Seth Stein，Robert Geller，Mian Liu

1）Department of Earth and Planetary Sciences，Northwestern University，Evanston，Illinois 60208U.S.A.

2）Department of Earth and Planetary Science，Graduate School of Science，University of Tokyo，Tokyo 113-0033Japan

3）Department of Geological Sciences，University of Missouri，Columbia，Missouri 65211U.S.A.

是假設(shè)有誤還是運(yùn)氣不佳：地震危險(xiǎn)性圖為什么需要客觀檢驗(yàn)＊

Seth Stein1），Robert Geller2），Mian Liu3）

1）Department of Earth and Planetary Sciences，Northwestern University，Evanston，Illinois 60208U.S.A.

2）Department of Earth and Planetary Science，Graduate School of Science，University of Tokyo，Tokyo 113-0033Japan

3）Department of Geological Sciences，University of Missouri，Columbia，Missouri 65211U.S.A.

近年來(lái)，許多破壞性大地震都發(fā)生在地震危險(xiǎn)性圖中明確標(biāo)注為危險(xiǎn)性相對(duì)較低的地方。令人驚奇的是，雖然許多國(guó)家都在使用這樣的地震危險(xiǎn)性圖，但其效果卻從未得到客觀驗(yàn)證。

第二次世界大戰(zhàn)期間，后來(lái)的諾貝爾獎(jiǎng)獲得者Kenneth Arrow擔(dān)任軍事天氣預(yù)報(bào)員。他寫道：“我的同事負(fù)責(zé)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)，即預(yù)測(cè)未來(lái)一個(gè)月的天氣情況”。“我們的統(tǒng)計(jì)人員對(duì)這些預(yù)報(bào)進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果顯示預(yù)報(bào)與全憑運(yùn)氣猜測(cè)沒有什么區(qū)別。就連預(yù)報(bào)人員自己都信服了，并主動(dòng)要求停止預(yù)報(bào)。他們大概是這樣答復(fù)的：‘司令官明明知道預(yù)報(bào)沒什么用。然而，為了作戰(zhàn)計(jì)劃，他需要這些情報(bào)。’”［1］

在編制地震危險(xiǎn)性圖（中國(guó)通常稱“地震區(qū)劃圖”——譯者注）時(shí)，地震學(xué)家往往遇到同樣的情況，即期待地震危險(xiǎn)性圖能夠像人們想象的那樣完美地描繪一個(gè)地區(qū)的地震危險(xiǎn)性水平，并為地震防災(zāi)減災(zāi)提供科學(xué)依據(jù)。然而，近年來(lái)許多破壞性大地震都發(fā)生在圖中明確標(biāo)示為危險(xiǎn)性相對(duì)較低的地方［2］。一個(gè)突出的實(shí)例就是2011年3月的M9.1（多數(shù)文獻(xiàn)稱M9.0——譯者注）東日本大地震。此次地震發(fā)生在日本國(guó)家地震危險(xiǎn)性圖中標(biāo)示為危險(xiǎn)性相對(duì)較低的一個(gè)區(qū)域。圖1［3］說明了Geller的觀點(diǎn)：

“圖中被評(píng)估為最危險(xiǎn)的區(qū)域位于3個(gè)‘假想地震’（東海、東南海和南海；見圖1）的地震帶上。但事實(shí)上，日本自1979年以來(lái)造成死亡10人或以上的地震都發(fā)生在被指定為概率相對(duì)較低的地方。最近呈現(xiàn)的這些與特征地震模型及類似的地震空區(qū)模型相悖的結(jié)果強(qiáng)烈表明，這種地震危險(xiǎn)性圖及其所使用的方法是有缺陷的，應(yīng)該被擯棄。”

類似的與事實(shí)不符的情況在全世界范圍內(nèi)也時(shí)有發(fā)生。2008年中國(guó)汶川地震（M7.9）

圖1 日本政府的危險(xiǎn)性圖與1979年以來(lái)死亡10人或以上地震的實(shí)際位置的比較［3］。日本政府每年出版與此類似的國(guó)家地震危險(xiǎn)性圖。但自1979年起，日本造成10人或以上死亡的地震均發(fā)生在被指定為低危險(xiǎn)性的地方

1 對(duì)地震危險(xiǎn)性圖的評(píng)估

在上面的事例中，危險(xiǎn)性圖大大低估了地震危害。然而，編圖人員可能會(huì)據(jù)理力爭(zhēng)，認(rèn)為實(shí)際發(fā)生的比預(yù)期大得多的地震及其產(chǎn)生的震動(dòng)畢竟是偶發(fā)事件，它們不應(yīng)該被用作判定危險(xiǎn)性圖不成功的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槲ｋU(xiǎn)性圖預(yù)測(cè)的是某一時(shí)間間隔內(nèi)具有某種概率的最大震動(dòng)。那么我們應(yīng)該如何判斷危險(xiǎn)性圖的性能呢？目前還沒有公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。令人驚奇的是，雖然許多國(guó)家都在使用這樣的地震危險(xiǎn)性圖，但其效果卻從未得到客觀驗(yàn)證。

對(duì)于科學(xué)而言，一個(gè)基本原則就是，某些方法只有經(jīng)過證實(shí)比那些基于零假設(shè)——通?；陔S機(jī)幾率——的方法更加成功才應(yīng)該被采納。否則的話，無(wú)論其假說看起來(lái)多么具有吸引力，它們也應(yīng)該被摒棄。

源自其他領(lǐng)域（如對(duì)廣泛采用的療法進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)的循證醫(yī)學(xué)）的結(jié)果同樣具有啟示意義。例如，Moseley等［4］發(fā)現(xiàn)，雖然每年接受膝關(guān)節(jié)鏡手術(shù)的病例超過65萬(wàn)、每例花費(fèi)約5000美元，但一項(xiàng)對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明“其效果并不比僅僅給予安慰劑治療的效果好?！?/p>

天氣預(yù)報(bào)，從概念上講類似于地震危險(xiǎn)性圖的編制，它們必須接受例行評(píng)估以核定其預(yù)測(cè)與實(shí)際天氣情況的吻合程度究竟有多高［5］。對(duì)天氣預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)還包括，它們是否比利用往年同一日期的平均值來(lái)預(yù)報(bào)更加準(zhǔn)確，或者比假定今天的天氣與昨天的天氣一樣這種預(yù)報(bào)結(jié)果更加準(zhǔn)確。幾年來(lái)，這一運(yùn)作方式使得預(yù)報(bào)方法和效果有了重大改進(jìn)，并且對(duì)不確定因素給出了較明確的評(píng)估。這種概念化方法也是氣候模擬人員使用的工具，他們提供一系列的模型預(yù)測(cè)、對(duì)比，并探討建模所用的各種假設(shè)對(duì)于不確定因素有何影響。

最近發(fā)生的幾次比危險(xiǎn)性圖預(yù)測(cè)的地震動(dòng)強(qiáng)烈得多的地震事件表明，地震預(yù)報(bào)也需要一種類似的模式。這就牽涉到用于危險(xiǎn)性圖檢驗(yàn)的客觀標(biāo)準(zhǔn)的制定問題，檢驗(yàn)所采取的方式就是將地震危險(xiǎn)性圖與其公布后實(shí)際發(fā)生的地震活動(dòng)情況進(jìn)行比較。這種檢驗(yàn)方式可以顯示出危險(xiǎn)性圖的實(shí)際效果如何，還可以對(duì)其真實(shí)的不確定因素作出較好的評(píng)估，并表明隨著時(shí)間的推移其方法的改變能否提高危險(xiǎn)性圖的性能。對(duì)此，有多種衡量標(biāo)準(zhǔn)可以使用。其中一種合乎自然規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)是，將幾年來(lái)在危險(xiǎn)性圖所涉及的區(qū)域內(nèi)觀測(cè)到的最大加速度與危險(xiǎn)性圖以及零假設(shè)所預(yù)測(cè)的最大加速度進(jìn)行比較。一種簡(jiǎn)單的零假設(shè)就是假定區(qū)域地震活動(dòng)的分布為均勻分布。圖1表明日本的危險(xiǎn)性圖比零假設(shè)表現(xiàn)得還要糟糕。

檢驗(yàn)危險(xiǎn)性圖采用的記錄越長(zhǎng)越好，這一點(diǎn)很重要。因此，對(duì)于這種檢驗(yàn)而言最主要的挑戰(zhàn)就是只能獲得相對(duì)較短的地震動(dòng)記錄。許多方法都可以用來(lái)解決這一問題。一種方法是，除了對(duì)單個(gè)區(qū)域的危險(xiǎn)性圖進(jìn)行檢驗(yàn)外，還可以將不同區(qū)域的危險(xiǎn)性圖聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行檢驗(yàn)，這樣得出的統(tǒng)計(jì)結(jié)果可能更有意義。

在檢驗(yàn)過程中，重要的是應(yīng)該避免一次大地震發(fā)生后編制的新危險(xiǎn)性圖引起的偏差，因?yàn)檫@一次大地震在早先的危險(xiǎn)性圖中是沒有標(biāo)注的。統(tǒng)計(jì)學(xué)家將這種事后對(duì)模型進(jìn)行的修改稱作“德克薩斯神槍手策略”（類似于中國(guó)的“事后諸葛亮”——譯者注），即先在牛棚上打出一串槍眼，然后圍著這些槍眼畫出靶子。某些情況下，一幅新的危險(xiǎn)性圖是否能夠預(yù)測(cè)未來(lái)事件、新圖比舊圖的質(zhì)量究竟提高了多少，這些都需要相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間來(lái)驗(yàn)證。

假設(shè)檢驗(yàn)是科學(xué)方法的核心。盡管有困難，但對(duì)產(chǎn)生地震危險(xiǎn)性圖所用的方法進(jìn)行持續(xù)、認(rèn)真、客觀的檢驗(yàn)很有必要。同時(shí)，這些危險(xiǎn)性圖也應(yīng)該呈獻(xiàn)給公眾和決策者，而且圖中應(yīng)該包含對(duì)其不確定因素的明確討論。

2 編圖所用的假設(shè)合理嗎？

圖2 華北地震歷史。圖中顯示地震活動(dòng)遷移范圍極廣，以至于在2000年內(nèi)未出現(xiàn)同一斷層區(qū)段破裂兩次的情況。實(shí)心圓代表每一小圖顯示的時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的地震位置；空心圓代表公元前780年至前一時(shí)間段末年（圖a中公元1303年）的地震位置。線條表示所選大地震的破裂長(zhǎng)度［9］

編制地震危險(xiǎn)性圖使用了多個(gè)關(guān)鍵假設(shè)，其中涉及到（1）大地震將在何時(shí)何地發(fā)生，（2）地震有多大，（3）其產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)如何。前兩個(gè)假設(shè)基于特征地震的復(fù)發(fā)概念，這種模型即使在“表現(xiàn)似乎很好”的地方——加州圣安德烈斯斷層上的帕克菲爾德——也未能成功［6］。地震歷史在某種程度上可能會(huì)起到引導(dǎo)作用，但與大地震的漫長(zhǎng)而充滿變數(shù)的復(fù)發(fā)時(shí)間相比，通過儀器和古地震記錄獲得的地震歷史往往太短。在這種情況下，未來(lái)大地震的震級(jí)及其可能產(chǎn)生的震動(dòng)幾乎不為人知。于是，日本的編圖人員沒有考慮到其東北海岸附近海域發(fā)生一次M9地震的可能性［7］。由于地震記錄的時(shí)間太短，所以最近發(fā)生的大地震也可以引起災(zāi)害評(píng)估的偏差——大地震在圖中會(huì)產(chǎn)生高危險(xiǎn)性“靶心”［8］。這些“靶心”可起誤導(dǎo)作用，尤其是在中陸地區(qū)，因?yàn)槠涞卣鸹顒?dòng)的時(shí)空模式比板塊邊界的模式更不規(guī)則。例如，華北地區(qū)2000年的記錄顯示，大地震在分布范圍極廣的斷層系之間遷移，以至于在這一時(shí)段內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)大地震使同一斷層區(qū)段發(fā)生兩次破裂的情況（圖2）。由此，地震記錄的某個(gè)短期子集會(huì)使危險(xiǎn)性評(píng)估產(chǎn)生偏差。

另一個(gè)問題是，大地震的概率究竟應(yīng)該被假定為不隨時(shí)間的推移而改變還是應(yīng)該被假定為隨時(shí)間的變化而變化。后一種假說認(rèn)為地震的復(fù)發(fā)遵循地震輪回的規(guī)律，在平均復(fù)發(fā)間隔的前2／3的時(shí)間段內(nèi)，預(yù)計(jì)地震發(fā)生的概率較低，而后來(lái)當(dāng)推測(cè)此次地震已經(jīng)逾期未發(fā)生時(shí)，則預(yù)計(jì)概率較高。這一地震重復(fù)假說頗具吸引力，也成為圖1中預(yù)計(jì)東海、東南海和南海地區(qū)具有高危險(xiǎn)性的依據(jù)。然而，大地震發(fā)生的地方往往并非那些預(yù)期的地震空區(qū)。

地震危險(xiǎn)性圖必然依賴于其編制者的假設(shè)。通過對(duì)同一地區(qū)的危險(xiǎn)性圖進(jìn)行比較，這種依賴性可以變得非常明了，因?yàn)樵诶貌煌募僭O(shè)對(duì)同一地區(qū)作出的危險(xiǎn)性圖中，其預(yù)計(jì)的危險(xiǎn)性可以相差3到4倍。這些差異顯示出某些不確定因素，說明對(duì)危險(xiǎn)性圖的性能進(jìn)行評(píng)估是至關(guān)重要的。

3 不可能完成的使命？

理想的危險(xiǎn)性圖既不會(huì)低估危害而導(dǎo)致準(zhǔn)備不足，也不會(huì)高估危害而導(dǎo)致資源濫用。我們希望對(duì)一代又一代危險(xiǎn)性圖進(jìn)行的客觀檢驗(yàn)將有助于提高其性能。然而，危險(xiǎn)性圖編制的水平也受到各種因素的制約。有些因素緣于知識(shí)的匱乏和地震過程固有的易變性。另一些因素則可能反映出這樣一個(gè)事實(shí)，即危險(xiǎn)性圖的產(chǎn)生基于某些假說，如特征地震和／或地震重復(fù)模型。如果這些模型從根本上背離了實(shí)際上地震發(fā)生的非線性物理過程（這種情況的可能性很大），那么無(wú)論你對(duì)模型進(jìn)行怎樣的調(diào)整，也不會(huì)產(chǎn)生接近理想的危險(xiǎn)性圖。事情發(fā)展到這一地步似乎很令人氣餒，但事實(shí)極有可能就是如此。要摸清危險(xiǎn)性圖的實(shí)際性能，客觀檢驗(yàn)是唯一的手段。

譯自：Seismological Research Letters，September／October 2011，82（5）：623-626

原題：Bad assumptions or bad luck：Why earthquake hazard maps need objective testing

（中國(guó)地震局地球物理研究所 左玉玲 譯）

（譯者電子信箱，左玉玲：yulingzuo＠yahoo.com.cn）

［1］Gardner D.Future Babble：Why Expert Predictions Fail——and Why We Believe Them Anyway.McClelland ＆Stewart，Toronto，2010

［2］Kerr R.Seismic crystal ball proving mostly cloudy around the world.Science，2011，332：912-913

［3］Geller R J.Shake-up time for Japanese seismology.Nature，2011，472：407-409

［4］Moseley J B，O’Malley K，Petersen N J，et al.A controlled trial of arthroscopic surgery for osteoarthritis of the knee.New England Journal of Medicine，2002，347（2）：81-88

［5］Stephenson D B.Use of the“Odds Ratio”for diagnosing forecast skill.Weather and Forecasting，2000，15：221-232

［6］Jackson D D，Kagan Y Y.The 2004Parkfield earthquake，the 1985prediction，and characteristic earthquakes：Lessons for the future.Bull.Seism.Soc.Am.，2006，96：S397-S409

［7］Stein S，Okal E.The size of the 2011Tohoku earthquake needn’t have been a surprise.Eos，2011，92：227-228

［8］Swafford L，Stein S.Limitations of the short earthquake record for seismicity and seismic hazard studies.In：Stein S and Mazzotti S（eds.），Continental Intraplate Earthquakes，Special Paper，2007，425：49-58.Geological Society of America，Boulder，Colorado

［9］Liu M，Stein S，Wang H.2000years of migrating earthquakes in north China：How earthquakes in mid-continents differ from those at plate boundaries.Lithosphere，2011，3（2）：128-132

P315.7；

D；

10.3969／j.issn.0235-4975.2012.04.006

2011－09－22。（多數(shù)文獻(xiàn)稱M8.0——譯者注）發(fā)生在一個(gè)被評(píng)估為具有低危險(xiǎn)性的斷層系上，而這種評(píng)估結(jié)果的依據(jù)就是近期地震活動(dòng)稀少、滑移速率緩慢。另一個(gè)實(shí)例就是非洲與亞歐之間的會(huì)聚板塊邊界。1999年全球地震危險(xiǎn)性圖（Global Seismic Hazard Map）給出的是50年超越概率10%的峰值地面加速度，其“靶心”瞄準(zhǔn)了“明顯處于危險(xiǎn)境地的”1980年阿爾及利亞阿斯南（El Asnam）M7.3地震的位置。而自那以后發(fā)生的迄今為止最大的兩次地震——2003年M6.8阿爾及利亞地震和2004年M6.4摩洛哥地震——都沒有發(fā)生在“靶心”地區(qū)或被指定為危險(xiǎn)性水平很高的地區(qū)。同樣，2010年M7.1海地地震也發(fā)生在2001年圖中標(biāo)示為危險(xiǎn)性很低的斷層上，其產(chǎn)生的地面運(yùn)動(dòng)比圖中預(yù)測(cè)的要強(qiáng)烈得多。