《地震数值预测总体设计导论》序跋＊

张 怀 张晓东 徐锡伟 吴忠良 邵志刚 张永仙

1) 中国科学院大学，北京 101408

2) 中国地震局地震预测研究所，北京 100036

3) 应急管理部国家自然灾害防治研究院，北京 100085

4) 中国地质大学（北京），北京 100081

地震数值预测一直是我们追求的目标，由中国地震局地震预测研究所学者编著的《地震数值预测总体设计导论》（图1）要与大家见面了，为了让大家提前了解该书内容，特刊出张怀教授（序一）、张晓东研究员（序二）、徐锡伟研究员（序三）应邀为该书所作的3 个序和吴忠良研究员、邵志刚研究员、张永仙研究员应邀为该书所作的跋。

《地震数值预测总体设计导论》试图在前人工作的基础上，参照其他领域的总体设计的经验，面向更大范围的读者，讨论地震数值预测的总体设计问题，或者说从总体设计的角度讨论地震数值预测问题。

全书分为7 章。除引言和第7 章（结论和讨论）外，第2 章侧重地震数值预测作为一个系统的“输入”和“输出”，介绍国内外地震数值预测的几个典型案例。第4 章从地震数值预测如何与统计预测、经验预测、物理预测等结合的角度，介绍地震数值预测的应用场景的若干典型案例。第3 章集中讨论地震数值预测概念设计中的一些关键问题。第5 章针对如何使目标时间尺度较长的地震数值预测实现时间相依（time-dependent），并在现有的地震预测业务中发挥作用的问题，以年度地震趋势会商为例，讨论一种“混合预测”的策略，这也是在中国地震台网中心所开展的实践的一个小结。第6 章结合中国地震科学实验场，给出一个地震数值预测总体设计的应用实例，该实例与实验场国家重大科技基础设施的项目建议和可行性研究工作以及实验场的长期发展规划工作有关，但更多地反映了某种“理想状态”下的地震数值预测系统的总体设计的思路。

图1 《地震数值预测总体设计导论》封面Fig.1 Cover of Overall Design of Numerical Earthquake Forecasting

该书由地震科学联合基金（项目号U2039207）、科技部重点研发专项（项目号2021YFC3000605）资助出版。

序一

国际上关于地震预报的讨论可以追溯到1909年，G.K.Gilbert 在Science上发文称，基于对地震发生最基本的认识，即地震是剪切应变条件下岩石的突然断裂或滑动引起的，我们能够对地震进行预测。此后，科学家一直致力于寻求科学地进行地震预测的方法。囿于人们对地震的认识有限，地震预测相关的工作研究很长时间都停留在经验性、不确定性、不稳定性的思维和方法中，既与地震的孕震背景相关性小，也缺乏物理依据。

近年来，数字孪生、大数据与人工智能驱动、大规模数值模拟等新概念、新技术、新模型层出不穷，越来越多的行业开始了数值预测的探索和应用。大量的实例都证明了数值预测的可行性，有效性和稳定性。因此，地震数值预测逐渐成为近些年来进展最大，最有可能获得成效的预测方法之一。

美国的南加州地震中心（Southern California Earthquake Center，SCEC）自1988年以来，针对美国加州地区，构建了统一的加州地震破裂预测系统（Uniform California Earthquake Rupture Forecast，UCERF），并发布该地区地震发生的概率，以及可能会产生的相关灾害。2009年意大利拉奎拉6.3 级地震后，欧洲大力发展可操作的地震预测（Operational Earthquake Forecast，OEF），提供不断更新的概率预报，并发展基于应力触发的地震预测、基于地震概率模型的预测，以及两者的结合等。

中国科学家也一直在寻求对地震进行科学的、具有物理意义的、可重复可再现的预报方法。1956年，傅承义率先在“科技长远规划”中提出开展地震预报研究工作的规划、科学途径和实施方法，和中国地震活动性及其灾害防御研究。1963年，傅承义先生在《科学通报》上发表《有关地震预报的几个问题》，这是我国在科学刊物上提出地震预报的第一篇文章。王仁院士在1980年将数值计算方法应用到华北地区强震的时空演化研究中。地震数值预报的思想在我国最早由刘启元和吴建春在2005年的论文《论地震数值预报—关于我国地震预报研究发展战略的思考》中提出。而后，石耀霖院士等提出了地震数值预测路线的初步设想。张培震院士、陈颙院士、张国民研究员等都先后提出了地震数值预测的设想和展望。

数值地震预报，即在充分继承经验预报的基础上，引入物理约束，采用数据与模型双驱动可计算性建模，对复杂断层系统内发生的地震进行时空与震级的定量性概率估计的地震预测与预报方法。数值地震预报是地震预报理论、方法、技术、专家智库的集大成者，是地震预报这一领域难题应对大数据、人工智能和高性能数值模拟飞速发展的必由之路。

数值地震预报基于地震孕育和发生的物理规律，利用现代多种技术手段观测和大规模数字化记录积累的海量数据，充分发挥现代高性能计算技术能力，集成模型驱动和数据驱动的大规模数值计算，实现对大地震长中短临渐进式的实用化预报。

对地震孕育发生物理机制的认识是地震数值预报的基础。物理预报不能停留在定性的一般性讨论，必须能够定量化地体现于数值预报之中。地震数值预报依赖于创新的技术方法，依据累积的海量科学数据，挖掘认识地震孕育发生的规律及其物理机制。

从可操作实现上，地震数值预报的研究既要重视基础研究、规划长远发展，也要急地震工作之所急，只争朝夕，开展渐进式长中短临预报实用化探索。地震数值预报的研究将对地震科研起先导作用，带动地震科学和地震预报研究的发展。地震数值预报研究，对地震孕育发生的物理过程研究有更直接和迫切的要求，对了解岩石圈的结构、状态和物理力学性质以及岩石圈动力学相关的各种动态观测有更具体的需求，反之也使这些基础性研究和资料能更直接地发挥实际作用，而不是基础研究与实际经验预报两层皮。

《地震数值预测总体设计导论》一书从总体设计的角度，阐述了地震数值预测的概念、发展历程、典型案例、基本问题和应用场景，并介绍了针对地震预测业务的一些相关数值预测尝试，讨论了中国地震科学实验场关于地震数值预测系统的总体设计，是这一领域的一项有重要意义的工作。

地震数值预报研究必将引起巨大的新思考和新变化，对地震科研和地震工作发挥促进和先导引领作用。地震数值预测研究自身短期内虽然不会成为主要地震预测手段，但它促进的高性能计算和大数据分析，会促进从简单的经验预报向统计经验预报转化，并逐步增加预报中对物理机制的考虑，有助于把我国目前的经验预报提高到新水平。

序二

用了三天时间一口气详细读完了《地震数值预测总体设计导论》，思绪久久不能平静，为能够在地震预测科技发展的关键时期出版这一具有重要意义的书籍感到欣慰和激动，也为年轻的地震预测研究专家能够编写出这本书感到自豪。

全书中阐述了地震数值预测的概念、内容、原则和国内外进展情况，对地震数值预测的典型案例、基本问题和应用场景进行了论述，介绍了近期国内相关数值预测的进展情况，讨论了中国地震科学实验场关于地震数值预测系统的总体设计，是这一领域的最具基础性的工作成果。

通过长期的地震科学探索实现地震预报，是人类的梦想，也是当今世界科学难题。人类以往对地震孕育发生机理的研究，主要是经验性的研究方法（利用以往的震例进行现象的总结、归纳和推理），其间也有极少部分地震在有利的条件下实现过成功的预测，但是这些成功的预测主要是经验性的。

随着全球与地震相关的观测技术的发展，尤其是地震、GNSS、重力等学科高密度、高精度观测的实现，观测数据得到了极大的丰富。地下断层和介质结构分辨率大幅度提高，不仅可以获得高分辨的静态结构，随时间变化的动态结构也具备相当的可信度。同时，慢地震、地震成核、Tremor 等一些新现象的发现，为地震数值预测初期的开展奠定了基础。

美国的南加州地震中心（SCEC）构建了统一的加州地震破裂预测系统，并发布了该地区地震发生的概率和灾害预测结果。2009年意大利拉奎拉6.3 级地震后，可操作的地震预测引起了国际上足够的重视，开始提供不断更新的概率预报，并发展了基于应力触发的地震预测、基于地震概率模型的预测结果等。

我国已经在中国地震科学实验场的川滇实验区建立了相关的1.0 版的数值预测公共模型，包括断层模型、速度结构模型、形变模型、流变模型等，初步建立了30年尺度强地面运动概率预测模型。在发布的《中国地震科学实验场科学设计》中将发展地震数值预测作为重要的研究方向。

地震数值预报研究必将开辟地震预测的新领域，引起地震预测科学的新变化。地震数值预测短期内虽然不会成为主要地震预报手段，但它会促进从经验预报向物理预报转变，有助于把我国目前的经验预报提高到新的水平，实现地震数值预测从无到有的转变。

近年来由于大数据与人工智能技术的推动，数值预测的探索和应用开始加速发展，初步显现出地震数值预测的可行性。中国地震科学实验场基础设施建设项目已经开始考虑建立地震数值预测技术的软件系统。因此，地震数值预测将逐渐成为地震预测方法新的探索途径，将对地震预报科学发展起到巨大的推动作用。

序三

随着高分辨率观测技术的进步和超级计算机计算能力的提升，孕育发生强震、大地震或特大地震的三维地质构造和地震监测预测预警相关的科研活动、业务运行等工作逐步实现了数值化和定量化。例如，在与地震灾害成因密切相关的活动构造研究中，活动断层地表几何结构、地表破裂型地震复发间隔、地震事件离逝率等成果不仅实现了参数化和定量化表达，还利用三维活动断层模型模拟推演技术将这些参数化、定量化成果尝试性地用于地震预测中，已然成为地震预报领域需要重点发展、从经验性预报向具有物理意义地震预测过渡不可或缺的前瞻性议题，地震数值预测正是其中一个值得关注的热点。

迄今为止，我们对震源所在地壳的结构、构造、物性参数、应力—应变状态等知之甚少，有限的地表仪器观测、历史文献记录、空天对地遥感等数据、资料很难准确地描述出活动断层上破坏性地震孕育—断层破裂滑动—断层面愈合这一远超人类个体生命周期的复杂过程，已有发震断层应变积累方式、滑动习性等力学模型与客观现实之间的偏差，严重制约了数值地震预测的发展。从万年尺度活动断层滑动习性和地表破裂型地震复发模型研究可知，地表破裂型强震、大地震或特大地震震级大小与活动断层地震破裂分段长度、破裂面积、凹凸体形态特征及其在一定条件下多个段落的级联破裂行为密切相关。已有研究表明，特定地区强震、大地震或特大地震孕育、发生取决于活动断层三维结构特征、破裂滑动强度、应力—应变状态等，复发模型包括单条活动断层上位移可变模型（variable slip model）、均匀位移模型（uniform slip model）、特征地震模型（characteristic earthquake model）或特征位移模型（characteristic slip model）等，还包括巨型活动断层段落之间或活动断层系之间相互作用下复发间隔逐渐缩短的丛状群集模型、复发间隔相对较短的活跃期与复发间隔相对较长平静期相间台阶状复发模型等。在过去的近20年间，以邓起东院士为代表的地震地质科学家们，基于活动断层长期滑动习性和构造力学机制，结合地球物理探查结果、近断层形变观测和地震活动性监测，通过构建地震构造模型和数值模拟，已经能够更准确地识别或判定高震级地震危险区，为高震级地震（M≥7）监测预测和防震减灾提供可靠的标靶。

本专著从我国发展具有物理意义地震数值预测需求出发，不仅回顾了地震数值预测的发展历程、基本概念、内涵和外延，还展示了国家和行业科技规划和部署，以及科学家个人的推动作用；在国内外地震数值预测典型案例解剖、现有地震成因力学模型和断层摩擦滑动行为分析基础上，深入浅出地讨论了地震数值预测的可行性、存在的基本物理问题与应用场景，明确了地震数值预测的前提是利用三维建模技术构建反映客观、真实地壳物性参数和断层几何结构形态特征的地震构造模型，详尽展示了从地震构造背景、活动断裂孕震特征、块体变形特征中分析并提取区域构造变形基本特征，建立三维地震构造模型，并结合地震活动性和地壳应变监测数据进行地震数值预测的全过程。值得关注的是，在有关章节还重点介绍了对川滇交界东南缘鲜水河—小江断裂系及其周缘地区的相关建模和结果分析的全过程：在把握川滇交界东南缘的地震构造背景、活动断裂运动学特征和强震孕震动力学机制基础上，选择鲜水河—小江断裂系及其周缘断裂作为研究目标，蕴含着高速走滑断层运动特征、活动断层构造变形分配机制、强震孕育机理等诸多热点研究问题，体现了地震数值预测中几大重点关注的内容，是构造力学思维在地质分析、构造建模、数值计算与分析以及地震危险性判定上的集中应用。

本专著不仅有助于相关从业人员了解地震数值预测学科的发展主线，也为非专业人士了解这个正在蓬勃发展中的热点研究方向提供了很好的参考资料。

跋

1 复杂性物理视野中预测的可行性问题

地震数值预测初看起来似乎是一种拉普拉斯决定论的产物。近年来非线性物理系统中各种复杂性的发现，仿佛从根本上动摇了地震数值预测的可行性。然而从物理上看，正是地球岩石圈系统的非线性动力学性质，使地震数值预测具有了可操作的性质。与数值气候预测模型相比，目前地震数值预测还处于“初级阶段”。但参照非线性物理的研究成果及其在数值气候预测等方面的应用，地震数值预测的可行性，道理是相通的。

地震的孕育和发生离不开岩石圈及其层次性结构。在岩石圈动力系统这一具有不同层次的开放系统中，导致地震孕育和发生的各层次的相互作用，表现为诸多相互依赖的物理机制，每种机制都会导致失稳。即使“拉普拉斯妖”可以给我们提供岩石圈的所有细节（其结构、其本构关系，等等），在这一系统中也存在种种可以导致不可预测性的现象，如确定性混沌（deterministic chaos）、自组织临界性（selforganized criticality），等等。在这一系统中进行地震的定量预测，仿佛因此成为一个物理上不可能的目标。

然而非线性物理所揭示的一个重要现象是，随着所考虑的物理问题的尺度的不同，在具有复杂性的物理体系中，往往会“涌现”出一些可以导致可预测性的规律性。传统的“还原论”（reductionism）性质的分析，此时为“总体性”（holism）的分析所取代。重要的是，其中的一些通过“涌现”（emergence）而显示出的可用来描述系统的状态、预测系统的发展趋势的规律性，具有一些与模型细节无关的“普适性”（universality）的性质。这就使得在对岩石圈结构的细节并不是十分了解、在大地震的“样本数”比较稀少、在地震的孕育和发生过程具有多种复杂性的情况下，地震数值预测不仅可以有所作为，而且可以为克服这些固有的困难作出独特的贡献。

世纪之交关于地震预测的可能性的争论，在科学思想的发展中具有重要意义。因为这毕竟是人类从理论上思考地震的“物理可预测性”的一个重要尝试，其所导致的“研究范式转变”，表现为改变了原来的“游戏规则”。“规则”变化之一是，理论上，以前人们一直力图写出地震的动力学方程。在相当多的情况下，这种要求并不现实。地震预测的非线性物理研究使人们开始注意另一种可能性：既然非线性复杂系统的一些行为，可以与系统的一些细节无关，那么，是否可以用较为简单的模型阐明地震的一些规律，并将其应用于地震的预测。“规则”变化之二是，经验上，以前人们一直试图找到地震发生的规律（例如周期性）。在相当多的情况下，这种尝试并不成功。现在人们开始注意到，是否有这样的可能：从理论上先看看可能会存在，或者不存在哪些“规律性”。地震数值预测为这两个方向的研究范式转变提供了一个不可多得的工具。

不过历史地看，这次世纪争论的局限性也是明显的。实际上，本应该是：

因为岩石圈动力学是非线性的，所以一些地震的预测，或者地震的一些性质的预测是可能的。

因为岩石圈动力学是非线性的，所以一些地震的预测，或者地震的一些性质的预测是不可能的。

这两个结论都是对的，并没有矛盾。但问题是，争论双方都把结论表述为：

因为岩石圈动力学是非线性的，所以地震预测是可能的。

因为岩石圈动力学是非线性的，所以地震预测是不可能的。

2 不确定性及其应对策略

地震数值预测中涉及若干带有很大不确定性的参数。应对这种不确定性的深层次的思路，就是由岩石圈动力学的复杂性所导致的“总体性”分析。“粗粒化”处理固然不可避免地导致空间—时间分辨率的下降，但“粗粒化”的处理常常可以把握一些决定系统演化趋势，特别是系统中的突变的特征。对于一个由很多基本单元组成的系统，在可以给出各基本单元的物理参数的不确定性范围的情况下，类似于“各态历经”的所有可能情况的总合，或者说类似于“蒙特卡罗”的处理，不一定确切地、却比较方便地给出了“概率分布”的概念。

应对初始条件不清楚的困难，一个普遍采用的思路是把地震的动力学过程处理成一个“马尔科夫链”，即系统现在的情况由系统的“最近的过去”的情况所决定— 在离散时间的情况下，由系统的“前一步”的情况所决定。对于地震问题而言，由于与连续弹性介质中的“圣维南原理”有关的机制，也许“马尔科夫链”的概念可以扩展为“时空马尔科夫链”，即一个地点的情况决定于离该点较近的周边在其“最近的过去”的情况—在离散的情况下，一个结点的现在的情况由其“最近邻”结点的“前一步”的情况所决定。

应该说，无论是类似于“马尔科夫链”的处理，还是类似于“蒙特卡罗”的处理，一定程度上都是“没有办法的办法”。需要提出的问题，也许不在这些办法是有限度的，而是为什么这些办法在一些情况下是有效的，而由此所导致的可预测性，其边界究竟在什么地方，是需要通过具体的实验进行研究的问题。

地震数值预测问题，就其物理实质而言涉及与其他类似的物理问题相同的基本问题：“微观”与“宏观”的关系，“不确定性”与“可预测性”的关系，“量变”与“质变”的关系，或者“渐变”与“突变”的关系。

3 地震预测研究的核心困难与地震数值预测的重要性

目前，地震预测基本上沿着三个方向发展。一是统计预测，主要包括基于地震本身的统计规律（如“地震空区”、地震“周期性”等）的预测，和基于地震的“标度关系”（典型地表现为“用小地震预测大地震”）的预测；二是经验预测，主要包括基于地震前兆异常的预测，和基于不同前兆异常的“综合性的”预测，其中专家经验从物理上说相当于在地震分析中引入了“附加自由度”；三是物理预测，主要包括基于冲击-响应过程（如利用日月引潮力对地球的一些部位形成“加载、卸载”，再通过“加载-卸载响应比”来推测其不稳定性）的预测（一次地震发生之后，通过其所造成的应力扰动影响另一个潜在地震区的不稳定性，也属于这种预测），二是基于模拟的预测（大致上相当于本书所讨论的“狭义的”地震数值预测）。从目前地震预测领域发展的实际情况看，“用物理预测取代统计预测和经验预测”作为一个长远发展目标或是合理的，但作为一个近期目标还不现实。现阶段的现实主义的发展战略，应是三种预测“取长补短”，“协同作战”。

地震预测的研究，面临三方面的核心困难，即“地球内部的不可入性、大地震的非频发性、地震孕育发生过程的复杂性”。地震数值预测对于克服这些困难具有独特的作用。

大地震的非频发性作为制约统计预测发展的最重要的困难之一，在地震数值预测的框架中有望得到较好的解决。地震数值预测带来了一种前所未有的可能：我们可以利用有限的机时，“重现”人类历史乃至地质历史上时间尺度达千年甚至更长的地震活动，再将对这些“合成的”地震的预测的经验，运用到现实世界的地震预测中去。

地震孕育和发生过程的复杂性目前有两个方面。一是物理上的“本征的”（intrinsic）复杂性和不可预测性，例如类似于“级联”（cascading）过程的地震破裂的不可预测性等；另一类是“表观的”或“现象学的”（phenomenological）复杂性，例如目前的一个经验是，不同的地震前、不同的观测点上，往往会出现很不相同的前兆现象，单纯看“曲线”、找“对应”，往往会非常迷惑，但在一个地震的孕育过程中应力场的演化的整体图像中，所有这些不一致的前兆表现，往往是同一个应力场演化过程的反映。地震数值预测对经验预测的直接的帮助就在于，可以通过应力场演化的图像，来细化、深化对所观测到的前兆现象的认识，特别是，在一个统一的物理背景下，定量化地解释不同学科、不同手段的观测。应该说，目前在地震发生之后的回溯性研究中，已有很多很好的工作。但针对未来地震的前瞻性的观测部署，即把“为预测的监测和模拟”（monitoring and modeling for prediction）的思路落实到实际震情监测的工作，还有较大的发展空间。

地球内部的不可入性（据说这是古希腊人的说法）是物理预测，特别是基于模拟的预测的一个重要困难。然而在复杂性物理的视野中，通过较为简单的模型（从原胞自动机模型、弹簧—滑块模型、刚性块体模型，到弹性模型、弹塑性模型、弹塑性流变模型等），探索那些在实际地震预测的层次上“涌现”出来的可预测性，成为克服这一困难的有效工具。从这个意义上说，复杂性物理背景下的地震数值预测，提供了一个不一定正确、但从未如此清晰的“路线图”。而此前的地震预测研究的“路线图”，或者开放性有余而清晰性不足（例如，经验性地搜寻“地震前兆”），或者几乎不可操作（例如，先彻底搞清楚地震的物理再考虑地震的预测）。

以对地球的有限的观测，究竟能在地震预测中走多远，这是任何一个负责任的地震理论都无法回避的问题。这个问题之基本、之深刻，已在很大程度上超越了地震研究本身。重要的是，现在对这个问题的回答，已不仅仅是抽象的哲学思辨（虽然物理学也曾被称为“自然哲学”），而是可以落实到具体的理论建模、模拟计算、观测检验的“实证性的”科学研究议程。地震数值预测一方面要充分利用计算能力的历史性进步，不断尝试新的东西，另一方面也应该“站在巨人的肩上”，在理论上做更为深入的思考。