地震预警，什么是有效的警报？

来源：上天入地

汶川地震12周年地震科普专辑（八）

地震预警是什么，是不是地震预报呀？人们接触“地震预警”这个词是在汶川地震以后，特别是在日本3.11地震之后 “地震预警”热了起来。“地震预警”简单地说，它是在大地震发生以后，请注意是“地震发生以后”，在发生地震附近的地震监测台站检测到地震，马上发出警报：“我这里地震了！”，从而使距离地震较远的地方，在破坏性地震波还没有到达之前可以避险和逃生。所以 “地震预警”不是地震预报！地震预报是在地震发生之前预测出要发生地震的时间地点和大小。地震预警是地震发生之后发出的警报。

地震预警的原理是什么呢？由于地震波的传播速度每秒仅为几公里，相对电磁波的传播速度每秒30万公里要慢得多，人们就将地震发生的消息用电磁波手段（电话、广播、电视、网络、手机）迅速地传给远方，在距发生地震较远的地方收到警报时地震波还未到达，从而采取紧急措施进行逃生和关闭电、气、水等生命线设施，使地铁、高铁减速等。这样就可以减少地震造成的损失，避免次生灾害的发生。这就如同防空警报一样，知道敌机已经起飞了，拉响防空警报，提醒人们躲避。

地震预警应该叫“地震警报”

可能有人会质疑，这明明是警报，怎么能被称为预警？

确实如此，“地震预警”这个名词中的“预”字往往使人们认为是指在地震没发生时或者地震发生之前发出的警报，因为在汉字里“预”字有预先之意，所以很多人常常会把地震预警和地震预报相混淆。地震预报是指在地震发生之前发出的预测报告。这里还需要说明，由于地震是发生在地壳的内部，人类现在还无法动态观测和探测到地球深部的环境变化和地震发生的过程，因此目前还无法科学验证地震发生的原因及准确预测地震的发生。

地震预警这个词是从英文“Earthquake Early Warning”翻译过来的。准确的中文应译为“地震报警或地震警报”，而不应译为“地震预警”。地震预警容易和地震预报混淆起来。在日本称“地震预警”为“地震紧急速报”，美国在加州新建立的地震预警试验系统就称为“Shake Alert”系统，即震动警报。在中国尽管我们一再呼吁不要再用“预警”这个词，但是约定俗成，改起来也不容易。所以目前所说的地震预警，就是地震警报！

如何进行地震预警？

如何进行地震预警呢？人类早就有地震预警的设想，例如，1868年美国旧金山日报刊登的地震预警的设想，就非常形象地告诉我们如何进行地震预警。由图3我们看到，地震发生后纵波和横波由震源向外传播。纵波传播速度较快，大约6公里/秒，但震动相对较小，破坏性也小。横波传播速度较慢，大约3.7公里/秒，携带能量大，是地震发生时造成破坏的主要元凶。

1868年旧金山日报刊登的地震预警设想

地震预警系统就是利用震中附近监测仪器捕捉到地震纵波后快速估算地震参数，比如发震时刻、地震强度、地震位置、震中烈度等，并预测地震对周边地区的影响，抢在横波到达震中周边地区之前，通过电子通讯系统，如广播、电视、网络、电话、手机、报警器等发布警报信息。在图中的右下方还把中国的侯风地动仪画上去了。19世纪的地震监测设备很简陋，监测台站也很少，因此无法实现地震预警的设想。地震预警需要密集地震观测网和智能化的处理系统，这样才能保证大地震发生后快速发出地震警报，所以人类百年以前的梦想，今天才得以实现。

地震预警是有盲区的

地震预警能不能救命，是不是万能的呢？不是一直说地震报警是给远处的人们发出地震警报，那么地震发生较近的区域警报有用吗？确实，地震预警在原理上就存在一个难以避免的“预警盲区”。

地震预警盲区示意图

上图图是地震预警盲区的示意图。红星为震源，红房子为地震台。前面我们说过从地震发生到发出警报需要时间，这个时间包括：（1）地震波从震源到达地震台与（2）地震台收到地震信号再判定地震所需时间的总和。在这段时间里，地震波照样传播，这段时间对应的是横波传播距离，我们称之为地震预警的盲区。

假设最理想的情况是地震台正好位于大地震的上方，也就是在震中位置。如果地震发生在12公里深，按照地震纵波传播速度6公里/秒，则地震纵波传到地面地震台大约需2秒钟，地震台收到地震波后需要进行快速的计算，从而确定前述的地震参数。目前全球最高水平的计算需要使用前地震记录3秒的地震波，这样最短时间需要5秒中才能发出地震警报，这时地震纵波已经走了30公里左右，地震横波也已经走了将近20公里左右，我们称纵波走过的半径30公里和横波走过的20公里以内的区域为纵波和横波的地震预警的盲区。如前所述由于地震破坏的元凶是横波，所以一般指横波的地震预警盲区为地震预警盲区。显然在盲区内警报收到时，有破坏力的横波已经到达或过去了。

对于中小地震，地震预警作用有限。而大地震在盲区以外的一定区域仍会产生强烈震动，具有一定的破坏性，如果进行地震预警，就可以减轻盲区以外的灾害，我们把这个区域称为地震预警的获益区。再远的区域，例如烈度为6度以下较远的区域，地震预警的作用也就不大了，称为地震预警的无效区。因此可以说地震预警对震级大的地震作用才大。

这时就出现了一个问题，盲区内可能是地震破坏最大的地区。因此要使地震预警获得更大的效益，在技术上需要尽量缩短处理地震的时间，缩小盲区，但是无法消灭盲区。当然有研究表明地震警报对于盲区也是有用的，它相当于给人以警示，无需人们再自身判断就可立即避险，其次，房屋的破坏并不是横波到达就立即破坏。另外自动紧急处置也可以在得到警报后立即动作，例如切断电源，减少次生灾害发生。

总之，作为地球科学近些年发展的新技术，地震预警确实是有减灾作用。同时地震预警也是社会工程，我们需要了解和正确地运用才能更好地发挥它的作用。 

什么是有效的地震警报

为了减小地震预警盲区的，地震后以最快的速度发出警报就成了地震预警最重要的任务。因此地震预警的警报都是以时间顺序发出多报，俗话说“萝卜快了不洗泥”，目前地震预警技术还不可能做到警报第一报就非常准确。当然后续的警报虽然越来越准确，但是地震的盲区也越来越大，受益区也越来越小。日本“3.11”大地震的预警就发了15报，因此第一报对于地震预警有极其重要的作用，各国都在研究如何提高预警第一报的准确性，同时也在研究第一报的处理策略。

尽管各国都在地震预警第一报上下功夫，但是目前实践表明，各国在地震预警系统在快和准的问题上存在较大差距，对于如何对待和使用第一报信息也不同。但是通常的做法是，尽快通知公众发生地震的消息。日本是对一般公众只要预估烈度达到3度，则发出地震警报，警报并不报告估计强度，只报告S波还有几秒时间到达。“3.11”地震时是在第一个地震台收到P波后8.6m秒对公众发出地震警报，这时盲区半径约为30多Km，可是400Km之外的东京就具有60秒左右报警提前量。2016年熊本地震发生在陆地，日本地震台网已经非常密集，在震后6秒就发出了第一报，发挥了很好的预警效果。我国成都高新减灾研究所的地震预警实验网，大约在震后5到10秒发出第一报。台湾一般使用密集预警网的8个台站进行数据处理后才会发出警报，大约在地震发生后20秒发出第一报，这时盲区半径可能为80km，相当一个7.5级地震的极震区的范围，也就是说地震破坏最大的地区都无法收到警报。你一定会问：那地震预警不是没什么用了吗？

这件事也让地震学家很是纠结！快了吧，盲区小，就不准？准了吧，盲区大，发出的警报就慢！2019美国国庆节那天在加州在发生了大地震，原来说好了，发生地震5秒后洛杉矶就会收到警报，可是什么都没有！官员解释说我们觉得这个地震到洛杉矶不会造成什么灾害就没有给洛杉矶发警报。这一下子可惹怒了公众，洛杉矶都强烈有感，你们还说没什么！到底什么是有效的地震警报呢？

地震能量释放的过程

其实地震预警发出的的最快的前几个警报不准确是有道理的，美国地质调查局（USGS）专门发文章来说明其中的原委。上图模拟一次8级地震从圣安德烈斯断层北部向南边旧金山方向的破裂。图a显示的是破裂初始的一个时段，在该时段内，旧金山收到的震动加速度是这个地震加速度的2%或更大一点，后续随时间的推移还会收到有更大震动的警报。这个时候大多数人(但不是所有人)会感到有些抖动，而且并且低于损害的阈值点。在这个时候，地震破裂已经发生20秒,地震可能已经发展到7级水平，并且在最强震动到达旧金山之前将有48秒的警告提前量。

相反，如果希望把预警信息计算得准确一点再发出警报，那么收到警报时间就不会那么早！如上图b地震破裂已经发生67秒，地震加速度达到22%的振动，对应可能是非常强烈的震动和中等程度的损坏性，能量释放相当于M7.7地震，虽然这时已经接近实际的8级地震，可是这时旧金山只剩下8s的警报提前量。

通常大家都会认为地震预警越准确越好，图b看到的情况似乎是一个合理的警报时间点。可是，如果你住在旧金山，你想想在8级地震的强烈震动到来之前，你只能得到8秒的警报提前量，这8秒对于躲避地震是不是实在太紧张了！相反如图a那样，当地震开始20秒时收到警报，虽然预测到震动仅为2%加速度，也只相当释放了7级左右地震能量（这个预测相当不准）。但是会提前48秒获得警报，旧金山将会有相当充裕从容时间来采取防护措施。要让你选择，你会选择那种警报呢？

结  论  对于大地震如果你要求地震强度估计准确，那就要牺牲预警逃生和处置的时间。文章建议对于公众地震预警的警报发出还是越快越好，尽量给公众更多的时间来应对大地震。尽管可能是个小地震，可万一是大地震你就躲过了一劫。这就简单解释了地震预警的有效警报问题，它也是地震警报发布的策略问题。

当然，认为对于特定的用户（例如核电站、大型工厂、医院等），要求地震预警的强度估计要准确，那就需要明确地震预警技术存在的问题，让他们设定可以“容忍”的限度，来向他们发出警报信号，也就是我们所说的“地震预警的容忍度”。这是因为地震预警工程不单单是一个技术系统建设，还是一个复杂的社会工程，是一个以人的生命为第一的工程。

其实我国科技人员在设计地震预警系统时，早就注意了地震预警技术的这些“能”与“不能”的问题，比如我国具有自主产权的高铁地震预警系统的设计就充分考虑了这些关键技术问题，采用了非常适合高铁运行的策略和技术措施。

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