的同一方向上的壓縮和擴(kuò)張進(jìn)行傳播。這種縱向運(yùn)動(dòng)在波傳播時(shí)壓縮地球的地殼，但其影響很小甚至不會(huì)造成破壞。這些波傳播的速度為4～7km／s，并能通過氣體、液體和固體，包括熔融地核。由于P波移動(dòng)速度比S波快，因此可在造成更大破壞的S波到來前，用來檢測(cè)地震的到來。

（2）S波。又稱剪切波，是垂直于波行進(jìn)方向的正弦振動(dòng)。大部分的地震破壞是由S波造成的，如建筑毀壞和山體滑坡。與P波不同，S波不能穿過氣體或液體，且運(yùn)動(dòng)速度較慢，約為2～5km／s。一個(gè)有效的地震預(yù)警系統(tǒng)，關(guān)鍵是在S波到來前，能快速檢測(cè)到P波并發(fā)出警報(bào)。

地震儀用于檢測(cè)和區(qū)分這2種類型的地震波。鑒于地震發(fā)生并不局限于日本的某一特定區(qū)域，日本氣象廳在全日本建設(shè)了超過1 000個(gè)地震臺(tái)［4－5］。為了減少因道路交通或建設(shè)等本地活動(dòng)造成的誤報(bào)，當(dāng)一個(gè)地震儀檢測(cè)到P波時(shí)，持續(xù)4s記錄波的頻率和振幅［6］，然后數(shù)據(jù)被傳送到日本氣象廳的地震現(xiàn)象觀測(cè)系統(tǒng)（EPOS），EPOS系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析、估計(jì)地震震中位置（震源正上方地面點(diǎn)）和震級(jí)。一個(gè)成功的預(yù)警系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于在S波到達(dá)之前實(shí)時(shí)確定地震參數(shù)及其危害性。由于這類事件檢測(cè)是在地震已釋放出初始地震波之后才發(fā)出警報(bào)，所以地震預(yù)警系統(tǒng)最有用的區(qū)域至少位于震中100km以外，這一距離折算成預(yù)警時(shí)間約為20～50s。半徑100km以內(nèi)區(qū)域被稱為盲區(qū)。由于盲區(qū)的存在，這套預(yù)警系統(tǒng)需要用當(dāng)?shù)氐牡卣鹗录z測(cè)機(jī)制對(duì)其補(bǔ)充，尤其是在人口密集的城市和在處置危險(xiǎn)機(jī)械或化學(xué)物質(zhì)的工廠附近。這樣，地震事件檢測(cè)不僅依靠日本氣象廳的地震儀，而且也依靠當(dāng)?shù)夭荚O(shè)和運(yùn)行的地震儀，這些地震儀改進(jìn)了地震事件檢測(cè)的精度和可靠性，以達(dá)到減災(zāi)的目的。

除了地震儀外，另一種用于地震監(jiān)測(cè)的重要和必需的工具就是地震烈度計(jì)。地震烈度為地震波強(qiáng)度的度量，表征具體位置的地震動(dòng)程度。因此，日本用于計(jì)算地震震中位置和震級(jí)的地震臺(tái)網(wǎng)，輔以地震烈度計(jì)臺(tái)網(wǎng)，用來預(yù)測(cè)地震影響半徑和在每個(gè)受影響地區(qū)的最大預(yù)期地震烈度。每個(gè)地震烈度計(jì)收集當(dāng)前的地震烈度，以預(yù)測(cè)在地震峰值加速度時(shí)的預(yù)期最大震動(dòng)。因?yàn)榈卣鹆叶仁侵苯优c預(yù)期的損害相關(guān)的，因此這些信息是很重要的，它用于確定是否警告災(zāi)害管理當(dāng)局或是否向公眾發(fā)出警告。此外，地震烈度測(cè)量對(duì)于損失預(yù)測(cè)和自動(dòng)調(diào)動(dòng)應(yīng)急反應(yīng)機(jī)制及減災(zāi)對(duì)策也是很重要的［7］。利用地震儀和地震烈度計(jì)，日本能夠收集足夠的數(shù)據(jù)來快速確定適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。

地震預(yù)警系統(tǒng)收集619個(gè)由日本氣象廳管理的烈度計(jì)和超過3 600個(gè)分別由國立地球科學(xué)和防災(zāi)研究所（777個(gè)）和地方政府（2 842個(gè)）管理的烈度計(jì)。使用日本的“震度”標(biāo)度（類似于在美國使用的Mercalli地震烈度標(biāo)度）測(cè)量收集到的地震烈度數(shù)據(jù)。

日本的“震度”地震烈度等級(jí)：在日本使用10度地震烈度標(biāo)度，以震度（shindo）為單位，范圍從0到7，7為上限。這些震度的測(cè)量是舍入到最近的整數(shù)，但5和6除外，5和6被分成5弱（4．5～4．9），5強(qiáng)（5．0～5．4），6弱（5．5～5．9）和6強(qiáng)（6．0～6．4）。這個(gè)震度標(biāo)度的等級(jí)是描述發(fā)生在一個(gè)具體位置的震動(dòng)程度，它與在地球表面某特定點(diǎn)地面運(yùn)動(dòng)的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間有關(guān)。理解日本的震度標(biāo)度是重要的，因?yàn)榈卣痤A(yù)警系統(tǒng)會(huì)根據(jù)預(yù)測(cè)的地震震度發(fā)布2種不同類型的警報(bào)。

1．2 地震預(yù)警發(fā)布

當(dāng)一個(gè)地震的預(yù)測(cè)震級(jí)、位置和地震烈度確定后，這些數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)傳送到EPOS，由EPOS系統(tǒng)分析決定是否發(fā)布地震預(yù)警信息。地震預(yù)警信息的發(fā)布依賴于地震波傳播速度小于數(shù)據(jù)在通信系統(tǒng)上的傳播速度這一事實(shí)。引起強(qiáng)烈地面震動(dòng)的S波傳播的平均速度約為2～5km／s，而通信系統(tǒng)中電磁信號(hào)的傳輸速度則接近光速。這就可以在更為強(qiáng)烈的地面震動(dòng)到達(dá)前使預(yù)警信息到達(dá)居民那里，給人們額外的準(zhǔn)備時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)更有針對(duì)性的地震預(yù)警信息發(fā)布，日本氣象廳將日本劃分為188個(gè)預(yù)警發(fā)布區(qū)。每個(gè)發(fā)布區(qū)包括數(shù)十個(gè)在當(dāng)?shù)匕惭b有烈度計(jì)的預(yù)報(bào)點(diǎn)（forecast point），用于確定當(dāng)?shù)氐牡卣鹆叶龋?－9］。由于在每個(gè)發(fā)布區(qū)內(nèi)有多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，具有最大烈度預(yù)測(cè)值的預(yù)測(cè)點(diǎn)被用來代表該發(fā)布區(qū)的烈度。基于這些預(yù)測(cè)地震烈度值，日本氣象廳發(fā)布2種類型的地震預(yù)警：地震動(dòng)預(yù)報(bào)（advanced notice forecasts）和地震動(dòng)警報(bào)（earthquake alert warnings）。

1．2．1 地震動(dòng)預(yù)報(bào)（向高級(jí)用戶發(fā)布）

當(dāng)至少1個(gè)地震烈度臺(tái)站檢測(cè)到一個(gè)地震烈度≥3度或1個(gè)地震儀檢測(cè)到1個(gè)震級(jí)≥3．5 級(jí) 地震 時(shí)，發(fā) 布 地 震 動(dòng) 預(yù) 報(bào)［4，10－11］。這種預(yù)報(bào)僅對(duì)專業(yè)用戶發(fā)布，發(fā)布信息包括發(fā)震時(shí)刻、估計(jì)的地震震級(jí)和發(fā)布對(duì)象所在地的預(yù)期地震烈度。如果預(yù)期地震烈度＞4度，發(fā)布信息還包括所有受影響區(qū)域的名字及其預(yù)估地震烈度和 S波到達(dá)時(shí)間［8－9，12－15］。由于這些預(yù)估值的準(zhǔn)確度會(huì)隨著更多的可利用數(shù)據(jù)而提高，日本氣象廳持續(xù)向高端用戶發(fā)布更新的準(zhǔn)確度更高的地震動(dòng)預(yù)報(bào)。平均而言，在檢測(cè)到事件后的最初60s內(nèi)發(fā)布5～10個(gè)報(bào)告。但是，如果在第一次預(yù)報(bào)后的最初10s內(nèi)沒有第二個(gè)地震臺(tái)被觸發(fā)，那么發(fā)布取消公告［7，9，12－15］。

鑒于地震動(dòng)預(yù)報(bào)僅發(fā)布給有限的預(yù)訂用戶，接收者必須有一臺(tái)專門配置的計(jì)算機(jī)終端用于接收信息。地震動(dòng)預(yù)報(bào)的目標(biāo)是那些需要預(yù)警信息以便立即采取預(yù)防措施的專業(yè)用戶，如學(xué)校管理人員、正在從事手術(shù)的外科醫(yī)生等［16］。此外，預(yù)警信息還提供給那些需要預(yù)先自動(dòng)（pre－automated）采取對(duì)策的系統(tǒng)，例如讓高速運(yùn)行列車暫停或剎車，或使數(shù)據(jù)中心存貯極其重要的計(jì)算機(jī)信息［11］。由于這些用戶與日本氣象廳有專門的合同以接收這些信息，日本氣象廳可以對(duì)他們進(jìn)行關(guān)于地震預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)，使他們能夠最有效地使用這些預(yù)警信息。在接收日本氣象廳地震動(dòng)預(yù)報(bào)的同時(shí)，還在每個(gè)用戶終端當(dāng)?shù)赜?jì)算震中距和震級(jí)。使用本地與遠(yuǎn)程系統(tǒng)，可以提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，同時(shí)減少誤報(bào)造成的本不必要而且昂貴的損失。這些高端用戶主要包括鐵路公司、建筑工地、電梯控制設(shè)施、公寓大樓、學(xué)校、醫(yī)院和大型購物中心。到2009年，日本的204個(gè)鐵路公司中已有52個(gè)安裝了地震預(yù)警接收器，以在地震期間預(yù)先自動(dòng)使列車減速。由于地震預(yù)警系統(tǒng)是在地震斷層破裂的早期階段檢測(cè)地震，為了有效地發(fā)布地震警報(bào)，必須在時(shí)間和準(zhǔn)確度兩者中折衷。但是，通過將高端用戶與普通用戶區(qū)別開來，日本氣象廳可以以更為寬松的準(zhǔn)確度限度來發(fā)布地震動(dòng)預(yù)報(bào)，因?yàn)檫@些高端用戶在本地安裝了地震傳感器，并且得到關(guān)于地震預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)及其局限性的培訓(xùn)。

然而，地震動(dòng)預(yù)報(bào)還有改進(jìn)的空間，在地震預(yù)警系統(tǒng)開始運(yùn)行的最初3年期間，日本氣象廳發(fā)布的1 713次地震動(dòng)預(yù)報(bào)中有30次誤報(bào)（誤報(bào)率1．751 3% ）。許多誤報(bào)不僅是由于低估了地震震級(jí)，還由于人為錯(cuò)誤和儀器故障。為此日本氣象廳鼓勵(lì)高端用戶安裝本地地震計(jì)配合日本氣象廳的地震動(dòng)預(yù)報(bào)。例如一家半導(dǎo)體制造商宮城縣沖電器公司在其工廠安裝了P波地震儀，作為對(duì)日本氣象廳地震動(dòng)預(yù)報(bào)的補(bǔ)充。截止2009年底，全日本安裝了650個(gè)當(dāng)?shù)氐卣饍x，其中500個(gè)安裝在學(xué)校［17－18］。這些安裝在當(dāng)?shù)氐牡卣饍x配合日本氣象廳的地震動(dòng)預(yù)報(bào)，在自動(dòng)關(guān)閉運(yùn)行的系統(tǒng)、向其雇員和客戶廣播警報(bào)信息方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。

1．2．2 地震動(dòng)警報(bào)（向公眾發(fā)布）

當(dāng)至少2個(gè)地震臺(tái)檢測(cè)到地震烈度≥5度弱的地震時(shí)，向公眾發(fā)布地震動(dòng)警報(bào)［10］。由于地震動(dòng)警報(bào)是向公眾發(fā)布，因此要求至少2個(gè)地震臺(tái)檢測(cè)到，以避免誤報(bào)。與面向高端用戶的地震動(dòng)預(yù)報(bào)類似，隨著新數(shù)據(jù)的收集，日本氣象廳在第一報(bào)發(fā)布后的60s內(nèi)向公眾發(fā)布更新警報(bào)。第一報(bào)只包括地震烈度≥3度的全部預(yù)警區(qū)的名字。后續(xù)警報(bào)包括震中位置、估計(jì)震級(jí)和烈度≥4度的全部預(yù)警區(qū)的名字［11，19］。但是與面向高端用戶不同的是，即使后續(xù)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)那個(gè)位置的地震烈度＜5度弱閾值，日本氣象廳也不向公眾發(fā)布取消預(yù)警通告［4］。這是為了避免后續(xù)烈度可能再次增大而出現(xiàn)混亂。

日本氣象廳利用戶外高音喇叭廣播、電視和廣播網(wǎng)絡(luò)以及手機(jī)廣播短信等媒體，盡快地將預(yù)警信息向公眾發(fā)布。截止2005年底，70%城市已安裝高音喇叭廣播系統(tǒng)，這些高音喇叭廣播系統(tǒng)主要安裝在屋頂上、大街和官方的公共宣傳車上［20］。日本放送協(xié)會(huì)（NHK）是日本國家公共廣播機(jī)構(gòu)，它運(yùn)營2套陸基有線電視服務(wù)、2套衛(wèi)星電視服務(wù)和3套無線電廣播服務(wù)系統(tǒng)。根據(jù)氣象服務(wù)法案（Act No．115，2007）的要求，NHK應(yīng)在其運(yùn)營的所有網(wǎng)絡(luò)中廣播緊急通告，其中包括地震預(yù)警。預(yù)警信息以文本和聲音形式用日語、英語、漢語、朝鮮語和葡萄牙語等五種語言廣播［10］。除了NHK外，日本的127家電視公司中的122家，47家調(diào)幅廣播中的24家，以及53家調(diào)頻廣播中的25家，也都廣播這些緊急警報(bào)。由于日本有一個(gè)大的老齡群體，采用傳統(tǒng)的廣播媒體可以確保所有民眾收到這些預(yù)警信息。

但是，預(yù)警信息的這些傳統(tǒng)發(fā)布方式有其局限性。電視網(wǎng)和無線電覆蓋范圍有限，而且要求電視和收音機(jī)必須開著才能收到這些信息，尤其是晚上這些設(shè)備大多被關(guān)掉。為此，日本氣象廳還采用手機(jī)廣播短信（Short Message Service－Cell Broadcast，簡寫為SMS－CB）來推送預(yù)警信息。手機(jī)廣播短信是一種面向特定區(qū)域一對(duì)多的信息發(fā)布服務(wù)，可以同時(shí)給指定的區(qū)域內(nèi)的手機(jī)發(fā)布預(yù)警信息，這些區(qū)域被稱為蜂窩（cell）［21］。每個(gè)蜂窩由一個(gè)移動(dòng)基站控制，且要求基站和手機(jī)均具備廣播服務(wù)能力。大部分移動(dòng)電話運(yùn)營商基站及手機(jī)具備提供廣播短信的能力。用戶必須啟用手機(jī)廣播短信接收功能才能接收預(yù)警信息廣播。與電視廣播網(wǎng)相似，通過手機(jī)廣播短信發(fā)布不受接收手機(jī)數(shù)量的影響，且不會(huì)出現(xiàn)通信擁堵現(xiàn)象。這是因?yàn)槭謾C(jī)廣播短信使用單獨(dú)分配的中繼蜂窩（relaying cell）廣播信息，從而避免與其他服務(wù)如點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短信（SMS－PP）服務(wù)相沖突。但是在基站覆蓋比較差的區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)發(fā)布延遲，此外蜂窩系統(tǒng)遭到破壞或切斷連接時(shí)短信廣播將中斷。決定手機(jī)能否接收到廣播信息的關(guān)鍵在于它的地理位置，發(fā)送和接收短信不需要對(duì)象的手機(jī)號(hào)碼，從而保護(hù)了公眾用戶的隱私。此外，外部用戶很難發(fā)布手機(jī)廣播短信，這樣減少了發(fā)布虛假應(yīng)急警報(bào)的可能［22］。通過使用手機(jī)廣播短信，日本氣象廳可以采用電視和廣播以外的手段向受地震影響區(qū)域發(fā)布預(yù)警信息。更重要的是，發(fā)布的預(yù)警信息必須針對(duì)特定區(qū)域本地化，因?yàn)獒槍?duì)不同區(qū)域的預(yù)警信息內(nèi)容是不同的。手機(jī)廣播短信的地方化特性適用于這一目的。此外，發(fā)布預(yù)警信息的目的是在地震破壞之前向公眾發(fā)出警報(bào)，因此基站在發(fā)出預(yù)警信息時(shí)仍處于工作狀態(tài)。截止2009年底，在日本已有2 100萬手機(jī)可以使用蜂窩廣播網(wǎng)絡(luò)接收地震預(yù)警。NTT Docomo、au（KDDI和沖繩移動(dòng)）和Softbank三大移動(dòng)運(yùn)營商免費(fèi)支持這一服務(wù)［7，23］。這種發(fā)布方式對(duì)日本尤其有用，因?yàn)槿毡揪哂蟹浅８叩氖謾C(jī)擁有率（截止2011年3月，日本1．279億人口中擁有手機(jī)1．195億部），其中97．4% 手機(jī)用戶屬于上述三家移動(dòng)運(yùn)營商［24－25］。

當(dāng)然，如果能夠在幾分鐘、幾小時(shí)甚至幾天之前準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)地震，那是最好的地震防御系統(tǒng)。但在可以達(dá)到這類技術(shù)之前，由于日本氣象廳的地震預(yù)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)地分析地震觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)何處將遭受破壞以及破壞的嚴(yán)重程度，不失為一種次好的防御地震手段。在地面震動(dòng)之前數(shù)秒發(fā)布警告，用戶可以有時(shí)間采取一些諸如關(guān)閉煤氣、離開窗戶或關(guān)掉重型機(jī)械等措施，為地震的到來做準(zhǔn)備。

表1 利用EEWS實(shí)時(shí)估計(jì)的震中位置、震源參數(shù)和最大地震烈度［12］

2 日本地震預(yù)警系統(tǒng)在3·11地震中的應(yīng)用

2011年3月11日，日本時(shí)間14：46：23，在日本本州島東北部發(fā)生了9．0級(jí)地震，最大地震烈度7度。日本有超過380個(gè)地震臺(tái)，宮城縣石卷市的Ouri地震臺(tái)是在日本時(shí)間14：46：40．2第一個(gè)記錄到地震動(dòng)的臺(tái)站。如表1所示，在首臺(tái)監(jiān)測(cè)到P波后的5．4s，高級(jí)用戶接收到第一報(bào)，在地震動(dòng)預(yù)報(bào)發(fā)布后的3．2s，地震警報(bào)向公眾發(fā)布。在最初監(jiān)測(cè)到地震的2min內(nèi)，總共發(fā)布和更新預(yù)報(bào)、警報(bào)信息15次。給公眾的第一報(bào)是對(duì)宮城縣中部仙臺(tái)地區(qū)發(fā)布，預(yù)測(cè)地震震級(jí)為7．2級(jí)，地震烈度是5弱。預(yù)警信息是在S波到達(dá)仙臺(tái)地區(qū)15s前發(fā)布的，預(yù)警目標(biāo)區(qū)位于震中以西，離地震震中129km。位于震中西南373km的東京，在地震動(dòng)前65．1s接收到警報(bào)。

這些警報(bào)通過電視和無線電廣播網(wǎng)向公眾發(fā)布，同時(shí)也通過手機(jī)向大約5 200萬公眾發(fā)布。圖1中的等值線代表預(yù)警警報(bào)和S波到達(dá)之間的相對(duì)預(yù)警時(shí)間。在0s等值線內(nèi)的陰影區(qū)域?yàn)轭A(yù)警盲區(qū)，由于其靠近震源而無法收到警報(bào)。

通過大量的描述地震動(dòng)開始之前有額外準(zhǔn)備時(shí)間的好處和YouTube視頻，使人民清楚了日本氣象廳的地震預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)［26－29］。仙 臺(tái) 大 學(xué) 教 授 Kensuke Wstanabe在地震前通過其手機(jī)接收到警報(bào)，使他有足夠的時(shí)間指導(dǎo)其學(xué)生躲到桌子底下，結(jié)果在這次最慘烈的地震中，他的學(xué)生無一受傷［16］。此外，日本氣象廳的地震動(dòng)警報(bào)發(fā)送給若干重要的公司，以觸發(fā)自動(dòng)關(guān)閉設(shè)備和基礎(chǔ)設(shè)施。例如，將地震動(dòng)預(yù)報(bào)信息發(fā)送給東日本鐵路公司，使得11列東北新干線子彈列車在地面開始震動(dòng)前幾秒自動(dòng)停下來。其他公司如OTIS電梯制造公司，在接收到地震動(dòng)預(yù)報(bào)后馬上關(guān)閉受影響區(qū)域內(nèi)的16 700部電梯［30］。再有，東京都政府建筑物內(nèi)的42部電梯中的40部，高度從41～243m不等，也自動(dòng)在最近的樓層停下并關(guān)電，以讓人員疏散，這也是日本氣象廳地震預(yù)警的結(jié)果［31－32］。雖然地震幸存者的具體人數(shù)仍在收集中，但是這些個(gè)人敘述強(qiáng)化了預(yù)警技術(shù)在救人方面的好處。

盡管日本的EEWS在這次東北地震中成功發(fā)布了預(yù)警，但并不說明這個(gè)系統(tǒng)是絕對(duì)可靠的。預(yù)警系統(tǒng)算法是假設(shè)地震震源是一個(gè)單一的點(diǎn)［33］。然而，在這次東北地震的情況中，斷層線在俯沖帶板塊邊緣平行于日本東部海岸綿延了上百千米。其斷層在300km長、150km寬的區(qū)域上滑動(dòng)，導(dǎo)致斷層錯(cuò)動(dòng)30～40m［34］。結(jié)果，該系統(tǒng)不能監(jiān)測(cè)到斷層線的二維結(jié)構(gòu)，并低估了震級(jí)和影響區(qū)域［35－36］。圖2所示為日本氣象廳發(fā)布的東北地震觀測(cè)到的地震烈度（a）和終報(bào)時(shí)系統(tǒng)計(jì)算的估計(jì)地震烈度（b）。從圖中，我們清晰地看到日本氣象廳基于地震信號(hào)所作出的最后的預(yù)測(cè)，僅發(fā)布給有限的區(qū)域，而且發(fā)布的最終震級(jí)為8．1級(jí)。許多科學(xué)家提出，僅僅采用日本廣泛應(yīng)用的高靈敏度加速度臺(tái)網(wǎng)的最初7s的記錄，不能準(zhǔn)確地估計(jì)地震震級(jí)［37］。而預(yù)測(cè)烈度潛在的誤差將達(dá)1度或2度［38］，這會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因?yàn)楫?dāng)?shù)凸懒苏鸺?jí)時(shí)，該系統(tǒng)可能不發(fā)布警報(bào)。

此外在主震后，由于停電、線路中斷和大量的余震，系統(tǒng)變得混亂。這產(chǎn)生了許多誤報(bào)，系統(tǒng)也在地震初始破裂后的前3個(gè)小時(shí)內(nèi)無法檢測(cè)一些顯著的余震［4，36］。這些負(fù)面影響在3·11主震后持續(xù)了19天。在這期間，共發(fā)布的45次警報(bào)中有34次是誤報(bào)［14］。盡管在3·11地震中，無法用數(shù)字去量化EEWS的成功與失敗，但是為了繼續(xù)完善這個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)，批判性地分析系統(tǒng)的性能是重要的。

圖1 日本東北地區(qū)海岸附近從地震預(yù)警發(fā)布到S波到來之間的預(yù)警時(shí)間分布［13］

3 一個(gè)為其他地震多發(fā)國家提供樣板的地震預(yù)警系統(tǒng)

由于日本處于地震預(yù)警技術(shù)的前沿，把它看作其他地震多發(fā)國家的樣板也很重要。針對(duì)最近發(fā)生的3·11日本東北大地震來評(píng)估這一系統(tǒng)，為科學(xué)家提供了一次分析評(píng)估EEWS的優(yōu)缺點(diǎn)的機(jī)遇。雖然EEWS已有許多成功之處，但是必須明白沒有一套可在全世界范圍內(nèi)通用的地震預(yù)警系統(tǒng)。盡管日本當(dāng)前的系統(tǒng)可以作為地震預(yù)警技術(shù)的榜樣，其他國家在實(shí)施類似的技術(shù)系統(tǒng)時(shí)還必須考慮其他因素。尤其是，日本預(yù)警系統(tǒng)的成功不僅是因?yàn)槠涓呱畹募夹g(shù)，而且也由于日本嚴(yán)格的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，高密度的地震臺(tái)網(wǎng)和災(zāi)害防御文化。理解這些因素將有利于在其他國家更易于適當(dāng)?shù)匦薷暮蛯?shí)現(xiàn)類似的系統(tǒng)。

圖2 日本氣象廳發(fā)布的東北地震實(shí)際觀測(cè)的地震烈度（a）和基于EEWS終報(bào)估計(jì)的地震烈度（b）

3．1 致力于嚴(yán)格的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范

日本地震防御的一個(gè)重要部分是國家制訂嚴(yán)格的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，該規(guī)范要求建筑結(jié)構(gòu)能阻尼地震振動(dòng)及抵御倒塌。當(dāng)前，日本的建筑抗震性能名列世界前茅，但是在日本達(dá)到此水平前，也經(jīng)歷了幾個(gè)世紀(jì)時(shí)間和大量的反復(fù)。日本的建筑演變歸因于日本長期的地震歷史，每次大地震都能進(jìn)一步強(qiáng)化嚴(yán)格建筑標(biāo)準(zhǔn)的必要性。1995年，6．9級(jí)神戶地震造成的大面積災(zāi)害表明日本急需重新評(píng)估樓房的抗震性能，這次地震造成傷亡5 373人，以及超過10億美元的財(cái)產(chǎn)損失。但是，1981年宮城縣7．4級(jí)地震后修訂的日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法案部分地降低了這次地震的損失［39］。可以從圖3顯示的建筑破壞與建筑時(shí)期的關(guān)系中明顯地看出這些建筑規(guī)范修改的益處。

圖3 1995年神戶地震造成的神戶中部932座樓房的毀壞統(tǒng)計(jì)［40］

正如日本地震歷史的趨勢(shì)，由神戶地震造成的傷亡和損失推動(dòng)了建筑規(guī)范的重新評(píng)估，使更加嚴(yán)格的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取代了原有的標(biāo)準(zhǔn)。日本持續(xù)更新建筑規(guī)范，盡管這是由破壞和大范圍傷亡促成的，但將繼續(xù)作為檢驗(yàn)日本當(dāng)前的建筑技術(shù)能否應(yīng)對(duì)破壞性地震的一種方法。數(shù)十億的經(jīng)費(fèi)、數(shù)十年的研究以及在建筑技術(shù)上的發(fā)展是另一個(gè)重要因素，在日本東北地震災(zāi)后重建中發(fā)揮了重要的作用。日本，正如還會(huì)發(fā)生地震一樣，還將繼續(xù)完善其建筑抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。盡管經(jīng)歷了漫長的時(shí)間，對(duì)于日本地震預(yù)警系統(tǒng)的成功運(yùn)行，這種專業(yè)的基礎(chǔ)條件也是一種重要因素。如果沒有這些抗震建筑作為第一道防線，預(yù)警系統(tǒng)在降低災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)方面幾乎沒有任何意義。

3．2 擁有一個(gè)高密度的地震臺(tái)網(wǎng)

日本EEWS成功的另一個(gè)因素是日本擁有世界上密度最高的地震臺(tái)網(wǎng)，可以監(jiān)測(cè)由地震造成的震動(dòng)和地面運(yùn)動(dòng)。這些儀器均勻分布于全國378 000km2的范圍內(nèi)，每半徑20km內(nèi)約有一個(gè)臺(tái)站［24，41］。然而，對(duì)那些仍沒有地震臺(tái)網(wǎng)的國家，這些國家投資購買、安裝和維護(hù)地震臺(tái)網(wǎng)還較為困難。每個(gè)獨(dú)立地震臺(tái)站都需要一臺(tái)地震儀，一臺(tái)電腦，一部GPS，通信設(shè)備和一個(gè)穩(wěn)定的電源，所有這些需要數(shù)天去安裝和高昂的維護(hù)費(fèi)用［42］。這些高昂的費(fèi)用、時(shí)間和日常花費(fèi)阻礙了許多國家建設(shè)一個(gè)地震預(yù)警系統(tǒng)服務(wù)必須的、可靠的地震臺(tái)網(wǎng)。對(duì)于擁有昂貴的地震臺(tái)站并不現(xiàn)實(shí)的那些國家，研究人員正在研究廉價(jià)的替代品，以利用個(gè)人電腦收集地震活動(dòng)數(shù)據(jù)。

為了克服建設(shè)高密度地震臺(tái)網(wǎng)的挑戰(zhàn)，許多研究人員已經(jīng)正在調(diào)研低價(jià)格地震儀作為替代品。比如，2008年，斯坦福大學(xué)開創(chuàng)了地震捕捉網(wǎng)絡(luò)（QCN）。為了監(jiān)測(cè)地面運(yùn)動(dòng)，QCN利用志愿者在筆記本電腦上安裝使用內(nèi)置 MEMS（micro－electro－mechanical system）3軸加速度計(jì)。這些加速度計(jì)足夠靈敏來確定3．1≤M≤5．4級(jí)地震的地面運(yùn)動(dòng)方向［42］。通過利用這些內(nèi)置的加速度計(jì)，可以記錄地面加速度，能監(jiān)測(cè)到數(shù)十千米內(nèi)的＞3．0級(jí)的地震［42］。利用筆記本電腦的網(wǎng)絡(luò)功能，這些數(shù)據(jù)被傳輸?shù)揭粋€(gè)數(shù)據(jù)服務(wù)器。此外，志愿者還可以選擇購買49美元廉價(jià)的MEMS加速度計(jì)，它能連接到臺(tái)式機(jī)上。所有傳感器連接到一個(gè)分布式系統(tǒng)，每個(gè)電腦自動(dòng)上傳重要的信息到中央服務(wù)器，如傳感器位置、檢測(cè)時(shí)間以及地面震動(dòng)的振幅和周期。中央服務(wù)器根據(jù)地理位置將計(jì)算機(jī)分組，從而能對(duì)同一組內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，以確定一個(gè)觸發(fā)是當(dāng)?shù)卦胍粼斐傻墓铝⑹录?，還是由特定區(qū)域的地震活動(dòng)造成的。由于這些電腦的空間分布對(duì)于數(shù)據(jù)分析十分重要，其算法必須能適應(yīng)不斷更新的網(wǎng)絡(luò)，如去掉其中一些節(jié)點(diǎn)（在這種情況下是志愿者），增加新節(jié)點(diǎn)。

QCN是有效的網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)樗苓m應(yīng)以指數(shù)增加的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，且網(wǎng)內(nèi)的每臺(tái)電腦都能收集和分析各自記錄的數(shù)據(jù)，因此QCN可以提供近乎實(shí)時(shí)的地震監(jiān)測(cè)信息。為了確定一個(gè)事件是否是可能的地震，計(jì)算當(dāng)前加速度與前一分鐘平均加速度之比，來確定是否超過3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差。此項(xiàng)技術(shù)就是著名的短時(shí)平均值與長時(shí)平均值之比（STA／LTA）［42］。因?yàn)槊颗_(tái)電腦獨(dú)立分析數(shù)據(jù)，因此需要傳輸給中央服務(wù)器的數(shù)據(jù)量很小。這種方法不同于其他方法，因?yàn)槠渌椒ㄟB續(xù)不斷上傳原始數(shù)據(jù)給中央服務(wù)器，然后數(shù)據(jù)在中央服務(wù)器被集成和處理［43］。這對(duì)于利用簡易地震傳感器的系統(tǒng)尤其重要，因?yàn)闄z測(cè)的準(zhǔn)確性很大程度依賴于地震臺(tái)網(wǎng)的密度。用這種方法，廉價(jià)并可以用于家庭的加速度計(jì)可以取代專業(yè)級(jí)的地震計(jì)。

傳感器價(jià)格低廉的代價(jià)，必將帶來的是數(shù)據(jù)的低質(zhì)量，因而存在一些困難，但可以采取算法來區(qū)分干擾和有效的地震活動(dòng)。再有，隨著使用內(nèi)置MEMS加速度傳感器的個(gè)人電腦技術(shù)更加普及，例如MEMS將加速度傳感器安裝在智能電話和平板電腦內(nèi)，這類低價(jià)的地震臺(tái)網(wǎng)將是收集和分析數(shù)據(jù)的非常有價(jià)值的方法。

3．3 防災(zāi)文化

最后，日本地震預(yù)警系統(tǒng)成功的第三個(gè)因素依賴于其社會(huì)本身采取預(yù)防措施為地震做好準(zhǔn)備的程度。通過采取公眾教育和培訓(xùn)等預(yù)防性措施，日本已經(jīng)發(fā)展出強(qiáng)有力的針對(duì)自然災(zāi)害的預(yù)防和恢復(fù)文化。這種來之不易的地震預(yù)防文化在日本已深深植根于學(xué)校和社區(qū)。在日本，地震教育始于幼兒園，內(nèi)容包括疏散指南、地震成因和影響，以及新實(shí)踐練習(xí)［44］。地震安全和流程被大量地集成到從小學(xué)到高中的學(xué)術(shù)課程中。此外，學(xué)校配備了專用的計(jì)算機(jī)接收日本氣象廳地震預(yù)警信息。根據(jù)地震警報(bào)的危險(xiǎn)性程度，這些計(jì)算機(jī)可用于疏散或訓(xùn)練模式。此外，還有第三種模式專門用于教育。當(dāng)日本氣象廳發(fā)出的地震預(yù)警信息的地震烈度≥4時(shí)，使用疏散模式在電腦終端通過聲音和視覺廣播警告。當(dāng)日本氣象廳發(fā)出的地震預(yù)警信息的地震烈度≤3時(shí)，使用訓(xùn)練模式進(jìn)行疏散演習(xí)。系統(tǒng)廣播這些低風(fēng)險(xiǎn)的小地震的警報(bào)，目的在于模擬一個(gè)學(xué)生不知道地震即將發(fā)生的環(huán)境。最后一種是教育模式，作為課堂工具提供地震破壞照片和災(zāi)難反應(yīng)動(dòng)畫，教育學(xué)生如何在一個(gè)地震事件中作出反應(yīng)。這個(gè)訓(xùn)練也輔以地震安全傳單和教育DVD在課堂中使用［45］。此外，在日本學(xué)年的第一天，所有年齡段的學(xué)生被要求參加一個(gè)地震演習(xí)。通過將地震準(zhǔn)備教育整合進(jìn)入課程，日本可以確保學(xué)生在地震到來時(shí)能夠保持冷靜，按照疏散指導(dǎo)有序疏散。

日本地震防御的另一個(gè)特點(diǎn)是，地震防災(zāi)訓(xùn)練并不局限于課堂，而是延伸到工作場所和社區(qū)。在全國各地，許多公司都定期舉行地震演習(xí)，這些演習(xí)對(duì)他們的員工是強(qiáng)制性要求參加。同時(shí)，從1960年起每年在九月的第一個(gè)星期舉辦國家防災(zāi)周。國家防災(zāi)周是為了紀(jì)念1923年關(guān)東7．9級(jí)大地震在全國范圍內(nèi)組織的防災(zāi)活動(dòng)，該地震襲擊了本州的關(guān)東地區(qū)，導(dǎo)致142 800人死亡［46］。國家防災(zāi)周的設(shè)立，不僅是對(duì)關(guān)東大地震眾多傷亡人員的悼念，而且也有助于增進(jìn)人們對(duì)臺(tái)風(fēng)、海嘯、地震等自然災(zāi)害的預(yù)防意識(shí)，同時(shí)表彰社區(qū)中的杰出成員。這些活動(dòng)貫穿整個(gè)國家防災(zāi)周。

然而，國家防災(zāi)周期間最重要的事件是9月1日國家防災(zāi)日，這一天首相和地方政府共同合作舉行國家層面的防災(zāi)應(yīng)急演練，模擬大規(guī)模自然災(zāi)難發(fā)生的場景［47］。這一天也是一個(gè)提醒和機(jī)會(huì)，使公共建筑和私人建筑擁有者評(píng)估他們的疏散流程，確保家庭配備地震緊急求生工具和替換手電筒的電池。2011年的國家防災(zāi)周在8月30日至9月5日舉行，是日本東北部大地震后第一個(gè)全國性演練。根據(jù)日本內(nèi)閣府統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，日本47個(gè)都道府縣中的35個(gè)共有517 000人參加了全國性的演習(xí)，分別模擬大地震在東海、東南海、南海以及關(guān)西和四國地區(qū)等地發(fā)生。這次演練還觸發(fā)了海嘯預(yù)警，要求沿海地區(qū)民眾疏散到地勢(shì)較高的地方［48］。由于日本在全國的任何地方、任何時(shí)間都可能發(fā)生地震，因此，重要的是強(qiáng)調(diào)一種積極主動(dòng)的防災(zāi)文化對(duì)日本來說至關(guān)重要。

然而，這還不是日本對(duì)公民進(jìn)行地震準(zhǔn)備教育的全部。為了使其投資5億美元的地震早期預(yù)警系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮效益，日本必須確保民眾完全理解這些警告的意思。因此在其推出地震預(yù)警系統(tǒng)之前，2006年日本氣象廳發(fā)起了一項(xiàng)全國性的科普宣傳和教育活動(dòng)。這個(gè)活動(dòng)的目標(biāo)是培養(yǎng)每個(gè)個(gè)人理解JMA地震早期預(yù)警系統(tǒng)發(fā)布的信息，并采取適當(dāng)?shù)膽?yīng)對(duì)措施。此外，這次活動(dòng)試圖讓公眾意識(shí)到地震預(yù)警系統(tǒng)可能出現(xiàn)錯(cuò)報(bào)、低估震級(jí)和地震烈度以及其他意想不到的技術(shù)局限。

沒有這個(gè)活動(dòng)，預(yù)警信息可能對(duì)其接受者造成不利影響和混亂。日本氣象廳還向社區(qū)成員分發(fā)小冊(cè)子和傳單，播放視頻解釋地震預(yù)警系統(tǒng)的技術(shù)原理，張貼海報(bào)展示適當(dāng)?shù)牡卣饝?yīng)對(duì)措施，在全國各地舉辦研討會(huì)，建設(shè)并維護(hù)一個(gè)可訪問的包含相關(guān)信息的Web網(wǎng)站（www．jma．go．jp）。2007年5月日本氣象廳對(duì)全國各地大約2 000名年齡在20～69歲的民眾進(jìn)行了一項(xiàng)調(diào)查。他們的研究結(jié)果顯示，84%的民眾知道新的地震預(yù)警系統(tǒng)，39%民眾理解這一系統(tǒng)；此外，86%的調(diào)查者理解日本氣象廳發(fā)布地震烈度報(bào)告可能發(fā)生錯(cuò)誤［49］。日本氣象廳在確認(rèn)日本民眾理解新的地震預(yù)警系統(tǒng)后，他們于2007年10月1日開始向公眾發(fā)布地震預(yù)警信息。

由于地震發(fā)生不可預(yù)知且地震波傳播迅速，讓民眾可以迅速理解這些警告并采取適當(dāng)?shù)念A(yù)防措施十分重要。預(yù)防自然災(zāi)害的習(xí)慣深深嵌入到日本的文化。這部分是由于日本高發(fā)的地震，但也由于其悠久的歷史地震，日本文化更積極地應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害。日本人個(gè)性中注重細(xì)節(jié)、精確和謹(jǐn)慎的心態(tài)，也助長了這種防災(zāi)文化。這些社會(huì)特征是日本地震預(yù)警系統(tǒng)成功的一個(gè)關(guān)鍵因素。沒有這些因素，向公眾發(fā)布地震警告可能導(dǎo)致大范圍恐慌，從而使任何預(yù)警領(lǐng)先時(shí)間（lead time）的用途都大大打折扣。由于其具有拯救生命和減少傷亡的能力，地震預(yù)警系統(tǒng)對(duì)于其他地震多發(fā)的國家來說，如果不說是必需的話，至少也可以說是十分重要。然而，以日本的情形為例，必須先完成大量的基礎(chǔ)工作才能使地震預(yù)警系統(tǒng)最大限度地發(fā)揮其作用。地震技術(shù)必須伴隨著受過教育的民眾和精心設(shè)計(jì)抗震的建筑物才能成功。就像一個(gè)人可以從過去的經(jīng)驗(yàn)中學(xué)習(xí)一樣，其他國家可以把日本實(shí)現(xiàn)減輕地震災(zāi)害的經(jīng)驗(yàn)作為榜樣。通過理解其支撐技術(shù)和社會(huì)環(huán)境，其他國家可以將日本作為一個(gè)樣板來開發(fā)和發(fā)展與其社會(huì)相適應(yīng)的類似技術(shù)，實(shí)現(xiàn)最好的減災(zāi)社會(huì)效果。

4 結(jié)論

自然災(zāi)害不受國界的限制。整個(gè)世界不僅感覺到日本東北部地震的震動(dòng)，各國人民同樣見證和經(jīng)歷了地震帶來的廣泛破壞。國際援助很快注入日本，全世界一起悼念這場毀滅性災(zāi)難的犧牲者，同時(shí)鼓勵(lì)日本人民繼續(xù)前行。在國際社會(huì)的支持下，東北地區(qū)和日本可以開始期待走向未來。就像神戶地震一樣，致命的地震災(zāi)害將帶來生命的更新和創(chuàng)新的巨大機(jī)會(huì)。同樣，通過與世界各國分享其防御地震災(zāi)害的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，日本有機(jī)會(huì)提高其作為全球領(lǐng)導(dǎo)者地位。只有一定數(shù)量的國家運(yùn)行相似的地震預(yù)警技術(shù)系統(tǒng)，才會(huì)有更多其他地震災(zāi)害多發(fā)國家可以極大地受益。

（本文原圖均為彩圖）

譯自：Momentum．2012，1（1）．http：∥repository．upenn．edu／momentum／vol1／iss1／2

原題：What we can learn from Japan’s Earthquake Early Warning System

（福建省地震局 黃宏生 王林 譯；中國地震臺(tái)網(wǎng)中心 趙仲和 校）

（譯者電子信箱，王林：wl＿0117＠163．com）

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