Thomas H Jordan，Lucilem Jones

1）Southern California Earthquake Center，University of Southern California，Los Angeles，California 90089-0742 U.S.A.

2）U.S.Geological Survey，525 South Wilson Avenue，Pasadena，California 91125 U.S.A.

可操作性地震預報：有關“為什么”和“怎么辦”的幾點思考＊

Thomas H Jordan1），Lucilem Jones2）

1）Southern California Earthquake Center，University of Southern California，Los Angeles，California 90089-0742 U.S.A.

2）U.S.Geological Survey，525 South Wilson Avenue，Pasadena，California 91125 U.S.A.

假設研究都市區(qū)附近斷層的地震學家根據(jù)經(jīng)驗知識以令人信服的口吻聲稱，未來一周內(nèi)發(fā)生一次大地震的概率要比平常的一個7天周期中發(fā)生地震的概率高出100～1000倍，那么如果采取行動的話民眾應該采取那些防御措施呢？這種預報是否應該公之于眾？怎樣引導公眾正確利用此類信息？這些問題值得認真思考，因為我們已進入一個可操作的地震預報時代。

可操作性地震預報的目標就是向公眾提供與時間相關的區(qū)域地震危險性的權威信息。我們知道地震危險性在時間上會發(fā)生動態(tài)變化，因為地震會突然改變斷層系的內(nèi)部狀態(tài)，而未來地震就發(fā)生在斷層系內(nèi)。地震相互作用的統(tǒng)計模型和物理模型已經(jīng)開始捕捉天然地震活動的許多信息，如余震的觸發(fā)和地震序列的群發(fā)信息。與地震危險性分析中常用的不依賴于時間的長期模型相比，這些短期模型凸顯出概率增益性質。除了地震數(shù)據(jù)以外，地震預報中還考慮了其他數(shù)據(jù)（如大地測量資料和地電信號等），但迄今為止，利用非地震數(shù)據(jù)的前兆研究還未能量化短期概率增益，它們還不能被納入可操作性預報方法之列。因此，本文著重介紹基于高性能地震網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的預報方法。

短期地震概率（STEP）模型就是基于地震活動性的可操作性系統(tǒng)的一個實例，它是由美國地質調查局（USGS）自2005年以來向加州提供的一個余震預報網(wǎng)絡服務項目①STEP（http：∥earthquake.usgs.gov／earthquakes／step）是由USGS與南加州地震中心和瑞士聯(lián)邦理工學院合作開展的項目[1]。。短期地震概率利用余震統(tǒng)計資料對遍及全州的10 km×10 km網(wǎng)格上的強地面運動概率每小時做一次修正（修正后的麥加利地震烈度≥Ⅵ）。相對于長期基礎模型而言，靠近小震級事件（M3～4）震中區(qū)域的標稱概率增益系數(shù)為10～100。2010年4月4日，墨西哥邊境發(fā)生Elmayor-Cucapah地震（M 7.2），就在本文撰寫之時，墨西哥下加利福尼亞州邊境中部附近的余震使美國一側邊境的概率增大了將近3個量級。短期地震概率只是一個原型系統(tǒng)，還需要改進。例如，根據(jù)一次特定地震計算出的概率變化并不取決于該地震與大斷層之間的距離有多近。USGS、南加州地震中心（SCEC）和加州地質調查局（CGS）聯(lián)合建立了一個新的加州地震概率工作組，旨在將短期預報編入下一版本的“加州地震破裂統(tǒng)一預報3”（UCERF3），該報告預期在2012年年中提交給加州地震權威部門。

2009年4月6日，拉奎拉（L’Aquila）地震災難使約300人喪生，近20 000幢建筑被徹底摧毀或無法居住。這次地震更加凸顯了快速邁向可操作性地震預報的必要性。拉奎拉地區(qū)的地震活動2009年1月開始增多。那里發(fā)生的數(shù)次廣泛有感的小地震曾促使學校疏散，并采取了其他一些防備措施。在意大利Gran Sasso國家實驗室（Laboratori Nazionali del Gran Sasso）工作的技術人員（拉奎拉的一名居民）G.Giuliani先生發(fā)布了一系列地震預測信息，令當時的局勢變得非常復雜。這些基于空氣中氡濃度（利用伽馬射線探測器和未正式發(fā)表的技術分析測得）的預測沒有得到官方認證。G.Giuliani先生的具體預測中至少有兩次是虛假警報；然而，它們引起了公眾的廣泛關注，官方也對此作出了反應。意大利民事防護部（DPC）和地球與火山科學研究所（INGV）的代表對此作出的反應就是發(fā)表了幾點聲明：（1）在科學上還沒有有效的地震預測方法；（2）類似震群在意大利的這個地方很常見；（3）發(fā)生實際意義上的更大地震的概率仍然很低。DPC于3月31日召開了意大利巨大風險預測與防范國家委員會會議，會上得出的結論是“沒有理由表明小震級地震序列可作為一次強震的前兆。”

在這種情況下，許多人將DPC和INGV的聲明理解為地震危險性并未增大，而對此明確預報，多數(shù)地震學家心中卻頗感不安。的確，根據(jù)先驗知識還無法將前震與背景地震活動區(qū)別開來。世界上不到10%的地震后3天之內(nèi)會在10 km范圍內(nèi)發(fā)生更大的地震事件；不到半數(shù)的大地震有類似前震。在意大利，不包含大地震的震群數(shù)量遠遠超過最終被確認為前震的震群數(shù)量。盡管如此，根據(jù)群發(fā)地震的統(tǒng)計資料，大多數(shù)地震學家還是會認同這樣的推論，即拉奎拉地區(qū)在2009年主震前數(shù)周內(nèi)發(fā)生一次大地震的短期概率高于一個普通的地震平靜周內(nèi)的概率。與此地震學見解相符的預報信息沒有傳達給公眾，因而，公眾期望得到有較強說服力解釋的需求沒有得到滿足，他們得到的只是非專業(yè)的預測信息，而非權威信息。

DPC目前正在根據(jù)國際地震預報委員會（ICEF）的調研結果和建議對其可操作性預報程序進行修訂，該委員會由意大利政府召集成立，由我們團隊中的一員擔任主席[2]。以可操作性為宗旨的概率信息的利用需要有基礎設施和專業(yè)知識來支持，而ICEF已建議DPC有效發(fā)揮這些基礎設施和專業(yè)知識的作用，該委員會還為可操作性預報系統(tǒng)的實施提供了指導方針。

加州地震預測評估委員會（CEPEC，我們兩人都在此供職）過去20年間積累了豐富的經(jīng)驗，向公眾傳播短期、權威預報信息的實例就是得到了這些經(jīng)驗的支持。2009年3月，就在拉奎拉地震發(fā)生的幾周前，圣安德烈斯斷層（SAF）南端加州Bombay Beach附近的數(shù)公里內(nèi)發(fā)生了一個包含50多次小地震的震群，其中3月24日的一次地震震級為M4.8。這一震群的震源與震源機制都與左旋Extra斷層一致，該斷層于1987年Superstition Hills地震序列期間在Salton Sea以西出現(xiàn)地面錯動。然而，自1932年儀器記錄開始以來，3月24日地震是位于圣安德烈斯斷層Coachella區(qū)段南半部10 km內(nèi)的最大一次地震事件。根據(jù)“加州地震破裂統(tǒng)一預報2”（UCERF2）的時間相關模型，Coachella區(qū)段（大概自1680年以來尚未破裂）30年的M≥7地震概率相當高，約為24%，相當于每天2.5×10的概率。應加州緊急事務管理署（CalEMA最近取代加州緊急事務服務辦公室（OES）的一個新設機構）的要求，CEPEC于M4.8地震發(fā)生3.5小時后召開了一次遠程會議，并發(fā)表了如下聲明：“根據(jù)為圣安德烈斯斷層研發(fā)的前震評估方法①CEPEC方法是基于Agnew和Jones公式[6]。有關評介見Michael最近發(fā)表的文獻[7]。，CEPEC相信與此次震群相關的應力使圣安德烈斯斷層上未來幾天內(nèi)發(fā)生大地震的概率增大了1～5%。這種潛在風險會迅速減弱?！毕鄬τ赨CERF2而言，CEPEC估算的短期概率相當于一個約100～500的增益因子。

CEPEC發(fā)布這一可操作性預報遵從的是南圣安德烈斯工作組擬定的一個通知協(xié)議[4]。按照該協(xié)議，大地震（M≥7）警報按3天概率被分為4個等級：D（0.1～1%），C（1～5%），B（5～25%），A（＞25%）。D級警報在多數(shù)年份中都會發(fā)布，但CEPEC或OES并未因此采取行動。2009年Bombay Beach地震事件啟動了C級警報。其他相關事例見于早些時候圣安德烈斯斷層附近地震活動增多的4個時段：

（1）1992年4月23日M 6.1 Joshua Tree地震。此次地震震中距圣安德烈斯斷層只有8 km。主震前約2.5小時發(fā)生的一次M4.6前震啟動了C級警報。主震后約2小時，OES按照USGS建議發(fā)表官方聲明，稱發(fā)生大地震的概率為5～25%，并將警報級別提升至B，建議當?shù)剌爡^(qū)作出適當響應。

（2）1992年6月28日M7.3 Landers地震。震中和破裂帶都離圣安德烈斯斷層較遠，但余震卻延伸至圣安德烈斯斷層帶的兩個地點。CEPEC在地震后36小時召開了一次會議，會上決定擬定一個協(xié)議，官方稱為“開戰(zhàn)預案”。如果南圣安德烈斯斷層Coachella或Carrizo區(qū)段的3 km以內(nèi)即將發(fā)生某些地震（如M≥6.0），那么USGS將在20分鐘內(nèi)通知OES，OES則會迅速采取行動，假想圣安德烈斯發(fā)生大地震的概率為1／4實質上相當于A級警報。加州州長還為該州民眾錄制了一段視頻，而且已做好了調動國民警衛(wèi)隊的計劃。這一增強協(xié)議有效期為5年，但卻從未被調用。

（3）2001年11月13日Bombay Beach震群（最大震級4.1）。該震群開始于早晨6：00的一次M 2.4事件，8：00至9：00之間持續(xù)發(fā)生多次＞M3事件，中午12：43發(fā)生一次M 4.1最大事件。CEPEC于上午9：30召開了一次電話會議，同日上午11：00又召開了一次會議。OES最終發(fā)表了一個聲明，稱下午2：00左右圣安德烈斯發(fā)生地震的危險性增大。公眾幾乎沒有人理會這一C級警報，媒體對此也極少關注。

（4）2004年9月30日M 5.9 Parkfield地震。根據(jù)Parkfield協(xié)議[5]（南圣安德烈斯協(xié)議就是源于此協(xié)議），USGS發(fā)表聲明稱，發(fā)生一次類似于1857年地震的概率約為10%實為B級警報。然而，CEPEC沒有召開會議，OES也沒有據(jù)此警報采取直接行動。

以上簡要回顧表明可操作性地震預報已經(jīng)而且正在加州實施，預報信息的傳播也變得越來越自動化。對于記錄到的每一次M5.0以上地震，加州綜合地震臺網(wǎng)（USGS國家地震監(jiān)測臺網(wǎng)系統(tǒng)的一個組成部分）現(xiàn)在都會自動發(fā)布預期未來一周內(nèi)發(fā)生一次M≥5余震和M≥3余震次數(shù)的概率。權威性的短期預報也越來越廣泛地被應用于其他地區(qū)。例如，從2009年4月7日上午開始，也就是拉奎拉主震后的第二天，INGV即開始發(fā)布意大利這一地區(qū)24小時余震活動預報。

加州經(jīng)驗也表明，可操作性預報可以被常態(tài)化地應用于“低概率環(huán)境”。源自現(xiàn)時地震模型的地震概率可能會相差幾個量級，但其絕對值通常較低。自～20年前南圣安德烈斯協(xié)議被采用以來，還從來沒有達到A級概率閾值25%，B級閾值5%也只有兩次被超越（Joshua Tree和Parkfield地震后）。由此，可靠的、科技含量高的地震預測即虛假警報率低、漏測率低的高概率時間－空間－震級警報目前還不可能實現(xiàn)（也許永遠都不可能實現(xiàn)）。在當今這樣一個近乎即時資訊和高帶寬通訊的時代，公眾對于獲取權威的短期預報信息的期望值似乎正在迅速提高。2001年Bombay Beach震群引起州級政府的關注，但在大眾媒體中卻幾乎沒有產(chǎn)生什么影響。然而，到2009年，媒體和許多公眾已習慣于跟蹤網(wǎng)絡上的地震信息，3月24日地震后幾小時內(nèi)，地震機構就收到了數(shù)百條來自公眾的咨詢信息。

信息空白會招致非官方預測或錯誤信息的出現(xiàn)。南加州每發(fā)生一次大地震后往往會出現(xiàn)大量的預測謠言。此類謠言通常會說地震學家知道幾天之內(nèi)還會發(fā)生一次大地震，但他們就是不告訴公眾，目的是避免引起恐慌。1992年Landers地震后，此類謠言甚囂塵上，一直持續(xù)了好幾個星期。2010年Elmayor-Cucapah地震后，類似謠言傳播得更快，短短幾小時內(nèi)通過Twitter傳播的信息就有數(shù)百條。這些謠言對地震學家提出了一種特殊的挑戰(zhàn)，因為它們認定我們拒絕承認真相；對于許多人而言，官方的否認就意味著確認。對此類贅言作出的最好的辯解就是向公眾表明科學信息總是可以通過開放、透明的預報渠道獲取。

在此重要關頭，什么是恰當?shù)倪x擇似乎已經(jīng)非常明了。公眾需要一個有關未來地震短期概率的權威、科學的開放源，這一開放源需要正確傳達這些預報中的認知不確定性。過去，CEPEC以及美國聯(lián)邦政府中與其相對應的國家地震預測評估委員會（NEPEC，沉寂10年之后由USGS于2006年接管）在某種程度上滿足了公眾的這些要求，但程序還略顯不足。所發(fā)布的警報依賴的是一般短期地震概率或非正式運算得出的臨時估算結果，而并非基于運作條件合格、定期升級的地震預報系統(tǒng)的概率預測。預報程序非常繁瑣，需要安排見面會或遠程會議，由此延誤警報的發(fā)布時間或使發(fā)出的警報前后矛盾。最后，警報的使用也沒有規(guī)范性可言，這取決于各級政府的決定，還要考慮公眾的反應。例如，2001年Bombay Beachm 4.1地震后加州發(fā)布了正式警報，而2009年Bombay Beachm4.8地震后卻沒有發(fā)布警報，盡管這次地震事件離圣安德烈斯斷層更近。

將來，主管機構啟用地震預報程序的資格應遵從天氣預報中普遍使用的3個“適合操作”標準：①我們遵從的適合操作標準與Murphy[8]描繪的“適度”準則一致?！百|量”預報與實際地震行為之間的良好對應；②“一致性”不同時間或空間尺度上所用程序的相容性；③“價值”個人或組織利用預報信息作為指南從多種可供選擇的行動方案中做出選擇，由此獲得可實現(xiàn)的利益（相對于實際發(fā)生費用）①。在創(chuàng)建、發(fā)送和使用預報信息的過程中，所有可操作的程序都必須經(jīng)過專家的嚴格審查，而且必須經(jīng)過CEPEC和NEPEC的正式認可。

可操作性預報還應結合經(jīng)過驗證的與權威性長期預報一致的短期地震活動模型。正如ICEF建議的那樣，應該利用回溯測試法對所有可操作的模型質量進行可靠性與技術方面的評估，還應將這些模型與已被普遍接受的長期預報模型和各種可供選擇的時間相關模型相比較，從而使其經(jīng)受持續(xù)的前瞻測試。地震可預測性研究合作實驗室（CSEP

Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability）已經(jīng)開始建立中－短期預報模型的比較性、前瞻性測試標準及其所需的國際基礎設施。區(qū)域性實驗目前已在加州、新西蘭、日本和意大利開展，不久的將來還會在中國開展；一項全球性測試計劃也已啟動。各種構造環(huán)境下的持續(xù)測試對于揭示可操作性預報的可靠性與技術能力以及量化其不確定性至關重要。目前，由于所用方法不同，基于地震活動的預報在概率增益方面可呈現(xiàn)量級差異，而且還存在如何將不斷發(fā)生的地震序列資料融入模型中等實質性問題。

地震預報本身不具有內(nèi)在價值，而是通過其對使用者決策的影響力來體現(xiàn)其價值。關鍵問題在于，如果相對而言短期預報概率增益比長期預報高，那么決策者是否可以從短期預報中獲取重要價值，但絕對概率依然很低。20世紀80年代末，許多科學家仍然對地震預測前景持樂觀態(tài)度，洛杉磯城和加州都在擬定發(fā)布高概率、短期預測的響應計劃（如同NEPEC所擬定的全國性計劃一樣）。相比之下，對低概率環(huán)境下的減災與防災準備行動的效益和成本則考慮極少。預報價值通常都是根據(jù)經(jīng)濟效益或拯救了多少生命來測定的，但價值的評估也非常困難，因為必須將決策者在沒有預報的情況下所能獲取的信息考慮在內(nèi)。

此外，多數(shù)價值測定并不能完全代表信息價值的相對無形的方面，如心理準備和心理韌性等方面的收益。公眾對于地震的恐懼往往與地震給生命安全帶來的風險并不相稱。對創(chuàng)傷后應激障礙的心理研究表明，對于創(chuàng)傷的可預測性的缺失可以使病癥增多。即使在絕對值較低的情況下，危險性增大的權威聲明對公眾的心理也有好處，因為他們會認為對于災難的規(guī)律性和控制力的認知能力提高了。定期發(fā)布此類聲明還會使公眾更加清醒地意識到持續(xù)存在的風險，并學會怎樣根據(jù)可獲信息做出適當?shù)臎Q定。

承擔可操作性預報法定職責的機構對于受眾的具體情況及其所發(fā)布的信息都沒有把握，而且在增強新的運作能力方面也顯得非常謹慎。但這種情況可能不久就會改變。USGS已提議于2011財政年度在南加州開展一個可操作的示范性地震預報行動計劃。如果獲得國會批準，USGS將擬定一個正式的針對地震活動的預報發(fā)布流程。該行動計劃將包含預報的研究與進展、測試、確認和實用性評估等。研究還將考慮地震的發(fā)生與震動情況。將以物理學為基礎的地面運動模型（如SCEC的CyberShake模擬平臺）與地震預報模型相結合，可以為地面運動預報的開展帶來新的可能性。來自USGS和學術組織的科學家將與用戶社群和通訊專家合作，對預報價值和警報流程進行認定，另外還將大力開展一個有關低概率預報的實用性和局限性的公眾教育計劃。

最后，我們要提出一個重要觀點：雖然我們?nèi)栽谔皆儚亩唐陬A報中能獲得怎樣的價值，但長期預報對于確保地震安全的價值卻是毋庸置疑的。2010年1月12日MW7.0海地地震用慘痛的事實認證了這一觀點，那次地震是有歷史記錄以來排名第五的最大地震災難。雖然根據(jù)大地測量結果已經(jīng)預料到會發(fā)生如此規(guī)模的地震，但太子港地區(qū)的建筑仍然未能達到抵御強烈地震搖晃的設計標準。主震沒有預警便突然來襲；也沒有前震或其他短期先兆的報道。防備地震就意味著始終為突發(fā)事件做好準備，這是一種長期觀點。

譯自：Seismological Research Letters，Volume 81，Number 4，July／August 2010，571-574

原題：Operational earthquake forecasting：Some thoughts on why and how

（中國地震局地球物理研究所 左玉玲 譯；鄭需要 校）

（譯者電子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

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[2]Jordan T H，Chen Y-T，Gasparini P，et al.Operational earthquake forecasting：State of knowledge and guidelines for implementation.Findings and recommendations of the International Commission on Earthquake Forecasting for Civil Protection，released by the Dipartimento della Protezione Civile，Rome，Italy，2 October，2009

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2010-09-26。