地震预警实质的探讨＊

张晁军 陈会忠 沈 萍 黎 明 赵国峰

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

3) 中国地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

中国是世界上自然灾害最严重的国家之一，具有灾害种类多、发生频率高、分布地域广、造成损失大等特点。其中，地震灾害位于我国自然灾害之首。历史的经验教训告诉我们，具备充分的防灾减灾意识，掌握必要的防灾自救知识，采取科学的防灾避险行动，是减少减轻灾害损失、保护生命安全的有效途径。

地震预警（earthquake early warning，EEW）是实时地震学和应急地震学的重要技术手段[1-5]，其技术源于日本、墨西哥等国，目的就是在目前地震预测尚未取得科学突破的背景下，在大地震发生时，让地震观测系统可以实时地为减轻地震危险服务。通过装备自动安全功能，减少设施暴露，增加特定的关键工程系统（例如核电站生命线或者交通设施）的安全，如，触发有序关闭生命线和燃气管道，以避免火灾；或关闭工厂运行，以减少潜在的装备损失和工业事故[4]。如果人们获得警报，立即采取避险行动，个人的安全状况也可以得到改善，达到挽救生命的目的。

在本世纪初，我国地震学家就开展了地震烈度速报和预警技术的研究。汶川大地震之后，中国地震局向国家提出了建设地震烈度速报和地震预警工程的建议。科技部先后在科技支撑项目中多次立项进行地震烈度速报和地震预警的基础研究和示范工程研究。在取得基础理论和实践经验的基础上，中国地震局向国家发改委提出“国家地震烈度速报和预警工程”立项。与此同时，一些民营企业和研究机构也进行了地震预警设备研制和试验工作，我国铁路集团总公司也开展了高铁地震预警研究工作，并且与中国地震局开展了战略合作。

“地震预警”越来越进入公众的视线，国内外关于“什么是地震预警”的问题越来越多，对地震预警技术的解释多种多样。由于地震预警在全球范围也是密集地震观测技术的新发展，地震科学家对地震预警技术的应用效能的认识也在不断加深和变化。目前比较公认的观点认为，地震预警存在一些认识上的误区，主要有两种倾向：一是对地震预警系统的局限性认识不足，对地震预警的地震强度估算过于乐观，从而误导了公众；二是不了解地震预警就是地震警报，常与一般的“预警”概念相混淆，对地震预警的警示作用和它是复杂的社会工程理解不充分。

为了更好地了解地震预警系统，本文从地震预警的实质、局限性，国内外发展现状，以及如何更好地发挥地震预警系统的作用等方面，对地震预警系统实质进行探讨。

1 地震预警

地震预警是指在地震发生后，利用地震波传播速度远远小于电波传播速度的特点，提前对地震波尚未到达的地方发出的警报。它是地震观测进入密集地震观测阶段，超快地震速报（秒级）的一种应用，是实时地震学和应用地震学社会服务的重要体现。地震预警包含超快地震速报技术、信息发布技术和系统警报技术，具有很强的技术属性和社会属性。

地震预警技术是地震科学技术在上世纪末发展起来的新技术，它是互联网技术、传感器技术、大数据技术和地震观测技术相结合的产物。这个新技术最重要的一点就是在地震发生时不仅仅是提供信息服务，更是警报服务，这是地震预警社会属性的重要体现。它涉及到的每一个人在收到警报后都应立即采取避险行动，因此，被称为“复杂社会工程”[6]。

2011年3月11 日，东日本大地震M9.0 的地震预警（日本称为紧急地震速报），让东京地区（距震中400 余千米）在强烈震动的S 波到达之前大约60s 收到地震警报，引起了全球关注，让全世界更加认识了地震预警。现在人们明白，地震预警工程的目的是“跑赢地震波，在剧烈震动来临前打声‘招呼’”[7]。图1 体现了地震预警系统的架构和作用。可见，地震预警除自身技术属性外，它是警报技术、信息发布技术的结合与应用，这是地震预警的社会属性。

图1 地震预警是地震警报Fig.1 Earthquake early warning is an earthquake alert

2 进入地震预警时代

2015年6月国家发改委正式批复的中国地震局“国家地震烈度速报与预警工程”项目建议书，2018年工程启动实施，总投资达18 多亿人民币。国家地震烈度速报与预警工程建设，将在全国，主要在华北地区、南北地震带地区、东南沿海、新疆西北部及拉萨这5 个地震预警区，建设密集地震观测网（图2），台站间距10—15km。除此之外，中东部地区平均台站间距为50 km 左右，青藏地区和新疆南部地区平均台站间距达90 km 左右。新建、改造3 大类台站，包括新建和扩建的1928 个基准台站，装备标准数字地震仪和强震仪；3114 个基本台站，装备标准强震仪；10349 个一般站，装备MEMS 烈度仪，共计15391个台站。工程在国家和省级中心采用先进的云存储和云处理信息技术，为各级政府和广大公众提供地震预警和烈度速报服务，为地震学和地球科学研究提供丰富的大数据和应用产品。

图2 国家地震烈度速报与预警工程建设的全国密集观测网Fig.2 National intensive observation network for the construction of national earthquake intensity quick report and early warning project

这样大规模密集地震观测的地震烈度和预警观测网的投资，是前所未有的，它的建设在世界上也是史无前例的。体现了“生命至上，安全第一”的思想，目前国家地震烈度速报和预警工程实行“先行先试”，使我国即将进入“地震预警时代”！

3 地震预警的实质是警报

地震观测发展大致经过单个地震台站、模拟遥测地震台网、数字地震台网、网络化地震观测网等阶段。进入21 世纪，特别是近10年，地震观测进入了密集地震观测阶段。地震观测网的地震台站密度从传统的100km 到200km 台站距离加密到10km 左右。日本在20 世纪首先建设了Hi-net 密集地震观测网，所以他们才能够在21 世纪率先实现了“紧急地震速报”。

密集地震观测带来一个重要进步，那就是地震处理技术从我们现在所说的地震速报从分钟级向秒级处理发展，称为地震速报的新发展。地震速报达到了秒级，在互联网时代就可以借助于电磁波的互联网传递，和地震波赛跑，也就是说这种在地震发生后的秒级地震速报，在震中附近以外一定的区域里，它可以跑赢地震波，这样它就可以用来做地震警报了！也就是实现了我们说的地震预警。因此，“地震预警”的实质是在地震观测系统向密集地震观测台网发展新阶段背景下，地震观测技术向快速处理进步的产物，“地震预警”的实质是超快速地震速报的应用−地震警报。所以，“地震预警”在日本叫“紧急地震速报”，美国叫“Shake Alert（震动警报）”，在中国广东省地震局叫“超快地震速报”，台湾称“强震即时警报”。

既然地震预警是地震速报的发展，那么地震参数秒级处理也应该又快又准确。地震预警技术开发初期，人们认为快速处理算法可能会与传统的地震处理结果相仿，能尽量做到又快又准[8]。后来在理论和实践上逐步发现地震预警的快速处理有两个局限，那就是再快也不能在地震发生后0s 就发警报（因为地震波从地下传到台站以及处理都需要时间），再一个就是这么短的时间里地震破裂全过程还未完成，地震台站收到的地震数据信息量较少，很难准确估算地震强度及地震波传播到的地方的烈度。这就产生了地震预警盲区与确定地震强度快和准的矛盾这两个问题。即超快地震速报，也就是我们说的“地震预警”，在技术上有局限性，并不是那么“完美”。但是，这种局限并不影响在地震发生后，向盲区以外的公众发出地震紧急风险警示，也就是发地震警报。我们应该认识到目前地震预警技术的现实和现状，也应该如实地告诉公众服务对象，要让公众真正了解地震预警就是地震警报。实际上，成熟的天气预报中的“预警”尚存在许多缺陷，例如郑州“7•20”暴雨灾害，虽然发出了红色警报，但是并不能预测会达到500mm 的降雨量，因此，公众总结了一条经验叫“闻警就动”。美国USGS 在2019年国庆节地震后提出“安全胜于遗憾”的地震预警策略，是在对地震预警的局限性一定要有清醒的认识的基础上提出的，地震预警的警报就是地震风险的紧急警示，见到地震警报就要立即采取避险逃生的行动。尽管大地震是小概率事件，可是万一是大地震，就可以躲避了劫难。有些国家的地震学家甚至认为，地震预警最重要的目的就是在地震波未到达的地区，提前给公众采取紧急避险提供足够的时间，使公众可以从容按避险三原则DCHO（Drop，Cover，Hold On；伏地、遮挡、抓牢）采取行动。

4 地震预警与一般意义预警的异同

由于地震警报是地震速报的发展，所以它和原来的地震监测是一样的，就是地震监测预报中地震监测诸多环节中的一个部分，地震观测规范相关部分应该适用于地震预警。但是由于地震观测正在进入密集地震观测阶段，地震观测规范应该进行修订，将密集观测和超快地震速报等内容相应补充进去，同时也应把所谓“地震预警”正名为“超快地震速报”或者地震警报（地震报警）。

地震预警（Earthquake Early Warning），在汉字上往往会和地震预报混淆，这是翻译上的原因。翻译讲究“信，达，雅”。所谓“信”，就是要忠实原文；所谓“达”就是通顺明白；所谓“雅”，就是译文的用词造句要讲究文采，做到文笔优美。因此，译成“地震预警”是“雅”的一种表现。据说翻译时还参考了雷达预警（Radar Early Warning），可能翻译者不甚了解地震观测。但这不仅仅搞糊涂了公众，其实也易混淆专业概念。地震预报是地震之前的预测，目前在科学上尚未突破。地震预警是地震之后的警报，这在技术上已经能够实现。

警报就是当一个事件发生了的风险警示和紧急通知。既然地震预警是地震警报，我们就要研究“警报”的性质和社会属性[9]。比如防空警报，当发现敌机或敌人的导弹来了，拉响警报，警示人们有被炸的风险。仅此而已，至于炸到哪里，爆炸力是多大，基本一概不知，或者只能猜测。“地震预警”既然是地震警报，也是一样的，它就是一个地方地震了，发一个风险的警示，告诉地震波还没有到达的地方：我这里地震了，你们要小心，地震波很快就要到你那儿了！

这和社会学常用的“预警”的概念，绝对是两回事。社会学提出的预警，首先是事件没有发生，事先对可能发生的事件的强度或危险性有估计。比如天气预警，气象台发布暴雨红色预警，未来24 h，将发生＜50 mm 降水。地质灾害预警也是这样的。现在说的“地震预警”就是地震发生后对于地震（S 波）还未到达的地区发出的“地震警报”！而且这个警报的产生是由密集地震预警监测网不停地实时监测，在地震发生后智能实时处理，快到数秒钟自动发布。这个过程和一般社会“预警”需要事先审批及发布流程也完全不同。

那么真正的地震预警有没有，应该是有的，它是地震预报的一种。有些人早就提出，除了目前我们的0 和1 的地震预报，我们应该进行地震的概率预报和等级预警（颜色预警）。比如某个地区被认为地震危险性较高，像天气、地质灾害预警一样，给该地区发出地震风险的等级警示[10]，比如蓝色预警。实际上我们每年划定的地震危险区，就是年度的地震红色预警。而我们现在说的“地震预警”把真正的地震预警这个汉字名词给占用了！

如上所述“地震预警”实质也是地震观测的一种快速产出，它是地震观测的一个环节。这就是思考“地震预警”各种问题的基础，也是我们向政府、企业、事业和公众解释“什么是地震预警”的基础。

5 开启密集地震观测新航程

如前所述，地震观测发展大致经过单个地震台站、模拟遥测地震台网、数字地震台网、网络化地震观测网等阶段。纵观地震学和固体地球科学的发展都是地震观测技术发展推动的，而地震观测发展又是被信息技术和传感器技术不断发展推动的。进入21 世纪，特别是近10年，互联网和移动互联网及新型低成本MEMS 传感器技术使地震观测技术能与迅猛发展的信息技术同步，地震预警技术在某种意义上催生了密集地震观测台网，促进了我国地震观测进入了密集地震观测阶段。

实际上密集地震观测把地震带进了大数据时代，给地震学和地震观测带来了重大变革，我们在2017年就发表了“密集地震观测带来的变革”一文[11]。目前美国正在编写密集地震观测科学原理“白皮书”，为各种尺度的研究开发“全波场成像”能力，制定密集地震观测计划，为密集地震观测系统在科学实践方面进行密集地震观测现场试验、现场应用和数据管理方面的评估[12]。

大数据在各个领域催生新的模式和新的业态，改变了人类思维模式。在技术上人工智能技术带来了新的技术革命。汶川大地震的发生使人们思考地震观测必须为大地震和挽救生命服务。日本“3•11”地震成功的地震预警表明，地震观测在大地震发生时不仅仅是快速测定地震的基本参数，更重要的是地震烈度速报和地震预警，这两项地震观测技术的新进展可以大大减轻大地震造成的灾害，并能有效地减少恐慌。

密集地震观测使地震处理摆脱了传统地震处理模式，大数据处理使地震处理达到秒级。超快地震速报，可以达到地震后5—10s 就发出地震警报。烈度速报就是超快地震动分布图，在地震后数十秒到几分钟就可以产出。密集观测无疑使地震观测能力大大提高，也使地震观测直接为地震应急救援，减轻地震灾害，挽救生命服务。

密集地震观测的大数据驱动同时推动了地震科学研究和应用的变革，推动地震科学创新和新的发现。例如，地震震级采用地震动的面积快速测定出MW，利用小地震和地脉动反演，动态跟踪地下状态，生成“地下云图”为探索地震预测提供依据。使用地震台阵组的方法来研究微地震、震颤、地震破裂图像。使用先进的聚束（beam-forming）方法，专门用于研究地震在特定方向、频率和速度方面的特性，在地震破裂面上成像，利用地震波接收特性快速跟踪地震破裂过程。密集观测推进了地球内部各种尺度的研究，开发所谓地下“全波场成像”能力，推动地球科学新的发现和创新。密集地震观测网在感知大城市振动，推进“高铁地震学”新学科创立，推进城市地球物理探测，保障城市运行和经济发展，建设智慧城市方面也将发挥重要作用。

密集地震台网产生的大数据推动了人工智能技术在地震观测的应用。中国地震科学试验场在云南利用密集地震观测网，采用机器深度学习方法，对2013年1月—2018年5月间四川和云南地震台网的近20 万个地震进行了机器学习。采用中国科技大学张捷院士团队开发的人工智能处理系统，在2020年1月1 日—8月4 日地震科学试验场的AI 系统共处理了地震4768 次，震级下限为2 级左右。结果是自接收到P 波后开始平均定位耗时为6.6s，自接收到完整波形后开始震源机制解产出耗时为12s，展现了密集地震观测人工智能处理地震的巨大优势。

中国地震台网中心的人工智能的地震信息播报机器人是大数据在地震信息发布方面的重要应用，使中国地震观测系统的信息发布进入机器人时代。地震信息播报机器人系统是我国自主研发的一套可以全自动运行的软件系统，它能在震后数秒内自动产出与当前地震相关的数百字及10 多张图片，内容涵盖速报参数、震中位置、周边信息、历史地震等20 多项内容。基础数据来自移动互联网，系统运行在云计算平台上，并通过互联网直接服务于亿万用户。

我国地震观测从建国前的基本空白，到建国以后的自力更生，历经建设基本台站，到建设自动化遥测地震台网。从九五数字化到十五网络化，以及正在实施建设的密集地震观测体系。从只有一个鹫峰地震台，到现在建设的拥有15000 个地震台、观测频带覆盖6 个量级和动态范围覆盖12 个量级的地震观测全覆盖的世界上超级地震观测体系。图3 是我国地震观测体系的观测能力频带和动态全覆盖示意图。

图3 中国地震观测体系的观测能力频带和动态全覆盖① 薛兵.关于地震与应变共点观测技术的探讨.中国地震学会地震观测技术专业委员年会报告，2018Fig.3 Observation capacity frequency band and dynamic full coverage of China’s seismic observation system ①

我国地震观测一直秉承“人民第一，生命至上”的宗旨，密集地震观测的技术将更好地为国民经济和国防建设、为减轻地震灾害、为地球科学研究创新不断进步，提供大数据信息和应用技术平台。中国地震观测正进入新时代，开启了新的征程。

6 结束语

地震观测最重要的目标是实现灾害预测和有效地减轻地震灾害。当前地震预警是其中重要手段之一。在发展建设和地震预警系统的同时，要有清醒的认识：①地震预警是复杂的社会工程，需要全社会的参与。预警系统能否起到其应有的作用，也在于全社会对地震预警系统的认识和理解；②地震预警系统需要密集地震观测网，必须采用低成本的智能化传感器和设备，突破传统地震观测理念，采用大数据思维，运用人工智能云计算技术，才能降低建设和运行资本，发挥地震预警的减灾效能，获取社会效益；③同所有的科学技术一样，目前地震预警技术有自身的局限性，存在预警盲区及速度与准确度可靠性问题，因此，只有地震科普知识普及到一定程度，社会灾害演练经常化，才能发挥地震预警的效能。

致谢

感谢中国地震台网中心国家地震科学数据中心（http://data.earthquake.cn）提供数据支撑；感谢审稿专家提出的建设性修改意见。