可操作性地震预报：有关“为什么”和“怎么办”的几点思考＊

Thomas H Jordan，Lucilem Jones

1）Southern California Earthquake Center，University of Southern California，Los Angeles，California 90089-0742 U.S.A.

2）U.S.Geological Survey，525 South Wilson Avenue，Pasadena，California 91125 U.S.A.

可操作性地震预报：有关“为什么”和“怎么办”的几点思考＊

Thomas H Jordan1），Lucilem Jones2）

1）Southern California Earthquake Center，University of Southern California，Los Angeles，California 90089-0742 U.S.A.

2）U.S.Geological Survey，525 South Wilson Avenue，Pasadena，California 91125 U.S.A.

假设研究都市区附近断层的地震学家根据经验知识以令人信服的口吻声称，未来一周内发生一次大地震的概率要比平常的一个7天周期中发生地震的概率高出100～1000倍，那么如果采取行动的话民众应该采取那些防御措施呢？这种预报是否应该公之于众？怎样引导公众正确利用此类信息？这些问题值得认真思考，因为我们已进入一个可操作的地震预报时代。

可操作性地震预报的目标就是向公众提供与时间相关的区域地震危险性的权威信息。我们知道地震危险性在时间上会发生动态变化，因为地震会突然改变断层系的内部状态，而未来地震就发生在断层系内。地震相互作用的统计模型和物理模型已经开始捕捉天然地震活动的许多信息，如余震的触发和地震序列的群发信息。与地震危险性分析中常用的不依赖于时间的长期模型相比，这些短期模型凸显出概率增益性质。除了地震数据以外，地震预报中还考虑了其他数据（如大地测量资料和地电信号等），但迄今为止，利用非地震数据的前兆研究还未能量化短期概率增益，它们还不能被纳入可操作性预报方法之列。因此，本文着重介绍基于高性能地震网络数据的预报方法。

短期地震概率（STEP）模型就是基于地震活动性的可操作性系统的一个实例，它是由美国地质调查局（USGS）自2005年以来向加州提供的一个余震预报网络服务项目①STEP（http：∥earthquake.usgs.gov／earthquakes／step）是由USGS与南加州地震中心和瑞士联邦理工学院合作开展的项目[1]。。短期地震概率利用余震统计资料对遍及全州的10 km×10 km网格上的强地面运动概率每小时做一次修正（修正后的麦加利地震烈度≥Ⅵ）。相对于长期基础模型而言，靠近小震级事件（M3～4）震中区域的标称概率增益系数为10～100。2010年4月4日，墨西哥边境发生Elmayor-Cucapah地震（M 7.2），就在本文撰写之时，墨西哥下加利福尼亚州边境中部附近的余震使美国一侧边境的概率增大了将近3个量级。短期地震概率只是一个原型系统，还需要改进。例如，根据一次特定地震计算出的概率变化并不取决于该地震与大断层之间的距离有多近。USGS、南加州地震中心（SCEC）和加州地质调查局（CGS）联合建立了一个新的加州地震概率工作组，旨在将短期预报编入下一版本的“加州地震破裂统一预报3”（UCERF3），该报告预期在2012年年中提交给加州地震权威部门。

2009年4月6日，拉奎拉（L’Aquila）地震灾难使约300人丧生，近20 000幢建筑被彻底摧毁或无法居住。这次地震更加凸显了快速迈向可操作性地震预报的必要性。拉奎拉地区的地震活动2009年1月开始增多。那里发生的数次广泛有感的小地震曾促使学校疏散，并采取了其他一些防备措施。在意大利Gran Sasso国家实验室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso）工作的技术人员（拉奎拉的一名居民）G.Giuliani先生发布了一系列地震预测信息，令当时的局势变得非常复杂。这些基于空气中氡浓度（利用伽马射线探测器和未正式发表的技术分析测得）的预测没有得到官方认证。G.Giuliani先生的具体预测中至少有两次是虚假警报；然而，它们引起了公众的广泛关注，官方也对此作出了反应。意大利民事防护部（DPC）和地球与火山科学研究所（INGV）的代表对此作出的反应就是发表了几点声明：（1）在科学上还没有有效的地震预测方法；（2）类似震群在意大利的这个地方很常见；（3）发生实际意义上的更大地震的概率仍然很低。DPC于3月31日召开了意大利巨大风险预测与防范国家委员会会议，会上得出的结论是“没有理由表明小震级地震序列可作为一次强震的前兆。”

在这种情况下，许多人将DPC和INGV的声明理解为地震危险性并未增大，而对此明确预报，多数地震学家心中却颇感不安。的确，根据先验知识还无法将前震与背景地震活动区别开来。世界上不到10%的地震后3天之内会在10 km范围内发生更大的地震事件；不到半数的大地震有类似前震。在意大利，不包含大地震的震群数量远远超过最终被确认为前震的震群数量。尽管如此，根据群发地震的统计资料，大多数地震学家还是会认同这样的推论，即拉奎拉地区在2009年主震前数周内发生一次大地震的短期概率高于一个普通的地震平静周内的概率。与此地震学见解相符的预报信息没有传达给公众，因而，公众期望得到有较强说服力解释的需求没有得到满足，他们得到的只是非专业的预测信息，而非权威信息。

DPC目前正在根据国际地震预报委员会（ICEF）的调研结果和建议对其可操作性预报程序进行修订，该委员会由意大利政府召集成立，由我们团队中的一员担任主席[2]。以可操作性为宗旨的概率信息的利用需要有基础设施和专业知识来支持，而ICEF已建议DPC有效发挥这些基础设施和专业知识的作用，该委员会还为可操作性预报系统的实施提供了指导方针。

加州地震预测评估委员会（CEPEC，我们两人都在此供职）过去20年间积累了丰富的经验，向公众传播短期、权威预报信息的实例就是得到了这些经验的支持。2009年3月，就在拉奎拉地震发生的几周前，圣安德烈斯断层（SAF）南端加州Bombay Beach附近的数公里内发生了一个包含50多次小地震的震群，其中3月24日的一次地震震级为M4.8。这一震群的震源与震源机制都与左旋Extra断层一致，该断层于1987年Superstition Hills地震序列期间在Salton Sea以西出现地面错动。然而，自1932年仪器记录开始以来，3月24日地震是位于圣安德烈斯断层Coachella区段南半部10 km内的最大一次地震事件。根据“加州地震破裂统一预报2”（UCERF2）的时间相关模型，Coachella区段（大概自1680年以来尚未破裂）30年的M≥7地震概率相当高，约为24%，相当于每天2.5×10的概率。应加州紧急事务管理署（CalEMA最近取代加州紧急事务服务办公室（OES）的一个新设机构）的要求，CEPEC于M4.8地震发生3.5小时后召开了一次远程会议，并发表了如下声明：“根据为圣安德烈斯断层研发的前震评估方法①CEPEC方法是基于Agnew和Jones公式[6]。有关评介见Michael最近发表的文献[7]。，CEPEC相信与此次震群相关的应力使圣安德烈斯断层上未来几天内发生大地震的概率增大了1～5%。这种潜在风险会迅速减弱。”相对于UCERF2而言，CEPEC估算的短期概率相当于一个约100～500的增益因子。

CEPEC发布这一可操作性预报遵从的是南圣安德烈斯工作组拟定的一个通知协议[4]。按照该协议，大地震（M≥7）警报按3天概率被分为4个等级：D（0.1～1%），C（1～5%），B（5～25%），A（＞25%）。D级警报在多数年份中都会发布，但CEPEC或OES并未因此采取行动。2009年Bombay Beach地震事件启动了C级警报。其他相关事例见于早些时候圣安德烈斯断层附近地震活动增多的4个时段：

（1）1992年4月23日M 6.1 Joshua Tree地震。此次地震震中距圣安德烈斯断层只有8 km。主震前约2.5小时发生的一次M4.6前震启动了C级警报。主震后约2小时，OES按照USGS建议发表官方声明，称发生大地震的概率为5～25%，并将警报级别提升至B，建议当地辖区作出适当响应。

（2）1992年6月28日M7.3 Landers地震。震中和破裂带都离圣安德烈斯断层较远，但余震却延伸至圣安德烈斯断层带的两个地点。CEPEC在地震后36小时召开了一次会议，会上决定拟定一个协议，官方称为“开战预案”。如果南圣安德烈斯断层Coachella或Carrizo区段的3 km以内即将发生某些地震（如M≥6.0），那么USGS将在20分钟内通知OES，OES则会迅速采取行动，假想圣安德烈斯发生大地震的概率为1／4实质上相当于A级警报。加州州长还为该州民众录制了一段视频，而且已做好了调动国民警卫队的计划。这一增强协议有效期为5年，但却从未被调用。

（3）2001年11月13日Bombay Beach震群（最大震级4.1）。该震群开始于早晨6：00的一次M 2.4事件，8：00至9：00之间持续发生多次＞M3事件，中午12：43发生一次M 4.1最大事件。CEPEC于上午9：30召开了一次电话会议，同日上午11：00又召开了一次会议。OES最终发表了一个声明，称下午2：00左右圣安德烈斯发生地震的危险性增大。公众几乎没有人理会这一C级警报，媒体对此也极少关注。

（4）2004年9月30日M 5.9 Parkfield地震。根据Parkfield协议[5]（南圣安德烈斯协议就是源于此协议），USGS发表声明称，发生一次类似于1857年地震的概率约为10%实为B级警报。然而，CEPEC没有召开会议，OES也没有据此警报采取直接行动。

以上简要回顾表明可操作性地震预报已经而且正在加州实施，预报信息的传播也变得越来越自动化。对于记录到的每一次M5.0以上地震，加州综合地震台网（USGS国家地震监测台网系统的一个组成部分）现在都会自动发布预期未来一周内发生一次M≥5余震和M≥3余震次数的概率。权威性的短期预报也越来越广泛地被应用于其他地区。例如，从2009年4月7日上午开始，也就是拉奎拉主震后的第二天，INGV即开始发布意大利这一地区24小时余震活动预报。

加州经验也表明，可操作性预报可以被常态化地应用于“低概率环境”。源自现时地震模型的地震概率可能会相差几个量级，但其绝对值通常较低。自～20年前南圣安德烈斯协议被采用以来，还从来没有达到A级概率阈值25%，B级阈值5%也只有两次被超越（Joshua Tree和Parkfield地震后）。由此，可靠的、科技含量高的地震预测即虚假警报率低、漏测率低的高概率时间－空间－震级警报目前还不可能实现（也许永远都不可能实现）。在当今这样一个近乎即时资讯和高带宽通讯的时代，公众对于获取权威的短期预报信息的期望值似乎正在迅速提高。2001年Bombay Beach震群引起州级政府的关注，但在大众媒体中却几乎没有产生什么影响。然而，到2009年，媒体和许多公众已习惯于跟踪网络上的地震信息，3月24日地震后几小时内，地震机构就收到了数百条来自公众的咨询信息。

信息空白会招致非官方预测或错误信息的出现。南加州每发生一次大地震后往往会出现大量的预测谣言。此类谣言通常会说地震学家知道几天之内还会发生一次大地震，但他们就是不告诉公众，目的是避免引起恐慌。1992年Landers地震后，此类谣言甚嚣尘上，一直持续了好几个星期。2010年Elmayor-Cucapah地震后，类似谣言传播得更快，短短几小时内通过Twitter传播的信息就有数百条。这些谣言对地震学家提出了一种特殊的挑战，因为它们认定我们拒绝承认真相；对于许多人而言，官方的否认就意味着确认。对此类赘言作出的最好的辩解就是向公众表明科学信息总是可以通过开放、透明的预报渠道获取。

在此重要关头，什么是恰当的选择似乎已经非常明了。公众需要一个有关未来地震短期概率的权威、科学的开放源，这一开放源需要正确传达这些预报中的认知不确定性。过去，CEPEC以及美国联邦政府中与其相对应的国家地震预测评估委员会（NEPEC，沉寂10年之后由USGS于2006年接管）在某种程度上满足了公众的这些要求，但程序还略显不足。所发布的警报依赖的是一般短期地震概率或非正式运算得出的临时估算结果，而并非基于运作条件合格、定期升级的地震预报系统的概率预测。预报程序非常繁琐，需要安排见面会或远程会议，由此延误警报的发布时间或使发出的警报前后矛盾。最后，警报的使用也没有规范性可言，这取决于各级政府的决定，还要考虑公众的反应。例如，2001年Bombay Beachm 4.1地震后加州发布了正式警报，而2009年Bombay Beachm4.8地震后却没有发布警报，尽管这次地震事件离圣安德烈斯断层更近。

将来，主管机构启用地震预报程序的资格应遵从天气预报中普遍使用的3个“适合操作”标准：①我们遵从的适合操作标准与Murphy[8]描绘的“适度”准则一致。“质量”预报与实际地震行为之间的良好对应；②“一致性”不同时间或空间尺度上所用程序的相容性；③“价值”个人或组织利用预报信息作为指南从多种可供选择的行动方案中做出选择，由此获得可实现的利益（相对于实际发生费用）①。在创建、发送和使用预报信息的过程中，所有可操作的程序都必须经过专家的严格审查，而且必须经过CEPEC和NEPEC的正式认可。

可操作性预报还应结合经过验证的与权威性长期预报一致的短期地震活动模型。正如ICEF建议的那样，应该利用回溯测试法对所有可操作的模型质量进行可靠性与技术方面的评估，还应将这些模型与已被普遍接受的长期预报模型和各种可供选择的时间相关模型相比较，从而使其经受持续的前瞻测试。地震可预测性研究合作实验室（CSEP

Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability）已经开始建立中－短期预报模型的比较性、前瞻性测试标准及其所需的国际基础设施。区域性实验目前已在加州、新西兰、日本和意大利开展，不久的将来还会在中国开展；一项全球性测试计划也已启动。各种构造环境下的持续测试对于揭示可操作性预报的可靠性与技术能力以及量化其不确定性至关重要。目前，由于所用方法不同，基于地震活动的预报在概率增益方面可呈现量级差异，而且还存在如何将不断发生的地震序列资料融入模型中等实质性问题。

地震预报本身不具有内在价值，而是通过其对使用者决策的影响力来体现其价值。关键问题在于，如果相对而言短期预报概率增益比长期预报高，那么决策者是否可以从短期预报中获取重要价值，但绝对概率依然很低。20世纪80年代末，许多科学家仍然对地震预测前景持乐观态度，洛杉矶城和加州都在拟定发布高概率、短期预测的响应计划（如同NEPEC所拟定的全国性计划一样）。相比之下，对低概率环境下的减灾与防灾准备行动的效益和成本则考虑极少。预报价值通常都是根据经济效益或拯救了多少生命来测定的，但价值的评估也非常困难，因为必须将决策者在没有预报的情况下所能获取的信息考虑在内。

此外，多数价值测定并不能完全代表信息价值的相对无形的方面，如心理准备和心理韧性等方面的收益。公众对于地震的恐惧往往与地震给生命安全带来的风险并不相称。对创伤后应激障碍的心理研究表明，对于创伤的可预测性的缺失可以使病症增多。即使在绝对值较低的情况下，危险性增大的权威声明对公众的心理也有好处，因为他们会认为对于灾难的规律性和控制力的认知能力提高了。定期发布此类声明还会使公众更加清醒地意识到持续存在的风险，并学会怎样根据可获信息做出适当的决定。

承担可操作性预报法定职责的机构对于受众的具体情况及其所发布的信息都没有把握，而且在增强新的运作能力方面也显得非常谨慎。但这种情况可能不久就会改变。USGS已提议于2011财政年度在南加州开展一个可操作的示范性地震预报行动计划。如果获得国会批准，USGS将拟定一个正式的针对地震活动的预报发布流程。该行动计划将包含预报的研究与进展、测试、确认和实用性评估等。研究还将考虑地震的发生与震动情况。将以物理学为基础的地面运动模型（如SCEC的CyberShake模拟平台）与地震预报模型相结合，可以为地面运动预报的开展带来新的可能性。来自USGS和学术组织的科学家将与用户社群和通讯专家合作，对预报价值和警报流程进行认定，另外还将大力开展一个有关低概率预报的实用性和局限性的公众教育计划。

最后，我们要提出一个重要观点：虽然我们仍在探询从短期预报中能获得怎样的价值，但长期预报对于确保地震安全的价值却是毋庸置疑的。2010年1月12日MW7.0海地地震用惨痛的事实认证了这一观点，那次地震是有历史记录以来排名第五的最大地震灾难。虽然根据大地测量结果已经预料到会发生如此规模的地震，但太子港地区的建筑仍然未能达到抵御强烈地震摇晃的设计标准。主震没有预警便突然来袭；也没有前震或其他短期先兆的报道。防备地震就意味着始终为突发事件做好准备，这是一种长期观点。

译自：Seismological Research Letters，Volume 81，Number 4，July／August 2010，571-574

原题：Operational earthquake forecasting：Some thoughts on why and how

（中国地震局地球物理研究所 左玉玲 译；郑需要 校）

（译者电子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

[1]Gerstenbergerm C，Jones Lm，Wiemer S.Short-term aftershock probabilities：Case studies in California.Seismological Research Letters，2007，78：66-77；doi：10.1785／gssrl.81.4.66

[2]Jordan T H，Chen Y-T，Gasparini P，et al.Operational earthquake forecasting：State of knowledge and guidelines for implementation.Findings and recommendations of the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection，released by the Dipartimento della Protezione Civile，Rome，Italy，2 October，2009

[3]Field E H，Dawson T E，Felzer K R，et al.Uniform California Earthquake Rupture Forecast，Version 2（UCERF 2）.Bulletin of the Seismological Society of America，2009，99：2 053-2 107；doi：10.1785／0120080049

[4]Southern San Andreas Working Group.Short-Term Earthquake Hazard Assessment for the San Andreas Fault in Southern California.USGS Open File Report，1991，91-32

[5]Bakun W H，Breckenridge K S，Bredehoeft J，et al.Parkfield，California，Earthquake Prediction Scenarios and Response Plans.USGS Open File Report，1987，87-192

[6]Agnew D and Jones Lm.Prediction probabilities from foreshocks.Journal of Geophysical Research，1991，96：11 959-11 971

[7]Michael A J.Fundamental questions of earthquake statistics，source behavior，and the estimation of earthquake probabilities from possible fores hocks.Bulletin of the Seismological Society of America，2010，in press

[8]Murphy A H.What is a good forecast？An essay on the nature of goodness in weather forecasting.Weather and Forecasting，1993，8：281-293

P315.7；

A；

10.3969／j.issn.0235-4975.2010.10.001

2010-09-26。