地震预警 如何与死神赛跑？

　　6月17日22时55分，四川省宜宾市长宁县发生6.0级地震，震源深度16千米。据悉，宜宾提前10秒收到预警，乐山提前43秒收到预警，成都提前61秒收到预警。来自成都高新减灾研究所的地震预警系统瞬间刷屏，成为大家热议的焦点。

　　地震发生后，人们总是能在弹出的广告页面或者家中长辈的朋友圈里看到一些特别有噱头的标题，比如“未来一个月，这里会发生地震”或者“XX日XX点，这里将发生大地震”等。这些耸人听闻的文章，都对未来可能发生的地震进行了一番详细预测，甚至精确到了几时几分，看起来像模像样，让人情不自禁地想要相信。但是，这些预测真的可信吗？当然不是！以人类现有的科技水平，地震预测依旧是一个世界难题。

　　地震预测虽然尚未获得实质突破，但地震预警技术在全世界范围其实已较为成熟。纵观全球，墨西哥、美国、日本等国家都在地震预警系统的研发中投入了大量的资源，除此之外，土耳其、西班牙等国也在积极研发地震预警系统。目前，这些地震预警系统建设进展如何？地震预警和地震预测又有什么差别？地震预警的历史源头在哪里，预警到底能为人类带来哪些好处？

　　地震预警VS地震预测

　　预测——以人类现有科技水平尚无法准确预测地震

　　预警——利用地震中非破坏性P波和破坏性S波之间的时间差

　　地震预测究竟难在哪里呢？

　　首先，地震本身就是一种非常复杂的地壳运动，震源深度一般在地表以下数十千米处，以目前的技术手段，人们很难知道震源处发生了什么，只能依靠反演、推测和假设来分析情况。其次，地震研究需要大量的数据支持，但大地震出现的频率很低，科学家们收集不到有效的研究样本，也就无法对其进行研究。所以，如果想让地震预测做到和天气预报一样详细，对地震发生的时间、地点和震级都有完整的说明，那我们的技术就需要更进一步的发展，至少以人类现有的科学水平，地震预测大部分还不够准确。

　　既然地震预测无法对地震进行预防，我们对地震岂不是“毫无还手之力”？

　　其实，地震虽然无法预测，但我们可以对地震进行预警。

　　地震预警和地震预测是两个完全不同的概念。预测是指在地震发生之前，对此次地震发生的时间、地点和强度做出说明和预告；而地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前几秒至数十秒发出警报的一项技术，也称为“震时预警”技术。这项技术利用了地震波传播速度小于电波传播速度的特点，抢在地震波到来之前，通过电视、短信和地震预警终端等设备对人们提前发出警报，让人们有一定的时间采取避险措施，以减少当地的损失和伤亡。研究表明，如果预警时间为3秒，可使伤亡率减少14%；如果预警时间为10秒，伤亡率可以减少39%；而如果预警时间为60秒，那么，人员伤亡率甚至可以直接减少95%。

　　优秀的地震预警系统有何价值

　　地震预警系统的实质其实是利用了地震波中的时间差：在地震发生时，会产生两种地震波，首先出现的是上下震动的P波，震动幅度较小，要过大约10秒到1分钟时间，水平运动的S波才会到来，而S波会对地表建筑造成更严重的破坏。原理上，在距离震源50公里内的地区，会在地震前10秒收到预警信息；90到100公里内的地区，能提前20多秒收到预警信息。

　　利用地震波为即将到来的灾害提供预警的想法其实并不新鲜。1868年，一位名为J.D. Cooper的医生在《旧金山每日晚报》中阐述了他对预防地震灾害的看法，他说：“我们可以在离旧金山10到100英里（16到160公里）的每个点埋下一个非常简单的机械装置，当有足够破坏力的地震波来临时，这个机械装置就会被损坏，然后产生一股强电流，并且在同时通过反应装置敲响一个警钟，而这个警钟就位于旧金山城市的中心高塔上。”

　　一个多世纪后，加州理工学院的地球物理学教授托马斯·希顿在1985年发表了一篇科学论文，在论文中他为地震预警系统草拟了一个现代版本，将之称为“扫描”。希顿教授认为“扫描”可以在地震来临时做到保护计算机系统，隔离电网，关闭天然气阀门或者保护铁路等一系列的预防措施。这是西方第一篇描述地震预警系统的论文。

　　地震预警系统是一套在地震中能够快速预警和应急的设备，设备按照系统响应的顺序可包括：地震监测网络、地震参数快速判断系统、警报信息快速发布系统和预警信息接收终端。整套系统的特点是高度集成、实时监控并且快速响应，而快速响应是整个系统最关键的要素。地震发生时，系统深入地下的地震探测仪器会检测到P波，然后将信号发送给计算机；计算机计算出震级、烈度、震源、震中位，并将结果反馈给预警系统；最后，预警系统抢在S波到达地面前的10到30秒通过电视和广播发出信号，预警信息接收终端接收并向各个单位发出警报。并且，由于电磁波比地震波传播的速度快，预警还有可能赶在P波之前到达。

　　利用地震的发震时刻、发震位置、震源的类型和震级的大小等信息，系统会模拟出相关区域内地面运动的强烈程度，模拟结果不同，各个预警信息接收终端所发出的警报也不同。除了向人们发出警报之外，“优秀”的地震预警系统还能做到以下这些后续处理工作：

　　1.疏散办公大楼或者工厂的工作人员，关闭天然气，停止生产线，并将敏感设备设置为安全模式；

　　2.通知医院的工作人员，外科手术、牙科手术或其他精密手术暂停并紧急撤离病患和医护人员；

　　3.呼叫紧急救援人员，开启开放式消防站门，救援人员准备并确定响应救援决策的先后顺序；

　　4.停止实验室研发，自动隔离危险化学品，开启实验室安全模式；

　　5.保护发电站和电网设施，避免其受到地震的强烈震动……

　　地震预警系统虽然功能丰富且反应迅速，但不是每个国家都适合运行这个系统。如果一个国家想要运行地震预警系统，那么首先它必须得是一个地震多发的国家，其次它必须有较强的经济实力，最后地震预警系统的设置区域越小越好，因为这样这个系统的预警价值才能体现出来。

　　综上所述，日本、墨西哥、美国和尼泊尔等国都具备安装地震预警系统的条件。其中，尼泊尔的全套地震预警技术由成都高新减灾研究所提供，而日本和美国的经济实力和科技水平较为雄厚，地震预警系统的发展潜力巨大。

　　日本Uredas地震预警系统

　　在新干线轨道安装地震仪

　　检测4级以上地震并向列车发出自动警报

　　20世纪60年代，日本国家铁路公司的工程师们准备搭建日本的高速新干线网，但地震对轨道的破坏是全日本有目共睹的。工程师们也很清楚地震的危险性，所以他们决定在轨道的沿途安装地震仪。起初，地震仪只是在地表有了超过临界值的波动后发出警报，然后警报会发送给列车长，列车长再手动减慢列车的速度。

　　后来，在70年代，工程师们进一步加强了地震仪的功能，让警报更加自动化。比如，当地震仪检测到超过4级的地震时（日本将地震分为1到7级），火车就会在没有人为干涉的情况下自行停止前行。这之后，地震仪被移到了离铁路线更远的地方，来增加地震来临时可采取措施的时间。1992年，铁路公司进一步强化了地震预警系统，并将其命名为紧急地震探测和警报系统（Urgent Earthquake Detection and Alarm System，缩写为Uredas），第一次利用了地震中非破坏性P波和破坏性S波之间的时间差。

　　Uredas很快成为了日本其他地震预警网络的模型。随后，日本气象局也向Uredas抛出了橄榄枝，气象局和国家铁路公司合作，开始部署日本全国范围的地震预警系统网络。

　　20世纪90年代初，Uredas的名气传遍了全世界。墨西哥成为继日本后第一个建立地震预警系统的国家，其全国性的系统网络效仿了Uredas的预警方法。

　　但在2004年，在日本东京北部的新潟县发生地震后，新干线上的一列高速行驶的列车还是发生了脱轨事件。报告显示，Uredas系统运行良好，但列车离震中的距离过近，可采取措施的时间过短，以至于火车没有足够的时间来采取制动措施。这是新干线运行40年来，第一次发生脱轨事件，但值得注意的是，列车中的155名乘客没有一人受伤。

　　2007年8月，日本其他没有安装Uredas系统的公司开始使用日本气象局（JMA）的地震预警系统，也就是JMA预警。东京的东电铁路公司运营着东京和神奈川县的通勤列车，如果该公司的数据中心收到了JMA预警，那么系统就会立即根据过去的地震数据，自动预测轨道沿途可能受到的损害。之后，系统会向那些可能受到影响的列车发出警报。让人惊异的是，从系统收到JMA预警到向列车发出警报，这整个过程只需要两秒钟。

　　美国加州地震预警系统

　　可通过手机应用软件

　　提前10至30秒将警报发送给每一个人

　　2013年9月，美国加利福尼亚州的州长杰瑞·布朗签署了参议院的135号法案，同意在全州范围内建立完备的地震预警系统。提出这项法案的参议员阿列克斯·帕迪拉认为州长做出了一个非常正确的决定，他说：“加利福尼亚州与俄罗斯、汤加和智利一样，都处在环太平洋火山带上，我们要问的不是地震会不会发生，而是地震什么时候发生。州长签下这份议案，就意味着面向全州的地震预警系统开始正式建立。”

　　在2013年早些时候，加州理工学院和日本海洋地球科学与技术局发布了一项研究，该研究首次得出了加州的地震可能会涉及到洛杉矶和旧金山的结论。而据2008年发布的加州统一地震破坏预报显示，未来30年加利福尼亚州发生6.7级地震的可能性为99.7％，发生7.0级地震的可能性为94％。

　　加州政府从这些数据中看出了运行地震预警系统的迫切性和必要性。法案通过后，加州地震安全委员会、加州理工学院、加州地质调查局、加州大学伯克利分校以及美国地质调查局等各大专业机构和高校将进行密切的合作，共同指导加州紧急服务办公室开发一个面向全州的地震预警系统。据紧急服务办公室估计，建立面向全州的地震预警系统的初始成本约为8000万美元，而建立面向整个西海岸的地震预警系统，成本可能会达到1.2亿美元左右。

　　但其实早在法案签署之前，加利福尼亚州的小部分人就已经开始担忧地震带来的灾害并采取了行动。2012年1月，一个名为Shake Alert的示范地震预警系统应运而生，这个示范系统只向州内的选定用户发送地震通知。该系统使用加利福尼亚综合地震网络（California Integrated Seismic Network，缩写为CISN）来检测地震，这个网络是一个由大约400个高质量地表运动传感器组成的现有网络。正式开始建立地震预警系统后，美国地质调查局作为Shake Alert的研发单位，联合了加利福尼亚州政府一起推出了下一代Shake Alert预警测试系统，但这一代系统尚不支持公共警报，只是在选定的覆盖范围内测试运行。直到2018年10月，美国地质调查局联合加州理工学院科学家共同研发出了功能更强大的Shake Alert预警系统，这一代的系统可通过手机应用软件提前10至30秒将地震警报发送给每一个人，帮助加州百姓提前做好预防地震的各项准备，进而减少地震所造成的生命和财产损失。

　　墨西哥SASMEX地震预警系统

　　促进“防灾文化” 提升民众的危险意识

　　1985年，墨西哥米却肯州发生了一起前所未有的大地震，该地震强度达到了8.1级，并造成了超过9000人死亡，10多万人无家可归，这次惨痛的经历促使墨西哥开始建设地震预警系统。

　　1991年，墨西哥城地震预警系统（SAS）开始试运行，并于1993年8月正式向墨西哥城的民众提供预警信息，该系统是世界上第一个正式为公众提供预警的地震预警系统。之后，墨西哥城对SAS地震预警系统进行了一系列的调试升级，研发出了墨西哥地震预警系统（SASMEX），该系统能够提前60秒左右向墨西哥城提供预警，提前30秒以上向瓦哈卡市提供预警。

　　2012年，SASMEX地震预警系统成功提前25秒向瓦哈卡市提供了预警，提前45秒向奇尔潘辛戈和阿卡普尔科提供了预警，提前75秒向墨西哥城提供了预警，有效地降低了格雷罗-瓦哈卡地震带来的人员伤亡和经济损失。然而，该系统的覆盖范围仍有很大不足，在墨西哥城2000万人口中仅有约440万人可以及时接收到预警信息。

　　2017年9月，SASMEX地震预警系统共发出了五次警报。第一次是因为警报系统的技术人员失误触发，与地震无关。第二次是因为恰帕斯州的8.2级大地震，此次警报在S波到来的两分钟之前就响彻了墨西哥城，但由于离震中较远，地震造成的损失相对较小。第三次和第四次警报发生在同一天，为了纪念1985年的米却肯地震，全城拉响警报开始地震演习，但仅在演习结束的两个小时后，警报声就再一次响起了，原因是墨西哥城120公里外的普埃布拉城发生了7.1级地震。由于震中距离过近，此次预警只提前了20秒，有的居民还来不及疏散，只能选择在建筑物中安全躲避。最后一次是恰帕斯地震的6.0级余震，这次墨西哥城的大多数人没有感觉到震动。

　　9月的五次预警给墨西哥城的人民留下了好印象，他们注意到了地震预警系统的保护措施带来的价值，尽管在最后一次警报时他们没有感觉到震动。事实上，墨西哥城的民众只会在没有发生地震的情况下才会认为警报是“误报”，而不是依据自身有无感受到震动。换句话说，预警系统让他们感到心安，他们更害怕的是在地震发生时自己错过了警报。

　　不仅如此，地震预警系统还促进了墨西哥城的“防灾文化”的发展，每个人都开始自发地培养自己的危险意识并采取某些应急措施。例如，墨西哥城中的部分工厂认为频繁的警报带来的厂房停工损失是可以接受的，甚至某些厂商还认为工厂内部的其他建筑也可以安装地震预警接收器。