地震预警：科技创新助力防震减灾

文/朱亮（淮南市地震局）

根据国家发展和改革委员会发布的2022 年国家自然灾害基本情况显示，中国是一个经常发生地震的国家，2022 年中国大陆发生了27 次5 级以上的地震，超过了往年的平均水平。这些地震主要发生在西部地区，如青海、四川和新疆等地。地震对当地的影响十分巨大，约有94 万人受到灾害的影响，造成122 人死亡或失踪，直接经济损失达到224.5 亿元。

面对地震的发生，人们不仅关注灾难的后果，也在积极地开展地震预警，积极地利用科学技术手段应对地震灾害。

一、地震预警的原理

在地震发生时，能量以地震波的形式释放出来，其中包括纵波（P 波）、横波（S 波）和面波。P 波是传播速度最快的，大约每秒6km，它会引起垂直震动。S 波的传播速度约为每秒3.5km，可引起水平震动。纵波P波和横波S 波在地球表面合成后形成面波，面波当中尤其以勒夫波和瑞利波最为主要，特别是勒夫波的震动方向与波的传播方向垂直，在地球表面平行传播，振幅较大。它们会在建筑物地基下造成水平剪切，导致严重的结构损坏。瑞利波在地球表面附近滚动传播，具有低速、低频和高振幅的特点，在较远处的地方比纵波和横波更具破坏力。

由于电磁波的传播速度（3.0×105km/s）明显快于地震波，地震预警原理主要基于电磁波、P 波和S 波之间的速度差。首先，利用电磁波的快速传播，远离震中的人们可以及时获知地震的发生，这种方法适用于异地预警。其次，利用P 波和S 波的速度差，通过在S 波到达之前触发警报，来实现现场预警。最后，通过检测S 波和面波是否达到一定的阈值来发出警报，在大地震时尤为重要，这种方法对地震应急管理至关重要。

二、地震预警技术模型

地震预警系统依赖于先进的地震监测设备和高速数据传输网络。这些系统配备有精密的地震监测设备，战略性地分布在不同的地理位置，能够实时跟踪地震波的传播。当地震发生时，这些设备会迅速将数据传输到地震预警中心。根据接收到的数据，中心采用复杂的算法计算出与地震相关的重要信息，随后发出预警信号，如图1 所示。

图1 地震预警系统的工作流程

根据地震预警系统中监测站与需要接受预警的城市的距离，地震预警系统又可分为异地预警和现地预警两个类型。

异地预警是指在震中区域（地震发生地）安装地震动观测台站，这些观测站持续采集实时地面振动数据，从而为指定的目标区域提供预警。相反，现地预警需要在目标区域附近安装地震动观测台站，在地面振动P 波发生后的几秒钟内，这些观测站就能迅速获取实时地面振动数据，然后利用这些数据来评估震级、位置和烈度等关键地震参数。与异地预警不同，现地预警系统对预警地和监测站之间的距离要求不高。地震动观测台站利用首次到达的P 波波形进行信息检索，而P 波和S 波之间的速度差则用于预警。此外，现地预警只需在目标区域内安装有限数量的站点，因此经济投资相对较低。

然而，现地预警的盲区大于异地预警，特别是随着预警距离的增加，现地预警提供的有效预警时间始终小于异地预警提供的时间，且现地预警时间由城市附近的预警台站决定，因此无法获得更长的预警时间。相比现地预警，异地预警由震中附近预警台站决定，经过短暂的预警测算后，即可发出预警信息，能提供更长的预警时间，可为大型工程、高速铁路、化工冶金等难以短时间停止的项目，提供更多安全保障。

三、技术创新对地震预警的支撑作用

近年来，随着电子技术不断更新、5G 网络与大数据的结合，以及人工智能的迅猛发展，科技创新对地震预警的推进作用日益明显，提升了地震预警系统的准确性、及时性和可靠性，有助于人们更好地应对地震风险。

（1）传感器微型低功技术实时监测地震活动，提高地震预警系统的准确性和灵敏度。利用地震测震仪等传感器设备能够实时检测到地震波的传播速度和振幅，从而更准确地判断地震的发生和预测其强度。比如，成都高新减灾研究所在大陆地震预警网中建立了性能优异、经济可行的地震预警监测技术体系，在地震预警监测中引入MEMS（微电子机械）传感器，首创监测仪预处理地震波形的方法，在经费不足日本1/60 的情况下建成全球规模最大且10 年无误报、预警时间更长的地震预警网。

（2）大数据分析解读技术对地震数据进行筛选滤波、仿真模拟、实时分析，评估地震的危险程度和可能影响范围。针对大量历史地震数据，使用神经网络和大数据分析技术，反复学习演化，根据地震波形特征、功率谱分布特征等，建立地震预测模型，提高地震预警的准确性和及时性。

（3）新一代通信技术将预警信息迅速传递。传统的通信手段可能存在延迟和不稳定的问题，而新兴的通信技术可以提供更稳定和快速的信息传递。目前，大陆地震预警网建立面向6 亿级终端的地震预警发布体系，提出秒级向亿级用户靶向发布预警的方法，解决用户过亿、高并发复杂场景、应急处置对策多样的难题，突破地震预警系统与重大工程控制系统的联动技术壁垒，保障重大工程安全。

（4）人工智能提高预警准确度和时效性。利用人工智能和机器学习等技术，可以实现对地震数据的实时监测和分析，自动判断地震的发生和预测其强度，这些智能化的系统可以帮助减少对人工干预的依赖，提高预警的速度和准确性。比如，我国国家地震烈度速报与预警系统基于自适应模糊聚类和时空关联的排除复杂干扰的方法、卷积神经网络和融合预估与实测技术的预警震级动态测算方法，突破“准”和“快”的核心技术，解决精准提取地震事件信息、大震破裂刚启动就测定破裂方向和测算预警震级等难题。

四、地震预警的典型应用

目前，全球已运行地震预警系统的国家不足10个，处于测试阶段的国家有13 个。例如，墨西哥于1991 年开发了墨西哥城地震预警系统（SAS），自1993年以来一直为该市提供地震预警服务。SAS 由12 个高灵敏度的振动传感器组成，战略性地分布在格雷罗峡谷东南部，相邻两个地震仪之间的间距为25km。当两个或两个以上监测站的地面震动振幅超过5.5 时，SAS 根据算法，确定预警震级和烈度，自动向墨西哥城发出警报。1995 年，墨西哥的南部格雷罗州发生了MS7.3 级地震，SAS 系统成功预警，并提前72 秒发出警报，拯救了无数生命，展示了该系统的实用性和有效性。

毗邻环太平洋地震带的日本，一直是一个地震多发且震级较大的国家，因此，他们十分重视地震预警工作，是世界上最早使用地震预警系统的国家。日本的地震预警系统采用紧急地震速报系统（ESRS），该系统以平均台间距20km，共布设了约1000 套地震监测仪器。当监测站检测到地面加速度达到或超过100cm/s2时，就能够通过预设条件触发警报。2011 年，日本3·11 大地震时，日本气象厅仅用时12 秒，测定震级约9.0 级后，便向专业用户发出第一条预警；震后15秒，向社会发布了第一条预警，是世界首次通过电视转播的巨大地震。

从2015 年开始，中国地震局为了加快推进地震预警系统的开发应用，选择毗邻台湾省的福建沿海地区，试点建设烈度计地震预警系统。为了缩小地震预警的盲区半径，建立了地震烈度网，通过在每个乡镇布设一个台站，来达到合适的台站密度。这一举措使福建省共计安装900 余套烈度计观测站，台站间隔进一步缩小至10km 左右。然而，河北省的烈度速报和预警系统，则不同于福建的建设思路，由数字地震监测台网和强震台网共同构成。其中，数字地震监测台网含有河北台网的57 个台，邻近省、直辖市台网的113个台，初步形成了多达170 台的大型综合台网。河北强震台网由强震动台构成，包括河北省内的48 个台、北京22 个台以及天津的10 个台，还接入拨号强震台站约40 个。

五、对安徽省地震预警工作的建议

安徽省地震预警系统自2018 年投入使用以来，在人们生产生活中发挥着重要的作用，但随着科学技术进步，也面临建造和维护监测设备的成本较高、需要更加可靠和快速的信号传输等挑战。

1.加大布设预警台密度

安徽省地震预警系统包含了省内地震监测台网、国家烈度速报与预警工程建设的强震台网、邻近地区的部分台站，共计约50 个台站，平均台间距约70km。为了确保地震台网预警技术的快速准确、缩小盲区，需要大密度地布设预警台，台间距最好不超过30km，以保障预警系统能够在第一时间测定地震，发挥预警能力。

2.积极推进国家烈度速报与预警工程安徽子项目

国家烈度速报与预警工程安徽子项目涵盖了10000 多座基准站、基本站和一般站的新建和改造工作。通过这些预警站点采集到的实时数据，结合宽频带地震仪波形数据，大大提升测定地震三要素的准确性、及时性，为地震预警系统的性能提供有力支持。

3.加快新技术在地震预警中的作用

地震预警的目的是在破坏性地震波到达预警目标区之前提供几十秒的预警时间，以便采取相应的防震减灾措施，减少地震灾区的损失。当前的地震预警系统仅仅发布预警信息并不能真正完成预警工作，还未覆盖地震前的准备工作和地震发生后的烈度计算、影响场估算等。未来要加大面向地震预测应用开展基础研究和应用研究，加快人工智能等新技术在地震预警系统的应用，推进地震预测预报的科学技术水平，积极探索地震预警服务社会的有效途径。