地震預警 如何與死神賽跑？

　　6月17日22時55分，四川省宜賓市長寧縣發生6.0級地震，震源深度16千米。據悉，宜賓提前10秒收到預警，樂山提前43秒收到預警，成都提前61秒收到預警。來自成都高新減災研究所的地震預警系統瞬間刷屏，成為大家熱議的焦點。

　　地震發生后，人們總是能在彈出的廣告頁面或者家中長輩的朋友圈裡看到一些特別有噱頭的標題，比如“未來一個月，這裡會發生地震”或者“XX日XX點，這裡將發生大地震”等。這些聳人聽聞的文章，都對未來可能發生的地震進行了一番詳細預測，甚至精確到了幾時幾分，看起來像模像樣，讓人情不自禁地想要相信。但是，這些預測真的可信嗎？當然不是！以人類現有的科技水平，地震預測依舊是一個世界難題。

　　地震預測雖然尚未獲得實質突破，但地震預警技術在全世界范圍其實已較為成熟。縱觀全球，墨西哥、美國、日本等國家都在地震預警系統的研發中投入了大量的資源，除此之外，土耳其、西班牙等國也在積極研發地震預警系統。目前，這些地震預警系統建設進展如何？地震預警和地震預測又有什麼差別？地震預警的歷史源頭在哪裡，預警到底能為人類帶來哪些好處？

　　地震預警VS地震預測

　　預測——以人類現有科技水平尚無法准確預測地震

　　預警——利用地震中非破壞性P波和破壞性S波之間的時間差

　　地震預測究竟難在哪裡呢？

　　首先，地震本身就是一種非常復雜的地殼運動，震源深度一般在地表以下數十千米處，以目前的技術手段，人們很難知道震源處發生了什麼，隻能依靠反演、推測和假設來分析情況。其次，地震研究需要大量的數據支持，但大地震出現的頻率很低，科學家們收集不到有效的研究樣本，也就無法對其進行研究。所以，如果想讓地震預測做到和天氣預報一樣詳細，對地震發生的時間、地點和震級都有完整的說明，那我們的技術就需要更進一步的發展，至少以人類現有的科學水平，地震預測大部分還不夠准確。

　　既然地震預測無法對地震進行預防，我們對地震豈不是“毫無還手之力”？

　　其實，地震雖然無法預測，但我們可以對地震進行預警。

　　地震預警和地震預測是兩個完全不同的概念。預測是指在地震發生之前，對此次地震發生的時間、地點和強度做出說明和預告﹔而地震預警是指在地震發生以后，搶在地震波傳播到設防地區前，向設防地區提前幾秒至數十秒發出警報的一項技術，也稱為“震時預警”技術。這項技術利用了地震波傳播速度小於電波傳播速度的特點，搶在地震波到來之前，通過電視、短信和地震預警終端等設備對人們提前發出警報，讓人們有一定的時間採取避險措施，以減少當地的損失和傷亡。研究表明，如果預警時間為3秒，可使傷亡率減少14%﹔如果預警時間為10秒，傷亡率可以減少39%﹔而如果預警時間為60秒，那麼，人員傷亡率甚至可以直接減少95%。

　　優秀的地震預警系統有何價值

　　地震預警系統的實質其實是利用了地震波中的時間差：在地震發生時，會產生兩種地震波，首先出現的是上下震動的P波，震動幅度較小，要過大約10秒到1分鐘時間，水平運動的S波才會到來，而S波會對地表建筑造成更嚴重的破壞。原理上，在距離震源50公裡內的地區，會在地震前10秒收到預警信息﹔90到100公裡內的地區，能提前20多秒收到預警信息。

　　利用地震波為即將到來的災害提供預警的想法其實並不新鮮。1868年，一位名為J.D. Cooper的醫生在《舊金山每日晚報》中闡述了他對預防地震災害的看法，他說：“我們可以在離舊金山10到100英裡（16到160公裡）的每個點埋下一個非常簡單的機械裝置，當有足夠破壞力的地震波來臨時，這個機械裝置就會被損壞，然后產生一股強電流，並且在同時通過反應裝置敲響一個警鐘，而這個警鐘就位於舊金山城市的中心高塔上。”

　　一個多世紀后，加州理工學院的地球物理學教授托馬斯·希頓在1985年發表了一篇科學論文，在論文中他為地震預警系統草擬了一個現代版本，將之稱為“掃描”。希頓教授認為“掃描”可以在地震來臨時做到保護計算機系統，隔離電網，關閉天然氣閥門或者保護鐵路等一系列的預防措施。這是西方第一篇描述地震預警系統的論文。

　　地震預警系統是一套在地震中能夠快速預警和應急的設備，設備按照系統響應的順序可包括：地震監測網絡、地震參數快速判斷系統、警報信息快速發布系統和預警信息接收終端。整套系統的特點是高度集成、實時監控並且快速響應，而快速響應是整個系統最關鍵的要素。地震發生時，系統深入地下的地震探測儀器會檢測到P波，然后將信號發送給計算機﹔計算機計算出震級、烈度、震源、震中位，並將結果反饋給預警系統﹔最后，預警系統搶在S波到達地面前的10到30秒通過電視和廣播發出信號，預警信息接收終端接收並向各個單位發出警報。並且，由於電磁波比地震波傳播的速度快，預警還有可能趕在P波之前到達。

　　利用地震的發震時刻、發震位置、震源的類型和震級的大小等信息，系統會模擬出相關區域內地面運動的強烈程度，模擬結果不同，各個預警信息接收終端所發出的警報也不同。除了向人們發出警報之外，“優秀”的地震預警系統還能做到以下這些后續處理工作：

　　1.疏散辦公大樓或者工廠的工作人員，關閉天然氣，停止生產線，並將敏感設備設置為安全模式﹔

　　2.通知醫院的工作人員，外科手術、牙科手術或其他精密手術暫停並緊急撤離病患和醫護人員﹔

　　3.呼叫緊急救援人員，開啟開放式消防站門，救援人員准備並確定響應救援決策的先后順序﹔

　　4.停止實驗室研發，自動隔離危險化學品，開啟實驗室安全模式﹔

　　5.保護發電站和電網設施，避免其受到地震的強烈震動……

　　地震預警系統雖然功能豐富且反應迅速，但不是每個國家都適合運行這個系統。如果一個國家想要運行地震預警系統，那麼首先它必須得是一個地震多發的國家，其次它必須有較強的經濟實力，最后地震預警系統的設置區域越小越好，因為這樣這個系統的預警價值才能體現出來。

　　綜上所述，日本、墨西哥、美國和尼泊爾等國都具備安裝地震預警系統的條件。其中，尼泊爾的全套地震預警技術由成都高新減災研究所提供，而日本和美國的經濟實力和科技水平較為雄厚，地震預警系統的發展潛力巨大。

　　日本Uredas地震預警系統

　　在新干線軌道安裝地震儀

　　檢測4級以上地震並向列車發出自動警報

　　20世紀60年代，日本國家鐵路公司的工程師們准備搭建日本的高速新干線網，但地震對軌道的破壞是全日本有目共睹的。工程師們也很清楚地震的危險性，所以他們決定在軌道的沿途安裝地震儀。起初，地震儀只是在地表有了超過臨界值的波動后發出警報，然后警報會發送給列車長，列車長再手動減慢列車的速度。

　　后來，在70年代，工程師們進一步加強了地震儀的功能，讓警報更加自動化。比如，當地震儀檢測到超過4級的地震時（日本將地震分為1到7級），火車就會在沒有人為干涉的情況下自行停止前行。這之后，地震儀被移到了離鐵路線更遠的地方，來增加地震來臨時可採取措施的時間。1992年，鐵路公司進一步強化了地震預警系統，並將其命名為緊急地震探測和警報系統（Urgent Earthquake Detection and Alarm System，縮寫為Uredas），第一次利用了地震中非破壞性P波和破壞性S波之間的時間差。

　　Uredas很快成為了日本其他地震預警網絡的模型。隨后，日本氣象局也向Uredas拋出了橄欖枝，氣象局和國家鐵路公司合作，開始部署日本全國范圍的地震預警系統網絡。

　　20世紀90年代初，Uredas的名氣傳遍了全世界。墨西哥成為繼日本后第一個建立地震預警系統的國家，其全國性的系統網絡效仿了Uredas的預警方法。

　　但在2004年，在日本東京北部的新潟縣發生地震后，新干線上的一列高速行駛的列車還是發生了脫軌事件。報告顯示，Uredas系統運行良好，但列車離震中的距離過近，可採取措施的時間過短，以至於火車沒有足夠的時間來採取制動措施。這是新干線運行40年來，第一次發生脫軌事件，但值得注意的是，列車中的155名乘客沒有一人受傷。

　　2007年8月，日本其他沒有安裝Uredas系統的公司開始使用日本氣象局（JMA）的地震預警系統，也就是JMA預警。東京的東電鐵路公司運營著東京和神奈川縣的通勤列車，如果該公司的數據中心收到了JMA預警，那麼系統就會立即根據過去的地震數據，自動預測軌道沿途可能受到的損害。之后，系統會向那些可能受到影響的列車發出警報。讓人驚異的是，從系統收到JMA預警到向列車發出警報，這整個過程隻需要兩秒鐘。

　　美國加州地震預警系統

　　可通過手機應用軟件

　　提前10至30秒將警報發送給每一個人

　　2013年9月，美國加利福尼亞州的州長杰瑞·布朗簽署了參議院的135號法案，同意在全州范圍內建立完備的地震預警系統。提出這項法案的參議員阿列克斯·帕迪拉認為州長做出了一個非常正確的決定，他說：“加利福尼亞州與俄羅斯、湯加和智利一樣，都處在環太平洋火山帶上，我們要問的不是地震會不會發生，而是地震什麼時候發生。州長簽下這份議案，就意味著面向全州的地震預警系統開始正式建立。”

　　在2013年早些時候，加州理工學院和日本海洋地球科學與技術局發布了一項研究，該研究首次得出了加州的地震可能會涉及到洛杉磯和舊金山的結論。而據2008年發布的加州統一地震破壞預報顯示，未來30年加利福尼亞州發生6.7級地震的可能性為99.7％，發生7.0級地震的可能性為94％。

　　加州政府從這些數據中看出了運行地震預警系統的迫切性和必要性。法案通過后，加州地震安全委員會、加州理工學院、加州地質調查局、加州大學伯克利分校以及美國地質調查局等各大專業機構和高校將進行密切的合作，共同指導加州緊急服務辦公室開發一個面向全州的地震預警系統。據緊急服務辦公室估計，建立面向全州的地震預警系統的初始成本約為8000萬美元，而建立面向整個西海岸的地震預警系統，成本可能會達到1.2億美元左右。

　　但其實早在法案簽署之前，加利福尼亞州的小部分人就已經開始擔憂地震帶來的災害並採取了行動。2012年1月，一個名為Shake Alert的示范地震預警系統應運而生，這個示范系統隻向州內的選定用戶發送地震通知。該系統使用加利福尼亞綜合地震網絡（California Integrated Seismic Network，縮寫為CISN）來檢測地震，這個網絡是一個由大約400個高質量地表運動傳感器組成的現有網絡。正式開始建立地震預警系統后，美國地質調查局作為Shake Alert的研發單位，聯合了加利福尼亞州政府一起推出了下一代Shake Alert預警測試系統，但這一代系統尚不支持公共警報，只是在選定的覆蓋范圍內測試運行。直到2018年10月，美國地質調查局聯合加州理工學院科學家共同研發出了功能更強大的Shake Alert預警系統，這一代的系統可通過手機應用軟件提前10至30秒將地震警報發送給每一個人，幫助加州百姓提前做好預防地震的各項准備，進而減少地震所造成的生命和財產損失。

　　墨西哥SASMEX地震預警系統

　　促進“防災文化” 提升民眾的危險意識

　　1985年，墨西哥米卻肯州發生了一起前所未有的大地震，該地震強度達到了8.1級，並造成了超過9000人死亡，10多萬人無家可歸，這次慘痛的經歷促使墨西哥開始建設地震預警系統。

　　1991年，墨西哥城地震預警系統（SAS）開始試運行，並於1993年8月正式向墨西哥城的民眾提供預警信息，該系統是世界上第一個正式為公眾提供預警的地震預警系統。之后，墨西哥城對SAS地震預警系統進行了一系列的調試升級，研發出了墨西哥地震預警系統（SASMEX），該系統能夠提前60秒左右向墨西哥城提供預警，提前30秒以上向瓦哈卡市提供預警。

　　2012年，SASMEX地震預警系統成功提前25秒向瓦哈卡市提供了預警，提前45秒向奇爾潘辛戈和阿卡普爾科提供了預警，提前75秒向墨西哥城提供了預警，有效地降低了格雷羅-瓦哈卡地震帶來的人員傷亡和經濟損失。然而，該系統的覆蓋范圍仍有很大不足，在墨西哥城2000萬人口中僅有約440萬人可以及時接收到預警信息。

　　2017年9月，SASMEX地震預警系統共發出了五次警報。第一次是因為警報系統的技術人員失誤觸發，與地震無關。第二次是因為恰帕斯州的8.2級大地震，此次警報在S波到來的兩分鐘之前就響徹了墨西哥城，但由於離震中較遠，地震造成的損失相對較小。第三次和第四次警報發生在同一天，為了紀念1985年的米卻肯地震，全城拉響警報開始地震演習，但僅在演習結束的兩個小時后，警報聲就再一次響起了，原因是墨西哥城120公裡外的普埃布拉城發生了7.1級地震。由於震中距離過近，此次預警隻提前了20秒，有的居民還來不及疏散，隻能選擇在建筑物中安全躲避。最后一次是恰帕斯地震的6.0級余震，這次墨西哥城的大多數人沒有感覺到震動。

　　9月的五次預警給墨西哥城的人民留下了好印象，他們注意到了地震預警系統的保護措施帶來的價值，盡管在最后一次警報時他們沒有感覺到震動。事實上，墨西哥城的民眾隻會在沒有發生地震的情況下才會認為警報是“誤報”，而不是依據自身有無感受到震動。換句話說，預警系統讓他們感到心安，他們更害怕的是在地震發生時自己錯過了警報。

　　不僅如此，地震預警系統還促進了墨西哥城的“防災文化”的發展，每個人都開始自發地培養自己的危險意識並採取某些應急措施。例如，墨西哥城中的部分工廠認為頻繁的警報帶來的廠房停工損失是可以接受的，甚至某些廠商還認為工廠內部的其他建筑也可以安裝地震預警接收器。