國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)進(jìn)展

趙國(guó)峰 高 楠 楊大克

1）中國(guó)北京 100045 中國(guó)地震臺(tái)網(wǎng)中心

2）中國(guó)北京 100081 中國(guó)地震局地球物理研究所

0 引言

1868 年美國(guó)Cooper 提出構(gòu)建地震預(yù)警設(shè)想，隨著科技的進(jìn)步，目前全球已有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)建成或正在建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)，美國(guó)、日本、墨西哥等國(guó)家和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)均已開展了地震預(yù)警實(shí)踐（趙紀(jì)東等，2009；保羅·蓋斯帕里尼等，2014；劉赫奕等，2020；金星，2021）。

中國(guó)是世界上地震災(zāi)害嚴(yán)重的國(guó)家之一。2008 年5 月12 日，四川省發(fā)生汶川MS8.0地震，造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失，帶給人們難以磨滅的慘痛記憶。據(jù)報(bào)道，截至2008 年9 月25 日，此次地震共造成69 227 人遇難，17 923 人失蹤，374 643 人受傷（汶川特大地震四川抗震救災(zāi)志編纂委員會(huì)，2018），直接經(jīng)濟(jì)損失逾8 451 億元（http://www.npc.gov.cn/zgrdw/npc/zt/2008-09/05/content_1448390.htm）。地震工作者在認(rèn)真總結(jié)并反思以往工作的基礎(chǔ)上，學(xué)習(xí)并借鑒國(guó)際先進(jìn)技術(shù)和成功經(jīng)驗(yàn)，探索通過地震預(yù)警和烈度速報(bào)方式減輕地震災(zāi)害損失。2010 年1 月，中國(guó)地震局啟動(dòng)國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程（以下簡(jiǎn)稱“預(yù)警工程”）項(xiàng)目立項(xiàng)建議書的編制工作①中國(guó)地震局.《國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程》項(xiàng)目建議書編制取得階段性成果.https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/xydt/ 5224686/index.html.。2015 年該項(xiàng)目建議書經(jīng)中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議同意后獲批，歷經(jīng)可行性研究、初步設(shè)計(jì)等，于2018 年7 月啟動(dòng)建設(shè)②中國(guó)地震局.中國(guó)地震預(yù)警網(wǎng)示范運(yùn)行新聞發(fā)布會(huì).https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/zyzt/ 5599030/5599037/5601650/index.html.，計(jì)劃2022 年完成建設(shè)，2023 年投入運(yùn)行，對(duì)外開展試服務(wù)。本文結(jié)合預(yù)警工程的目標(biāo)、主要內(nèi)容、技術(shù)體系等，介紹該工程中各項(xiàng)技術(shù)工作的進(jìn)展情況。

1 工程建設(shè)目標(biāo)和主要內(nèi)容

預(yù)警工程是國(guó)家“十三五”期間重大工程項(xiàng)目，在綜合歷史地震災(zāi)害、地震預(yù)測(cè)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展等基礎(chǔ)上，以“重點(diǎn)突出、厲行節(jié)約和效果最大化”為原則，將全國(guó)分為重點(diǎn)區(qū)和一般區(qū)，以形成不同的地震預(yù)警能力和烈度速報(bào)能力。其目標(biāo)為，通過項(xiàng)目建設(shè)，在全國(guó)構(gòu)建地震烈度速報(bào)與預(yù)警觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)“國(guó)—省”兩級(jí)處理、“國(guó)—省—市”三級(jí)發(fā)布平臺(tái)，建立地震烈度速報(bào)與預(yù)警業(yè)務(wù)體系，在華北、南北地震帶、東南沿海、新疆天山中段、西藏拉薩重點(diǎn)區(qū)形成完善的地震預(yù)警能力和基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)實(shí)測(cè)值的烈度速報(bào)能力，其他一般區(qū)內(nèi)形成遠(yuǎn)場(chǎng)大震預(yù)警能力和基于縣級(jí)城市實(shí)測(cè)值的烈度速報(bào)能力③中國(guó)地震局.國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程可行性研究報(bào)告.2016 年7 月.④中國(guó)地震局.國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程初步設(shè)計(jì)方案.2017 年11 月.（表1，圖1），強(qiáng)化地震參數(shù)與地震動(dòng)參數(shù)速報(bào)能力，大幅提升地震觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取能力，為防震減災(zāi)、應(yīng)急指揮、快速救援等提供有力保障。

表1 預(yù)警工程重點(diǎn)區(qū)和一般區(qū)功能指標(biāo)Table 1 Indicators of key and general areas of the NSIRR &EW project

圖1 預(yù)警工程項(xiàng)目建設(shè)目標(biāo)Fig.1 Construction goal of the NSIRR &EW project

其核心業(yè)務(wù)目標(biāo)是，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警和烈度速報(bào)2 項(xiàng)主要功能，其中：地震預(yù)警功能是，在（潛在）震源附近通過加密觀測(cè)，盡可能早地捕捉地震信號(hào)，及時(shí)發(fā)布地震預(yù)警（警報(bào)）信息，在破壞性地震波到來前告知用戶，以減輕地震災(zāi)害；烈度速報(bào)是，在震后通過實(shí)測(cè)地震動(dòng)數(shù)據(jù)來評(píng)估地震對(duì)城鎮(zhèn)（構(gòu)筑物等）的影響，確定重點(diǎn)破壞區(qū)域，以便于大震后開展有針對(duì)性的救援工作等。

建設(shè)內(nèi)容包括1.5 萬余個(gè)地震臺(tái)站、3 個(gè)國(guó)家級(jí)中心、31 個(gè)省級(jí)中心和3 300 余套服務(wù)終端等的建設(shè)或改造，以及專用定制化軟件系統(tǒng)研制和應(yīng)用部署等。

2 預(yù)警工程系統(tǒng)組成

預(yù)警工程系統(tǒng)由臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、信息服務(wù)系統(tǒng)及技術(shù)支持與保障系統(tǒng)5 部分組成（圖2），其中：臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)是基礎(chǔ)，是地震預(yù)警的“哨兵”，主要承擔(dān)地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集；數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是核心，是技術(shù)系統(tǒng)的“大腦”，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理及預(yù)警信息、烈度產(chǎn)品等的產(chǎn)出；信息服務(wù)系統(tǒng)是工程效益的集中體現(xiàn)，負(fù)責(zé)向各類用戶及時(shí)提供項(xiàng)目產(chǎn)出的數(shù)據(jù)和信息；通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是關(guān)鍵，承擔(dān)數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)傳輸和交換，肩負(fù)全網(wǎng)的安全保障；技術(shù)支持與保障系統(tǒng)是支撐，實(shí)時(shí)監(jiān)控整體運(yùn)行狀態(tài)，保障整個(gè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

圖2 預(yù)警工程技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)成Fig.2 Technical system composition of the NSIRR &EW project

2.1 臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)

臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)采用“多網(wǎng)融合、一網(wǎng)多用”的設(shè)計(jì)思想，將地震（測(cè)震）臺(tái)網(wǎng)、強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)、烈度儀等融合為預(yù)警網(wǎng)，預(yù)警網(wǎng)除支撐地震預(yù)警和烈度速報(bào)業(yè)務(wù)外，還支撐地震速報(bào)、震源參數(shù)速報(bào)（震源機(jī)制、破裂過程）等業(yè)務(wù)。預(yù)警工程臺(tái)站分為基準(zhǔn)站、基本站和一般站，不同類型臺(tái)站部署不同的傳感器（表2），以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震地面運(yùn)動(dòng)的速度和加速度情況，并實(shí)時(shí)傳輸至數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。臺(tái)站布局考慮了地震活動(dòng)、社會(huì)需求、科學(xué)性、經(jīng)濟(jì)性等多方面因素，在具體布設(shè)時(shí)，考慮了局部地震危險(xiǎn)性的差異，潛在地震活動(dòng)性強(qiáng)的區(qū)域，臺(tái)站間距相對(duì)較?。换鶞?zhǔn)站布設(shè)要求臺(tái)站空間布局均勻、臺(tái)址環(huán)境噪聲水平較低，能夠監(jiān)測(cè)近場(chǎng)微震、中小地震和強(qiáng)震。四川廣元東溪河基準(zhǔn)站和新疆昌吉市廟爾溝鄉(xiāng)基本站示例見圖3。

圖3 預(yù)警工程建設(shè)臺(tái)站(a)四川廣元東溪河基準(zhǔn)站；(b)新疆昌吉市廟爾溝鄉(xiāng)基本站Fig.3 Station photos of the NSIRR &EW project

表2 預(yù)警工程臺(tái)站類型特征Table 2 Features for stations of the NSIRR &EW project

2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用國(guó)家級(jí)和省級(jí)兩級(jí)處理模式，含波形（實(shí)時(shí)）交換、地震烈度速報(bào)、地震參數(shù)速報(bào)、地震預(yù)警等分系統(tǒng)（圖4）。其中地震預(yù)警分系統(tǒng)關(guān)鍵在于快速、準(zhǔn)確地識(shí)別地震事件，產(chǎn)出地震預(yù)警信息，兼顧預(yù)警信息的快（時(shí)效性）與準(zhǔn)（質(zhì)量），降低大震預(yù)警誤觸發(fā)和漏觸發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等；地震烈度速報(bào)分系統(tǒng)主要通過儀器烈度，結(jié)合場(chǎng)地衰減等計(jì)（估）算受影響區(qū)域的地震烈度，確定重點(diǎn)破壞區(qū)域。

圖4 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)框架Fig.4 Frame diagram of data processing system

2.3 信息服務(wù)系統(tǒng)

信息服務(wù)系統(tǒng)采用“國(guó)—省—市三級(jí)發(fā)布”模式，各中心按不同層級(jí)可分別向所轄區(qū)域內(nèi)的設(shè)定對(duì)象提供緊急地震信息服務(wù)，建設(shè)專用終端、手機(jī)APP、PC 終端等系統(tǒng)（圖5），可通過政府部門、高鐵、核電、水庫(kù)、燃?xì)狻⒒S、商場(chǎng)、醫(yī)院、中小學(xué)校和地震新媒體等向用戶直接提供服務(wù)，同時(shí)預(yù)留第三方接入接口，可授權(quán)通信運(yùn)營(yíng)商、廣播、電視、媒體和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)科技公司等第三方接入地震預(yù)警信息，向用戶提供地震預(yù)警信息服務(wù)等。

圖5 信息服務(wù)系統(tǒng)組成Fig.5 Composition diagram of information service system

2.4 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括通信網(wǎng)絡(luò)（臺(tái)站節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)、省級(jí)和國(guó)家中心區(qū)域網(wǎng)和骨干通信網(wǎng)）、預(yù)警信息發(fā)布網(wǎng)絡(luò)、全網(wǎng)統(tǒng)一授時(shí)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)安全系統(tǒng)等，用于保障全網(wǎng)數(shù)據(jù)和信息的實(shí)時(shí)安全傳輸、快速交換等。

2.5 技術(shù)支持與保障系統(tǒng)

技術(shù)支持與保障系統(tǒng)包含專業(yè)儀器質(zhì)檢測(cè)試、運(yùn)行質(zhì)量評(píng)估、運(yùn)行監(jiān)控、臺(tái)站運(yùn)行維護(hù)、軟件測(cè)試等，以及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行異常，是保障系統(tǒng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)高時(shí)效性、高可靠性和高運(yùn)行率的重要環(huán)節(jié)。

3 項(xiàng)目進(jìn)展

在中國(guó)地震局組織下，地震系統(tǒng)集中優(yōu)勢(shì)力量先后在四川、云南、京津冀等先行先試地區(qū)組織開展了現(xiàn)場(chǎng)攻堅(jiān)工作，打通了臺(tái)站觀測(cè)、數(shù)據(jù)處理、信息發(fā)布、應(yīng)用服務(wù)、運(yùn)維監(jiān)控全鏈條業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)了地震預(yù)警服務(wù)試運(yùn)行。2019 年12 月18 日，四川省資中發(fā)生MS5.2 地震，震后8.6 s 四川預(yù)警系統(tǒng)通過終端等對(duì)外發(fā)布報(bào)警信息（圖6）⑤四川省人民政府網(wǎng)站.四川地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)在資中5.2 級(jí)地震后8 秒對(duì)成都地區(qū)作出報(bào)警.https://www.sc.gov.cn/10462/10464/13271/13272/2019/12/18/a3a219e467784e2facfda44886c1742c.shtml，引起各大媒體的高度關(guān)注，中央電視臺(tái)、新華社、四川電視臺(tái)等多家媒體進(jìn)行了報(bào)道，社會(huì)反響良好，之后四川省地震局相繼與支付寶、村村響等系統(tǒng)開展了對(duì)接和集成。2021年，在云南漾濞MS6.4、雙柏MS5.1和盈江MS5.0等地震期間，云南地震預(yù)警系統(tǒng)通過移動(dòng)終端、有線電視等向公眾發(fā)布了地震預(yù)警信息（圖7），初顯減災(zāi)潛力（趙至柔等，2021；中國(guó)地震局，2021）。

圖6 四川資中MS 5.2 地震預(yù)警倒計(jì)時(shí)回放圖Fig.6 Early warning of Sichuan Zizhong MS 5.2 earthquake

圖7 2021 年5 月21 日云南漾濞4 次地震預(yù)警情況Fig.7 Early warning of 4 earthquakes in Yangbi,Yunnan on May 21,2021

2021 年7 月27 日，中國(guó)地震局在唐山召開中國(guó)地震預(yù)警網(wǎng)示范運(yùn)行新聞發(fā)布會(huì)，宣布在四川、云南、京津冀和福建地區(qū)開展示范運(yùn)行，標(biāo)志著“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”在建設(shè)期開始試驗(yàn)性的對(duì)外服務(wù)②。根據(jù)預(yù)警工程第二批重點(diǎn)地區(qū)建設(shè)單位專項(xiàng)攻堅(jiān)工作安排，廣東、山西、甘肅、青海和新疆等地區(qū)的地震預(yù)警系統(tǒng)通過評(píng)估后也將上線試運(yùn)行。

4 結(jié)束語(yǔ)

截至目前，預(yù)警工程相關(guān)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)基本完成，其中基準(zhǔn)站、基本站建設(shè)、專業(yè)設(shè)備整體安裝率超過99%，一般站建設(shè)全部完成，開始轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)回傳和數(shù)據(jù)質(zhì)量提升階段，具備開展預(yù)警和烈度速報(bào)觀測(cè)基礎(chǔ)，國(guó)家預(yù)警中心和各省級(jí)中心基本完成預(yù)警工程主體建設(shè)任務(wù)，3 300 余套緊急信息服務(wù)終端完成部署，專業(yè)定制化軟件已開始分批部署和集成，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況不斷優(yōu)化完善。預(yù)計(jì)2022 年底前，各單位進(jìn)入內(nèi)部試運(yùn)行，2023 年項(xiàng)目完成后進(jìn)入整體試運(yùn)行，并開展對(duì)外試服務(wù)工作。