美国地质调查局防震减灾产品研发优势与启示

司政亚 蒋长胜

1）中国北京100080 北京市地震局

2）中国北京100081 中国地震局地球物理研究所

中美两国都是自然灾害较为严重的国家，在全球自然灾害损失总量上，美国位列第一、中国位列第三，两国均面临着严峻的地震灾害风险。美国地质调查局（USGS）是美国履行生态系统、能源与矿产、环境卫生、国土资源、自然危害、水资源等领域国家任务，并引领学科发展、向公众提供优质科学信息的重要政府机构，公共服务是其核心职能。在防震减灾公共服务领域，USGS 的领先优势和先进做法值得借鉴。

（一）USGS 具备全球地震监测和灾害事件应急响应能力，将地震减灾公共服务及其国家利益延伸至全球。

（1）优势分析。美国地质调查局（USGS）明确地将涉及美国在全球利益的地震减灾产品作为其公共服务内容。目前，USGS 所辖机构国家地震信息中心（NEIC）对全球范围的中等地震，在震后约20 min 内发布快速的地震基本参数信息，对5.5 级以上地震则提供更为丰富的地震灾害风险事态感知信息，例如地震动预测图（ShakeMap）和全球地震响应快速评估（PAGER）等产品。对于科学数据产品，还提供俯冲带几何结构（Slab）数据产品和软件工具、全球灾害性地震目录、全球地震分布图（最新版为2020 年发布的全球1900—2018 年5.5+地震分布图）等较为丰富的全球化地震信息产品（Ludwig et al，2018）。美国地质调查局（USGS）的全球地震信息已成为诸多国家和国际组织应对地震以及衍生的海啸、地质灾害等的重要信息来源，是美国政府占据全球战略优势的重要组成部分。

（2）启示。上述全球地震响应能力，得益于USGS 建设的最大规模的全球地震台网（GSN）。GSN 在1983 年的最初设计目的是为实现对全球核爆炸事件的监测，因其具有服务美国全球利益的独特战略价值，得到持续发展。目前已建设153 个地震台，实现对非洲、欧洲大部分地区、亚洲及太平洋地区4.5 级左右地震的监测能力，其中30 个台站与全面禁止核试验条约（CTBT）国际监测系统（IMS）共享共用。GSN 台站可记录的地震动频率，从近震源强地动的高频波到地球自由震荡产生的长周期波，具有地震监测、地学研究、微弱震动监视等多种用途。为填补全球海洋中地震台站布局的空白，美国在未来10 年还将增建34 个GSN 台站，以形成约2 200 km 间隔的全球完整覆盖。并以及重点针对海啸易发区的适度增加台站密度以改善全球地震层析成像和地幔动力学研究等关键学科的观测条件。

参考USGS 上述建设发展经验，我国未来宜持续推进中国版的全球地震台网、区域性的地震海啸预警系统等基础能力建设。

（二）USGS 拥有种类丰富、快速先进的地震灾害公共服务产品，边研发，边改进，边服务。

（1）优势分析。美国地质调查局（USGS）目前开发并面向政府应急管理部门和社会公众提供实时的地震通知服务（ENS）、综合地震目录（ComCat）、全球地震响应快速评估信息（PAGER）、公众地震感知（DYFI）、矩张量和有限断层面解等震源特征产品，以及ShakeMap 和ShakeCast 等地震动烈度信息、工程强地面运动数据产品（Ludwig et al，2018）。为确保美国在地震减灾服务能力上的世界领先地位，USGS 所辖的NEIC 在未来5年还将：①开发并增加新的地震情景感知产品，将滑坡和砂土液化的概率评估纳入全球地震响应快速评估系统（PAGER）；②实施地震预警（EEW）、可操作余震预测（OAF）以及改进（更高分辨率）灾害和影响评估产品；③改进国家地震灾害模型（NSHM）并推进在抗震建筑建设中的应用，开发新的地震工具和影响评估策略；④加强实时GPS、干涉合成孔径雷达InSAR 等大地测量数据在地震破裂性质和形变监测研究中的应用；⑤探索将地面真实信息直接纳入到震动和影响模型估计中，研究全面收集震后影响相关数据的技术方法（Hayes et al，2019）。

（2）启示。美国地质调查局（USGS）研发并提供的上述地震灾害信息服务产品，是其全球领先的防震减灾公共服务的最有力支撑。这些服务产品目前已成为美国政府、社会公众以及其他国家和地区政府开展重大地震灾害应对、减少破坏、指导震时与震后恢复重建工作最重要的科学产品。

拥有上述全球领先的地震灾害信息服务产品体系的原因如下。①数十年持续改进发展并拓展创新公共服务产品。USGS 将地震灾害信息服务产品作为其公共服务的核心内容，并不断拓展新的公共服务产品，例如2004 年推出“加州未来24 小时的地震预测”产品（数年后因其他原因取消公开服务）、2015 年以来逐步推出的可操作余震预测（OAF），等等；②具有坚实深厚的全球领先的地震科技创新能力。USGS 利用自身资金、美国国家基金委（NSF）资金、其他联邦和州机构以及私人基金会的经费支持，并通过建立全美国高校科学联盟性质的南加州地震中心（SCEC）、USGS 地震科学中心（Earthquake Science Center）等机构，持续提供科学产品供给；③地震灾害公共服务产品强调内在逻辑和体系化、实证信息的使用。在服务产品的逻辑关系上，NEIC 对地震灾害事件采用更综合、更动态、更基于因果关系的框架体系设计产品，以使用户易于理解有关联的其他地震灾害事件的关系。为显著提高风险感知类产品的准确性和可靠性，矫正震后自动快速产出产品，USGS 强调对更多实证信息的使用，例如使用更多的强震动记录、“众包”的地震灾害现场损失信息、遥感影像获取的地震灾害或次生灾害信息，等等。

（三）USGS 常态化地开展科学战略研究并发布、提供前瞻性、引导性的公共服务科学产品。

（1）优势分析。美国地质调查局（USGS）制定了大量与防震减灾有关的、具有国际重要影响力的科学战略研究报告。这些前瞻性的科学战略研究报告，在帮助防震减灾决策者、执行者和参与者凝聚共识、确定未来重要努力方向上，发挥了重要作用。近年来制定的重要的科学战略研究报告如下。

2013 年发布《自然灾害科学战略——促进国家的安全、保障和经济福祉》报告（U.S.Geological Survey natural hazards science strategy—Promoting the safety,security,and economic well-being of the nation），提出地震灾害对社会发展的风险以及减轻风险的优先事项，以提供客观公正的科学知识，帮助政府和社会机构处理动态世界中灾害的社会后果。

2016 年发布《联邦政府资助研究成果的公众访问：学术出版物和数字化资料》（Public access to results of federally funded research at the U.S.Geological Survey:scholarly publications and digital data）报告，实行科研成果面向社会公众的开放服务，目前已将受其资助的所有研究成果，约16 万份研究报告、论文、专著、地图、数据和模型进行开放。

2017 年发布《美国国家现代地震监测系统——现状、发展机遇和战略规划（2017—2027》（Advanced National Seismic System—Current status,development opportunities,and priorities for 2017–2027）报告，系统阐述了美国国家现代地震监测系统（ANSS）未来10 年的发展战略和投资重点。

2018 年发布《面向风险世界的科学——美国地质调查局用于风险研究和应用的计划》（Science for a risky world—A U.S.Geological Survey plan for risk research and applications）报告，面向与灾害风险有关的政策制定者、社区成员、应急管理者、资源管理者、公用事业运营者、企业和公众个体，制定可提供灾害风险信息、产品和工具的系列科学规划，并实现应对灾害事件和建设可恢复的弹性的未来。

2019年发布《国家地震信息中心（NEIC）未来五年（2019—2023年）战略规划》（National earthquake information center strategic plan,2019—2023）报告。为确保USGS 在全球地震监测领域的领先地位，改进其业务水平，紧跟地震学研究和创新成果，满足服务对象的新需求，提出了未来发展的战略方向。

（2）启示。科学技术是美国地质调查局（USGS）履行地震减灾国家任务、发展公共服务能力的核心支撑力量。为确保全球引领性，USGS 长期开展常态化的科学战略研究，并引导其他政府机构、各行业、企业和科研机构等聚焦其战略方向。在战略研究的组织实施上，USGS 采用自身筹建研究工作组、联合美国国家研究委员会（NRC）等多种形式，确保了战略研究报告科学水准的世界领先，发挥了未来发展的方向标作用。加强防震减灾科学的常态化战略研究，势在必行。

（四）USGS 与经济社会发展深度融合，及时调整面向国家与社会新需求的公共服务内容。

（1）优势分析。美国地质调查局（USGS）的公共服务产品已与多行业、多领域进行了深度融合，使其成为当前美国经济社会发展不可或缺的重要核心机构。

一方面，USGS 密切支撑配合不同行业部门开展多类型的灾害评估和预警。USGS 的地震监测网络用于发布公共地震预警，并支持美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的海啸预警。USGS 的火山监测及时提供火山活动预警，并向联邦航空管理局和美国空军通报危险的火山灰云。USGS 的流量计和风暴潮监测网络则用于支持NOAA 的洪水和恶劣天气（包括飓风）预警。在国家海岸沿线和近海，USGS 的海岸和海洋研究支持对地震和海啸灾害、主要风暴对海岸的影响和海平面上升的评估。USGS 的山体滑坡灾害评估支持对山体滑坡突发事件和公共信息产品的响应。USGS 地磁观测站向美国国家海洋和大气管理局以及美国空军557 气象联队提供地磁风暴预报。

另一方面，USGS 最大限度地满足多领域减灾需求。例如，在跟踪化学和生物威胁方面发挥着关键作用，包括在监测从动物传播给人类的疾病方面发挥作用。USGS 的地理空间信息（GIS）业务则用于辅助支撑洪水、火灾和许多其他灾害的响应行动。USGS 开发的脆弱性评估、情景和决策支持工具用于改善全国公共和私人土地上灾害的防备、预防、缓解、应对和恢复。在国际范围内，USGS 通常与美国国际开发署（USAID）的美国外国灾害援助办公室（OFDA）合作，支持能力建设、分享技术并监测海外灾害。例如，USGS 为USAID 和非洲司令部（AFRICOM）开发全球和所在区域的地震风险评估产品，以及配合美国联邦紧急事务管理署（FEMA）的灾害美国（HAZUS）软件进行联合开发运行，等等。此外，USGS 开发出可用于多种风险降低措施的产品，例如震后人道主义应对措施、海啸灾区的社区规划、自然过程和人类土地使用及其潜在损失风险的研究，等等。

（2）启示。与经济社会深度融合发展、不断满足国家和社会的新需求变化，是USGS在1995 年经历了生存危机后成功的改革发展战略。利用自身科技优势，解决国家关注的资源、环境、灾害和信息等重大需求问题，并且不断寻找新的服务需求，进一步探索其研究的发展和应用。这种面向用户、深度“嵌入”的发展模式，使得决策者、用户等利益相关者，继续提出新的需求，从而激励了USGS 在公共服务领域的不断迈进。在我国，防震减灾同样对生态、环境、能源、国防安全等众多国家和民生领域有重要的支撑作用，未来在服务新需求、拓展新服务上，有广阔的发展空间。