地震早期预警方法综述

地震早期预警方法综述

中国是大陆强震最多的国家，在全球7%的国土上发生了全球33%的大陆强震]121[。1949年以来，我国自然灾害造成人员死亡比例中，地震灾害所占比例高达54%，是我国造成人员死亡最多的自然灾害]122[。一次灾害性地震的发生，往往猝不及防地把城市夷为平地，不但损害国民经济，更会给人民的生命财产带来巨大损失。虽然有很多科学家致力于研究地震预报的方法或探讨地震前兆现象，但由于地震的孕震、发生、发展的过程十分复杂，且震源区细节无法直接探测，所以不能保证在地震发生前对地震时空强三要素做出非常准确的预报。但由于数字化地震仪、数字通讯、数据处理等现代科技的发展非常迅速，建立地震实时监控系统成为了可能，所以越来越多的国家投入到地震早期预警系统的研究]4[。

地震预警是指地震发生后，在破坏性地震波尚未到达前数秒或数十秒的时间内，将震中区或极震区接收到的大震信号迅速用电信号向外界发布警告，则距震中一定距离之外的人们可以获得一个宝贵的避难时间]87[。以汶川8.0级大地震为例，如图4.1、4.2中所描绘的地震纵波和横波所对应的走时可以看出，离震中区较近的区域为无效区域，不具备预警时间，但离震中区几十公里外的区域则可以获得数秒或数十秒的预警时间。

图4.1 地震早期预警有效区示意图---以汶川8.0级大震为例

(考虑地震纵波情形, 图中的数字为地震预警有效时间, 单位为秒)。

图4.2 地震早期预警有效区示意图--以汶川8.0级大震为例

(考虑地震横波破坏情形，图中的数字为地震预警有效时间，单位为秒)。

早在100多年前，美国加州理工学院的Cooper （1868）教授就提出了地震早期预警的想法]79[。原理是具有破坏性的S 波传播速度比P 波慢，而地震波传播速度又远小于电磁波。100多年后，日本才在其子弹列车（新干线）上安装预警系统，为最早使用地震预警系统的国家。最近几十年，很多国家和地区才开始地震早期预警系统的使用，如：日本、中国台湾、墨西哥、美国南加州、意大利、罗马尼亚等]135124,8684,8281[---。地震预警系统由数字化地震台网检测系统、地震信号通讯系统、中央处理控制系统和对用户的警报系统4部分组成]137136[-。最终的预警时间是每一部分的处理时间之和与地震波走时之差。

1地震预警系统的分类

地震早期预警在理论上通常分为两大类，并有不同的定位算法与之相对应

]137,87[。（1）区域预警系统（front-detection EWS ）：一种比较传统的方法，即将地震仪安装在“震中区”，在地震发生后，使用地震台网的观测数据快速确定地震震级和地动强度，对远距离的城市区域进行早期预警。Nakamura(1984)首次将

该方法用于日本铁道部门]138[。（2）当地地震预警系统（onsite EWS ）：由于P 波比S 波的传播速度快，所以在预警的目标区建立观测网，由P 波的初期震动（2s~4s ）确定震源参数（地震大小、震中位置），预测S 波到达后会出现的更严重地面破坏情况，从而提出预警]123,81[。UrEDAS 系统和ElarmS 用的就是这种方法]123,81[。

Front-detection EWS 系统比较复杂，需要用S 波的信息来确定震源参数，因为这样比较精确。但是等S 波到达，需要花费很多时间，对震中距较近的区域就失去了预警的意义。台湾的预警系统就是一个典型的例子，台湾中央气象局使用Front-detection EWS 预警系统，大约可以在地震发生后22秒内提供资讯，但只能对离震中区70公里以外的城市和重大工程发布预警信息，震级的误差为±0.25级，显然这种方法具有很大的局限性]87[。后来由于技术的发展和台网的密集，台湾可以实现对离震中位置30公里以外的区域进行预警。日本和墨西哥的预警系统也是这种类型。只是墨西哥使用的预警系统有些不同，他们是对震中距300km 以外的区域进行预警。

Onsite EWS 系统则比较迅速，可以对离震中距较近的区域进行预警。根据P 波和S 波的走时信息，人们可以获得一个宝贵的时间差： n t t t t ---=012，n 为地震初至P 波记录的时间，0t 为计算时间和预警延迟时间，1t 是地震初至P 波传播至台站的走时，2t 为S 波传播到台站的走时。此方法已经由Erik 通过大量真实数据验证，地震震级完全可以用P 波前几秒时间窗内的信息进行估测，所以这种方法对离震中距较近的区域提供地震早期预警是非常有效的]137[。近年来，Kanamori （2005）改进了Nakamura(1988)和Allen and Kanamori(2003)所提出的方法，提出了反映地震初至P 波到达后前3秒震动大小的参数c τ，使地震早期预警系统的发展又上了一个台阶。关于此方法在下文中会有详细介绍]139,123,81[。 2各国地震预警系统的发展现状

日本、美国、墨西哥以及中国台湾都位于地震活跃的板块边界上，灾害性地

震频发，所以也成为率先发展地震预警系统的国家和地区。他们在这方面所做的工作对我国地震预警系统的发展有很大的借鉴作用]137,132[。

2.1 日本的地震预警系统

早在1960年，日本就开始使用地震预警系统，成为最早使用地震预警的国家。为了使高速运行中的列车在受到地震波强烈冲击之前及时停止，以免酿成翻车的危险，1992年，日本将最新型的UrEDAS(Urgent Earthquake Detection and Alarm System)地震预警系统安装在新干线上。1995年，发生的神户地震，死亡人数超过6000人，并造成了200亿美元的损失，带动了全国地震预警系统的发展。自从这次事件后，日本在全国范围内都布设了固定的地震台网（包括800个高密度台站，1000个地面强震仪和70个宽频带地震仪，并将UrEDAS 系统应用于国内其他领域，同时还研发出了一个更快速的预警系统，称之为“Compact UrEDAS ”，在1998年应用于铁路和地铁系统]142[。

UrEDAS 是新一代的智能型预警系统，兼具有P 和S 两波段式的地震监测警报系统，也是最早设计出的商业化地震预警系统，其最大特点是可以由单个地震台站的P 波初始振幅确定震源参数。UrEDAS 系统主要利用P 波初始震动的偏振性和振幅信息确定地震参数，由P 波初始震动的卓越周期确定震级，因此UrEDAS 可以只通过P 波初始震动的信息来确定地震参数，从而获取更多的地震预警时间，当S 波到达后则可以提供更准确的地震参数。

2004年，日本新泻县中越地区发生了Ms 6.6级地震，并发生在新干线的运行时间内。地震发生时，震中区有4辆列车在运行，但只有一辆出轨。在地震发生后2.9秒，P 波传至“Compact UrEDAS ”系统，在1秒后就发出了地震预警，系统自动切断了列车电源并启动了刹车系统。S 波在预警后2.5秒到达了列车，一秒钟后发生了剧烈的震动]141[。虽然列车出轨了，但除了一节车厢，其余均留在铁轨上，大大降低了损失。

目前日本的地震预警系统形成了一个覆盖全国的网络，台站间距20 km 。日本气象局（JMA ）的公众预警包括很多方面：广播系统被要求从电视和电台上发布预警，国内多个警报系统也用来向大众发布预警。公众预警系统都是自动控制的，在紧急情况下自己做出反映。但是，日本气象局不可能做到为每个特定地点