文/朱亮（淮南市地震局）

根據(jù)國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)發(fā)布的2022 年國(guó)家自然災(zāi)害基本情況顯示，中國(guó)是一個(gè)經(jīng)常發(fā)生地震的國(guó)家，2022 年中國(guó)大陸發(fā)生了27 次5 級(jí)以上的地震，超過(guò)了往年的平均水平。這些地震主要發(fā)生在西部地區(qū)，如青海、四川和新疆等地。地震對(duì)當(dāng)?shù)氐挠绊懯志薮螅s有94 萬(wàn)人受到災(zāi)害的影響，造成122 人死亡或失蹤，直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)到224.5 億元。

面對(duì)地震的發(fā)生，人們不僅關(guān)注災(zāi)難的后果，也在積極地開(kāi)展地震預(yù)警，積極地利用科學(xué)技術(shù)手段應(yīng)對(duì)地震災(zāi)害。

一、地震預(yù)警的原理

在地震發(fā)生時(shí)，能量以地震波的形式釋放出來(lái)，其中包括縱波（P 波）、橫波（S 波）和面波。P 波是傳播速度最快的，大約每秒6km，它會(huì)引起垂直震動(dòng)。S 波的傳播速度約為每秒3.5km，可引起水平震動(dòng)?？v波P波和橫波S 波在地球表面合成后形成面波，面波當(dāng)中尤其以勒夫波和瑞利波最為主要，特別是勒夫波的震動(dòng)方向與波的傳播方向垂直，在地球表面平行傳播，振幅較大。它們會(huì)在建筑物地基下造成水平剪切，導(dǎo)致嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損壞。瑞利波在地球表面附近滾動(dòng)傳播，具有低速、低頻和高振幅的特點(diǎn)，在較遠(yuǎn)處的地方比縱波和橫波更具破壞力。

由于電磁波的傳播速度（3.0×105km/s）明顯快于地震波，地震預(yù)警原理主要基于電磁波、P 波和S 波之間的速度差。首先，利用電磁波的快速傳播，遠(yuǎn)離震中的人們可以及時(shí)獲知地震的發(fā)生，這種方法適用于異地預(yù)警。其次，利用P 波和S 波的速度差，通過(guò)在S 波到達(dá)之前觸發(fā)警報(bào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)預(yù)警。最后，通過(guò)檢測(cè)S 波和面波是否達(dá)到一定的閾值來(lái)發(fā)出警報(bào)，在大地震時(shí)尤為重要，這種方法對(duì)地震應(yīng)急管理至關(guān)重要。

二、地震預(yù)警技術(shù)模型

地震預(yù)警系統(tǒng)依賴(lài)于先進(jìn)的地震監(jiān)測(cè)設(shè)備和高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。這些系統(tǒng)配備有精密的地震監(jiān)測(cè)設(shè)備，戰(zhàn)略性地分布在不同的地理位置，能夠?qū)崟r(shí)跟蹤地震波的傳播。當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時(shí)，這些設(shè)備會(huì)迅速將數(shù)據(jù)傳輸?shù)降卣痤A(yù)警中心。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，中心采用復(fù)雜的算法計(jì)算出與地震相關(guān)的重要信息，隨后發(fā)出預(yù)警信號(hào)，如圖1 所示。

圖1 地震預(yù)警系統(tǒng)的工作流程

根據(jù)地震預(yù)警系統(tǒng)中監(jiān)測(cè)站與需要接受預(yù)警的城市的距離，地震預(yù)警系統(tǒng)又可分為異地預(yù)警和現(xiàn)地預(yù)警兩個(gè)類(lèi)型。

異地預(yù)警是指在震中區(qū)域（地震發(fā)生地）安裝地震動(dòng)觀(guān)測(cè)臺(tái)站，這些觀(guān)測(cè)站持續(xù)采集實(shí)時(shí)地面振動(dòng)數(shù)據(jù)，從而為指定的目標(biāo)區(qū)域提供預(yù)警。相反，現(xiàn)地預(yù)警需要在目標(biāo)區(qū)域附近安裝地震動(dòng)觀(guān)測(cè)臺(tái)站，在地面振動(dòng)P 波發(fā)生后的幾秒鐘內(nèi)，這些觀(guān)測(cè)站就能迅速獲取實(shí)時(shí)地面振動(dòng)數(shù)據(jù)，然后利用這些數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估震級(jí)、位置和烈度等關(guān)鍵地震參數(shù)。與異地預(yù)警不同，現(xiàn)地預(yù)警系統(tǒng)對(duì)預(yù)警地和監(jiān)測(cè)站之間的距離要求不高。地震動(dòng)觀(guān)測(cè)臺(tái)站利用首次到達(dá)的P 波波形進(jìn)行信息檢索，而P 波和S 波之間的速度差則用于預(yù)警。此外，現(xiàn)地預(yù)警只需在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)安裝有限數(shù)量的站點(diǎn)，因此經(jīng)濟(jì)投資相對(duì)較低。

然而，現(xiàn)地預(yù)警的盲區(qū)大于異地預(yù)警，特別是隨著預(yù)警距離的增加，現(xiàn)地預(yù)警提供的有效預(yù)警時(shí)間始終小于異地預(yù)警提供的時(shí)間，且現(xiàn)地預(yù)警時(shí)間由城市附近的預(yù)警臺(tái)站決定，因此無(wú)法獲得更長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間。相比現(xiàn)地預(yù)警，異地預(yù)警由震中附近預(yù)警臺(tái)站決定，經(jīng)過(guò)短暫的預(yù)警測(cè)算后，即可發(fā)出預(yù)警信息，能提供更長(zhǎng)的預(yù)警時(shí)間，可為大型工程、高速鐵路、化工冶金等難以短時(shí)間停止的項(xiàng)目，提供更多安全保障。

三、技術(shù)創(chuàng)新對(duì)地震預(yù)警的支撐作用

近年來(lái)，隨著電子技術(shù)不斷更新、5G 網(wǎng)絡(luò)與大數(shù)據(jù)的結(jié)合，以及人工智能的迅猛發(fā)展，科技創(chuàng)新對(duì)地震預(yù)警的推進(jìn)作用日益明顯，提升了地震預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性和可靠性，有助于人們更好地應(yīng)對(duì)地震風(fēng)險(xiǎn)。

（1）傳感器微型低功技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)，提高地震預(yù)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和靈敏度。利用地震測(cè)震儀等傳感器設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)到地震波的傳播速度和振幅，從而更準(zhǔn)確地判斷地震的發(fā)生和預(yù)測(cè)其強(qiáng)度。比如，成都高新減災(zāi)研究所在大陸地震預(yù)警網(wǎng)中建立了性能優(yōu)異、經(jīng)濟(jì)可行的地震預(yù)警監(jiān)測(cè)技術(shù)體系，在地震預(yù)警監(jiān)測(cè)中引入MEMS（微電子機(jī)械）傳感器，首創(chuàng)監(jiān)測(cè)儀預(yù)處理地震波形的方法，在經(jīng)費(fèi)不足日本1/60 的情況下建成全球規(guī)模最大且10 年無(wú)誤報(bào)、預(yù)警時(shí)間更長(zhǎng)的地震預(yù)警網(wǎng)。

（2）大數(shù)據(jù)分析解讀技術(shù)對(duì)地震數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選濾波、仿真模擬、實(shí)時(shí)分析，評(píng)估地震的危險(xiǎn)程度和可能影響范圍。針對(duì)大量歷史地震數(shù)據(jù)，使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，反復(fù)學(xué)習(xí)演化，根據(jù)地震波形特征、功率譜分布特征等，建立地震預(yù)測(cè)模型，提高地震預(yù)警的準(zhǔn)確性和及時(shí)性。

（3）新一代通信技術(shù)將預(yù)警信息迅速傳遞。傳統(tǒng)的通信手段可能存在延遲和不穩(wěn)定的問(wèn)題，而新興的通信技術(shù)可以提供更穩(wěn)定和快速的信息傳遞。目前，大陸地震預(yù)警網(wǎng)建立面向6 億級(jí)終端的地震預(yù)警發(fā)布體系，提出秒級(jí)向億級(jí)用戶(hù)靶向發(fā)布預(yù)警的方法，解決用戶(hù)過(guò)億、高并發(fā)復(fù)雜場(chǎng)景、應(yīng)急處置對(duì)策多樣的難題，突破地震預(yù)警系統(tǒng)與重大工程控制系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)技術(shù)壁壘，保障重大工程安全。

（4）人工智能提高預(yù)警準(zhǔn)確度和時(shí)效性。利用人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，自動(dòng)判斷地震的發(fā)生和預(yù)測(cè)其強(qiáng)度，這些智能化的系統(tǒng)可以幫助減少對(duì)人工干預(yù)的依賴(lài)，提高預(yù)警的速度和準(zhǔn)確性。比如，我國(guó)國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)基于自適應(yīng)模糊聚類(lèi)和時(shí)空關(guān)聯(lián)的排除復(fù)雜干擾的方法、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和融合預(yù)估與實(shí)測(cè)技術(shù)的預(yù)警震級(jí)動(dòng)態(tài)測(cè)算方法，突破“準(zhǔn)”和“快”的核心技術(shù)，解決精準(zhǔn)提取地震事件信息、大震破裂剛啟動(dòng)就測(cè)定破裂方向和測(cè)算預(yù)警震級(jí)等難題。

四、地震預(yù)警的典型應(yīng)用

目前，全球已運(yùn)行地震預(yù)警系統(tǒng)的國(guó)家不足10個(gè)，處于測(cè)試階段的國(guó)家有13 個(gè)。例如，墨西哥于1991 年開(kāi)發(fā)了墨西哥城地震預(yù)警系統(tǒng)（SAS），自1993年以來(lái)一直為該市提供地震預(yù)警服務(wù)。SAS 由12 個(gè)高靈敏度的振動(dòng)傳感器組成，戰(zhàn)略性地分布在格雷羅峽谷東南部，相鄰兩個(gè)地震儀之間的間距為25km。當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上監(jiān)測(cè)站的地面震動(dòng)振幅超過(guò)5.5 時(shí)，SAS 根據(jù)算法，確定預(yù)警震級(jí)和烈度，自動(dòng)向墨西哥城發(fā)出警報(bào)。1995 年，墨西哥的南部格雷羅州發(fā)生了MS7.3 級(jí)地震，SAS 系統(tǒng)成功預(yù)警，并提前72 秒發(fā)出警報(bào)，拯救了無(wú)數(shù)生命，展示了該系統(tǒng)的實(shí)用性和有效性。

毗鄰環(huán)太平洋地震帶的日本，一直是一個(gè)地震多發(fā)且震級(jí)較大的國(guó)家，因此，他們十分重視地震預(yù)警工作，是世界上最早使用地震預(yù)警系統(tǒng)的國(guó)家。日本的地震預(yù)警系統(tǒng)采用緊急地震速報(bào)系統(tǒng)（ESRS），該系統(tǒng)以平均臺(tái)間距20km，共布設(shè)了約1000 套地震監(jiān)測(cè)儀器。當(dāng)監(jiān)測(cè)站檢測(cè)到地面加速度達(dá)到或超過(guò)100cm/s2時(shí)，就能夠通過(guò)預(yù)設(shè)條件觸發(fā)警報(bào)。2011 年，日本3·11 大地震時(shí)，日本氣象廳僅用時(shí)12 秒，測(cè)定震級(jí)約9.0 級(jí)后，便向?qū)I(yè)用戶(hù)發(fā)出第一條預(yù)警；震后15秒，向社會(huì)發(fā)布了第一條預(yù)警，是世界首次通過(guò)電視轉(zhuǎn)播的巨大地震。

從2015 年開(kāi)始，中國(guó)地震局為了加快推進(jìn)地震預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，選擇毗鄰臺(tái)灣省的福建沿海地區(qū)，試點(diǎn)建設(shè)烈度計(jì)地震預(yù)警系統(tǒng)。為了縮小地震預(yù)警的盲區(qū)半徑，建立了地震烈度網(wǎng)，通過(guò)在每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)布設(shè)一個(gè)臺(tái)站，來(lái)達(dá)到合適的臺(tái)站密度。這一舉措使福建省共計(jì)安裝900 余套烈度計(jì)觀(guān)測(cè)站，臺(tái)站間隔進(jìn)一步縮小至10km 左右。然而，河北省的烈度速報(bào)和預(yù)警系統(tǒng)，則不同于福建的建設(shè)思路，由數(shù)字地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)共同構(gòu)成。其中，數(shù)字地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)含有河北臺(tái)網(wǎng)的57 個(gè)臺(tái)，鄰近省、直轄市臺(tái)網(wǎng)的113個(gè)臺(tái)，初步形成了多達(dá)170 臺(tái)的大型綜合臺(tái)網(wǎng)。河北強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)由強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)構(gòu)成，包括河北省內(nèi)的48 個(gè)臺(tái)、北京22 個(gè)臺(tái)以及天津的10 個(gè)臺(tái)，還接入撥號(hào)強(qiáng)震臺(tái)站約40 個(gè)。

五、對(duì)安徽省地震預(yù)警工作的建議

安徽省地震預(yù)警系統(tǒng)自2018 年投入使用以來(lái)，在人們生產(chǎn)生活中發(fā)揮著重要的作用，但隨著科學(xué)技術(shù)進(jìn)步，也面臨建造和維護(hù)監(jiān)測(cè)設(shè)備的成本較高、需要更加可靠和快速的信號(hào)傳輸?shù)忍魬?zhàn)。

1.加大布設(shè)預(yù)警臺(tái)密度

安徽省地震預(yù)警系統(tǒng)包含了省內(nèi)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)、國(guó)家烈度速報(bào)與預(yù)警工程建設(shè)的強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)、鄰近地區(qū)的部分臺(tái)站，共計(jì)約50 個(gè)臺(tái)站，平均臺(tái)間距約70km。為了確保地震臺(tái)網(wǎng)預(yù)警技術(shù)的快速準(zhǔn)確、縮小盲區(qū)，需要大密度地布設(shè)預(yù)警臺(tái)，臺(tái)間距最好不超過(guò)30km，以保障預(yù)警系統(tǒng)能夠在第一時(shí)間測(cè)定地震，發(fā)揮預(yù)警能力。

2.積極推進(jìn)國(guó)家烈度速報(bào)與預(yù)警工程安徽子項(xiàng)目

國(guó)家烈度速報(bào)與預(yù)警工程安徽子項(xiàng)目涵蓋了10000 多座基準(zhǔn)站、基本站和一般站的新建和改造工作。通過(guò)這些預(yù)警站點(diǎn)采集到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，結(jié)合寬頻帶地震儀波形數(shù)據(jù)，大大提升測(cè)定地震三要素的準(zhǔn)確性、及時(shí)性，為地震預(yù)警系統(tǒng)的性能提供有力支持。

3.加快新技術(shù)在地震預(yù)警中的作用

地震預(yù)警的目的是在破壞性地震波到達(dá)預(yù)警目標(biāo)區(qū)之前提供幾十秒的預(yù)警時(shí)間，以便采取相應(yīng)的防震減災(zāi)措施，減少地震災(zāi)區(qū)的損失。當(dāng)前的地震預(yù)警系統(tǒng)僅僅發(fā)布預(yù)警信息并不能真正完成預(yù)警工作，還未覆蓋地震前的準(zhǔn)備工作和地震發(fā)生后的烈度計(jì)算、影響場(chǎng)估算等。未來(lái)要加大面向地震預(yù)測(cè)應(yīng)用開(kāi)展基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究，加快人工智能等新技術(shù)在地震預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用，推進(jìn)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的科學(xué)技術(shù)水平，積極探索地震預(yù)警服務(wù)社會(huì)的有效途徑。