日本地震预警系统在2011年3月11日地震中的效能、不足与改进＊

Yukio Fujinawa Yoichi Noda

1）Speradius Co Ltd.，Akasaka Business Court 2F，4－7－6Akasaka，Minato－ku，Tokyo，Japan

2）Tierra Tecnica Corp.，3－25－1Enoki，Musashimurayama，Tokyo，Japan

引言

在20世纪90年代，日本地震实时信息的收集和发布主要集中在地震发生后1～24小时［1］。大量的信息为中央和地方政府的防灾活动做出了显著贡献。在1995年的神户地震中，需要半天多的时间来评估这次灾难的严重程度，因为那时实时确定并发布灾害信息的基础设施还不完善，延误了在地震后黄金72小时的救援工作和其他灾后活动。根据这一情况，日本利用与美国类似的系统输入，建立了实时风险评估系统。该系统通过获得的实时灾害数据，能够在灾后提供破坏程度的快速估计。对于地震灾害，这些估计包括从密集的强震动地震台网所获得的地震动的烈度分布。一些地方政府（如，横滨市和广岛市）和民营企业［2］率先引入了这样的系统，以进行灾后的紧急处置。

EEW系统有几种不同的类型，目的都是为了提醒公众在强烈振动到达前采取紧急行动。EEW系统可以根据提供的信息类型和使用的传感器数量进行分类。例如，加州最早的EEW系统［1］基于地震烈度分布，提供破裂区域的地震灾害信息。破裂区域外的机构在地震动来临前，可以根据EEW系统估计和发出的灾害信息，采取相应的减灾措施。

另一类型的EEW系统采用震源参数作为其信息内容。首个系统称为UrEDAS（the Urgent Earthquake Detection and Alarm System），该系统利用单台地震计为日本新干线列车的地震安全服务［3］。日本现有的全国性EEW系统采用基于密集的台网估计得到的震源参数［4－6］。用台网收集的信息估计任一场点的地震危险（即振动强度和到达时间）。尽管在最强振动到来之前通常只有几秒或几十秒的预警时间，但系统测试显示，即使是如此短暂的预警时间，对人身安全以及财产和信息的保护，亦能起到重要作用［7］。

以下介绍日本的公共EEW系统，包括数据源、EEW分析算法、不同用户的硬件和软件应用以及公众预警方案。首先，简述了从2007年10月1日EEW系统开始运行到2011年3月11日日本东北地震和海啸（本文称为3·11）之间，公共EEW系统的效能。阐述了在3·11地震中EEW系统是如何工作的，在下一小节中将给出当前EEW系统的反应、评估和不足，这些在3·11地震之前大多是已知的，且依据3·11的经验进行了更新。其次，叙述了EEW系统的相关改进，目的是解决现有系统的不足，并提高系统在未来大地震中的效能。最后，对全文作了总结，并展望了涵盖灾难发生的整个周期的减灾信息应用的前景。

1 EEW系统

1.1 地震动数据和EEW分析系统

日本气象厅（JMA）和日本国立地球科学与防灾研究所（NIED）共同拥有几种不同类型的全国地震台网。这4个台网中，只有Hi－net和JMA的海啸地震观测与监测系统能实时传输数据。目前的EEW系统主要依赖于这2个台网，其网格间距约为25km，共约1 000个站点（图1）［8］。

图1 日本EEW系统中的2个地震台网。数据从观测台站到中央服务器的传输时间，对于NIED的 Hi－net（速度型高灵敏度地震仪）是1.5s，对于JMA的台站（强震仪）是0.2s

图2是一个实时确定地震震源参数的实例。在这个实例中，样板系统能在探测到地震后2.5s得到一个初始解。第二个解的结果显示，位置误差范围为±5km，震级误差为±1；识别震级＞3的内陆地震和震级＞4的海底地震的成功率超过99%［9］。基于地震波到达台站的振幅及估算的震源参数，能够估计出震级大小。随着到达数据量的增加，能够成功地更新震源参数。使用间距为500m×250m的点阵，并基于表层和深层钻孔样本与测深资料，以及日本所有的地质资料，已完成了沉积层的数据库［10］。该数据库对于利用震源参数估计地震烈度是非常重要的。

日本EEW这一国家级项目是由文部科学省（MEXT）、NIED、JMA和非政府组织（NGO）共同管理和执行的，并基于NIED和JMA两个不同的EEW系统［11］。有关JMA地震台网和组合系统的参数快速估计的更多信息，请参阅文献［12］～［14］。

图2 NIED的实时系统对鸟取地震（2002年9月16日）确定震源分析实例。点线表示EEW结果；“JMA”表示由脱机程序确定的结果；垂直箭头表示使用足够数量的观测数据所确定的真值暂定允许的偏差限值

1.2 应用系统

在EEW系统的发展过程中，非政府组织——实时地震信息协会（REIC）与民营企业进行合作，共同开发了应用于14个地区的自动化或半自动化的EEW系统，并支持实际应用的最终目标。

EEW系统的进展成果有2部分：特定行业防灾系统和信息发布媒介。前者涉及以下10个EEW系统，具体包括：①消防部门系统；②医疗系统；③家用电器系统；④学校系统；⑤厂房系统；⑥液化石油气（LPG）系统；⑦户外活动系统；⑧建筑维护系统；⑨电梯系统；⑩大坝维护系统。警报发布涉及到4个EEW系统，即：①防灾无线系统；②IP电话系统；③公众移动通信系统；④调频广播系统。此外，还有几款由企业和REIC开发的应用软件，如针对有线电视（CATV）设计的系统，针对公寓设计的并由互联网服务公司支持的系统，以及针对打印机设计的系统，等等。更多的详细信息，请参阅该 项 目 的 最 终 报 告［11，15－16］以 及 年 度 项目报告［17］。

1.2.1 医疗EEW 系统

医疗系统的目的在于确保EEW信息尽快发布，保障患者、医生、护士和其他工作人员的生命安全，以及预防手术过程中意外情况的发生，同时可以停止医学测试中设备的运行。并且，研究小组为示范医院的每类员工制定了行动手册。电梯、门和紧急广播应该由一个自动启用的预定操作进行控制。该医疗机构系统由Horiuchi监督指导［9］。

1.2.2 家用电器EEW系统

信息家电的设计已把如何使震害最小化纳入了研究中。我们调查了1995年阪神大地震的震害资料［17］。结果显示，发生地震的那一刻，人们无法控制自己。尽管正常情况下他们知道如何熄灭所有明火，如何打开门廊及如何到外面去，但那时他们能做的只有趴在地板上。这一发现引出了一个想法，就是在强烈的S波到达前，安置一个安全疏散通道和自动关闭热源，并发出警报的自动化措施的装置（图3），是非常重要而且有效的。这种系统已经得到开发应用，并且目前已安装使用在许多新的建筑物内。几乎所有的这些应用软件都是用于传递警报信息的，该家用电子系统由T.Kamae教授主持研发［15］。

图3 室内信息控制装置的自动防灾系统概述。主控制器发送一个触发信号使家用电器有所反应，如发出警报声，夜间打开灯以利于疏散，自动开门，保证疏散路线畅通，并自动关闭烹饪机和加热器

1.2.3 学校EEW 系统

对于学校的EEW警报系统，首要目标是确保师生的生命安全，其次是提高减灾教育水平。为此，专门成立了一个由教师、工程师和科学家组成的工作小组，制定了一本如何在学校内部应用EEW系统的手册。为了推广紧急地震信息的应用，通过在学校里的训练和演习，在减轻地震引起的损失和每年教育约一百万新学员方面，做出了很大贡献。学校EEW系统的开发由东北大学的M.Motosaka教授专门指导和主持［18］。

1.2.4 工业厂房EEW系统

对于工业厂房系统，EEW信息必须达到更高的标准。可以通过停止生产线的方式降低工程的灾害损失，也可以缩短恢复生产时间。另一方面，错误地停止生产线将对工厂造成很大的损失。

因此，需要一个可信度很高的警报信息，来决定工厂那些非常重要且昂贵的设备是否停止运行。为了满足这些领域的需求，混合地震灾害评估系统应运而生，如图4所示。该系统由 M.Motosaka教授、REIC和OKI DENKI公司合作研发。欲了解更多的相关信息，请参阅文献［15］。

1.2.5 大坝EEW 系统

弘前大学的Y.Ariga教授带领团队为大坝结构及其附属设施建立一套EEW系统。目标是形成一个直接的大坝风险评估系统，以便可以立即实施紧急对策和行动。该系统的主要功能是利用从EEW系统获得的地震信息和三维仿真模拟，估计地震对大坝的破坏程度。因此，需要在一秒内对大坝预期的地震破坏程度做出评估。此外，EEW系统能及时地发出警报，以警示大坝工作人员及居住在大坝下游的居民。大坝结构风险评估详见文献［19］。

1.3 两种EEW系统

1.3.1 公众EEW 系统

图4 利用EEW现场地震观测数据对重要设施进行准确地震控制的应用系统。精度比仅使用EEW预测大几倍，附近事件也被现场地震仪记录

普通公众地震预警系统（EEWg）是通过电视、广播和移动电话，告知民众将有强烈的振动到来。为了对预期振动做出一个详细的估计，把日本划分为188个地震灾害区块。当区块的振动强度大于JMA烈度表中的4度（相当于MMI烈度表中的IV度）时，将发布EWWg信息，由此显示了地震的大致范围。平均而言，每个县被分为4个区块。该EEWg系统发出特殊的警声，提醒公众采取有效行动拯救生命及减轻灾害损失，并为听力有困难的民众开发了一种象形图。EEWg发出的信息内容包括：发震的时间、震中位置、预测较强振动所在县名，以及预测烈度高于4.0度（JMA烈度表）的区块名。同时，还有口头和书面警告“请为强大的地震做准备”。

发出一条EEWg警报的判断标准是：第一，存在最大预测地震烈度超过5－度（JMA原烈度表5度划分为5－度和5＋度）的地区；第二，至少有2个JMA监测台站检测到该地震。EEWg系统的实例如图5所示。由此触发的EEW警报不再更新，除非它被发现是由实际的“噪音”如雷电、仪器或人为因素引起的误报，在这种情况下，将会发送“撤销警报”。

1.3.2 高级用户EEW系统

私营企业可以向高级用户发送EEW信息（EEWa）或经JMA许可的地震预警结果。许可的内容既包括到时和地震烈度的估算方法，还包括数据的传输（图6）。当估计的最大地震烈度在3.0度以上或估计的震级超过3.5级，就可以发出EEWa警报。图7所示了当主震发生在静冈县时的预警时间分布情况［20］。

1.4 公众指导

EEW系统是一个专为普通民众设计的用以自救的新的报警系统。作为一个灾害信息系统，它与以前只发布国内大震信息的系统是有区别的。过去的系统在检测到地震后，预警信息仅在电视屏幕周边间隙显示几分钟，而与普通民众的紧急行动无关。

图5 EEWa特定终端和EEWg图形显示系统示例。高级用户系统设备有如下几种类型：个人电脑、电视机顶盒、智能手机。触发信号可以通过一个开关箱控制家电系统。EEWg内容包括：EEW、报警点，预测地震烈度大于JMA烈度表4度的县区：千叶、茨城、枥木、群马、东京、神奈川和静冈

图6 从JMA经由服务提供商日本气象业务支持中心（JMBSC）到终端用户的EEWa流程示意图。JMBSC的服务费由用户出资。为了更高的可靠度，推荐使用双线供应商。供应商、直接用户，以及地震危险性评估设备的制造商，必须有JMA提供的许可

在2007年4月至2007年9月的EEW系统应用教育活动期间，利用大众传媒和教育设施，教育民众什么是EEW系统，以及在EEW信息发出后，根据不同的时间、地点和行动时机，选择合适的应急措施［21］。

JMA建议的典型应急措施如下：

（1）在家中：

·躲在桌子下保护头部；

·不要急于往外冲；

·暂时不要考虑燃气是否关闭。

（2）在公共建筑内：

·按服务员的指示行动；

·不要急于冲向出口。

（3）乘坐公交或地铁时：

·抓紧吊带或扶手。

（4）驾驶时：

·不要紧急刹车；

·打开危险警示灯提醒其他司机，然后缓慢降速；

图7 2009年8月11日骏河湾地震发生时EEW系统实例。第一圈EEW预警时间显示伊豆半岛西海岸及静冈市无预警时间。一方面，下田和御前崎市民有5～10s的预警时间，但真正的震源是在东南约30km处，这表明在伊豆半岛有1～2s的预警时间；另一方面，东京市民有多达30～35s的时间采取对策行动（原图见文献［20］）

·如果地震时依然在驾驶，逐渐减速停靠至安全区域。

这本使用手册具有标准性和通用性。其实也应该有一本个性化的紧急行动手册，应具体到每一个受到影响的组织或机构，如医院、学校和百货公司，甚至是酒店。建议用户根据JMA手册及 Meguro［22］提供的学习工具，制作一份更加适合自身的手册。

2 3·11地震之前EEW系统的性能

地震识别有2种模式：一种是基于单台的地震数据，而另一种是基于2台或多台的地震数据。该EEW系统的发布时间（即从识别地震到发布EEWg预警信息的时间长度）介于1～11s的范围（图8）。如果使用单台数据，平均经过时间是5.4s；当使用多台数据时，平均经过时间是6.4s。

图8 从首次检测到地震的时刻到EEW信息发布所经过的时间分布。共有64次震级大于4的地震事件。图中显示了2种情况：一种是单台检测；另一种是多台检测（原图见文献［23］）

与观测到的烈度相比，系统估计的烈度是另一种评价参数；这个统计与EEWg的情况有关，实例如图9所示。45%的实例显示估计和观测的烈度一致；91%的实例显示与JMA烈度表的误差在±1度之内。建议EEW系统用户应考虑到这些局限。

2.1 误差

JMA的评估已识别了因噪声、闪电或设备故障产生的30例误差，它们是在持续至2007年10月用单台数据测试期间所发布的1 957条EEW信息中产生的。而在同一时期，基于多台数据的EEW警报从未出错。在其中10个错误实例中，分析误差的根本原因有：4个是由于闪电原因，2个是检测算法错误，2个是台站噪音造成，最后2个是设备故障。实时发布这些错误EEWg的取消信息。

2.2 改进

图9 观测烈度与EEW估计烈度的对比图。91%的预测结果误差在±1度以内，也有9%的预测误差大于±2度（原图见文献［23］）

该EEW系统的缺点已被消除或降低，除了如下一些非常困难的问题，如：①对于近场地震的预警时间不足，这是因为地震台网密度不够；②EEWg系统内在误差，这是由于P波初至阶段可供分析的数据过少，导致震级估算过低，尤其是发生在日本东海岸（位于太平洋）的地震。

2.3 3·11前EEW系统的应用

几乎每个人都可以通过他们的电视或收音机接受到EEW信息，当然如果打开的话；并且，日本3个最大的移动电话公司的用户也可以接收到EEWg信息。通过个人电脑和智能手机访问预警系统的EEWa用户数量快速增加。他们使用免费的软件，通过签约供应商提供的网络得到EEW信息。只有一小部分的EEWa用户通过“应用系统”这一小节中描述的特定终端接收信息。然而，更多的个人和团体都在自费采用对策系统。下面有几个实例：

（1）许多地方政府，如东京，已决定在公立学校安装该系统。

（2）许多建筑公司为公寓提供EEW设备；数百套公寓已经安装该设备。

（3）约130家CATV中心已开始提供EEW服务，以及约10万套房屋都配备了该服务的专用终端。

（4）许多私营铁路和地铁公司把EEW接入已有的报警系统中。

（5）许多社区广播电台播放EEW信息。

（6）约100个地方政府纷纷引入无线电波系统广播EEW信息。

（7）日本百货公司协会已决定通过使用标准手册，并辅以广泛的培训，应用EEW。

（8）几乎所有的电力公司都对他们的员工进行了EEW报警系统方面的培训。

因误报的可能性和震中区域预警时间的不足，导致EEW所提供的信息有一定的局限性。为了推动EEW系统的更好应用，其中一个解决方案是，在成本合理的前提下，使所应用地方的地震危险性评估更加准确而有效。

3 3·11地震中EEW系统的效能和影响

3.1 日本东北地震中的EEW系统

2011年3月11日下午在日本东北近海发生的9.0级地震，是日本历史上最大的地震之一。此次地震造成超过18 000人死亡，紧随而来的是一场毁灭性的海啸。如此规模的地震对于大多数人来说，是难以想象的，包括那些在社区已经认识地震和海啸风险的人。少数研究历史地震的专家披露证据揭示，在东北部地区过去发生的大地震和海啸远远大于官方评估。但不幸的是，东北近海地震发生在政府和学术界关于如何应对新风险的讨论中。

这次东北地震的相关参数如下：

（1）震源位置：38.10°N，142.86°E，深度23.7km；

（2）发震时刻：2011年3月11日14时46分18.1秒（当地时间）；

（3）震级：MW8.8；MJ8.4（JMA震级）；

（4）最大断层位错：45m；

（5）破坏面积：300km×500km［24］。

NIED K－net和 KiK－net的强震（加速度）记录覆盖的地震动分布显示，东北近海地震的主断层破裂发生在3个位置［24］：

（1）第一个破裂发生在宫城县；

（2）数十秒过后，第二个破裂与第一次破裂相比，发生在更远离海岸的地方；

（3）几乎同时，第三个破裂发生在茨城县北部海岸附近，并伴随一股强大的地震波释放。

基于地震动的分布，该地震的破裂过程是非常复杂的。地震波的振幅沿着海岸变化很大，在EEW系统中造成很大的混乱。

3.2 EEW系统的效能和影响

3.2.1 3·11地震的EEW 信息

2011年3月11日14时46分48.8秒（当地时间），第一条东北地震的EEW信息通过电视、广播、移动和智能手机发出。那天下午，笔者（Y.Fujinawa）正在实验室里办公桌边工作。一位同事宣布每一次出现在他个人电脑上的EEW信息。摇晃增长得非常缓慢，这表明地震活动远离茨城县的东海岸，那里经常发生地震。几十秒钟过后，摇晃变得更加严重，这表明此次地震与日本“通常”地震相比是完全不同的。我与这里的其他众多专家一样，谁也不曾想到一个9.0级地震竟然发生在日本附近。

2011年3月11日的EEW信息显示于表1中［25］。当地时间14：46：40.2检测到此次地震，于14：46：45.6发布EEW第一报，也就是说，检测到地震后5.4s（发震时刻后的经过时间＝检测到地震后的经过时间＋22.1s）。那时，估计震级（4.3）超过了EEWa的标准值3.5级。然而当时没有任何EEW检测台站触发预警，这是因为地震烈度被低估（约1.0）。在EEW 第一报后1.1s，发布EEW第二报，震级更新为5.9级，新震级差值超过1.0级，是由于地震波到达了另一个台站。这一次仍然没有预期最大地震烈度＞5度的地区，因此没有EEWg信息发出。在初始阶段，震源被定位于38.2°N，142.9°E（深度10km），与实际值38.1°N，142.7°E（深度24km）对比，尽管震中远在台网之外（近海），而且有效的数据相当有限，但结果还是非常好的。

EEW第三报在东北地区沿海区域的最大烈度读数接近4度时发布。如果阈值设置低于4，EEWa用户将被告知会有强烈的振动。在仙台市（东北地区最大城市）有约15s的预警时间，而在偏远地区，如岩手县和福岛县，将有更长的预警时间。值得注意的是，如果阈值设置为超过4.5，高级用户就收不到EEW报警信息。

EEW第四报（第三报后1.1s）给出了估计震级7.2级及在宫城县中部地区最大地震烈度为5－度的结果。此时，向电视观众、电台听众和手机用户等发布EEWg信息。通过向东北地区所有的日本广播协会（NHK）成员和地方电视频道发出独特响声和屏显消息，发布EEWg警报。

表1 针对“3·11”的EEW 信息。检测到地震的时刻是14：46：40.2。EEW 第一报发布于14：46：45.6，即在检测到地震后5.4s。估计JMA震级为4.3，而JMA的地震烈度（SI）大于1（引自文献［25］）

预测东北地区振动越来越强（烈度大于4.0）的地方均在宫城县、岩手县的沿海及南部内陆地区，以及福岛县沿海及中部区域。这些地区伤亡情况最为严重。在振动最严重的地区，许多人至少有10s的时间采取自保和／或准备疏散行动。许多人都很有经验，这是因为自2007年EEW系统启动以来，已有3次大地震发生在该地区。

由于距离首个断裂处约200～300km的一个断裂，使此次破裂向南继续延伸至东京地区。已采用的断裂模型没有考虑到第二次及第三次断裂产生的连续影响。与第一次破裂采用固定点源模型的估计相比，这种情况引起了非常大的振动。用于区分同时发生的两事件的计算方法不能分开此次几乎连续不断的破裂［26］。

尽管关东地区（东京所在地）的民众实际上经历了很强烈的振动，但他们并没有在第一时间内收到EEW报警，因此，该地区的很多人在3·11地震中，并没有体会到EEW是有用或有效果的。

预测有强震动（＞4.0级）的地区向北延伸至包括山形县、秋田县和茨城县的环形区域，为EEW预警第九报（图8）；范围继续扩展，北至青森县，南至神奈川县，为EEW第十报；第十一报为埼玉县；第十二报为枥木、新泻、群马和东京。振动区域不断地扩展，这是由于强烈的地震波到达了远处的站点，这些波由新断裂区域发出。区域地震波振幅的增加是由于新断裂导致的增长，而不是由于估算模型的二维性质。

第十二条EEW信息是在最初检测到地震后65s发出的，此时，观看日本广播协会（NHK）或当地电视频道的数以百万的民众，都接到了播放的EEW警报。日本广播协会（NHK）是依法成立的可以广播灾情信息的全国广播组织。其他所有电视台都没有得到法律授权广播包括EEW在内的灾情信息。各地方电视台从签约的中央电视台公司转播视像内容。一个有趣的视频演示了在3·11地震中，东京各电视台是如何工作的［27］。一些电台花费4分多钟“赶上”并且在其频道播放EEW信息。在多次电视和电台延迟或不存在的EEW信息的经历后，EEW系统的不足之处已多次被指出。

3.2.2 EEW 系统的恢复

这次地震的剧烈振动导致17个JMA地震台站的数据传输中断，包括青森县、岩手县、秋田县、宫城县、山形县和福岛县的所有台站，以及茨城县和千叶县的2个台站。其中7个台站在3月15日修复，2台在3月23日修复，直到4月4日所有台站的数据传输修复后，EEW系统才最终得以恢复。在2011年4月7日第二大余震发生时，JMA地震台网已经完全恢复服务。

3.2.3 分析系统的改进

除了仪表系统的仪器故障外，在巨大断裂带（300km×500km）的四周，地震活动大大增加。由于震前同时发生的许多事件，使震级被高估，导致EEW误报。在地震活动“普通”的条件下，EEW系统被证明运行良好；但在3·11期间，由于地震活动突然增加，导致多个地震的地震波到达数据的混乱。

3·11地震发生后，在2011年3月11日至3月29日期间（即，不到一个月的时间），日本有22次估计最大地震烈度超过5－度的主震。这与2007年10月1日EEW系统初始运行至2011年3月11日期间共发生18次地震形成鲜明对比。3·11之前和之后，EEW信息发布适当的比率分别为15例（68%）和10例（58%）。

EEW系统的故障有21例归结为多重地震事件导致，9例为电力和通讯中断。3·11地震大约一个月后，即2011年4月28日，更新评估结果的数据几乎是相同的。由多个事件引起的故障可以撇开小事件（即那些很容易判断为更小的事件）进行处理。在28个问题案例中，有13个显示是该原因，可以通过调整相关的软件程序得以改进。

4 对EEWS的反应

为了了解人们在东北近海地震时的反应，进行大规模的调查显得尤其必要。由政府组织［21］和东京大学的学术研究机构［28］实施独立的调查。

JMA的调查在3·11之后进行了约一年的时间，即从2011年1月30日至2012年2月8日；受访者被问及东北近海地震及其接连不断的余震、地震及颤动。在本次调查中，样本虽然不是随机的，但选择这些受访者，是为了调查EEW的应用率、用户的满意度，以及人们对EEW的反应。采用了2种采样方式：一种是通过互联网问卷调查；另一种通过寄送邮件。在互联网问卷调查中，为保证足够高的质量控制，选择有经验的公司。调查采样仅限于已发布EEWg信息的22个县的民众。为了有一个可靠的结果，初步调查是分为EEWg用户和EEWa用户进行的。在选定的10 000份调查中，有1 600个EEWg用户和大约400个EEWa用户对该调查作出了回应。

调查结果按不同的样本组分别给出：通过互联网使用 EEWg（L－EEWg）和 EEWa（L－EEWa）的大样本组（大约2 000人）；经历了3·11最严重振动（JMA烈度最大7度）的小团体（S－Tohoku：817位居民），主要是东北地区的3个县：岩手县，宫城县和福岛县。

东京大学利用互联网进行了2次问卷调查［28］。样本选择那些年龄在30～60岁之间的受访者，并且居住在东京市内，包括神奈川县、埼玉县和千叶县。第一次调查是在2010年9月29日福岛县发生的一次中等地震（震级5.7）之后的2010年11月进行。第二次调查在东北近海地震大约5个月后的2011年8月进行。第二次调查的受访者是东京、埼玉县、千叶县和神奈川县约700户居民（T组）。在东北近海地震发生时，这些地区与东北地区相比，振动不是很强烈（但仍然有较大的主震和大量余震存在）。

S－Tohoku地区的受访者所体验到的地震动是最强烈的，L－EEWa和L－EEWg群组体验到的是最弱的，T组介于两者之间。JMA调查提供了有关受到最剧烈振动居民与轻微振动居民经验对比的重要信息；并且还提供了有关EEWg用户和EEWa用户之间的差异信息。东京大学的调查收集了有关经历3·11地震后公众态度的信息，以研究EEW应用方面的变化。

4.1 EEW 常识

EEW系统的有效性首先取决于大范围的报警是如何分布的，以及有多少人受益于地震的预警。JMA调查报告称，大部分受访者（87%）都非常熟悉EEW系统。如此高的比例是因为受访者在东北近海地震发生前的3年期间，有10次EEWg预警实例的经验。

但同样重要的是，应注意到仍然有13%的人不知道EEW本身。约1／4的受访者不知道EEW和通常在检测到地震后几分钟所发布的一般地震信息之间的区别。

JMA调查还显示，一般民众中的绝大部分能意识到EEW系统的各种不足，包括因使用最小量数据进行地震的快速和自动估计而引起的EEW系统误差。这一不足在EEW教育宣传活动的材料中有解释说明。本次调查显示，有78%的受访者能理解EEW信息误报的可能性。

EEW系统的公众意识由东北近海地震前的约50%大幅增加至87%［28］。现在有87%的民众了解到，如果有EEW信息的话，将会在很短的时间内有剧烈振动，而3·11地震前这一比例仅为34%。公众意识提高被认为是由于在3·11地震和超过400次余震引起全国广大地区剧烈振动中的经历。

但是，只有21%的民众认识到EEWg和EEWa之间的差异，Ohara等［28］报告了几乎相同的结果。它被认为是由于用户必须自己为EEWa支付额外费用，导致对EEWa优点的认识不足及缺少经验引起的。

4.2 采取的紧急行动

EEW系统的有效性引起了极大的兴趣，尤其是EEW在东北近海地震主震发生时是如何被利用的。

关于个人依据所学的EEW知识采取行动方面，JMA调查给出了以下4项：①受访者是否在其得知EEW信息后采取行动；②采取行动的类型；③受访者是否已提前计划好应对地震发生的适当行动；④受访者是否采取了已计划好的行动。

4.2.1受访者是否采取行动

对于这个问题，61%的受访者采取了积极的行动，但有17%的人试着采取行动但没有成功，而剩余22%的人未打算采取行动［21］。这22%中很大部分（13%）是由于没有相关方面的知识，而其他则由于负面评价有意识地忽略了EEW信息。这一调查结果令人并不满意。应研究如何改善公众行动率的方法，以提高人们在收到EEW信息后采取适当行动的比例。但仍然有太多的人显然没有意识到，采取行动可以挽救生命和保护财产，如家庭和学校。

总共有近80%的受访者根据EEW信息采取了行动，这表明会有一大批公众在接收到EEW后，准备采取行动。在经历了EEW系统测试阶段以来的4年期间，即2007年4月至2011年3月，非常显著地提高了日本民众对地震的防备，这是一个伟大的成就。

4.2.2 采取行动的类型

要求受访者在5个行动中选择：在家中避险；帮助家人；试着出去；通过电视或收音机获取信息；尽量减轻灾难发生后的影响。调查结果按不同的抽样团体分别给出：使用EEWg（L－EEWg）和EEWa（L－EEWa）的大样本组；经历了3·11最严重振动地区（东北地区的3个县：岩手县、宫城县和福岛县）的小团体组（S－Tohoku）。

L－EEWg、L－EEWa和 S－Tohoku团体的百分比结果显示于表2中。在这5个行动中，第一个和第二个旨在努力自救及拯救其家庭。这种行动的选择可能是直觉的，也可能是JMA关于EEW广泛宣传的结果。日本的民众已经想象一次地震并训练自己在接收到EEW时，应采取什么样的行动，这个建议是在学校及当地政府、JMA和大众媒体给出的。使用最为广泛的地震安全手册是由东京大学的K.Meguro教授编写的［22］。他的想法是让人们根据TPO（时间、位置和场合）完全熟悉地震风险，以准备采取最适当的行动。

表2 三组受访者采取行动的类型（由文献［21］原始表改进）

第三个行动，到户外去，绝大部分是经历了3·11地震最严重振动的民众选择的结果。我们能想象到3·11地震的振动是极其强烈的。第四个行动，打开电视或收音机，可能绝大部分是那些振动不大地区的民众给出的结果。

地震安全计划的基础部分，是指导室内人员在感受到或预测到强烈振动时尽快保护自己，然后打开门开辟一条疏散路线。然而，在东京地区最严重的振动区外，只有20%的人称他们采取了这一行动。相比之下，东北地区60%的受访者采取了打开门这样的行动；事实上，这是所采取的主要的行动。

在其他所受影响不太严重的地区，有20%的受访者称在接收到3·11地震的EEW信息后采取了行动，而在3·11之前的比例为15%［28］。该比例的增加可能是由于在之前多次地震和EEW信息之后，对EEW认识的积累。

4.2.3 预先确定要采取的行动

关于这些受访者是否已经预先确定了地震发生时的紧急行动想法的问题，其调查结果显示于表3中。从这个结果中我们可以推断，大多数人对于在振动最严重的时候该如何行动，毫无明确的主意。最大比例（62%）的采取行动者是那些在3·11地震中和之后经历过最严重振动的人，这被认为是在主震和无数余震引起的可怕振动中的“现场学习”。

表3 预先确定获得EEW信息后该如何行动想法的民众百分比（由文献［21］原始表改进）

在所有EEWa受访者中，有41%采取了预定的紧急行动，而EEWg受访者约为31%。这可能反映出EEWa用户具有更好的意识，因为他们为了能够使用特殊的信息而自己额外支付费用。

4.2.4 受访者是否已采取计划的行动

在地震中，受访者能否像他们想象的那样采取行动，是一个有很大兴趣的问题。人们在地震时所采取的行动，可能取决于危险的程度，以及他们之前的直接经验或模拟训练。

JMA的调查结果如表4所示。与我们的预期相比，这些百分比大得惊人，但应该记住的是，这些百分比不是绝对的；它们只是简单地给出了有多少人知道在地震中该怎么做的粗略概念。

表4 人们是否采取了预定的紧急行动（由文献［21］原始表改进）

对于 L－EEWa、L－EEWg和 S－Tohoku的民众，采取适当行动的比例分别是21%、32%和36%。但是，仍然有30%的民众没有采取合适行动（包括6%～7%没有采取任何行动），尽管他们曾经计划过。因此，我们应依据民众在家里、学校、工作中及其他场所，努力提高公众意识及训练他们对地震的反应。

4.3 预警时间和效能

最常见的问题之一是拯救生命必须要有多少秒的预警时间。原则上，该问题必须经过大地震时的详细调查才能得知。但目前还没有这样的成果。在这种情况下，Meguro等人［29］基于一次在学校里EEW的旧实验操作［18］，即一个EEW效能的振动台试验，制作了一个初级的效能表（表5）。

表5显示，如果EEW给出10s的预警时间，与相同情况下无EEW信息相比，死亡可以减少到20%，重伤减少到10%。在2008年中国四川省汶川地震中，如果曾有一套类似的EEW系统，大多数受害者将会得救［11，15］。

表5 通过使用EEW个人受害减少率的估计

一些研究调查结果［21，28］显示，假设有效率能达到90%，也就是说超过80%的民众的答案表明有能力采取一些疏散措施。这些调查结果可用于改善表5。例如，地区的死亡率和受伤率可以与3·11中EEW预警时间的分布做对比。不幸的是，必须给出许多假定条件和设想，所以，需要在这方面做进一步大量的工作。

4.4 对EEW系统的评价

在这里，对EEW系统的评价是基于JMA调查的4个测项的结果作出的。

4.4.1 满意度

JMA调查询问受访者对EEW系统的满意度水平。有4种可能的回应：1＝有用；2＝基本有用；3＝基本无用；4＝无用。结果显示于表6中。对于调查组L－EEWa、LEEWg和S－Tohoku，良好反应（1或2）的百分比分别是82%、91%和90%，与Ohara等［28］报告的良好评价几乎相同的水平。对于不利评价（3或4），L－EEWa、L－EEWg和S－Tohoku的百分比分别是18%、10%和10%。超过55%的受访者了解EEW系统的局限性，并表示愿意在未来更积极地使用EEW系统。

表6 对当前EEW系统的满意度（由文献［21］原始表改进）

如此高的积极评价率令人鼓舞，鉴于EEW系统存在的几个不足，包括误报和延迟（即强震到达后）警报，值得继续努力使其更加有效、准确和众所周知。

4.4.2 JMA调查揭示的有效点

JMA调查还关注了3种有效性：（R1），提供安全感和心理准备；（R2），提供随时准备应急行动的能力；（R3），提供自救能力。受访者的回答见表7。

在 L－EEWa、L－EEWg和S－Tohoku受访者中，认为EEW系统最大的优点是提供以备紧急行动的能力，评价率分别是82%、82%和85%。这些高比率很可能是基于受访者在东北近海地震和许多余震中的亲身经验。其次有效的是心理价值，对于L－EEWa、L－EEWg和S－Tohoku的受访者，评价率分别为43%、54%和44%。尽管预警时间很短，但受访者可立即了解情况，并在脑海中准备了适当的行动。对于自我保护的价值，L－EEWa、L－EEWg和 S－Tohoku受访者的评价率分别是33%、41%和46%。经历过严重振动的受访者给出的评价率最高，表明他们可以在很短时间内选择和采取最佳行动以进行自救。

表7 认为EEW系统有用的原因（由文献［21］原始表改进）

4.4.3 认为EEW系统无用的原因

JMA调查还询问了感觉该系统实用性的不足之处：（R1），采取行动的预警时间不足；（R2），警报来得太迟；（R3），地震烈度估计过高；（R4），经常无法收到EEW信息；（R5），误报而没有真正的振动；（R6），其他。受访者的回答见表8。

根据JMA调查，约10%的受访者认为EEW系统是无用的。东北地区的大部分人（这个10%中的约60%）解释说，他们认为EEW系统无用是因为系统的误差。这一结果可能是由于许多大的余震（超过400次）和同时出现的许多小震，造成重复的EEW误差。约36%的受访者声称无能力采取适当的行动，即便他们的确收到了及时的EEW信息。其他约30%的受访者列举了他们关于EEW系统的有限经验。这些说法可能是由于：①关于如何利用EEW系统来保护自己和他人的动力或知识不足；②EEW系统的精度不够。

表8 认为EEW系统无用的原因（由文献［21］原始表改进）

这些问题大多可以通过技术发展和帮助人们接受EEWa加以解决和改进。然而，由于大量的额外费用，改善这些并不容易。这些费用应该由社区、地方和中央政府共同承担。另外重要的一点是，大多数人所接受的EEW系统仅限于EEWg，而不是EEWa，因而系统的几个不足之处可以通过使用EEWa来解决。

4.5 用户对改进的需求

根据JMA调查，受访者对EEW系统改进的需求总结如下，并提出了几种解决方案。

4.5.1 发布EEW 的标准

JMA调查还涉及4种需求：（R1），增大发布阈值，将EEW信息限定于更强的地震；（R2），与目前保持一致；（R3），减小阈值，以便对较弱振动有EEW信息；（R4），无意见。受访者的回答按以下比例分布：R1（12%～13%），R2（59%～74%），R3（16%～27%），R4（2%～4%）。大多数人都对目前发布EEWg的标准满意，这与日本的地震易损点是一致的。高比例的积极评价是由于对EEWa和EEWg之间差异的认识不足引起的。

4.5.2 急需实现的要点

针对亟待改善的问题，JMA调查还包括3类需求：（R1），使EEW 无处不在；（R2），提高预警时间估计的准确性；（R3），提高地震烈度估计的准确性。受访者的回答显示于表9中。

表9 为提高EEW系统性能的紧迫问题（由文献［21］原始表改进）

最常见的需求是，EEW信息在一切可能的时间，一切可能的地点，及一切可能的场合，都应该是有效的。广大市民依赖大众媒体（电视和电台）获得EEWg信息。在家里或办公室依托于这些媒体的受访者，似乎很关心当振动或地震发生时，如果他们在户外，该如何接收到EEWa信息。

第二个最经常提到的需求是更准确的预警时间。在东北地区的受访者最可能需求准确的预警时间和烈度估计，或许是由于他们在地震主震和连续余震中的惨痛经历。自从该系统的实际应用初期以来，这点一直是大家讨论的问题，对于系统更广泛的应用及自动控制应用程序，减少地震对生产设施和电梯的破坏，这也是一个障碍。

5 正考虑的改进

日本东北近海地震和海啸造成破坏后，正在考虑对EEW系统进行一些改进，以应对未来发生在日本南部近海的海底地震，以及像东京这类大城市之下的地壳地震。

5.1 大规模的海底地震与海啸监测网络

在日本，过去超过70%的危险地震都发生在海底以下。布置在那些地震的预期破裂带内或附近的地震仪，将为报警增加预警时间，并使预测更精准。目前已经有6套高分辨率地震仪系统布置在离日本海岸约100km的不同地点，外加包括40个台站的二维台网，即“海底地震和海啸观测与监测网络”。该系统由独立行政法人海洋研究开发机构（Japan Agency for Marine－Earth Science and Technology，JAMSTEC）［30］操作，其位于日本本州岛上最大的半岛——东纪伊半岛。

另一大型海底电缆型网络，“沿日本海沟的海底地震及海啸观测台网”，布置于日本东北近海地震的断裂带内或附近，预期将于2015年完成。监测区域的范围从北海道北部岛屿的东南端，到房总半岛，这个区域约1 000km长，300km宽。将会建成150个安装有地震计和海啸仪的传感器台站。与此同时，JAMSTEC网络将延伸到南海海槽（Nankai Trough），以覆盖日本东南海—南海（Tonankai－Nankai）地震的预期断裂区。

除这些网络之外，有专家建议通过增加地震台网在水平方向和向下到地下深处的密度，以加强对陆地的观测。4个深约3 000m的深井地震观测站的应用已通过JMA和NIED试验。但是，增加现有的地震台网尚未得到所受影响社区的支持。另一个想法是，通过共享来自现场地震仪的数据提高EEW信息的精度［15］，以加强地震台网。

5.2 学校

东北近海地震在日本东部广大地区造成了巨大的破坏，伴随着剧烈振动和巨大海啸，尤其是在岩手县、宫城县和福岛县，该地区的学校遭受到了严重破坏，甚至有的被彻底摧毁。MEXT分析了灾害对学校（小学、中学、大学、职业学校等）的影响，目的是为改善学校灾害教育和灾害应对的现状。

为了解决如何提高日本学校有关地震和海啸的教育与减灾的问题，成立了一个特殊的MEXT委员会。该委员会的报告得出的结论是，在3·11地震中，参加了EEW系统的学校的孩子们能够采取适当的疏散行动，因为他们曾被教导过。该委员会还指出，由于受到EEW和地震安全教育，这些学生在家中也将能够迅速采取行动进行撤离，知道正确的疏散路线，并能够避免沉重家具引起的事故。MEXT委员会还得出结论，面向高级用户的EEW系统是非常有用的，日本的每所学校（约53 000所）都应该安装该系统。为实现这一目标的项目始于2012财政年度。

6 结束语

EEW系统自2007年以来一直在日本运行。该系统经历了巨大的东北近海地震，并在拯救生命方面已被普遍认为是非常有用的。EEW系统现在是防震减灾基础设施的重要组成部分之一。尽管该系统有一些不足之处，如误报、过低或过高估计振动，以及人为误差，但它已根据这些经验在不断完善中。基本观测网络正在进行的改善包括，广泛布置在东北近海地震断裂带周围的海底地震和海啸仪组成的150个站点，并且在所有学校中增加利用EEWa的基础设施。

EEW系统用户的绝大多数都接受EEWg（普通公众）警报。EEWa（高级用户）警报具有更高的精度和更长的预警时间，因而更加有效。更系统地利用EEWa有望使日本更好地抵御大地震。与目前的系统相比，额外的现场地震数据可以提供更精确的EEW信息和更长的预警时间。高级别的地震控制系统可以应用于几乎所有关键设施，如核电站、医院和重要工厂等，以提高业务连续性计划（BCP）和业务连续性管理（BCM）的质量。

致谢

我们非常感谢Haruo Hayashi教授的鼓励和Richard Eisner教授以及3位匿名审稿人重要而宝贵的意见。把我们诚挚的感谢献给直接或间接参与到日本EEW项目的所有人，尤其献给T.Katayama教授、T.Hayama博士、Y.Okada博士和A.Arima博士，感谢他们振奋人心的鼓励；献给NIED和REIC的同事们，感谢他们的合作；献给K.Meguro教授、Y.Ariga教授、M.Motosaka教授，以及Y.Horiuchi博士和Fujita博士，感谢他们的支持。

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