你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

这篇文章的发想是来自于今年(2017) 四川地震一篇文章:提前 71 秒为成都发出九寨沟地震预警 , 这套中国研发的预警系统真的很牛掰,这些文章带出了一些大众对强震警达的不当相像和迷思,也借此谈谈「强震警报」( 以下会以「地震预警」来作为代称)对我们的重要和实用在哪。但阿树在这先说明一下,前述的文章内容并不糟糕,也有提及实用观点,但或许为了更吸引读者,在下标题时却忽略了地震基本的科学极限,所以才特别需要澄清一下!

二种不同思维的地震预警

修改一下药厂广告的台词,用在地震预警上就会是「平平是地震预警,原理不同,用途效果也不同!」过去像本站介绍过气象局的地震预警系统,以及日本的紧急地震速报,甚至前文中国大陆使用的ICL 地震预警系统,大致的原理都是建构在基本的地震定位与决定规模的方式,进一步的利用电脑与程试判断等手段,尽可能缩短时效,并且以规模计算的结果评估震度,目前上述「区域型地震预警」的技术大约可以缩短在20 秒之内。

另一种则是「现地型地震预警系统」,这种系统就会跳过地震定位的步骤,直接针对先收到的P 波进行分析,而透过大量分析过去的地震波形资料特征,便能从最初的P 波( 仅需前三秒的波形) 分辨出地震的规模是大是小,进而估算后续震波的活动,这样一来就可以更快得到资料,这种方式在国内包括国家地震工程中心、前些日子接受本站邀稿的吴逸民教授皆有相关的研究与衍生产品。

不过有一好就没有两好,现地型的系统时效快,但毕竟仅靠预先设计好的演算方式,准确度就比不上利用较多测站解算完成的区域型地震预警系统,反过来说区域型的技术由于需要花上较多的时间,最严重的震央区或断层沿线一带,可能都算是「盲区」,就算收得到区域型的预警简讯,地震也早就过了。除非我们能把这两种掺在一起…当然,我想得到,你想得到,科学家也想得到!目前上述所提到的开发单位都在尝试如何把这两种方式结合搭配运用以达到最佳效益,好在这些研究已经近在咫尺了!

说到「效益」,该怎么评估?越多秒越好吗?

因为地震预警是种「提前告警」的警报,习惯上或许看到71 秒会有「这系统很厉害RRRR 」的感觉,但这真的就很厉害吗?接下来我们用简单的数学来解析,内文有提到它是对「成都市」的预警,成都市和震央的距离关系有多远、震度有多大呢?笔者没有官方资料,先拿USGS 的报告截图来看:

你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

震央所在以等震度线分布图,图片截自USGS 网页。

若将上图中震央( 星星) 地区与震央直接拉线,相隔大约280 公里多,S 波的波速若以3.5km/s 来算会是80 秒、以3km/s 则是93 秒,如果我们取个中间值估个87 秒好了,减去71 秒就会是16 秒,代表的意思就是震后约16 秒我们就收到地震简讯了,还记得前面提到区域型预警技术一般解算情况都会压在20 秒内吗?就这次的案例而言,16 秒的时间做好解算+ 发布到用户端,的确算是很好的时效,尤其是简讯端发送的部分!

但是,如果要直接把「我们多了71 秒可以防灾」来作为结论,却言之过早,因为上图的成都市旁边也显示了当地的震度,以MMI 震度阶画分的话是震度IV 级,对于到中央气象局大约是1~2 级左右的震度,这样程度的晃动小到几乎不会造成灾害,真要考虑也仅有极精密的仪器之类的会受影响吧?

那么到底预警可以用在多远的范围?

真要用科学的角度来看,实在很难给个门槛范围,因为呢,地震大小不同,衰减的程度不同,当然我们会得到的预警时间也都不同。这样讲很难懂对吧?我们举出一种情境,看看地表震度分布和S 波从发震之后到达不同地方的时间关系示意图:

你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

情境:仅考虑震度衰减的效应,波的行进波速以3.5km/s 来估计。黄色为震央位置示意,实际上震度分布会因断层破裂型态而有所变化。

从上图的情境来看,大于六级震度的地方几乎都在预警盲区内,五震震度区或许可以仰赖现地型预警技术,而四级震度区或许可以藉由区域型地震预警得到更多的预警时间。

为什么上图的S 波到达时间只画到四级震度区?因为三级以下的震度对于多数建物并不会造成太大危害,而现在台湾收到的地震简讯大致也是以所在地震度四级为标准。( 不过,曾听过朋友有在震度三级的情况收到简讯,个人猜想或许是考量正负一级的误差吧?)

至于更小的震度区呢?当然因为离的更远,理所当然的就有更多的预警时间,只是它并不能达到真正减灾的效果,大概是减少恐慌吧?

接下来,如果我们把地震规模改变一下,将上面那张不同震度区的边缘和S 波到时的关系表格化,做成不同规模情境时的情况如下图:

你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

将不同规模、地表加速度范围与波到时所绘的图,地表加速度25 80 250gal 分别是级震度的最低门槛值。不同颜色长条图代表规模不同时,最远可测得的加速度值,并用白色长条图显示其对应的波速以3.5km/s 推估从发震到达该位置时的时间。本图为模拟所得之图,不代表实际地震时的情况,由洪瑞峻所绘制。

所以我们可以大略估出不同距离、震度与可预警的时间差异,可以发现当规模越大时,震灾范围将会较大,当然,需要预警的地方( 震度4 级、25gal 以上区域) 就会变大,此时再来谈「得到多少预警时间」才有实质意义。预警技术所考量的地方应该是摇晃较大的地方,若是针对震度极小的地方,看起来就只是一个倒数计时展示器的概念而已。

不过,离震央较远的地方也不一定安全

看了前面的图表资料,或许有人会得到「远的地方比较安全,所以也用不着预警」的结论,不过我必须说这是个迷思观念。因为震度的分布不会等距均匀分布,还会受到断层本身和地质的影响,我们从921 集集地震的等震度图,就能略窥一二:

你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

921 集集地震的等震度分布图,星号为震央所在,图片来源:(台湾)中央气象局地震百问

先看震度6 以上的部分,可以发现图上的震度分布是长形的,向北延伸到新竹,向南延伸到嘉义,绝大部分因素在于南北向的断层型貌,以及断层错动的情况。断层向南可延伸到南投和云林交界,而向北则可到苗栗南端,而错动的初始点虽在震央区,但断层错动量最大的地方要再更偏北方一点《断层上的短暂瞬间:动与不动之处 》一文 。所以虽然有些7 级的震度区离震央稍远,但震度一样很大、很危险。

接着看5级震度的地区,最明显的就是在北部地区有一块浅绿色,虽然摇晃不若6 级强烈,但也足以造成一些损害,此时预警系统就可发挥用处,如下图所呈现的概念:

你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情

情境:在情境的基础上,多了一块震度因地质情况而产生放大效应的部分橘色椭圆范围,提前预警将对此区域发挥更好的效果!

预警系统「真正的用处」

在此举出两例近代历史地震案例,分别是1986 年与2002 年在花莲外海发生的地震,前者震毁了当时台北县( 现新北市) 中和的华阳市场,而后者则造成施工中的台北101 大楼起重机吊臂震落的伤亡。预警系统并不能改变震毁的市场或震落的吊臂,尤其是当时的华阳市场经改建后耐震能力已较差( 这也是事后调查才知道) ,让我们的建物更加坚固耐震,一直都是抗震的重要做为,与预警系统本身是不同的事,然而像是施工中的吊臂,或是当年在市场一楼的人们,若是多了十秒至二十秒的时间应对,是否能再降低伤亡人数呢?哪怕是在摇晃之前能尽可能的避开危险,都能多争取一些生存机会,当然,这都得建置在我们知道怎么运用科学、科技来帮助自己。历史无法重来,但未来可以改变,看似消极作为的各项地震研究或防震建议,实质上也是一种积极求生之道。

 

注:集集地震的车笼埔断层,请见下图中央地调所之台湾活动断层分布图:

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你可能还不知道的地震预警和震害真实的事情「震識」是由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格,我們希望透過淺顯易懂的分享方式,讓地震知識走入日常生活中。Facebook 页面,Blog 主页

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