地震预警的新发展：新型传感器网络的应用

孙 丽

中国地震台网中心，北京 100045

地震预警技术利用最初几秒的地震波信号预测地震动强度为潜在的受影响地区发布警报信息，以达到减灾的目的. 传统的地震预警技术依托于实体的地震观测仪器网络，仪器的布设运维、信号传输、数据处理、信息发布和针对预警信息的响应技术在一定时间内制约了地震预警的发展. 1868 年J.D.Cooper 提出了为旧金山建设地震预警系统的设想（Nakamura et al., 1988; Kanamori, et al., 1997），

1984 年日本有了第一个特别为铁路设计的预警系统（Nakamura, 1984），1991 年墨西哥城出现了第一个为学校和地铁服务的公共预警系统（Aranda et al., 1995），2001 年中国台湾开始有地震预警系统运行，2012 年中国福建有了第一个测试运行的预警系统原型（Zhang et al., 2016; Sun et al., 2019），2015 年韩国预警系统开始运行（Sheen et al.,2017），2019 年美国西海岸的预警系统正式上线运行（Allen and Stogaitis, 2022）（图1）. 地震预警系统从概念提出到真正开始发挥减灾作用，用了超过100 年的时间.

近年来新型加速度传感器网络开始应用于地震预警系统，2016 年美国实现了基于智能手机传感器的预警技术和系统MyShake（Kong et al., 2016），该系统在2019 年与美国西海岸的ShakeAlert 系统一起上线，开始非官方正式运行（图1）. Allen 和Stogaitis（2022）介绍这个技术已经应用到新西兰和希腊，2021 年开始提供预警信息服务，稍后还将推广到土耳其和中亚. MyShake 的出现解除了地震观测网络和测地观测网络对地震预警系统发展的限制，为我们提供了更密集和费用低廉的传感器网络，有可能更高效地服务于防灾减灾救灾. 目前基于通讯光纤的地震预警技术也是地震学的研究热点之一，这个技术将较大地改善海域地震的预警效能，弥补海洋观测的短板. Allen 和Stogaitis（2022）还强调越来越多测量温度、压力、次声、加速度和空气颗粒等的传感器网络，也为未来多灾种综合监测预警提供了观测基础和发展前景.

这些新型传感器网络多是基于个人或商业的网络，科学和应急减灾的应用需要政府和社会的全面参与协调，解决隐私和商业费用等问题. 地震预警信息的发出只是减灾的第一步，重大基础设施和生命线工程自动紧急处置措施和群众科学的紧急避灾响应是预警系统真正发挥减灾作用的关键. 此外地震预警系统为了争取更快的信息处理和发布速度以获得更好的减灾成效，只使用震中附近少量的地震传感器的短时信息，存在一定的误报概率（Allen et al., 2017, 2018; Allen and Melgar, 2019）. 我们需要制定正确应对地震预警误报的预案以减小预警系统负面影响.

中国早在2009 年已经有了地震预警系统原型，2012 年开始在福建测试运行（Zhang et al., 2016），2018 年国家烈度速报与预警工程项目正式启动，到2022 年已经建成了集速度计、加速度计和简易烈度计为一体的综合地震观测网络，观测站总数超过15 000 个（图2），项目建成后将在华北、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段和拉萨周边地区形成秒级的地震预警能力（图3）和分钟级的烈度速报能力. 2021 年7 月27 日，京津冀、四川和云南地区的预警系统已经开始测试运行并对外提供服务. 中国是地震灾害最严重的国家之一，地震多发且分布广泛，基于新型传感器的地震预警技术也是中国未来地震预警的重要发展方向.

图 1 Allen 和Stogaitis（2022）总结的全球地震动和预警系统分布图. 圆圈代表6.5 级及以上强震可能的震动区域. 粉色区域表示震动可以被感受到，红色区域表示震动可能造成破坏. 地震预警系统的地理分布用醒目的蓝色和绿色表示，绿色区域表示全部采用安卓地震警报系统. 日本、墨西哥、韩国和中国台湾使用永久地震站网. 美国西部的预警系统ShakeAlert，最初通过无线应急警报系统、MyShake 和其他应用发布预警信息，现在也开始使用安卓地震警报系统Fig. 1 Allen and Stogaitis (2022) summarized the global distribution of earthquake shaking and early warning systems. Each circle shows the approximate shaking regions for magnitude 6.5 and larger earthquakes. The pink regions are where shaking is felt,and the red regions are where shaking causes damage. The current geographic distribution of EEW are highlighted in blue and green, with green areas entirely depending on Android Earthquake Alerts. Japan, Mexico, South Korea, and Taiwan, China have systems that use permanent seismic networks. The western US states have ShakeAlert, which initially sent alerts using wireless emergency alerts, MyShake, and other apps, but they now also have alerts delivered through Android Earthquake Alerts

图 2 国家烈度速报与预警工程项目台站分布图. 蓝色三角形为基准站，站点配置了速度计和加速度计；红色三角形为基本站，站点配置加速度计；黄色圆点为一般站，站点配置简易烈度计Fig. 2 The distribution of the seismic stations of National Rapid Earthquake Intensity Reporting and EEW Project. The blue triangle shows reference station equipped seismometer; red triangle shows base station equipped accelerator; yellow dot shows the regular station equipped intensity meter

图 3 中国大陆预警能力分布图. 色棒代表预警首报时间，单位为秒，色值变化从红色到蓝色预警首报时间从5 s 增加到15 s 以上Fig. 3 The EEW ability in China Mainland. The color bar shows the time of first EEW report (s). The color value changes from red to blue with the first report time increases from 5 s to more than 15 s