姜 叢,蔣長勝,張 琰,畢金孟
(1.中國地震局地球物理研究所,北京 100081;2.天津市地震局,天津 300201)
預(yù)測(forecast)科學(xué)是基于觀察值推斷未來將要發(fā)生的合理值,追溯到1 000多年前人類就已經(jīng)開始的商業(yè)活動和政治活動中的預(yù)測科學(xué)研究。由于各類資源通常是相對稀缺的,從理性上不應(yīng)該浪費在虛假的認(rèn)識或者未知上,這構(gòu)成了預(yù)測科學(xué)最為現(xiàn)實的目的?,F(xiàn)今社會中的人口規(guī)模和性別演變、股市和各類經(jīng)濟(jì)趨勢、疾病傳播(例如時下正在全球肆掠的COVID-19)等社會現(xiàn)象,以及地震災(zāi)害、突發(fā)性天氣氣候、流域性大洪水、季節(jié)性干旱、巨型滑坡、冰雪凍融等自然災(zāi)害都需要進(jìn)行科學(xué)預(yù)測,然后才能在此基礎(chǔ)上進(jìn)行防御,以期在最大程度上降低對人類社會的損壞。
地震預(yù)測科學(xué)進(jìn)展研究是比較國內(nèi)外科學(xué)發(fā)展差異、布局未來科學(xué)規(guī)劃和持續(xù)推進(jìn)學(xué)科建設(shè)的重要手段。在2009年意大利拉奎拉MW6.3地震后,“國際地震預(yù)報專家委員會”提交意大利政府的《可操作的地震預(yù)測》研究報告(Jordanetal,2011)中,在系統(tǒng)地總結(jié)了過去幾十年全球在地震預(yù)測相關(guān)研究方面取得的進(jìn)展以及存在的問題等基礎(chǔ)上提出了可操作的地震預(yù)測(Operational Earthquake Forecasting,簡稱OEF)技術(shù)路線。張琰等(2019)通過對3個不同歷史時期的地震預(yù)測文獻(xiàn)計量學(xué)分析,揭示了地震預(yù)測科學(xué)研究議程的演變規(guī)律,即在關(guān)鍵時間節(jié)點上受到重大事件的影響顯著。這表明地震預(yù)測作為一種動態(tài)發(fā)展的學(xué)科,及時把握地震預(yù)測研究的階段性和即時性等科學(xué)議程具有重要意義。
近年來,我國包括地震科技在內(nèi)的各學(xué)科發(fā)展迅猛,全球科學(xué)研究面貌也發(fā)生較大變化,及時準(zhǔn)確把握國際上相關(guān)學(xué)科的發(fā)展趨勢和動態(tài)對進(jìn)一步的科學(xué)發(fā)展較為關(guān)鍵。為揭示近10年來國際上關(guān)于地震預(yù)測研究的進(jìn)展,本文將分別從科技論文的文獻(xiàn)計量、國際科學(xué)研究計劃、地震前兆異常新發(fā)現(xiàn)、地震預(yù)測模型研發(fā)、地震預(yù)測關(guān)鍵問題的新認(rèn)識、預(yù)測在減災(zāi)中的應(yīng)用拓展等多種角度,嘗試分析地震預(yù)測相關(guān)的科學(xué)研究在近十年來的演變面貌。
利用文獻(xiàn)計量的方式分析學(xué)科領(lǐng)域的研究趨勢是目前開展戰(zhàn)略研究和學(xué)科趨勢預(yù)測的常用手段。為總體反映地震預(yù)測研究近10年來的科技狀況和進(jìn)展,本文采用文獻(xiàn)計量的方式進(jìn)行了簡要分析。按照關(guān)鍵詞“earthquake forecast”“earthquake prediction”以及“earthquake forecasting”,在Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索了2010年以來發(fā)表的收于SCI-E數(shù)據(jù)庫中的研究論文,合計778篇。采用文獻(xiàn)計量在線分析平臺(1)https://bibliometric.com/.對上述文獻(xiàn)進(jìn)行了多個方面的分析。
在年度發(fā)文量上,近10年來每年維持在56~96篇,未呈現(xiàn)出明顯的加速和減緩趨勢,表明地震預(yù)測研究在學(xué)科方向上趨于穩(wěn)定。在國家發(fā)文總量上,中國(200篇)、美國(150篇)、意大利(116篇)、俄羅斯(95篇)、日本(63篇)排在前5位。不同國家間的合著論文方面,美國、意大利50%以上的論文是與其他國家合著,日本和俄羅斯的跨國合著論文比例超過1/3,而中國的比例在20%以內(nèi)、更多的是本國學(xué)者的內(nèi)部協(xié)作。
在研究機構(gòu)的國際合作關(guān)系和影響力上,美國南加州大學(xué)(USC)、意大利地球和火山科學(xué)研究所(INGV)、瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH)、新西蘭地質(zhì)與核科學(xué)研究所(GNS)、美國地質(zhì)調(diào)查局(USGS)等機構(gòu)占據(jù)地震預(yù)測國際合作網(wǎng)絡(luò)的中心位置并具有較高的國際影響力,中國地震局(CEA)也位于相對核心位置但影響力相對小。研究機構(gòu)發(fā)文量排在前3位的分別是:俄羅斯科學(xué)院(RAC)、中國地震局(CEA)、意大利地球和火山科學(xué)研究所(INGV)。但從總被引用次數(shù)上排在前三位的則為:美國南加州大學(xué)(USC)、意大利地球和火山科學(xué)研究所(INGV)和瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院(ETH),中國地震局(CEA)排第8。
對地震預(yù)測的熱點關(guān)鍵詞分析表明,地震前兆、氡、地震危險性、概率預(yù)測、地震相互作用、地震活動性、b值是近10年地震預(yù)測領(lǐng)域較為關(guān)注的熱點。文獻(xiàn)計量在線分析平臺還給出了與這些熱點關(guān)鍵詞關(guān)聯(lián)緊密的“拓展關(guān)鍵詞”,包括地震斷層、模型、變形、動力學(xué)、異常。上述的熱點關(guān)鍵詞與學(xué)者們普遍認(rèn)識的研究熱點一致,而拓展關(guān)鍵詞則給出了與地震預(yù)測關(guān)系相對緊密的其他研究方向的線索。
在過去的10年中,地震預(yù)測的國際科學(xué)計劃得到大規(guī)模的開展。美國南加州地震中心(SCEC)2007年開始發(fā)起的全球“地震可預(yù)測性合作研究”(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability,簡稱CSEP)計劃(2)http://www.cseptesting.org.是其中最具代表性的科學(xué)計劃。CSEP計劃在可比較的、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)來源、固定的計算規(guī)則、嚴(yán)格的第三方統(tǒng)計檢驗約束下,獲取地震可預(yù)測屬性,循序漸進(jìn)地提升地震預(yù)測預(yù)報的科學(xué)認(rèn)識水平和實際預(yù)測能力(Jordan,2006)。根據(jù)統(tǒng)計模型的預(yù)測時空尺度的要求,用于CSEP實驗研究的區(qū)域包括美國加州、西北太平洋、日本、意大利、新西蘭和全球尺度范圍共7個,預(yù)測時間尺度涉及1天、1年和5年等多個時間尺度。已投入運行的分布式檢驗中心包括南加州地震中心、新西蘭(地質(zhì)和能源研究協(xié)會)、瑞士(蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院)和日本(東京大學(xué)地震研究中心)共4個。Schorlemmer等(2018)總結(jié)了項目執(zhí)行的十余年來獲得的認(rèn)識,包括:CSEP已發(fā)展了數(shù)百種地震預(yù)測模型、十余種預(yù)測效能檢驗方法,小震級(M2+)事件的參與計算可獲得更多的預(yù)測信息,地震破裂預(yù)測模型(例如UCERF2)和應(yīng)變速率模型(Birdetal,2015)的應(yīng)用可獲得更好的預(yù)測效果,而不斷改進(jìn)的庫侖模型等物理預(yù)測模型展現(xiàn)了重要的發(fā)展?jié)摿?Cattaniaetal,2018)。CSEP計劃的研究方式也對其他計劃有重要啟發(fā)意義,例如誘發(fā)地震活動(Kiralyproagetal,2016)和地震預(yù)警(B?seetal,2014)等研究。
2009年4月6日意大利拉奎拉MW6.3地震及其轟動世界的“地震學(xué)家訴訟案”,直接催生了“可操作的地震預(yù)測”(Operational Earthquake Forecasting,簡稱OEF)概念及其科學(xué)研究的快速發(fā)展(Jordanetal,2011)。與一般意義上的地震預(yù)測預(yù)報有所不同,OEF的核心目標(biāo)是,向公眾提供權(quán)威的隨時間變化的地震危險性權(quán)威信息,其主要應(yīng)用在于,指導(dǎo)社會公眾對潛在的破壞性地震提前做好防震工作,以實現(xiàn)有效的地震減災(zāi)(Jordanetal,2010,2014)。與“可操作的天氣預(yù)測”的概念(Inness,Dorling,2013)類似,OEF應(yīng)具有類似天氣預(yù)報中的“operational fitness” 的三個標(biāo)準(zhǔn),即質(zhì)量——較高的實際預(yù)測效能;一致性——對不同的時空尺度的地震可預(yù)測效果具有一致性;價值——預(yù)測結(jié)果能實質(zhì)性地對防震措施的實施做出貢獻(xiàn)(Jordanetal,2010)。國際上關(guān)于OEF的概念、關(guān)注的重要科學(xué)議題,構(gòu)建OEF系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)和實現(xiàn),以及在減輕地震災(zāi)害發(fā)揮科學(xué)效益的途徑等,均對當(dāng)前地震預(yù)測預(yù)報發(fā)展的“瓶頸”階段帶來了重要的借鑒價值。當(dāng)前OEF研究的重要議題,包括引入“概率增益”技術(shù)解決低地震發(fā)生率地區(qū)地震危險性概率實際應(yīng)用問題(Marzocchietal,2009;Zhuang,2011),考慮社會風(fēng)險和災(zāi)害可承受水平的地震預(yù)報發(fā)布閾值(Marzocchietal,2014)、地震動危險概率(Herrmannetal,2016)、地震應(yīng)急疏散成本效益分析(van Stiphoutetal,2010)、震后的恢復(fù)重建決策(Fieldetal,2016)等,將以往的“銀彈”式(silver bullet)的預(yù)報地震事件本身、無法鏈接虛報造成的可能更高的社會風(fēng)險難題,引入到可操作的層面。
建模是地震預(yù)測研究的重要領(lǐng)域,新的地震預(yù)測模型尤其是多學(xué)科交叉的預(yù)測模型在近10年中得到快速發(fā)展。一些基于大地測量學(xué)的新的地震預(yù)測模型得到發(fā)展(Straderetal,2017),包括利用GPS給出的應(yīng)變率與地震活動平滑模型組成的混合模型(Straderetal,2018),以及將大地測量的地震預(yù)測模型結(jié)果轉(zhuǎn)化為地震發(fā)生率預(yù)測的技術(shù)(Rhoadesetal,2017)。Hong等(2018)發(fā)展了基于GNSS的地震短臨預(yù)測指標(biāo)方法,該項技術(shù)主要利用了地球物理場效應(yīng)模型校正以及對數(shù)據(jù)周期性變化校正來識別位移場的異常變化。針對破裂空間展布尺度較大的強震的余震觸發(fā)各向異性問題,Guo等(2017)發(fā)展一種新的時空傳染型余震序列模型(ETAS),可對此類強震給出更為科學(xué)合理的余震發(fā)生率估計。
工業(yè)開采活動誘發(fā)地震的預(yù)測模型是近年來快速發(fā)展的熱點領(lǐng)域。由于注水等工業(yè)活動和斷層活化的進(jìn)程具有明顯的非平穩(wěn)性,多種短期地震預(yù)測模型得到研發(fā)(Petersenetal,2015;Dostetal,2017)。Langenbruch和Shapiro(2010)使用了修正的Omori定律來預(yù)測俄克拉荷馬州地區(qū)的誘發(fā)地震活動。Bachmann 等(2011)利用R-J和ETAS模型研究了對瑞士的誘發(fā)地震背景地震活動率。在流體侵入等動力作用下的震群、誘發(fā)地震活動過程中,背景地震活動發(fā)生率隨著時間可能發(fā)生變化,因此考慮這種時間變化的ETAS模型得到發(fā)展。此類算法利用短步驟的迭代算法被用來動態(tài)地估算模型參數(shù),已被應(yīng)用于油氣開采誘發(fā)地震等的地震危險性分析中(Lombardietal,2010;Etoetal,2013;Llenos,Michael,2016)。Dieterich等(2015)利用基于速率-狀態(tài)摩擦(rate-state friction)的地震模擬器(RSQSim),發(fā)現(xiàn)注水產(chǎn)生的誘發(fā)地震活動的時空模式對注前的斷層應(yīng)力非常敏感。上述研究,可為潛在誘發(fā)地震的概率危險性評估提供重要技術(shù)保障。
混合模型(hybrid model)是近年來快速發(fā)展的領(lǐng)域。由多種單一預(yù)測模型集成的新的混合模型,往往具有明顯高于單一預(yù)測模型的概率增益,其本質(zhì)上是采用篩選預(yù)測效能“最優(yōu)”的預(yù)測模型,利用不同時間尺度或者相同時間尺度按照一定的權(quán)重系數(shù)進(jìn)行“混合”,經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計后作出針對性的地震預(yù)測模型。例如,Rhoades等(2015)將預(yù)測時間尺度的大小作為權(quán)重設(shè)置的依據(jù),以HBG,PPE,PMF,PPI,F(xiàn)LT等5種單一模型相互混合,得到26個新的混合模型。此外,混合模型的“集成”方式得到了新的探索(Rhoadesetal,2015,2016)。在構(gòu)建OEF系統(tǒng)過程中,混合模型可顯著提升“可操作”程度和地震危險性分析的科學(xué)增益,例如意大利OEF系統(tǒng),將ETAS模型(Lombardi,Marzocchi,2010b),ETES模型(Falconeetal,2010),STEP模型(Woessneretal,2010)等按不同的權(quán)重組合成新的OEF基礎(chǔ)模型。新西蘭OEF系統(tǒng)(Gerstenbergeretal,2014;Rhoadesetal,2016)中,采用基于多種預(yù)測模型構(gòu)建的混合模型(EE)。事實上,混合模型的發(fā)展,也正是CSEP計劃運行10年來所獲得的大量的地震可預(yù)測性的一個重要成果。Steacy等(2014)將Coulomb模型和STEP模型結(jié)合研究了Canterbury 地震序列的余震發(fā)育情況,“混合可操作地震預(yù)報模型”(Hybrid Operational Earthquake Forecasting Model)的概念被提出,并被應(yīng)用于克萊斯特徹奇城市的建筑標(biāo)準(zhǔn)決策及郊區(qū)建筑重建計劃中(Gerstenbergeretal,2014)。
地震物理預(yù)測在理論體系和模型方法研究上長期以來較為匱乏。地震物理預(yù)測在方法原理方面主要集中在庫侖破裂應(yīng)力變化(ΔCFF)描述斷層受力狀態(tài)及其變化與地震發(fā)生率的關(guān)系、速率-狀態(tài)摩擦定律(rate-state friction law)等方面。近10年中,對地震物理預(yù)測模型的預(yù)測性能、模型改進(jìn)取得重要進(jìn)展。Cattania等(2018)對速率-狀態(tài)摩擦定律和Coulomb模型等物理預(yù)測模型是否可有助于提升地震預(yù)測的可靠性,進(jìn)行了震例檢驗和討論。Segou等(2013)系統(tǒng)地將7種不同版本的概率預(yù)測的ETAS模型和21種將庫侖應(yīng)力變化和速率-狀態(tài)摩擦定理結(jié)合的物理預(yù)測CRS模型,在美國北加州地區(qū)進(jìn)行了預(yù)測效能的比較。結(jié)果表明ETAS模型可以更好地預(yù)測近震源區(qū)的地震活動,CRS模型在遠(yuǎn)離主震破裂區(qū)、主震發(fā)生后的短時間內(nèi)表現(xiàn)更好,因此物理預(yù)測模型與統(tǒng)計地震學(xué)預(yù)測模型在地震預(yù)測效能上是有很強的互補性。Steacy等(2014)將庫侖應(yīng)力變化模型作為空間約束,與短期地震概率預(yù)測STEP模型進(jìn)行“混合”應(yīng)用,取得比兩種模型單獨預(yù)測更好的預(yù)測效果,并認(rèn)為考慮庫侖應(yīng)力變化帶來的物理約束,可以明顯提高統(tǒng)計地震學(xué)預(yù)測模型的預(yù)測能力。
與地震預(yù)測有關(guān)的一些基礎(chǔ)問題在近10年中得到解決。例如近年來廣受關(guān)注的與俯沖帶強震孕育發(fā)生過程相關(guān)的震顫(tremor)事件,為量化描述其時空遷移模式,Wang等(2017)通過引入伯努利變量和連續(xù)變量,發(fā)展了新型的隱馬爾可夫(hidden Markov)模型,并解決了對震顫事件在時間序列上稀疏分布、難以模擬的問題。針對震后早期階段余震大量缺失、難以給出準(zhǔn)確的余震概率預(yù)測結(jié)果的問題,Omi等(2015)發(fā)展了基于連續(xù)檢測率函數(shù)和貝葉斯方法余震概率計算方法。Zhuang等(2017)發(fā)展了一種余震序列重新構(gòu)建方法,并發(fā)現(xiàn)余震序列參數(shù)在震后早期階段應(yīng)具有較強的穩(wěn)定性。地震序列未來是否會發(fā)生災(zāi)變性的強震或強余震,是地震預(yù)測中的核心問題之一,Shcherbakov等(2017)利用地震序列中的早期事件(前震或早期余震)以及震級-頻度分布和地震發(fā)生率分布,構(gòu)建了極端事件震級大小的貝葉斯預(yù)測分布,可用于考慮不確定度情況下的主震或強余震的震級預(yù)測。在地震活動參數(shù)計算中,傳統(tǒng)的采用較為主觀的地震空間選擇規(guī)則,給參數(shù)計算結(jié)果帶來較大的不確定性,Kamer和Hiemer(2015)提出了基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(data-driven)和懲罰似然方法的b值無參數(shù)計算新方法,利用數(shù)據(jù)本身來約束模型所允許的復(fù)雜度,并使用一組模型設(shè)置方案而不是采用單一的最佳模型,由此可實現(xiàn)無參數(shù)計算、顯著避免了地震選擇規(guī)則的主觀性。地震預(yù)測中還有一類難點問題是,對強震孕育發(fā)生過程當(dāng)前所處危險狀態(tài)的預(yù)測,盡管與通常所說的面向未來一定時期的“預(yù)測”(forecasting)概念不同,但在地震危險性分析中,這種即時性的危險狀態(tài)判斷或具有更為重要的現(xiàn)實意義。Rundle等(2016)將宏觀經(jīng)濟(jì)學(xué)中的“即時預(yù)測”(nowcasting)概念引入地震危險性分析中,并基于統(tǒng)計地震學(xué)構(gòu)建了無參數(shù)的分析方法,進(jìn)行了有益的探索。
拓展地震預(yù)測的減災(zāi)效益、直接服務(wù)減輕地震災(zāi)害風(fēng)險的決策部署上,地震預(yù)測技術(shù)逐漸發(fā)揮重要作用。意大利民防局采用了“可操作的地震預(yù)測”(OEF)技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行地震減災(zāi)決策,該系統(tǒng)主要基于多種統(tǒng)計地震學(xué)方法進(jìn)行集成的混合模型預(yù)測模型(Iervolinoetal,2015)。在日本,實時的余震概率預(yù)測技術(shù)系統(tǒng)已正式運行,并為政府提供地震減災(zāi)決策參考信息(Omietal,2016)。統(tǒng)計地震學(xué)中的時空傳染型余震序列(ETAS)模型,已被正式用于與“統(tǒng)一的地震破裂”模型(例如美國加州的UCERF3模型)相結(jié)合,開始在地震危險性評價上發(fā)揮作用(Fieldetal,2016)。此外,Herrmann等(2016)利用對理論地震目錄的分析,模擬了對歷史上發(fā)生過的1356年Basel地震進(jìn)行減輕災(zāi)害風(fēng)險決策與信息服務(wù)等問題。
為反映近10年來國際上關(guān)于地震預(yù)測研究的進(jìn)展,本文通過系統(tǒng)地調(diào)研了2010年以來的國際上科技論文的文獻(xiàn)計量、與地震預(yù)測有關(guān)的國際科學(xué)研究計劃、地震前兆異常研究、地震預(yù)測模型研發(fā)與地震預(yù)測有關(guān)的新認(rèn)識和預(yù)測在減災(zāi)中的應(yīng)用拓展等方式,試圖給出此10年期間地震預(yù)測相關(guān)研究進(jìn)展的主要面貌。獲得的主要認(rèn)識如下:
(1)通過對Web of Science數(shù)據(jù)庫中近10年收錄的論文的文獻(xiàn)計量分析表明,地震預(yù)測作為相對成熟的學(xué)科在發(fā)展趨勢上較為穩(wěn)定,中國是論文發(fā)文量最多的國家,但在國家和機構(gòu)影響力、國際化合作程度等方面與美國和歐洲部分國家還存在差距。此外給出了此期間的研究熱點關(guān)鍵詞。
(2)在國際科學(xué)研究計劃上,CSEP計劃完成10年期的第一階段運行并進(jìn)行了系統(tǒng)的科學(xué)總結(jié),在預(yù)測模型研發(fā)、地震可預(yù)測屬性研究、拓展地震預(yù)測的減災(zāi)應(yīng)用和啟發(fā)其他研究計劃上取得重要成果。OEF研究在解決地震預(yù)測的信息增益、服務(wù)減災(zāi)的有效性、發(fā)展可操作的地震模型與技術(shù)系統(tǒng)等方面取得顯著進(jìn)展。
(3)在地震的前兆異常研究中,持續(xù)開展了電離層異常、流體水化學(xué)等領(lǐng)域的前兆異常探索,在預(yù)測指標(biāo)、與預(yù)測的時空距離等基本要素的關(guān)系等方面取得一定進(jìn)展。
(4)在地震預(yù)測模型研發(fā)上,基于新型的多學(xué)科交叉手段的預(yù)測模型、可操作的地震預(yù)測模型和混合模型、基于地震物理預(yù)測的模型均得到大量的研發(fā),還拓展到了工業(yè)開采誘發(fā)地震領(lǐng)域的預(yù)測建模。這些預(yù)測模型的研發(fā)與CSEP計劃和OEF研究的推進(jìn)密不可分。
(5)在基礎(chǔ)研究上,與地震預(yù)測有關(guān)的重要科學(xué)問題得到探索、大量新技術(shù)得到發(fā)展。在震后應(yīng)急疏散、恢復(fù)重建等減災(zāi)風(fēng)險決策與信息服務(wù)上,地震預(yù)測的應(yīng)用得到極大拓展,這將促進(jìn)地震預(yù)測科學(xué)更為緊密地融入經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展進(jìn)程中。
本文對上述5個方面的回溯性總結(jié),可能難于概括與地震預(yù)測有關(guān)的研究全貌。實際上,在與地震預(yù)測有關(guān)的長期尺度地震危險性分析、地震風(fēng)險評價等應(yīng)用領(lǐng)域,本文并未深入涉及。此外,在描述某一方面進(jìn)展時,遴選的成果是否真正具有代表性仍有主觀性。從上述10年的研究進(jìn)展看,CSEP計劃和OEF研究等全球性科學(xué)研究,極大地促進(jìn)了預(yù)測模型、檢驗評價、預(yù)測的可操作性、減災(zāi)應(yīng)用拓展等方面的進(jìn)步,成為主導(dǎo)國際上地震預(yù)測研究的主要推動力,對此類重大研究計劃未來實施情況和進(jìn)展的關(guān)注,將有助于判斷今后一個時期的研究趨勢。
研究中使用了文獻(xiàn)計量在線分析平臺(https://bibliometric.com/),稿件得到云南省地震局付虹研究員的指導(dǎo),在此一并表示感謝。