地震预警的十个问题＊

张晁军 陈会忠 李卫东

1）中国地震台网中心，北京 100045

2）中国地震局地震预测研究所，北京 100036

（作者电子信箱：张晁军：zhangchaojun＠seis．ac．cn）

引言

地震预警是建立在高密度地震台网基础上的新技术，是人类社会进行地震灾害防御的科学前沿领域，是人类和地震灾害，乃至和自然灾害斗争的手段之一。它的研究、应用与开发规模是自然灾害防御与减轻目标中的10个世界高新技术领域之一。我国拟在5年左右时间建成“国家地震烈度速报与预警工程系统”，届时公众可以利用地震预警系统提供的数秒至数十秒预警时间，采取避震措施，减少人员伤亡。重大基础设施和生命线工程可以实施紧急处置措施，避免次生灾害，如紧急制动高速列车、及时关闭燃气管线、关闭核反应堆、停止精密仪器运行等。

地震预警事关人民群众生命财产安全，事关国民经济发展与社会和谐稳定，是一项投入巨大而复杂的社会系统工程，需要政府、各部门、公众的共同参与。特别是地震预警系统因其自身局限性，会有预警的盲区，对中小地震减灾效果不显著；估算的地震参数和预测烈度可能存在偏差，等等，因此，需要社会各方面的理解和支持。

随着经济社会的快速发展，地震灾害对经济的冲击日益加剧，对社会发展的影响愈加广泛，社会公众对安全的需求日益增长，在我国建设一个预警实验系统，进而建设一个现代化的预警系统，对于探索防震减灾新途径有着重要的社会意义。本文旨在让社会公众能够全面地了解地震预警工作，从而更好地参与地震预警建设，共同提升全社会的防震减灾能力，更好地发挥地震预警系统的作用，最大限度的实现有效减灾。

1 地震预警，不是地震预报

什么是地震预警？地震发生后，有纵波（P波）和横波（S波）两种主要地震波同时由震源向外传播。纵波传播速度较快，大约6km／s，但震动相对较小，破坏也小。横波速度较慢，大约4km／s，携带能量大，是大地震时造成破坏的元凶。地震预警系统是利用震中附近监测仪器捕捉到的地震纵波后，快速估算地震参数（发震时刻、地震强度、地震地点、震中烈度等）并预测地震对周边地区的影响，抢在破坏性横波到达震中周边地区之前，通过电子通讯系统发布地震强度和到达时间的警报信息，使相关机构和公众能采取紧急措施，减轻人员伤亡和灾害损失［1］。图1是地震警示系统示意图。

图1 地震警示系统示意图（据中国地震资讯，weibo．com／u／2817059020）

地震预报是对未来破坏性地震发生的时间、地点和震级及地震影响的预测，是根据地震地质、地震活动性、地震前兆异常和环境因素等多种手段的研究与前兆信息监测所进行的现代减灾探索。地震预报技术是从地震监测、大震考察、野外地质调查、地球物理勘探、室内实验研究等多方面对地震发生的条件、规律、前兆、机理、预报方法及对策等的综合技术。

目前人类还不能准确地预报地震，它和地震预警完全是两回事。地震预警是在地震发生之后利用P波、S波传播速度差异，利用现在网络技术做出的快速响应，是一种秒级技术。地震预报是在地震发生之前根据地震活动性、前兆观测、宏观异常等现象，对一定区域是否会发生地震做出的一种推测，短期尺度为月，临震尺度为天或月。

2 地震预警应该叫地震报警或地震警报，是翻译不准确

地震预警英语为“Earthquake early warning”，日本叫“地震紧急速报”，中文应翻译为“地震报警或地震警报”，而不应翻译成“地震预警”。翻译成预警容易和预报混淆。美国在加州新建立的地震预警试验系统就叫做 Shake alert（震动报警）（http：∥earthquakeearlywarning．com／），也可能是为了更准确地描述这个技术系统是个震动警报系统。

目前所说的地震预警，就是地震警报！它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了地震之后，发出警报：我这地震了！由于地震波的速度只有每秒几公里，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）迅速地传给远方，在离地震发生比较远的地方，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（图2）。

图2 日本3·11地震造成高速公路破坏（a）、煤气泄漏（b）、铁路破坏（c）和山体滑坡（d）等严重灾害

3 地震预警盲区

地震预警技术从原理上就存在“预警盲区”。在收到预警信息前，有一段时间是用来处理初至P波信息进行定位、地震强度计算和信息发布的。这段时间是不能发出预警信息的，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，已经没用了［2］。

图3 单台地震预警理想盲区示意图

为什么会有这样的现象出现呢？这里有两个原因，一是地震是有深度的，一般来说大地震，浅源地震多发生在10～20km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要进行处理确认是大地震才能发出警报，这也需要时间。图3是一个地震台接收到地震波后最理想的盲区示意图，所谓最理想就是这个地震台正好在地震的上方，也就是在震中位置。假设地震发生在12km深，地震纵波传到地面地震台约需2s，地震台收到地震波进行判定是地震的处理，这是“秒级处理”技术，因为多1s地震纵波就多走了6km，目前最高水平需要使用3s地震波。这样在上图的情况下，加起来5s中发出地震警报，这时地震纵波已经走了30km左右，地震横波也已经走了20km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。

如前所述，S波是大地震破坏的元凶，预警盲区实际是S波预警盲区。上述的预警盲区是一个理想或者极端的例子，假设了地震发生在10km左右深，台站就在震中，判别地震只用了3s（据说是当前最高水平），可以看出地震预警盲区就是20km左右。这意味着，地震预警技术本身在原理上就有一个不可避免的盲区，在预警盲区地震报警基本上是没有什么效果的，因为在盲区内的人们收到预警（警报）信息时地震波已经过去了！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，需要一个密度足够的地震台网。仅用地震波初始的几秒钟来判断是否地震，还很不成熟。这样处理时间就会更长，预警盲区就会更大。图4从技术系统角度描绘了盲区的客观存在。实际上，预警盲区要比理论大一些，因为人在查看信息做出反应过程中，地震的破坏还在发生，距离震中越近，盲区越近，获益时间越少［3］。

图4 地震预警系统的工作原理示意图

4 P波快速判定地震是地震预警的关键技术

地震预警最关键技术是快速判断地震技术［4］。这是个非常复杂的技术，其复杂的原因有二，一是需要在地震台一收到地震信号后，“立即”判断是地震，即前面说“秒级处理”技术，最好是1、2s。这是极其困难的，因为常规快速处理一个地震（称为地震速报）需要一个地震台网，在整个地震波记录完整（包括接收到P波、S波及其他震相）和扫过地震台网后，获得完整数据后进行处理。这里最大的问题是地震初动震相的识别，即使用计算机，最快也需要几分钟时间才能确定地震参数，而且有时还会出现错误。这种处理完全是根据地震波传播原理确定的可靠的方法。可是这种方法对于地震预警是没有用的。

因此，地震预警技术的发展必须研发“快速判断地震”的技术，也就是要在地震台收到地震波以后几秒钟就能快速判断：① 是地震，不是其他干扰（人为在地震台附近的走跳、车辆、爆破、雷电等等）；② 是大地震，不是小地震；③ 地震位置；④地震震级或在震中区域的烈度。目前这个技术主要建立在大地震产生的P波周期比较大，可以初略估计地震的大小，同时也发现可以使用P波的形状估计地震发生的距离的经验和统计基础上的方法。这些方法不像传统的地震测定方法那样具有明确的物理基础，第一次结果快，可能会出现很大的误差甚至错误。比如，2013年2月19日云南巧家ML4．9级地震的预警，地震6s后就发出第一报，应该说是高水平的警报了，可是震级只报了3级，显然误差很大。同样日本“3·11”MW9．0级地震的预警第一报震级为4级，与真实震级相差甚远。因此全球各种地震预警的警报都是采用多报形式，例如日本“3·11”地震预警，就报了15报，第15报震级为8．1，烈度为日本7度表中的六度弱。当然第15报已经是第一个台站收到P波117s以后了（地震发生130多秒以后），预警盲区已经500km了，几乎对于灾区没什么作用了。这说明目前用P波前几秒判断是大地震的方法本身就不稳定。尽管地震预警要求这些参数不像地震速报那样精确，但是也应控制在一定范围内，这方面技术还需发展。地震警报的实质就是与S波赛跑，最大限度缩小地震盲区范围，最大限度降低地震灾害和次生灾害。

5 地震预警第一报是关键，目前可以不过多拘泥震级误差

综上所述，第一报是地震预警的关键［5］，因为每迟报1s就意味着盲区半径增加4km，目前绝大多数预警系统不敢采取单台发出第一报，因为单台误报和错报率可能会很高。成都高新减灾所的预警台网基本上10km一个台，为了保证不误触发，一般第一报都采用至少两个地震台。但是第一报的震级误差基本是地震越大，误差就越大，误差可达50%。成都高新所“4·20芦山7．0级地震”预警（对于此地震成都震中距为112km，成都地区烈度为4度；据国家地震台网测点发震时间为8时2分46秒；S波到达成都时间为8时3分16．5秒）情况如下（据成都高新减灾研究所微博发布资料）：

第一报：成都提前28秒收到四川芦山8时2分48秒4．3级地震的预警信息，预计成都烈度1．6度。2013－04－20 08：02：53发出。

第二报：成都提前26秒收到四川芦山8时2分48秒4．7级地震的预警信息，预计成都烈度2．3度。2013－04－20 08：02：55发出。

第三报：成都提前24秒收到四川芦山8时2分48秒5．5级地震的预警信息，预计成都烈度3．3度。2013－04－20 08：02：57发出。

第四报：成都提前23秒收到四川芦山8时2分48秒6．1级地震的预警信息，预计成都烈度4．1度。2013－04－20 08：02：58发出。

第五报：成都提前22秒收到四川芦山8时2分48秒6．2级地震的预警信息，预计成都烈度4．2度。2013－04－20 08：02：59发出。

第六报：成都提前19秒收到四川芦山8时2分48秒6．4级地震的预警信息，预计成都烈度4．5度。2013－04－20 08：03：02发出。

第七报：成都提前10秒收到四川芦山8时2分48秒6．3级地震的预警信息，预计成都烈度4．4度。2013－04－20 08：03：11发出。

第八报：成都提前9秒收到四川芦山8时2分48秒6．4级地震的预警信息，预计成都烈度4．5度。2013－04－20 08：03：12发出。

这就给我们提出了两个问题，一是如何提高第一报震级的准确率，这给预警秒级处理技术研究和创新提出了一个重要课题。二是目前如何办？一个办法是向公众发布预警信号不采用第一报，而是采用第三或第四报，这样预警盲区就必然扩大，比如雅安城区（距震中33km）采用第一报可以有3s预警时间，而采用第三报就没有了。所以，在目前技术水平和能力状况下，可以不拘泥苛求第一报震级和烈度的精度，应该发出地震预警的警报。实际上公众在收到预警的警报时并不会先看预警的震级，而是有地震警报就立刻采取应急避险措施。当然应该在现有技术的基础上，加强第一报地震震级准确率的研究和开发是必要的，争取有所突破。

另一个值得探讨的问题是预警效果问题。如上所述，成都地区尽管得到了初报二十几秒和最后数秒的预警时间，但成都烈度不到5度，是预警意义不大的地区，而极震区破裂尺度30多千米，是急需预警的地区。由于盲区的存在，极震区预警目前得不到有效预警。从预警的实际意义来讲，研发极震区和次极震区地震预警（烈度7度以上区域），更具有防震减灾实用效果［6］。

6 地震预警盲区实际上可能是地震破坏最大的区域

地震破裂带的长度是和震级有关的（见表1），一般来说，5级地震为1～3km，6级为10～20km；7级为30～80km；8级为100～300km；9级为300～1 000km。如上述分析如果地震预警20km盲区，就意味着盲区直径为40km，这可能就相当7级地震的破裂带长度，一般来说也就是烈度最大的区域，也就是可能受地震灾害最大的区域。可见地震预警对于大地震时盲区以外的地震破坏是可以起作用的，而对烈度最强的地区的地震破坏作用有限。同时可以看出地震预警对于小地震作用不大，对于大于7级以上的地震的盲区以外的地区的地震破坏具有减灾作用，笼统地说地震预警可以减轻地震灾

表1 震级M、断层长度L（km）、滑动量DO（m）、卓越周期T（s）与地震矩MO的关系

7 地震预警对于烈度异常区及次生灾害和生命线设施的作用

如上所说，地震预警对于地震的破坏减轻作用是有限的，但凡是大地震必然有两种现象必须重视，一是地震的烈度异常区域，例如唐山大地震时的天津宁河，北京的通州。二是凡大地震必然引起次生灾害，例如汶川大地震引起了巨大山体滑坡，日本3·11地震引起巨大海啸，日本京都大地震引起火灾等。因此，大地震和巨灾都是连接在一起的，这些次生灾害都是由地震引起的，其发生时间往往滞后地震的强大震动，就是地震造成的振动和地基液化引起的房屋破坏和倒塌，也要滞后于地震波到达。当然烈度异常区域往往是距震中区域有一定距离。因此，地震预警对于这些灾害的紧急避险还是有相当作用的。即使是在地震预警盲区内，也会发挥一定的作用。另外地震预警对于生命线设施的紧急处置也是有作用的。即使在地震预警盲区，得到地震警报时，地震波已经到达和过去，但是对于水电气这样的生命线设施的积极处置还是有很大作用的，这样地震警报信号是在地震后几秒或十几秒发出的，是目前最快的地震报警，对于生命线设施采取紧急处置，避免进一步产生水、电、气的次生灾害有很大的作用［7］。

8 重视利用P波和S波之差报警和S波紧急处置

地震预警技术发展到今天，有它的过程：最先的地震警报系统就是利用P波和S波时间差采取避险和处置，唐山地震时民间使用一个倒立的瓶子放在脸盆里，在地震发生后P波先到而且是上下振动，很容易将瓶子振倒，给人们提醒。目前的水、气、电的强震紧急处置基本上很多都是当振动达到一个阈值后采取措施的。P和S波时间差预警对于盲区的紧急避险和处置使用有其实际应用效果。所以将P和S波时间差预警和S波紧急处置纳入地震预警系统是十分必要的，为地震多发地区公众和设施安装相应的设备，是减轻地震灾害的重要环节［8－9］。

9 地震预警系统应有警报的快速确认和解除功能

鉴于地震预警技术的现状，我们不能对地震预警“求全责备”。日本气象厅在2007年10月1日发布地震预警系统投入使用时就明确指出，由于地震预警技术本身和地震台站环境的问题，包括其他震动的干扰、雷电干扰、仪器设备故障、地震判定技术的复杂，地震预警可能会出现漏、误、错报的情况。因此，地震预警的确认和解除功能就非常重要，应该成为地震预警系统的重要组成部分之一。例如，当昭通（昭通烈度为2度）公众收到巧家地震（距昭通92km，巧家地震烈度为6度弱）警报信号时（见成都高新减灾研究所－新浪微博），并没有注意第一报的震级是多少，就已经采取了避险措施，地震过后到底是发生地震了没有，地震有多大都是当地公众和领导关心的问题。这时地震台网的正式地震速报就起了决定的作用：确实发生了地震，而且是4．9级，不是3级。无疑对于安定民心起到重要作用。如果巧家地震发生在高铁沿线，在地震警报第一报时，全线可立即采取了减速行车的措施，如果在几分钟后确定的地震参数只有4．9级，而且距离较远，根据高铁地震预案，不会有影响，高铁可以立即恢复运行。这种解除是非常重要的，它对于确认地震和解除预警漏误错报，减少损失作用巨大。我国有着非常先进的大地震速报系统，目前自动地震速报可以在数分钟完成，它对于地震预警的确认和解除是非常重要的。因此，地震的确认和警报的解除应该正式列为地震预警的一个组成部分。

10 地震预警是个复杂的社会工程，需要全社会的动员和参与

福建省地震局局长金星说：要建成一套有效的地震预警系统需要具备以下条件：一是高密度的地震台网：每20～30km一台（实际上应该做到10km 一个台 本文作者注）；二是好的处理系统：利用台网捕捉的信息迅速定位、计算震级；三是完善的发布系统：将预警信息迅速传递到电视、电台、手机、网络等公共平台；四是健全的法律法规保障：使整个系统能有效运作。概括的说就是“测得到”、“定得准”、“传得出”、“用得好”。这4个方面其实只是对地震部门的要求。我们说地震预警是个复杂的社会工程，就是地震预警工程不是单靠地震部门，需要全社会的参与，包括所有的行业和部门，关系到每一个人。

如前所述，地震预警就是地震警报，对于这样的警报，各种人群、各个领域、各个行业的容忍度，是不一样的。例如，一般公众只要收到预警就会采取行动，并不关心预警的准确性，反正不造成损失就好，有损失我人已经躲避了。这说明公众对地震预警有较大的容忍度；再如高铁，接收到地震预警信息，就采取措施，先减速。但高铁希望在1～2分钟里确认是大地震还是小地震或者误报？高铁可以立刻停车或恢复运行，这说明高铁是有一定容忍度的；而核电站不能有个预警就停止反应堆，核电站要求必须是对其有威胁时报警。停了反应堆，其恢复需要很长时间，这些行业容忍度就低。

各行各业都收到同一个地震警报，其采取的措施级别不同。谁来管？自己管，都要参与，这就叫全社会参与。日本采取了市场化的方法，随着地震预警的发展，出现了许多地震预警增值服务商。也有行业自己制定统一办法的，像日本广播协会（NHK）就专门根据地震警报信号开发了供本行业使用的地震预警接收和广播电视发布系统。

只有全社会参与地震预警，才能使地震预警报系统发挥减灾作用。这就像战争中的防空警报，地震部门是拉警报的，到哪里躲避、怎样躲避，还要靠自己。

（作者电子信箱：张晁军：zhangchaojun＠seis．ac．cn）

［1］Kanamori H．Real－time earthquake damage mitigation measures．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：1－8

［2］Allen R M．The elarms earthquake early warning methodology and application across california．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：22－43

［3］Kanamori H．Real－time seismology and earthquake damage mitigation．Annual Review of Earth and Planetary Sciences，2005，33：5．1－5．20

［4］Grasso V F，Beck J L，Manfredi G．Seismic Early Warning Systems：Procedure for Automated Decision Making．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：179－209

［5］Gasparini P，Manfredi G，Zschau J．The preface．Earthquake Early Warning System．Springer，2007

［6］Zhang Chaojun，Li Weidong，Li Dahui，et al．Early estimation of epicenter seismic intensities according to co－seismic deformation．Geofísica internacional，2010，49（2）：107－112

［7］Nakamura Y，Saita J．UrEDAS，the earthquake warning system：today and tomorrow．Earthquake Early Warning System．Springer，2007：249－283

［8］赵纪东，张志强．地震预警系统的发展应用及启示．地质通报，2009，28（4）：456－462

［9］朱福祥，郭迅，李山有，等．重大工程地震预警初步研究．世界地震工程，2002，18（3）：32－36