本文轉自【中國地震台網】；
防災減災宣傳週
今年的5月12日是第13個全國防災減災日，主題是“防範化解災害風險，築牢安全發展基礎”。5月8日至5月14日是防災減災宣傳週，這一週，我們將每天與大家分享一則優秀文章或視頻，希望能夠提高大家對地震的瞭解，增強防災減災的意識和能力。地震預警，如何實現？
地下岩石的突然錯動，引起地震，其能量以地震波的形式往四面八方傳播。岩石的破裂面越大，地震震級越大；距離地震震中越近，地震動越劇烈。劇烈的地震動，造成山崩地陷、房倒屋塌和人員傷亡。
我們無法阻止地震的發生，但面對地震災害，人類不會坐以待斃，我們在不斷認識地震、防禦地震，最大限度地減輕其給人類社會帶來的影響和損失。目前，科技的發展尚不能在地震發生前準確地預測其發生的時間、地點和大小，但我們能否在地震發生後，搶跑在破壞性地震波之前並打聲招呼？
什麼是地震預警？
地震發生時，地球內部產生兩種體波，一種是P波（壓縮波，質點振動和傳播方向一致），其到來時人的感覺接近於上下晃動；另一種是S波（剪切波，質點振動方向和傳播方向垂直），其到來時人的感覺接近於水平晃動。P波跑得快，每秒傳播約6千米，S波跑得慢，每秒傳播約3.5千米。S波振動幅值更大，攜帶的能量是P波的幾倍到幾十倍，其水平向剪切作用是造成結構破壞的重要因素。
圖1 某5.8級地震強震動台記錄到的南北向地震動記錄
（震中距60千米，震源深度10千米，P波傳到約10秒，S波傳到約17.5秒，S波和P波到時差為7.5秒。其S波幅值約為P波的5倍，能量約為P波的25倍）
如果我們能在地震發生後，搶在攜帶更多能量的S波到達前，甚至P波到達前若干秒，以警報的形式告知地震動的可能大小或潛在破壞，則公眾可獲取緊急逃生避險時間，而高鐵、危化企業、醫院手術室等則可提早採取地震應急處置措施，進而減少人員傷亡和社會財產損失。這就是我們所説的地震預警。
圖2 地震預警信息的應用
以2008年汶川特大地震為例，如圖3，在地震發生之後，以現有台網密度，我們能在震後10秒內第一次估計出地震發生的位置和大小，此時S波以震中為中心，傳播了約33千米，此區域S波已經到達，無地震預警時間，我們稱之為“預警盲區”。而盲區外的可能破壞地區能在S波到達前，甚至在P波到達前數秒獲知地震波即將到來的信息，如地震烈度為11度的北川在S波到來前有接近20秒的時間，地震烈度為10度的青川縣時間可達1分鐘，而地震烈度為6度的西安獲取的預警時間甚至接近3分鐘。而其他地區，如武漢、北京、上海等有震感地區，可在感受到震感數分鐘前得到地震信息，這將減少地震帶來的恐慌。
圖3 汶川地震S波傳播示意圖
地震預警系統如何實現？
地震預警系統為實時、全自動、高時效，且24小時連續運行處理的技術系統，其實現和減災效果的發揮需要高密度的地震觀測台網、低時延的通信網絡、高可靠的自動化處理系統、多渠道的緊急信息發佈系統和有效的緊急避險及緊急處置措施。其系統組成如圖4所示。
圖4 地震預警系統組成
地震預警的技術難點
地震預警的核心技術是利用最接近震源處的少量台站的地震初期震動信息快速判定地震並測定地震參數，進而預測尚未傳播開來的地震動大小、烈度分佈、影響範圍和影響程度。其技術環節包括從地震監測數據的噪聲和干擾中準確判別地震信號，實時估計地震發生的位置和大小，實時預測地震波的傳播和地震烈度場的分佈，實時預測可能的災害。其理論和技術難點主要體現在：
//所用信息極其有限
為達到地震預警的高時效要求，在進行地震預警處理時，僅能用到近震源有限數量台站的極其有限的記錄波形信息來判別地震、測定發生位置並估計地震大小，進而預測地震波尚未傳開處的可能地震動大小。一般在三個監測台站地震P波到達並觸發後開始估計地震基本參數，此時，觸發台站數量、獲取的波形信息的不完備導致出錯的幾率增加，結果的準確性降低。
//大震的破裂尚未完成
地震時地下岩石的破裂不是瞬間完成的，而是以一定的破裂速度進行，一般情況下低於S波波速。以2008年汶川特大地震為例，實際上其地下破裂面長達300多千米、寬約40千米，破裂自汶川開始，往東北方向擴展，破裂的持續時間約為90秒。對地震預警來説，我們在震後10秒估計地震大小時，其破裂長度僅為30千米左右，不足最終破裂的十分之一，根據其傳出的地震波信息，估計到的地震震級大約6.5級左右，這會造成預警信息發佈的範圍較實際破壞範圍小。但需要説明的是，地震預警的處理是持續進行的，隨着時間進展和觸發台站數量及記錄長度的增加，其結果也會越來越接近真實值。
//實時確定地震破裂方式和破裂方向困難
依據現有理論和技術發展，目前利用少量台站的有限波形信息實時可靠地確定大地震的破裂是單側還是雙側、破裂具體朝哪個方向發展仍然困難，這也會造成預測烈度場與實際存在偏差。
//涉及監測、傳輸、處理和發佈的全自動實時系統
地震預警系統是一整套涉及多個環節的複雜自動化系統，需要監測、傳輸、處理、發佈、接收等各子系統的實時、協調、可靠運行，系統的複雜性也決定了其實現的難度。
地震預警技術的侷限性
地震預警可以在破壞性地震波到來前提供緊急警報信息，是減輕地震災害的有效手段之一，但其原理和技術實現本身也決定了其侷限性。原理本身的侷限性主要體現在：存在預警“盲區”的可能、可供緊急處置的時間以秒計、破壞越嚴重的地區可提供的預警時間越短、提供預警時間長的地區破壞相對較輕。技術本身的侷限性主要體現在：一是全自動實時系統存在誤報和漏報的風險，二是對處理中“快”和“準”的矛盾會導致超發佈區和漏發佈區。
隨着監測技術的提升、監測台網密度的提高、處理技術的發展，可在一定程度上降低但不可避免其侷限性，減輕地震災害風險仍然需要多措並舉。
圖5地震預警技術的侷限性
我國地震預警系統建設的進展
我國“國家地震烈度速報與預警工程”建設於2018年正式啓動，擬利用5年左右時間在華北地區、南北地震帶、東南沿海、新疆天山中段及西藏拉薩等重點區形成地震預警信息服務能力。按照“邊建設邊服務”的原則，四川、雲南、河北等作為工程建設的“先行先試”省份，目前已打通了地震監測、數據處理、信息發佈、信息接收的地震預警系統全鏈條，四川等部分地區已開始試驗性提供地震預警信息服務。當前，用於儘早捕捉地震波信號的一張實時地震監測大網建設已經接近尾聲，核心處理軟件經過多年的試運行已趨於成熟，位於北京的國家數據處理中心和全國各省級處理中心建設正在有序進行，統籌利用廣電媒體、手機服務、應急廣播和專用終端等手段和渠道的緊急地震信息網絡正在全面覆蓋，政府主導、社會參與的信息發佈機制正在建立，相關的技術標準和法律制度正在逐步健全，“跑贏地震波，劇烈震動來臨前打聲招呼”的秒級地震預警服務目標正在實現，分鐘級的地震烈度、地震基本參數、地震動參數、震源參數、地震災害評估等防震減災應急服務產品正在往更精細發展。可以預期，豐富的緊急地震信息服務產品將在減輕地震災害、保障地震安全、服務社會發展等方面發揮越來越重要的作用。
作者：
馬 強 研究員，中國地震局工程力學研究所
李山有 研究員，中國地震局工程力學研究所
金 星 研究員，中國地震局廈門海洋地震研究所
陳曉非 中國科學院院士，南方科技大學