張晁軍 陳會忠 沈 萍 黎 明 趙國峰

1) 中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

2) 中國地震局地震預測研究所，北京 100036

3) 中國地震局地球物理研究所，北京 100081

引言

中國是世界上自然災害最嚴重的國家之一，具有災害種類多、發(fā)生頻率高、分布地域廣、造成損失大等特點。其中，地震災害位于我國自然災害之首。歷史的經(jīng)驗教訓告訴我們，具備充分的防災減災意識，掌握必要的防災自救知識，采取科學的防災避險行動，是減少減輕災害損失、保護生命安全的有效途徑。

地震預警（earthquake early warning，EEW）是實時地震學和應急地震學的重要技術(shù)手段[1-5]，其技術(shù)源于日本、墨西哥等國，目的就是在目前地震預測尚未取得科學突破的背景下，在大地震發(fā)生時，讓地震觀測系統(tǒng)可以實時地為減輕地震危險服務。通過裝備自動安全功能，減少設(shè)施暴露，增加特定的關(guān)鍵工程系統(tǒng)（例如核電站生命線或者交通設(shè)施）的安全，如，觸發(fā)有序關(guān)閉生命線和燃氣管道，以避免火災；或關(guān)閉工廠運行，以減少潛在的裝備損失和工業(yè)事故[4]。如果人們獲得警報，立即采取避險行動，個人的安全狀況也可以得到改善，達到挽救生命的目的。

在本世紀初，我國地震學家就開展了地震烈度速報和預警技術(shù)的研究。汶川大地震之后，中國地震局向國家提出了建設(shè)地震烈度速報和地震預警工程的建議?？萍疾肯群笤诳萍贾雾椖恐卸啻瘟㈨椷M行地震烈度速報和地震預警的基礎(chǔ)研究和示范工程研究。在取得基礎(chǔ)理論和實踐經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，中國地震局向國家發(fā)改委提出“國家地震烈度速報和預警工程”立項。與此同時，一些民營企業(yè)和研究機構(gòu)也進行了地震預警設(shè)備研制和試驗工作，我國鐵路集團總公司也開展了高鐵地震預警研究工作，并且與中國地震局開展了戰(zhàn)略合作。

“地震預警”越來越進入公眾的視線，國內(nèi)外關(guān)于“什么是地震預警”的問題越來越多，對地震預警技術(shù)的解釋多種多樣。由于地震預警在全球范圍也是密集地震觀測技術(shù)的新發(fā)展，地震科學家對地震預警技術(shù)的應用效能的認識也在不斷加深和變化。目前比較公認的觀點認為，地震預警存在一些認識上的誤區(qū)，主要有兩種傾向：一是對地震預警系統(tǒng)的局限性認識不足，對地震預警的地震強度估算過于樂觀，從而誤導了公眾；二是不了解地震預警就是地震警報，常與一般的“預警”概念相混淆，對地震預警的警示作用和它是復雜的社會工程理解不充分。

為了更好地了解地震預警系統(tǒng)，本文從地震預警的實質(zhì)、局限性，國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，以及如何更好地發(fā)揮地震預警系統(tǒng)的作用等方面，對地震預警系統(tǒng)實質(zhì)進行探討。

1 地震預警

地震預警是指在地震發(fā)生后，利用地震波傳播速度遠遠小于電波傳播速度的特點，提前對地震波尚未到達的地方發(fā)出的警報。它是地震觀測進入密集地震觀測階段，超快地震速報（秒級）的一種應用，是實時地震學和應用地震學社會服務的重要體現(xiàn)。地震預警包含超快地震速報技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)和系統(tǒng)警報技術(shù)，具有很強的技術(shù)屬性和社會屬性。

地震預警技術(shù)是地震科學技術(shù)在上世紀末發(fā)展起來的新技術(shù)，它是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)和地震觀測技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。這個新技術(shù)最重要的一點就是在地震發(fā)生時不僅僅是提供信息服務，更是警報服務，這是地震預警社會屬性的重要體現(xiàn)。它涉及到的每一個人在收到警報后都應立即采取避險行動，因此，被稱為“復雜社會工程”[6]。

2011年3月11 日，東日本大地震M9.0 的地震預警（日本稱為緊急地震速報），讓東京地區(qū)（距震中400 余千米）在強烈震動的S 波到達之前大約60s 收到地震警報，引起了全球關(guān)注，讓全世界更加認識了地震預警?，F(xiàn)在人們明白，地震預警工程的目的是“跑贏地震波，在劇烈震動來臨前打聲‘招呼’”[7]。圖1 體現(xiàn)了地震預警系統(tǒng)的架構(gòu)和作用。可見，地震預警除自身技術(shù)屬性外，它是警報技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)的結(jié)合與應用，這是地震預警的社會屬性。

圖1 地震預警是地震警報Fig.1 Earthquake early warning is an earthquake alert

2 進入地震預警時代

2015年6月國家發(fā)改委正式批復的中國地震局“國家地震烈度速報與預警工程”項目建議書，2018年工程啟動實施，總投資達18 多億人民幣。國家地震烈度速報與預警工程建設(shè)，將在全國，主要在華北地區(qū)、南北地震帶地區(qū)、東南沿海、新疆西北部及拉薩這5 個地震預警區(qū)，建設(shè)密集地震觀測網(wǎng)（圖2），臺站間距10—15km。除此之外，中東部地區(qū)平均臺站間距為50 km 左右，青藏地區(qū)和新疆南部地區(qū)平均臺站間距達90 km 左右。新建、改造3 大類臺站，包括新建和擴建的1928 個基準臺站，裝備標準數(shù)字地震儀和強震儀；3114 個基本臺站，裝備標準強震儀；10349 個一般站，裝備MEMS 烈度儀，共計15391個臺站。工程在國家和省級中心采用先進的云存儲和云處理信息技術(shù)，為各級政府和廣大公眾提供地震預警和烈度速報服務，為地震學和地球科學研究提供豐富的大數(shù)據(jù)和應用產(chǎn)品。

圖2 國家地震烈度速報與預警工程建設(shè)的全國密集觀測網(wǎng)Fig.2 National intensive observation network for the construction of national earthquake intensity quick report and early warning project

這樣大規(guī)模密集地震觀測的地震烈度和預警觀測網(wǎng)的投資，是前所未有的，它的建設(shè)在世界上也是史無前例的。體現(xiàn)了“生命至上，安全第一”的思想，目前國家地震烈度速報和預警工程實行“先行先試”，使我國即將進入“地震預警時代”！

3 地震預警的實質(zhì)是警報

地震觀測發(fā)展大致經(jīng)過單個地震臺站、模擬遙測地震臺網(wǎng)、數(shù)字地震臺網(wǎng)、網(wǎng)絡化地震觀測網(wǎng)等階段。進入21 世紀，特別是近10年，地震觀測進入了密集地震觀測階段。地震觀測網(wǎng)的地震臺站密度從傳統(tǒng)的100km 到200km 臺站距離加密到10km 左右。日本在20 世紀首先建設(shè)了Hi-net 密集地震觀測網(wǎng)，所以他們才能夠在21 世紀率先實現(xiàn)了“緊急地震速報”。

密集地震觀測帶來一個重要進步，那就是地震處理技術(shù)從我們現(xiàn)在所說的地震速報從分鐘級向秒級處理發(fā)展，稱為地震速報的新發(fā)展。地震速報達到了秒級，在互聯(lián)網(wǎng)時代就可以借助于電磁波的互聯(lián)網(wǎng)傳遞，和地震波賽跑，也就是說這種在地震發(fā)生后的秒級地震速報，在震中附近以外一定的區(qū)域里，它可以跑贏地震波，這樣它就可以用來做地震警報了！也就是實現(xiàn)了我們說的地震預警。因此，“地震預警”的實質(zhì)是在地震觀測系統(tǒng)向密集地震觀測臺網(wǎng)發(fā)展新階段背景下，地震觀測技術(shù)向快速處理進步的產(chǎn)物，“地震預警”的實質(zhì)是超快速地震速報的應用?地震警報。所以，“地震預警”在日本叫“緊急地震速報”，美國叫“Shake Alert（震動警報）”，在中國廣東省地震局叫“超快地震速報”，臺灣稱“強震即時警報”。

既然地震預警是地震速報的發(fā)展，那么地震參數(shù)秒級處理也應該又快又準確。地震預警技術(shù)開發(fā)初期，人們認為快速處理算法可能會與傳統(tǒng)的地震處理結(jié)果相仿，能盡量做到又快又準[8]。后來在理論和實踐上逐步發(fā)現(xiàn)地震預警的快速處理有兩個局限，那就是再快也不能在地震發(fā)生后0s 就發(fā)警報（因為地震波從地下傳到臺站以及處理都需要時間），再一個就是這么短的時間里地震破裂全過程還未完成，地震臺站收到的地震數(shù)據(jù)信息量較少，很難準確估算地震強度及地震波傳播到的地方的烈度。這就產(chǎn)生了地震預警盲區(qū)與確定地震強度快和準的矛盾這兩個問題。即超快地震速報，也就是我們說的“地震預警”，在技術(shù)上有局限性，并不是那么“完美”。但是，這種局限并不影響在地震發(fā)生后，向盲區(qū)以外的公眾發(fā)出地震緊急風險警示，也就是發(fā)地震警報。我們應該認識到目前地震預警技術(shù)的現(xiàn)實和現(xiàn)狀，也應該如實地告訴公眾服務對象，要讓公眾真正了解地震預警就是地震警報。實際上，成熟的天氣預報中的“預警”尚存在許多缺陷，例如鄭州“7?20”暴雨災害，雖然發(fā)出了紅色警報，但是并不能預測會達到500mm 的降雨量，因此，公眾總結(jié)了一條經(jīng)驗叫“聞警就動”。美國USGS 在2019年國慶節(jié)地震后提出“安全勝于遺憾”的地震預警策略，是在對地震預警的局限性一定要有清醒的認識的基礎(chǔ)上提出的，地震預警的警報就是地震風險的緊急警示，見到地震警報就要立即采取避險逃生的行動。盡管大地震是小概率事件，可是萬一是大地震，就可以躲避了劫難。有些國家的地震學家甚至認為，地震預警最重要的目的就是在地震波未到達的地區(qū)，提前給公眾采取緊急避險提供足夠的時間，使公眾可以從容按避險三原則DCHO（Drop，Cover，Hold On；伏地、遮擋、抓牢）采取行動。

4 地震預警與一般意義預警的異同

由于地震警報是地震速報的發(fā)展，所以它和原來的地震監(jiān)測是一樣的，就是地震監(jiān)測預報中地震監(jiān)測諸多環(huán)節(jié)中的一個部分，地震觀測規(guī)范相關(guān)部分應該適用于地震預警。但是由于地震觀測正在進入密集地震觀測階段，地震觀測規(guī)范應該進行修訂，將密集觀測和超快地震速報等內(nèi)容相應補充進去，同時也應把所謂“地震預警”正名為“超快地震速報”或者地震警報（地震報警）。

地震預警（Earthquake Early Warning），在漢字上往往會和地震預報混淆，這是翻譯上的原因。翻譯講究“信，達，雅”。所謂“信”，就是要忠實原文；所謂“達”就是通順明白；所謂“雅”，就是譯文的用詞造句要講究文采，做到文筆優(yōu)美。因此，譯成“地震預警”是“雅”的一種表現(xiàn)。據(jù)說翻譯時還參考了雷達預警（Radar Early Warning），可能翻譯者不甚了解地震觀測。但這不僅僅搞糊涂了公眾，其實也易混淆專業(yè)概念。地震預報是地震之前的預測，目前在科學上尚未突破。地震預警是地震之后的警報，這在技術(shù)上已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)。

警報就是當一個事件發(fā)生了的風險警示和緊急通知。既然地震預警是地震警報，我們就要研究“警報”的性質(zhì)和社會屬性[9]。比如防空警報，當發(fā)現(xiàn)敵機或敵人的導彈來了，拉響警報，警示人們有被炸的風險。僅此而已，至于炸到哪里，爆炸力是多大，基本一概不知，或者只能猜測?！暗卣痤A警”既然是地震警報，也是一樣的，它就是一個地方地震了，發(fā)一個風險的警示，告訴地震波還沒有到達的地方：我這里地震了，你們要小心，地震波很快就要到你那兒了！

這和社會學常用的“預警”的概念，絕對是兩回事。社會學提出的預警，首先是事件沒有發(fā)生，事先對可能發(fā)生的事件的強度或危險性有估計。比如天氣預警，氣象臺發(fā)布暴雨紅色預警，未來24 h，將發(fā)生＜50 mm 降水。地質(zhì)災害預警也是這樣的?，F(xiàn)在說的“地震預警”就是地震發(fā)生后對于地震（S 波）還未到達的地區(qū)發(fā)出的“地震警報”！而且這個警報的產(chǎn)生是由密集地震預警監(jiān)測網(wǎng)不停地實時監(jiān)測，在地震發(fā)生后智能實時處理，快到數(shù)秒鐘自動發(fā)布。這個過程和一般社會“預警”需要事先審批及發(fā)布流程也完全不同。

那么真正的地震預警有沒有，應該是有的，它是地震預報的一種。有些人早就提出，除了目前我們的0 和1 的地震預報，我們應該進行地震的概率預報和等級預警（顏色預警）。比如某個地區(qū)被認為地震危險性較高，像天氣、地質(zhì)災害預警一樣，給該地區(qū)發(fā)出地震風險的等級警示[10]，比如藍色預警。實際上我們每年劃定的地震危險區(qū)，就是年度的地震紅色預警。而我們現(xiàn)在說的“地震預警”把真正的地震預警這個漢字名詞給占用了！

如上所述“地震預警”實質(zhì)也是地震觀測的一種快速產(chǎn)出，它是地震觀測的一個環(huán)節(jié)。這就是思考“地震預警”各種問題的基礎(chǔ)，也是我們向政府、企業(yè)、事業(yè)和公眾解釋“什么是地震預警”的基礎(chǔ)。

5 開啟密集地震觀測新航程

如前所述，地震觀測發(fā)展大致經(jīng)過單個地震臺站、模擬遙測地震臺網(wǎng)、數(shù)字地震臺網(wǎng)、網(wǎng)絡化地震觀測網(wǎng)等階段?？v觀地震學和固體地球科學的發(fā)展都是地震觀測技術(shù)發(fā)展推動的，而地震觀測發(fā)展又是被信息技術(shù)和傳感器技術(shù)不斷發(fā)展推動的。進入21 世紀，特別是近10年，互聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)及新型低成本MEMS 傳感器技術(shù)使地震觀測技術(shù)能與迅猛發(fā)展的信息技術(shù)同步，地震預警技術(shù)在某種意義上催生了密集地震觀測臺網(wǎng)，促進了我國地震觀測進入了密集地震觀測階段。

實際上密集地震觀測把地震帶進了大數(shù)據(jù)時代，給地震學和地震觀測帶來了重大變革，我們在2017年就發(fā)表了“密集地震觀測帶來的變革”一文[11]。目前美國正在編寫密集地震觀測科學原理“白皮書”，為各種尺度的研究開發(fā)“全波場成像”能力，制定密集地震觀測計劃，為密集地震觀測系統(tǒng)在科學實踐方面進行密集地震觀測現(xiàn)場試驗、現(xiàn)場應用和數(shù)據(jù)管理方面的評估[12]。

大數(shù)據(jù)在各個領(lǐng)域催生新的模式和新的業(yè)態(tài)，改變了人類思維模式。在技術(shù)上人工智能技術(shù)帶來了新的技術(shù)革命。汶川大地震的發(fā)生使人們思考地震觀測必須為大地震和挽救生命服務。日本“3?11”地震成功的地震預警表明，地震觀測在大地震發(fā)生時不僅僅是快速測定地震的基本參數(shù)，更重要的是地震烈度速報和地震預警，這兩項地震觀測技術(shù)的新進展可以大大減輕大地震造成的災害，并能有效地減少恐慌。

密集地震觀測使地震處理擺脫了傳統(tǒng)地震處理模式，大數(shù)據(jù)處理使地震處理達到秒級。超快地震速報，可以達到地震后5—10s 就發(fā)出地震警報。烈度速報就是超快地震動分布圖，在地震后數(shù)十秒到幾分鐘就可以產(chǎn)出。密集觀測無疑使地震觀測能力大大提高，也使地震觀測直接為地震應急救援，減輕地震災害，挽救生命服務。

密集地震觀測的大數(shù)據(jù)驅(qū)動同時推動了地震科學研究和應用的變革，推動地震科學創(chuàng)新和新的發(fā)現(xiàn)。例如，地震震級采用地震動的面積快速測定出MW，利用小地震和地脈動反演，動態(tài)跟蹤地下狀態(tài)，生成“地下云圖”為探索地震預測提供依據(jù)。使用地震臺陣組的方法來研究微地震、震顫、地震破裂圖像。使用先進的聚束（beam-forming）方法，專門用于研究地震在特定方向、頻率和速度方面的特性，在地震破裂面上成像，利用地震波接收特性快速跟蹤地震破裂過程。密集觀測推進了地球內(nèi)部各種尺度的研究，開發(fā)所謂地下“全波場成像”能力，推動地球科學新的發(fā)現(xiàn)和創(chuàng)新。密集地震觀測網(wǎng)在感知大城市振動，推進“高鐵地震學”新學科創(chuàng)立，推進城市地球物理探測，保障城市運行和經(jīng)濟發(fā)展，建設(shè)智慧城市方面也將發(fā)揮重要作用。

密集地震臺網(wǎng)產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)推動了人工智能技術(shù)在地震觀測的應用。中國地震科學試驗場在云南利用密集地震觀測網(wǎng)，采用機器深度學習方法，對2013年1月—2018年5月間四川和云南地震臺網(wǎng)的近20 萬個地震進行了機器學習。采用中國科技大學張捷院士團隊開發(fā)的人工智能處理系統(tǒng)，在2020年1月1 日—8月4 日地震科學試驗場的AI 系統(tǒng)共處理了地震4768 次，震級下限為2 級左右。結(jié)果是自接收到P 波后開始平均定位耗時為6.6s，自接收到完整波形后開始震源機制解產(chǎn)出耗時為12s，展現(xiàn)了密集地震觀測人工智能處理地震的巨大優(yōu)勢。

中國地震臺網(wǎng)中心的人工智能的地震信息播報機器人是大數(shù)據(jù)在地震信息發(fā)布方面的重要應用，使中國地震觀測系統(tǒng)的信息發(fā)布進入機器人時代。地震信息播報機器人系統(tǒng)是我國自主研發(fā)的一套可以全自動運行的軟件系統(tǒng)，它能在震后數(shù)秒內(nèi)自動產(chǎn)出與當前地震相關(guān)的數(shù)百字及10 多張圖片，內(nèi)容涵蓋速報參數(shù)、震中位置、周邊信息、歷史地震等20 多項內(nèi)容。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來自移動互聯(lián)網(wǎng)，系統(tǒng)運行在云計算平臺上，并通過互聯(lián)網(wǎng)直接服務于億萬用戶。

我國地震觀測從建國前的基本空白，到建國以后的自力更生，歷經(jīng)建設(shè)基本臺站，到建設(shè)自動化遙測地震臺網(wǎng)。從九五數(shù)字化到十五網(wǎng)絡化，以及正在實施建設(shè)的密集地震觀測體系。從只有一個鷲峰地震臺，到現(xiàn)在建設(shè)的擁有15000 個地震臺、觀測頻帶覆蓋6 個量級和動態(tài)范圍覆蓋12 個量級的地震觀測全覆蓋的世界上超級地震觀測體系。圖3 是我國地震觀測體系的觀測能力頻帶和動態(tài)全覆蓋示意圖。

圖3 中國地震觀測體系的觀測能力頻帶和動態(tài)全覆蓋① 薛兵.關(guān)于地震與應變共點觀測技術(shù)的探討.中國地震學會地震觀測技術(shù)專業(yè)委員年會報告，2018Fig.3 Observation capacity frequency band and dynamic full coverage of China’s seismic observation system ①

我國地震觀測一直秉承“人民第一，生命至上”的宗旨，密集地震觀測的技術(shù)將更好地為國民經(jīng)濟和國防建設(shè)、為減輕地震災害、為地球科學研究創(chuàng)新不斷進步，提供大數(shù)據(jù)信息和應用技術(shù)平臺。中國地震觀測正進入新時代，開啟了新的征程。

6 結(jié)束語

地震觀測最重要的目標是實現(xiàn)災害預測和有效地減輕地震災害。當前地震預警是其中重要手段之一。在發(fā)展建設(shè)和地震預警系統(tǒng)的同時，要有清醒的認識：①地震預警是復雜的社會工程，需要全社會的參與。預警系統(tǒng)能否起到其應有的作用，也在于全社會對地震預警系統(tǒng)的認識和理解；②地震預警系統(tǒng)需要密集地震觀測網(wǎng)，必須采用低成本的智能化傳感器和設(shè)備，突破傳統(tǒng)地震觀測理念，采用大數(shù)據(jù)思維，運用人工智能云計算技術(shù)，才能降低建設(shè)和運行資本，發(fā)揮地震預警的減災效能，獲取社會效益；③同所有的科學技術(shù)一樣，目前地震預警技術(shù)有自身的局限性，存在預警盲區(qū)及速度與準確度可靠性問題，因此，只有地震科普知識普及到一定程度，社會災害演練經(jīng)常化，才能發(fā)揮地震預警的效能。

致謝

感謝中國地震臺網(wǎng)中心國家地震科學數(shù)據(jù)中心（http://data.earthquake.cn）提供數(shù)據(jù)支撐；感謝審稿專家提出的建設(shè)性修改意見。