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从汶川大地震看地震预警系统的建设
来源: 作者: 发布时间:2008年07月30日

(作者:姚国章,副教授,南京邮电大学经济与管理学院硕士研究生导师,南京邮电大学电子政务与应急管理研究中心主任。)

  地震是人类所面临的最具破坏性的灾难之一,特别是那些强度高、震源浅、波及范围广的地震,对人民群众生命财产和经济社会发展所带来的摧毁性的打击是很难避免的。举世震惊的汶川大地震造成了巨大的生命财产的损失。

  由于地震灾害成因复杂、影响因素众多,是迄今为止最难有效预防的天然灾害之一。为了降低地震灾害给国家和人民所带来的生命财产损失,世界不少国家。特别是日本、墨西哥等饱受地震灾害侵袭之苦的国家,从加强地震预警系统的建设和应用着手,充分发挥预警系统在防震减灾中的作用,取得了非常好的成效。我国地震预警系统的建设尚存在诸多不足,加快地震预警系统的建设和应用,既是汶川大地震交给我们的紧迫任务,也是今后比较长的时期内推进地震应急管理体系的一项基础性工作,必须从理论研究、技术研发和系统建设等多方面人手,力争能取得突破。

  一、从汶川大地震看地震的预报和预警

  地震是因地球内部缓慢累积的能量得到突然释放而引起的地球表层的振动。

  由于地震孕育过程非常复杂,地震类型也十分多样,人类至今还不能掌握地震孕育过程的基本规律,要能象天气预报那样对地震作较为准确的预报几乎还不现实,特别是短期和临震预报,由于预报结果本身的不确定性,以及考虑到不确定的预报结果发布以后可能产生的严重后果,因此国内外对短期和临震预报的发布可谓慎之又慎。可以说,从当前全世界地震预报的能力来看,要做到准确、及时的临震预报还属于尚未攻克的科技难关,要单纯依靠地震预报来减轻地震灾害基本是处在可望而不可即的状态。发生在1994年1月的加利福尼亚北岭地震(6.8级)、1995年1月的日本神户大地震(7.2级)以及2003年9月发生在日本北海道的大地震(8.0级),均没有成功地发布临震预报。

  鉴于地震预报本身的复杂性,实际上目前世界上从事地震预测、预报研究的国家只有日本、中国、俄罗斯和土耳其等少数几个国家,中国总体还处在比较领先的位置。比如,1975年2月初,中国科学家们通过陆地高程、地下水位、地震活动性以及动物行为的变化做出了地震预报,政府以这个预报为依据对海城地区进行了疏散,随后7.3级的强地震“如期”发生,从而避免了总数可能达12万人的伤亡。但是仅仅1年以后,由于没有对唐山地震作出可靠的预报,7.8级的强地震造成了25万人死亡、16.4万人受伤。因为作出地震准确预报的难度和风险太大,即使象日本这样一个有着丰富预报研究经验的国家,政府也从来都不作正式的预报,一是为了避免恐慌;二是考虑到地震自然规律的复杂性太大,作出地震预报的把握至今还远不够大。

  有鉴于此,国际上有不少地震专家建议,与其在地震预报上增加太大的投入,不如在提高防震能力上有大的突破。所以,日本、美国等发达国家防震抗灾的重点已经逐步转移到降低环境和人对地震的脆弱性,比如大力提高建筑物和基础设施的抗震能力,以及增强广大公民应对地震灾害的自救和互救能力等。

  地震灾害预报的困难并不意味着地震预警系统的建设无所作为,或者说可有可无,恰恰相反,日本、墨西哥等地震易发国家把加强地震灾害预警系统的建设和应用作为防震减灾的一项重要任务,并取得了很好的成效,为科学有效地实现防震减灾探索出了一条新的道路。

  地震预警系统的原理是这样的:地震的破坏主要来自地震波,而地震波包含P波(纵波)和S波(横波)两种形式,来自地下的S波能引起地面剧烈的水平晃动,是地震时造成建筑物破坏的主要原因,也是地震之所以致灾的“罪魁祸首”。但地震发生后P波和S波的传递速率是不同的,P波通过地球的地壳以6-7km/s的速度传播;而S波经由地壳以3.5-4km/s的速度传播,这一点与雷电很类似——闪电总要比雷声先出现。P波出现S波未到达的时机立即作出反应,以尽可能减少地震灾害造成的损失。

  二、日本地震预警系统建设

  日本是名副其实的“地震国”,在地震预警系统建设和运行管理方面堪称全球首屈一指。

  (一)日本对地震的观察

  日本坐落在多个海洋板块和一个大陆板块的交界处,因此会更加遭受到由于板块缩小产生的大规模交叉板块地震。从1995年的阪神淡路大地震发生至今的十余年中,世界上高级别的地震(6.0级或以上)20%以上都发生在日本或者周边地区。为了在地震发生后快速地定位震源以及估算出地震的震级并快速地发布海啸预报,作为日本地震灾害主管部门的日本气象厅已经在全国范围内安装了180个地震检波器站点(大约每隔60千米1个)。与此同时。还通过收集从在线数据源得到的观测数据,包括来自于一些研究机构使用的高灵敏度地震检波器的数据,以常规性地监控地震的活动状况。日本气象厅需要为全国总共大约3900个区域点发布地震强度信息,为了做到这一点,日本气象厅在全国范围内安装了总数达600个点的地震强度仪(大约每隔20千米1个),以测量地面运动的强度,获取相关的数据。气象厅同时也使用由当地政府安装的2800个点的地震强度仪表的数据,以及由国家地球科学与自然灾害预防研究所安装的总数大约1000台地震强震观测仪中的470台提供的数据。为了更彻底地获知地震与地壳活动情况,以及为调查研究提供基本的观测资料,地震观测要求使用高灵敏度的地震检波器和宽带地震检波器进行监测。这就需要在中央政府地震研究推进指挥部的指导下,与诸如NIED这样的研究机构进行合作。地理调查研究所也已经在全日本建起了了大约1200个GPS观测站,从而形成GPS地球观测网络,通过这一网络可实现对规定区域的数据测量,监控和分析出地壳的运动,观测所得到的数据也可以与相关的组织实现共享。“

  (二)日本对地震信息的发布

  经过多年的努力,日本已经建立起了较为完善的地震信息发布体系。目前,只要在日本或者周边发生地震,日本气象厅即可从不同类型的地震检波器和地震强度仪中分析出数据。在大约2分钟内,就可以发布一份强度为3级或更大级别地震的“地震强度信息”的报告,并在5分钟之内发布一份含有震源与地震震级的“地震信息”报告,以及测量到感觉有强烈晃动的地震的强度。

  (三)地震预警信息的发布

  日本在地震预警系统建设方面以建设“紧急地震速报系统”为突破口,通过面向地震要害部门提供紧急速报服务以减轻地震造成的各种生命财产损失。

  尽管地震S波和P波的传递时间差只有短短的数秒到数十秒时间,但可以赢得宝贵的向死神争夺生命以及尽可能减少财产损失的机会。日本的做法是通过对火车、关键设备的运作和电梯的紧急制动,或者是通过让人们能够来得及采取基本的减灾措施来实现,例如熄灭明火或是躲在桌子底下等防灾行动,目标是针对使用地震预警信息来自动地触发紧急事件减灾措施。

  日本的地震预警系统最先安装在了新干线的列车上,具体的做法是:在铁轨上每隔20千米安装一个地震计,采用独立安装的传感器用来分析P波信息,并能迅速地把接收到的P波信息传递给列车控制系统,以触发列车作紧急制动,以期能在S波到来时能够处于静止状态,避免出轨等事故的发生。随后这一系统也推广至一般铁路,一般线每隔40至50千米安装一个地震计,每个地震预警站均连线到列车、区域控制中心、控制中心总部、铁路技术研究所及日本气象厅。当有任一预警站水平地动的加速度峰值(PGA)超过特定阈值时,此站前后共20千米的铁路会自动切断列车的电源,以停驶列车。同时控制中心总部的人员将依据预警站所观测的PGA以及日本气象厅所估计铁路附近的震度再决定停驶铁路总长度、需要检查铁轨的路段及如何控制邻近路段的列车等。

  除了在铁路系统应用外,这一预警系统还应用到了大量的生命线工程,比如东京燃气公司用安装在供气地区的传感器得到的信息和土壤与管道信息的数据库作损失评估,开发出了能对燃气供应自动断气的决策支持系统,以便能实际控制关闭气阀的流程。

  在逐步范围成功应用的基础上,从2006年8月开始日本气象厅对特定机关发送地震预警信息。自2007年10月1日开始,日本气象厅与日本土地、基础设施与运输部合作,共同推出了面向社会各类对象的地震预警信息速报服务。这一预警服务系统借助卫星通信传输网络实现,并充分利用广播、电视、互联网等方式进行实时预警的发布,为促进全社会防震抗灾起到了非常好的作用。

  (四)预瞽信息在家庭防震抗灾中的应用

  家庭是防震抗灾的“主战场”,如何利用预警信息为家庭抗灾服务一直是预警系统建设的重要任务。日本率先通过在家用有线电视机顶盒中加载芯片的方式,实现了在电视机屏幕上实时显示地震预警信息的目的。而且在地震发生的1分钟内,NHK等被指定发布地震预警信息的电视台即可“强行”将地震的基本信息迅速告知电视观众。为了避免在家庭发生因地震造成的火灾和触电等事故,日本已经开发成功了一套称之为“家庭实时防灾系统”(R—System)的控制系统,利用这套系统可将日本气象厅发出的地震预警信息通过网络传递到家庭,并自动启动相应的保护操作。整个信息传递系统包括显示功能(可显示预估震度、地震波达到时间倒计时数)、声音报告功能以及自动控制功能(自动切断电源、关闭煤气开关、切断供水阀门等)。这一系统在平时可通过电力线、信号线、RS232C通讯线路等途径提供安全监控,在发生地震时发送地震预警信息,并对煤气、电热、空调等设备提供切断控制功能。

  三、墨西哥地震预警系统建设和发展

  墨西哥地处环太平洋地震带上,是世界地震多发国之一。在长期与地震灾害作斗争的实践中,墨西哥逐步建立起国际领先的地震灾害预警体系,对防震减灾起到了很好的作用。

  (一)墨西哥城地震预警系统的建设

  与日本地震预警系统建设的思路一样,墨西哥城地震预警系统的建设同样也是在地震P波出现,S波尚未到达的数秒至数十秒的时间内向公众发布地震警报,以减少地震带来的生命财产损失。

  这一系统包含地震探测单元、无线电通讯单元、中央控制单元和无线电报警单元等四个部分,其中探测单元由15个数字式强震仪组成,强震仪每隔25千米设立于太平洋沿岸,阵组总长度300千米,每一强震仪配备有计算机,自动侦测半径100千米内的地震及由初始10秒的振动计算规模。若有规模大于5级的地震发生,则由无线电通讯系统送讯号至中央控制中心,当中央控制中心收到预警站送出的地震讯号,则由无线电警报系统发出警号,声音的警告通过一般AM/FM的无线电台及设立于公共场所的警报接收器传递给墨西哥市民。

  这一系统于1991年8月投入使用,可以使墨西哥城2,000万人口中约有440万人能够及时接收到警报信号。1995年9月14日墨西哥城320千米以外的Guerrero地区发生了7.3级地震,这一系统在地震S波到达墨匿哥城前72秒发出了地震警报。由于及时采取了防震措施,有效减少了人员的伤亡,起到了极为显著的防震减灾效果。根据统计,这一系统自1991年投入使用到2000年的9年间,曾成功地监测出755次4—7.3级的地震,减少了大量的生命财产损失。

  目前,墨西哥城已在大量学校和公共场所安装上地震预警装置,当人们听到警报,就会停止学习或工作,尽快转移到可以躲避地震的地方。但由于这一系统的建设时间相对较早,对地震的探测算法有待进一步加强,同时系统探测的地域还有一定的限制,也出现了不少错报和漏报的情况。当然,客观地看,这一预警系统是当今世界应用成效较明显的地震预警系统之一。

  (二)墨西哥城地震预警系统的新发展

  随着科技的进步和人们对地震预警要求的不断提升,墨西哥的研究人员于2005年7月发明出了通过卫星通信采集预警信号,通过手机发布预警信息的新系统。

  这一新型的地震预警系统由三部分组成: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。它的工作原理是:当地震发生时,感应设备探测到震源的位置,然后由传送设备把信息发送至卫星,再由卫星将预警信号发送至墨西哥市民的个人手机上。通过这一系统,对于发生在太平洋沿海的地震,墨西哥城市民可以提前数十秒甚至更多的时间获得地震预警。

  目前,墨西哥已在太平洋沿岸的多个州埋设了感应设备,对于这些州沿海发生的地震,如震级超过里氏5级,该系统将自动激活,墨西哥城的手机用户即可实时获得预警。

  四、推进我国地震预警系统建设的对策建议

  从人类科技进步的脚步来看,在今天,我们既无法阻挡地震这样具有高破坏性的天灾发生,也无法准确预知这一“恶魔”在什么时间、在哪里降临。从汶川大地震留给我们的教训和世界其他国家防震抗灾所走过的道路来看,积极有效地推进地震预警系统的建设是一项十分有效的举措。

  (一)提高对地震预警系统的认识。

  有序部署地震预警系统的建设从地震科学技术的发展来看,针对地震的预测和预报所面临的问题和困难还十分复杂,有很漫长的路要走,但中国作为受地震灾害影响严重的国家之一,在这方面继续加大投入,深入推进研究是十分必要的。而地震预警体系的建设已经具备了相对成熟的条件,应该在全面学习和总结世界地震预警体系建设先进经验的基础上,尽快做出规划和部署。只要政府和社会各界对地震预警系统建设的重要性和紧迫性形成共识,就一定能够取得理想的建设和应用成效。

  (二)要树立“以人为本”的预警系统建设原则,切实发挥预警系统在抗震救灾中的作用建设预警系统的根本目的,是要有效减少地震灾害所造成的生命财产损失。所以,地震预警系统的建设必须牢牢坚持“以人为本”的原则,尽最大可能把最有价值的预警信息最大限度地传递给处在地震风险中的人,以降低各种危险和损失的程度。

  2005年1月在日本神户举行的世界减灾大会上提出,有效的预警系统必须扎根于可认知的方式以及所服务的社群之中,是他们采取各种行动的强有力的依据,系统的开发必须确保其在必要时能做到功能完善,而且要能使预警信息是及时的、可认知的,并被认为是合法的,最终能在出现任何紧急事件的风险时,化为各种类型用户的实际行动。换句话说,地震预警系统的建设和应用,要从减少人民群众的生命财产损失、维护人民群众的根本利益出发,以人民群众可接受、可付诸行动的方式,发挥预警系统的作用和价值。

  (三)要注重地震预警系统与其他预警系统的融合,促进可持续发展

  地震预警系统是整个国家突发事件应急管理体系预警系统建设的重要组成部分,但它并不是孤立的,与其他各类预警系统是相互依存、互为补充的关系。在部署地震预警系统建设的过程中,要考虑与其他预警系统的互联互通和信息共享,决不能人为地将各种预警系统割裂开来,形成一个又一个的预警“孤岛”。

  地震预警系统的建设主要包含两个方面的内容,一是地震监测系统的建设;二是地震预警信息发布系统的建设。在我们国家,政府地震行政管理部门是各级政府的地震局,地震预警系统建设的职责理所当然地应由各级政府的地震局来承担,但需要明确的是,各地地震局作为地震专业部门应把重点放在地震监测系统的建设上,只有在确保地震监测信息准确、及时和丰富的前提下,才能使预警系统发挥出应有的作用。

  (四)从提高要害部门的防震抗灾水平入手,提升预警信息的公共服务能力

  值得庆幸的是,汶川大地震的震中离成都、重庆等大城市直线距离虽然很近(汶川离成都只有90千米,离重庆也只是312千米),但并没有造成这两个人口和财富高度密集的大城市的过大损失,当然这并不能说明我们的大城市已经具有了足够强大的抵御地震灾害的能力。正好相反,国内的大城市有大量的基础设施和生命线工程由于没有对强地震所造成的破坏力进行充分的考虑,存在着非常令人担忧的“脆弱性”,如果下一次高级别的地震在人口密集的大城市发生,由此造成的更具灾难性的后果是可以预料得到的。

  亡羊补牢,为时未晚。日本等国已经探索出了利用地震预警系统实现对公共交通、供水、供气和核电厂的运行等进行自动保护,很大程度上消除了地震引起次生灾害的隐患,对减少地震灾害可能造成的生命财产损失有着十分重要的意义。在这一方面,我们所面临的任务十分艰巨,但相关的技术日渐成熟,只要下决心去推进,是一定能够有很大的作为的。

  (五)加强预警宣传与教育,切实提高全体国民预警反应的能力

  一个成功的预警系统,它的最大特点是准确、及时的预警信息能随时触发预警目标对象的科学行动。也就是说,预警系统实际价值的体现有赖于预警信息的使用者能否及时作出科学有效的反应。由于预警系统的缺失以及其他多方面的原因,我国的广大人民群众还普遍缺乏必要的预警意识,如何按照预警采取必加强预警教育与宣传,是我国深入推进应急管理建设的重要内容,必须采取生动活泼的形式与方法,提供人民群众所喜闻乐见的宣传和教育内容,切切实实提升全体国民对预警的反应能力和行动技能。只有充分调动人民群众自觉“消费”预警信息的积极性、主动性和创造性,才能使预警系统真正夯实整个社会抵御自然灾害的根基,才能开出灿烂绚丽的平安之“花”。

  五、结束语

  地震是人类发展史上难以挥去的“噩梦”,至少在现在,谁也无法阻挡它的到来,谁也说不清它会在什么时候、在哪里出现。汶川大地震在给每一个中国人留下了刻骨铭心的记忆的同时,也为我们带来了不可多得的精神财富——地震让我们变得更加坚强、更加成熟、更加科学和理性,让全国人民变得更加斗志昂扬!

  加快推进地震预警系统的建设,及时补上预警系统缺失这一地震应急体系“木桶”的“短板”,是这次大地震交给我们的一项艰巨而又迫切的任务。

稿件转载自《中国应急管理》