防灾减灾宣传周
今年的5月12日是第13个全国防灾减灾日，主题是“防范化解灾害风险，筑牢安全发展基础”。5月8日至5月14日是防灾减灾宣传周，这一周，我们将每天与大家分享一则优秀文章或视频，希望能够提高大家对地震的了解，增强防灾减灾的意识和能力。地震预警，如何实现？
地下岩石的突然错动，引起地震，其能量以地震波的形式往四面八方传播。岩石的破裂面越大，地震震级越大；距离地震震中越近，地震动越剧烈。剧烈的地震动，造成山崩地陷、房倒屋塌和人员伤亡。
我们无法阻止地震的发生，但面对地震灾害，人类不会坐以待毙，我们在不断认识地震、防御地震，最大限度地减轻其给人类社会带来的影响和损失。目前，科技的发展尚不能在地震发生前准确地预测其发生的时间、地点和大小，但我们能否在地震发生后，抢跑在破坏性地震波之前并打声招呼？
什么是地震预警？
地震发生时，地球内部产生两种体波，一种是P波（压缩波，质点振动和传播方向一致），其到来时人的感觉接近于上下晃动；另一种是S波（剪切波，质点振动方向和传播方向垂直），其到来时人的感觉接近于水平晃动。P波跑得快，每秒传播约6千米，S波跑得慢，每秒传播约3.5千米。S波振动幅值更大，携带的能量是P波的几倍到几十倍，其水平向剪切作用是造成结构破坏的重要因素。
图1 某5.8级地震强震动台记录到的南北向地震动记录
（震中距60千米，震源深度10千米，P波传到约10秒，S波传到约17.5秒，S波和P波到时差为7.5秒。其S波幅值约为P波的5倍，能量约为P波的25倍）
如果我们能在地震发生后，抢在携带更多能量的S波到达前，甚至P波到达前若干秒，以警报的形式告知地震动的可能大小或潜在破坏，则公众可获取紧急逃生避险时间，而高铁、危化企业、医院手术室等则可提早采取地震应急处置措施，进而减少人员伤亡和社会财产损失。这就是我们所说的地震预警。
图2 地震预警信息的应用
以2008年汶川特大地震为例，如图3，在地震发生之后，以现有台网密度，我们能在震后10秒内第一次估计出地震发生的位置和大小，此时S波以震中为中心，传播了约33千米，此区域S波已经到达，无地震预警时间，我们称之为“预警盲区”。而盲区外的可能破坏地区能在S波到达前，甚至在P波到达前数秒获知地震波即将到来的信息，如地震烈度为11度的北川在S波到来前有接近20秒的时间，地震烈度为10度的青川县时间可达1分钟，而地震烈度为6度的西安获取的预警时间甚至接近3分钟。而其他地区，如武汉、北京、上海等有震感地区，可在感受到震感数分钟前得到地震信息，这将减少地震带来的恐慌。
图3 汶川地震S波传播示意图
地震预警系统如何实现？
地震预警系统为实时、全自动、高时效，且24小时连续运行处理的技术系统，其实现和减灾效果的发挥需要高密度的地震观测台网、低时延的通信网络、高可靠的自动化处理系统、多渠道的紧急信息发布系统和有效的紧急避险及紧急处置措施。其系统组成如图4所示。
图4 地震预警系统组成
地震预警的技术难点
地震预警的核心技术是利用最接近震源处的少量台站的地震初期震动信息快速判定地震并测定地震参数，进而预测尚未传播开来的地震动大小、烈度分布、影响范围和影响程度。其技术环节包括从地震监测数据的噪声和干扰中准确判别地震信号，实时估计地震发生的位置和大小，实时预测地震波的传播和地震烈度场的分布，实时预测可能的灾害。其理论和技术难点主要体现在：
/ /所用信息极其有限
为达到地震预警的高时效要求，在进行地震预警处理时，仅能用到近震源有限数量台站的极其有限的记录波形信息来判别地震、测定发生位置并估计地震大小，进而预测地震波尚未传开处的可能地震动大小。一般在三个监测台站地震P波到达并触发后开始估计地震基本参数，此时，触发台站数量、获取的波形信息的不完备导致出错的几率增加，结果的准确性降低。
/ /大震的破裂尚未完成
地震时地下岩石的破裂不是瞬间完成的，而是以一定的破裂速度进行，一般情况下低于S波波速。以2008年汶川特大地震为例，实际上其地下破裂面长达300多千米、宽约40千米，破裂自汶川开始，往东北方向扩展，破裂的持续时间约为90秒。对地震预警来说，我们在震后10秒估计地震大小时，其破裂长度仅为30千米左右，不足最终破裂的十分之一，根据其传出的地震波信息，估计到的地震震级大约6.5级左右，这会造成预警信息发布的范围较实际破坏范围小。但需要说明的是，地震预警的处理是持续进行的，随着时间进展和触发台站数量及记录长度的增加，其结果也会越来越接近真实值。
/ /实时确定地震破裂方式和破裂方向困难
依据现有理论和技术发展，目前利用少量台站的有限波形信息实时可靠地确定大地震的破裂是单侧还是双侧、破裂具体朝哪个方向发展仍然困难，这也会造成预测烈度场与实际存在偏差。
/ /涉及监测、传输、处理和发布的全自动实时系统
地震预警系统是一整套涉及多个环节的复杂自动化系统，需要监测、传输、处理、发布、接收等各子系统的实时、协调、可靠运行，系统的复杂性也决定了其实现的难度。
地震预警技术的局限性
地震预警可以在破坏性地震波到来前提供紧急警报信息，是减轻地震灾害的有效手段之一，但其原理和技术实现本身也决定了其局限性。原理本身的局限性主要体现在：存在预警“盲区”的可能、可供紧急处置的时间以秒计、破坏越严重的地区可提供的预警时间越短、提供预警时间长的地区破坏相对较轻。技术本身的局限性主要体现在：一是全自动实时系统存在误报和漏报的风险，二是对处理中“快”和“准”的矛盾会导致超发布区和漏发布区。
随着监测技术的提升、监测台网密度的提高、处理技术的发展，可在一定程度上降低但不可避免其局限性，减轻地震灾害风险仍然需要多措并举。
图5地震预警技术的局限性
我国地震预警系统建设的进展
我国“国家地震烈度速报与预警工程”建设于2018年正式启动，拟利用5年左右时间在华北地区、南北地震带、东南沿海、新疆天山中段及西藏拉萨等重点区形成地震预警信息服务能力。按照“边建设边服务”的原则，四川、云南、河北等作为工程建设的“先行先试”省份，目前已打通了地震监测、数据处理、信息发布、信息接收的地震预警系统全链条，四川等部分地区已开始试验性提供地震预警信息服务。当前，用于尽早捕捉地震波信号的一张实时地震监测大网建设已经接近尾声，核心处理软件经过多年的试运行已趋于成熟，位于北京的国家数据处理中心和全国各省级处理中心建设正在有序进行，统筹利用广电媒体、手机服务、应急广播和专用终端等手段和渠道的紧急地震信息网络正在全面覆盖，政府主导、社会参与的信息发布机制正在建立，相关的技术标准和法律制度正在逐步健全，“跑赢地震波，剧烈震动来临前打声招呼”的秒级地震预警服务目标正在实现，分钟级的地震烈度、地震基本参数、地震动参数、震源参数、地震灾害评估等防震减灾应急服务产品正在往更精细发展。可以预期，丰富的紧急地震信息服务产品将在减轻地震灾害、保障地震安全、服务社会发展等方面发挥越来越重要的作用。
作者：
马 强 研究员，中国地震局工程力学研究所
李山有 研究员，中国地震局工程力学研究所
金 星 研究员，中国地震局厦门海洋地震研究所
陈晓非 中国科学院院士，南方科技大学
