地震预警主要利用电磁波与地震波的速度差，以及地震P波与S波的速度差来实现地震发生后的及时预警。发出预警的时候，有害的地震波（S波、L波、R波）往往还未到达地表，因此，人们仍然有时间采取紧急措施。虽然地震预警的时间非常短，往往只有几秒、十几秒或数十秒，但是如此短的时间仍然可以挽救很多生命，减少很多损失。在目前地震预测、预报还很不成熟的情况下，为了应对突发性和毁灭性的地震灾害，最大限度地降低损失，进行地震预警非常必要，也很有意义。

 

 

地震学家把地震预测（prediction）定义为“同时给出未来地震的位置、大小、时间和概率四种参数”的研究，并且每种参数的误差（不确定的范围）应小于、等于下列数值：①位置：±1/2破裂长度；②大小：±1/2破裂长度或±0.5级；③时间：±20％复发时间；④概率：预测正确次数/（预测正确次数＋预测失误次数）。地震预测通常分为长期（10年以上）、中期（1～10年）、短期（1天至数百天以下）预测，短期预测又细分为短期（十天至数百天）和临震（一天至十天以下）预测。

 

在国际上，有地震学家把不符合上述定义的“预测”等统称为“预报”（forecasting），例如对在一段长时期内的某一不确定的时间发生地震的概率做出估计就应叫作地震预报。亚洲地震委员会（ASC）前副主席吉布森（Gibson，2004）认为，预报指可能发生（probably），而预测则指肯定发生（definitely）。在我国，也有科学家把由政府主管部门依法发布的有关未来地震的警报称作地震预报。几年前，很多科学家认为，对地震来说，预报和预测都是不可能的；而现在，主流观点认为预报还是可能的，但预测非常困难。

 

国际减灾战略秘书处（ISDR Secretariat，2001）指出，自然灾害的预警是指对即将发生的灾难进行的紧急警告，包括对即将来临的灾害（如热带风暴、洪水等）发出的紧急警告，也可以包括对一段时间后由此灾害可能引起的灾难（如饥荒与干旱等）发出的延期警告。因此，一般来说，地震预警就是指地震事件已经来临但震害还未触及地表的情况下向社会发布地震警告，号召大家采取相应的紧急措施。目前，精准的地震预测或相对准确的地震预报仍然是世界性的难题，但地震预警不同，它已经有了很多的应用实例。

 

 

地震P波不具破坏性，在地质媒介中的传播速度最高，高于S波、L波等，而电磁波的传播速度（30万km/s）远大于地震波速度（约10km/s）。地震预警技术就是利用P波和S波的速度差、电磁波和地震波的速度差。在地震发生后，当破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警预告。

 

1868年，美国的库珀（Cooper）最先提出建立地震早期预警系统的构想。1985年，西顿（Heaton）提出了电脑现代化后的地震警报系统。20世纪90年代，计算机技术、数字通信技术和数字化强震观测技术日趋成熟，日本、墨西哥等国纷纷开始建立地震预警系统。

 

现在的地震预警系统的预警方式为地震参数预警，与之相对的是较为传统的地震动值预警。地震参数预警是利用台站的P波或S波确定出震级、震源深度、震中距等参数，从而确定预警的范围和级别。这种方式所需决策时间长，但有效性高。地震动值预警则直接利用地震动值是否超过给定的阀值来判断预警，它既不区分P波与S波震相，也不确定地震的有关参数，有效性较低。另外，根据与预警目标区（城市或重大工程场地）的距离远近，地震预警系统又可分为异地震前预警和本地P波预警两类。

 

地震预警系统的一般工作流程为：地震监测系统（数字化实时强震仪）→通信系统（电话线、无线拨号上网、中继站）→控制中心（计算机和专业软件）→警报发布系统（手机、电子媒体、政府）。

 

 

目前，墨西哥、日本、罗马尼亚等国，以及一些重大工程，如水坝、核电站等都已部署了地震预警系统，这些预警系统的具体构建和性能各有不同，现简介如下：

 

一、基本应用状况

 

1．墨西哥城地震预警系统

 

墨西哥处在环太平洋地震带上，从1978年以来,墨西哥一直处于频繁的地震状态，这促使了墨西哥进行地震预警系统的开发。墨西哥城地震预警系统SAS（Seismic Alarm System）于1991年8月投入使用，是世界上唯一向公众发布地震警报的地震预警系统。

 

SAS由四部分组成：①地震检测系统，在格雷罗（Guerrero）沿海地区300km长的范围内布设了间距为25km的12台数字强震仪，每个台站有一台微机，可在10s内确定震级，如M>6或5≤M≤6即发布警报，如有2台以上确定地震的发生，就向公众发布警报；②通讯系统，有一个甚高频（VHF）中央无线电中继站和3个超高频（UHF）无线电中继站，可在2s内将地震信息传至墨西哥市；③中央控制系统，设在距格雷罗海岸地区约320km的墨西哥市，可连续接收地震信号并自动处理，确定震级后决定是否发布警报；④警报发布系统，通过商业电台发布警报，有关部门配有专用接收机，由专人负责接收并协调防灾活动。

 

另外，墨西哥国家理工学院的巴埃纳·迪亚斯等人于2005年发明了一种地震预警系统，可以在地震波抵达前200s通过手机向人们发送预警信号。该系统由三部分组成，埋在地下用于测量地震波的感应设备、负责把地震波信息发送至卫星的传送设备和把预警信号放大并发送至手机用户的卫星。研究人员在太平洋沿岸的瓦哈卡州、格雷罗州和米切肯州分别埋设了感应设备，对于这些州沿海发生的地震，如震动超过里氏5级，该系统将自动激活，届时住在墨西哥城的手机用户将获得预警。

 

2．日本地震早期预警系统

 

日本气象厅（JMA）所建构的地震早期预警系统EEW（Earthquake Early Warning）已经在2007年10月上线，推广到全日本境内。

 

EEW之所以能够发出预警，主要归功于日本境内密集分布的地震测站（大约每20公里一座），以及计算机能够迅速计算出地震发生地点与震波传播方向的能力。当地震发生，邻近震源的地震测站会根据所收到的P波讯号，首先判断地震强度。一旦地震强度在4级以上（根据日本气象厅地震震度分级），相当于麦加利地震强度（Mercalli intensity scale）的6～7级时，EEW便会发出预警。

 

若是后续其他测站的计算结果异于最初的估计，达到水平方向误差0.2度，垂直方向误差20km，地震强度比原先估计的大0.5级或小1级时，EEW会更新先前所发出的预警。甚至有可能当第一个测站收到震波讯号，让EEW发出了预警，但后续其他测站却没有收到震波讯号，表示数据可能有误，此时EEW也会取消预警。

 

3．罗马尼亚地震即时预警系统

 

罗马尼亚是地震频发的国家之一。罗马尼亚人对一些轻微地震引发的建筑物晃动，似乎早已经习惯。然而，震级达到里氏7级以上的毁灭性强震，仅在20世纪就在罗马尼亚境内发生过3次。罗马尼亚目前的地震预报与监测重点，主要集中在首都布加勒斯特东北180km远的弗朗恰山区一带。这里不但是罗的地震多发区，而且几次强震的震中均位于此地，罗马尼亚政府在这里建立的即时地震预警系统有各种最现代化的电子装置与设备。

 

罗马尼亚发生的地震，震源经常位于地表110～150km以下的地心深处，因此，专家们重点开展了即时地震预警研究。当110km以下的地壳深处发生地震时，地震波传播到地球表面大约需要28s至32s的时间，而专家们在当地设置的电子感应仪只需2s～3s的时间就可检测到地震，也就是说专家们至少可在毁灭性打击到来之前25s得知地震已经发生。

 

2006年4月，罗马尼亚国家地球物理研究所在弗朗恰的两个地震观测站对他们最近研究成功的一种新的地震即时预警系统进行了演示。该系统共有3个感应器，可在1s～2s内确定是否发生地震，同时，系统会自动将地震警报发往首都布加勒斯特，且无需人工操作。

 

4．美国加州的地震预警系统

 

目前，美国加州综合地震台网（California Integrated Seismic Network，CISN）正在进行地震预警系统方面的测试，该项目计划于2009年完成，其目标是成为一个可对地震进行较为准确预警的公共预警系统。

 

CISN在实时地震网络上测试了3种早期预警系统。其中，在北加州测试的ElarmS系统（Earthquake Alarm Systems）测出了明矾岩（Alum Rock）的地震，这是1989年加州洛马普列塔（Loma Prieta）地震以来，旧金山湾最大的地震，并且，仅用了3s或4s的时间就估计出了震级，准确度在0.5级之内。ElarmS还推测出了地震分布情况，与麦氏震级强度范围的误差在一个单位之内。即使是ElarmS的15s延迟处理，其预测的地震强度也比地震高峰来临的时间早了好几秒钟。现在，CISN的研究人员正努力将延迟处理的时间缩减到10s，以争取更多的时间，这意味着如果将来加州再次发生地震，旧金山和奥兰多在10s后就可知道预警信息。

 

另外，土耳其伊斯坦布尔也建立了自己的地震快速反应与早期预警系统IERREWS（Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning System)，哥斯达黎加以及我国台湾等也都已经部署了地震预警系统。

 

二、在重大工程中的应用

 

1．日本的高速铁路地震预警系统

 

目前最新型、最先进的铁路地震预警系统为日本的紧急地震检测与预警系统UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System），这是一个利用地震P波和S波信息快速估计地震参数，并结合已有震害统计结果有针对性发布地震预警信号的智能系统，该系统的最大特点是单个台站用P波初动就能确定震源参数。考虑到多台站系统的复杂性和网络系统的脆弱性，UrEDAS采用单台信号报警，实时监测单个观测点处的地面运动。UrEDAS在检测到地震P波后的3s内估算出震中方位、震级、震中距和震源深度等地震参数，并发出第一次警报，在S波到达后计算出更精确的地震参数后，再发出第二次警报。由中心台接受各台发布的警报并进行综合处理，在第一个台检测到P波后2min内自动发出警报。

 

2．立陶宛伊格纳利纳核电站地震预警系统

 

立陶宛伊格纳利纳（Ignalina）核电站地震预警系统于1999年建成，采用地震动值预警。该系统由1个中心控制台和位于距电站约30km的圆周上的6个台站组成，形成所谓的地震“围栏”。每个台站有1台地震仪和3台加速度计连续运行，3台加速度计的记录都输入到一个“地震开关”中。当其中2个记录到的加速度超过预置的阀值（初始设置为0.025g）时，地震开关发出警报信号，经数字编码后用UHF调频波段无线电发送到控制中心。系统能提供4s的预警时间，而反应堆控制棒的插入时间为2s，这说明该地震预警系统能使伊格纳利纳核电站在地震波到达前停止运转。

 

3．伊朗卡尔黑水坝地震监测网络

 

伊朗水电资源开发公司IWPC（Iran Water and Power Resources Development Company）的卡尔黑（Karkheh）水坝地震监测网络由瑞士GeoSIG公司承建。该系统实质是一个水坝地震安全性监测网络，其任务范围包括：①评估和观测大坝结构的安全与完整；②评估和比较水坝是否达到抗震设计要求；③发展和改进应对紧急情况的措施；④提供该地区的地震数据。该系统的地震动观测设备为6台AC—63型三分量力平衡加速度计和6台GSR－18型强震记录仪；通信系统为电缆、调制解调器和两个转发器，以此实现各强震台和控制中心的互连，提供定时、触发和通信服务；控制中心为拥有18个频道和一个指令舱模块的中心台。

 

另外，GeoSIG公司还承建了瑞士贝兹瑙（Beznau）核电站测震仪器网络、希腊普雷韦扎（Preveza）——亚克兴（Aktio）的水下浸入式隧道地震和接缝位移监测系统等。

 

 

经过多年的探索和研究，地震的中、长期预测已经取得了一定的进展，但作用相对比较重大的短、临预测进展不大。1980年代以后，国际上对地震前兆的研究重点转移到探索大地震前的暂态滑移前兆，但至今未见重大突破。地震预报仍然是概率性事件，目前的最大成功率不超过20％。

 

相对于地震预测、预报而言，地震预警的时间相当短，但其准确率却相对较高，因此很多国家早已开始重视地震预警在防震减灾中的作用。如果地震前几秒钟发出预警，就理论而言，哪怕只有几秒的预警，也可以挽留无数的生命，有关方面也可以利用这极为短暂的时间采取一些紧急措施，减小地震可能引发的灾难，比如及时切断煤气以及电源供应的开关，降低震后发生火灾的可能。

 

1995年9月14日，格雷罗州科帕拉发生7.3级地震，在地震波到达墨西哥市前72s，其SAS系统发布了警报，86台接收机中除12台外都收到了警报，及时采取了防震措施。据估计，在这次地震期间约有438.9万人听到了这个警报。尽管这是由于震中距远达320km而产生的特殊事例，但它证明了地震预警系统的功能。墨西哥国家理工学院2005年新开发的预警系统经过几次对墨西哥南部太平洋沿海地震活动的跟踪，表明该系统预警成功率在90%以上。

 

罗马尼亚的地震即时预警系统有自己的创新之处，在警报发出后的0.9s至1.2s之内，强震发生时可造成重大损失的大型企业将自动停止运行，如天然气、石油管道、切尔纳沃德核电站等。此外，该系统同时还可以让正在运行的电梯和高速列车行进至安全位置，以尽可能地减少损失。2006年春季，在维也纳举行的欧洲信息社会技术颁奖仪式上，该系统成为相同领域的唯一获奖项目。

 

目前，日本已在东京地区、青函海底隧道、东海道新干线、山阳新干线等地区布设了近30套UrEDAS系统。日本的UrEDAS不仅可以用于火车的紧急制动，也可以扩展应用于建筑物主动控制装置的启动、化工厂和核电站紧急防震措施的实施、高层建筑电梯的地震控制、海啸报警以及消防部门和医院及时采取措施等。立陶宛伊格纳利纳核电站的地震预警系统则完全能在地震波到达前使该核电站停止运转。

 

2000年，中国学者夏玉胜、杨丽萍从理论上预测了地震预警系统可减少的人员伤亡：如果预警时间为3s，可使人员伤亡比减少14％；如果为10s，人员伤亡比减少39％，如果预警时间达到60s，则可使人员伤亡减少95％。

 

 

目前，地震预警系统大体上仍处于摇篮阶段，但发展中的这种系统还是十分有效，日本、墨西哥等国家已经部署。不过大多数的国家，包括美国，仍然处于研究阶段。就目前的状况看来，其未来的发展趋势应该是提高系统的准确率和速度。

 

一、提高系统准确率，减少误报或漏报

 

地震预警系统确实能够有效地减轻地震灾害，但误报是这项技术的主要挑战之一。地震预警系统存在自身的缺陷，对于发生在距预警目标区20km以内地区的直下型地震，除了可以安装由P波触发的自动控制装置外，已没有时间对人员发出预警。因此，在震中距20km以内的地区，被认为是地震预警的盲区。

 

如果发生大型地震（7级以上），因为断层破裂的时间较长，日本的EEW就会无法完整推估地震强度；当两个地震连续发生在同一地点时，EEW亦无法精确识别出两个先后发生的地震。日本在2004年2月到2005年8月测试EEW系统时，该系统共发布了245条警报，有10％被确定为“假情报”。同时，墨西哥的SAS系统也被证明存在误报的情况。美国专家认为，减少误报的办法是必须让更多的数据互相检验，需要有充分的强地动观测数据及相关研究。土耳其的科学家则计划将强震识别模式和一个基于条件判断的附加系统联合起来，以探测在地震动估计和测量之间有矛盾的地震。另外，地震早期预警系统算法的研究也被很多专家认为很有意义。

 

2008年5月8日，日本东京东北200km处发生了一场6.7级地震，日本的EEW系统却未及时发出警报。这次失败是因为此次地震的烈度恰好处在边界线上，未来似乎很有可能对“地震烈度”的划分展开进一步探索。

 

二、提高系统速度，延长预警时间

 

2004年，日本中部发生了一次6.5级地震。当时向该地区行驶的高速火车的地震预警系统发出警报，使火车大幅减速，但由于预警时间太短，火车最终还是出轨了，日本高速火车40年历史中的第一次灾难也就这样发生了。

 

地震预警时间的长短，依地震发生地点至预警地区的距离远近而定。地震发生地点愈靠近预警地区，则预警时间愈短。根据近年来对旧金山地震的研究，加州大学伯克利分校地学系助理教授理查德·艾伦（Richard Allen）认为，预警系统在大地震到来之前提前发出警报的时间，完全可以超过20s。在一项测试过程中，艾伦设计的系统在接收数据4s后，就准确测算出地震的大小。墨西哥城的地震预警系统根据该城市与附近主要地震海岸的距离，从理论上讲则可以提前60 s发出预警。

 

地震预警系统要求把许多传感器分布在广阔的地理区域，传感器的数目越大，震中和震级的计算越准确，预警也越早。为了填补常规地震仪留下的空白，一些研究人员建议开发膝上型计算机里面的传感器，把它们用作分布式P-波传感器。虽然膝上型计算机传感器不是十分敏感，但它们巨大的数量也许会有价值。

 

 

一、地震前兆，仍需探索

 

我国目前的地震预报研究主要集中在地震前兆上，有地震一定会有前兆，但是有前兆不一定有地震。现在，我国监测的前兆项目很多，但是对这些前兆和地震之间的具体关系还需要探索。

 

二、当务之急，探清断层

 

地震发生的时间和强度很难预测，但发生地点都无一例外地位于断层。我国普遍比较注重理论，而实际操作却相对比较弱，对基础性的研究不够深入，使得我国的地震预报一直局限在“经验主义”范畴。因此，目前的当务之急应该是基础资料的观测，把地下的每条断层的位置都尽量探测清楚，把每条断层历史活动资料研究清楚。这对于地震预警系统的部署意义重大，因为其中一些断层很可能就是预警系统的重要监测点所在。

 

三、地震台网，有待完善

 

或许正因为认识到地震预报的艰巨性和不确定性，迄今为止，全世界可能只有我国把地震预报作为政府的常规职责，而其他国家则更多地采取类似的地震预警系统来应对地震的威胁。目前，中国也已准备开始研制类似的地震预警系统，但由于对预警的准确性没有确切把握，这一系统的实际运行尚没有时间表。地震台网的建设是建立地震预警系统的基础，但对我国而言，这项基础工作还有待完善。与国际水平相比，中国数字台网建设依然不足。以强震台覆盖密度为例，日本为1323台/万km2，美国为53台/万km2，我国只有0.3台/万km2。

 

四、地震预警，任重道远

 

我国目前仅有“首都圈”的二市一省（北京、天津及河北）在“九五”期间建立了初步的地震应急指挥框架，其他地区特别是沿海地区、西部地区，地震应急工作远远无法满足需要。“十五”规划中的“中国数字地震观测网络”建设总投资近23亿元，这项规划实际从2003年正式实施，2008年4月11日通过验收。根据这一计划，我国将对包括北京、上海、成都在内的25个城市及其周边开展活跃断层探测工作，以确定其潜在的危险及危害程度。如果该工程的整套系统得以正式投入运行，我国的地震工作将得到全面提升。但是，寄希望这一项目解决所有问题似乎也不现实。将地震威胁减到最低，是一个无比复杂的系统工程，比如，即使建立了地震预警系统，信息如何通报、民众能否及时获得并有能力及时准确作出反应，这都不是一个机构或组织所可以决定。

 

已经通过验收的数字地震观测网络将保证全国各省、区、市和市县的地震信息网络连通，24h地震信息共享；在烈度4度以上的地震发生后，我国地震局将有能力在10min内向政府和社会报告震动强度和地震烈度分布。但是，这显然还不能进行有效的地震预警，因为地震预警指的是在有害地震波还未到达地表前，于很短的时间内发出警报。目前，仍在实施中的美国国家地震监测台网系统ANSS（Advanced National Seismic System）计划中就包含了地震预警系统，日本的地震预警系统也非常好，但要在我国全面建立这一体系难度比较大，因为这不仅要求我们对地震的震中、震级、烈度的确定要及时、准确，还要求我们的监测、通讯等仪器能长期、稳定地工作。

 

地震预警系统工程的投入和产出跟企业有别，它不是一件立竿见影的事。未来，我国若要真正意义上实现地震预警，进行防震减灾，仍然任重道远。

 

（中国科学院国家科学图书馆兰州分馆赵纪东编写）