地震預警系統(科技成果：地震預警系統):系統概念,系統原理,系統效果,美國,日本,

“地震預警”是指突發性大震已發生、搶在嚴重災害尚未形成之前發出警告並採取措施的行動，搶在地震波傳播到設防地區前，向設防地區提前幾秒至數十秒發出警報，以減小當地的損失，也稱作“震時預警”。地震預警系統是指實現地震預警的配套設施。2012年9月2日，由成都高新減災研究所自主研發的地震預警系統通過鑑定。

基本介紹

中文名：地震預警系統
外文名：Earthquake warning system

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系統概念

地震預警系統是指實現地震預警的配套設施。按照系統回響的順序可包括：地震監測台網、地震參數快速判測系統、警報信息快速發布系統和預警信息接受終端。整套系統的特點是高度集成、實時監控、飛速回響，尤其是飛速回響這一點至關重要；因為地震預警系統其實就是在和地震波賽跑，多跑贏一秒，就能多獲得一秒的應對時間，用分秒必爭來形容最為恰當不過。

系統原理

地震的成因是由於地下幾公里至數百公里的岩體發生突然破裂和錯動。而這些破裂和錯動釋放的能量又以地震波的形式向四周輻射出去，就像往平靜的水面投入一塊石頭，石頭運動的能量會以水波的形式向四周輻射。地震波是一種機械波，具有一定的傳播速度，也就是說，當地震發生後，大家不會立刻感覺到地面的震動，而是要等相應的地震波傳播到人所在的位置。這個時間差給地震預警留下了一顯身手的空間。

地震預警系統的工作原理就在於可以探測到地震發生最初時發射出來的無破壞性的地震波（縱波即P-波，primary wave），而破壞性的地震波（橫波即S-波，secondary wave）由於傳播速度相對較慢則會延後10～30秒到達地表。深入地下的地震探測儀器檢測到縱波（P-波）後傳給計算機，即刻計算出震級、烈度、震源、震中位，於是預警系統搶先在橫波（S-波）到達地面前10～30秒通過電視和廣播發出警報。並且，由於電磁波比地震波傳播得更快，預警也可能趕在P波之前到達。

當地震發生後，離震中最近的幾個預警台站會陸續接收到地震信號，觸發地震參數快速判測系統；在收到信號的幾秒至十幾秒內，快速判測系統將估算出地震的發震時刻，發震位置，震源的類型和震級的大小；然後利用這些參數模擬出相關區域內地面運動的強烈程度；根據模擬的結果，搶在相應地震波以前，向不同地區發出相應的預警信息。

例如：地震波從震中傳到北川縣城大概需要25秒。如果您在發震5秒後感受到了地震波，並花了15秒鐘打電話告訴北川的朋友地震波即將來臨，那么您北川的朋友將會獲得5秒的應急時間。

系統效果

美國

預警系統的原理決定了地震預警系統能夠提供的應急時間是有上限的。美國雖然沒有部署地震預警系統，但相關研究已經開展了很多年，其中包括一個在舊金山灣區進行研究的名為ElarmS的地震預警系統。結果表明，這套ElarmS預警系統，對於不到一半的地震，能夠提供10秒以上的預警時間；對於絕大多數地震，能夠提供的有效預警時間不超過30秒。在幾秒至數十秒的時間內，我們能夠採取什麼樣的措施減少損傷？停止高速列車、從電梯撤離、終止或保護關鍵儀器和設備、人員撤離到安全地帶等等……我們可以做的很多，但是我們不能做的卻更多。

此外，預警系統面臨一個尷尬的規律：越是地面運動強烈的極震區，能提供預警的時間就越短；對預警系統依賴越弱的地區，能提供的預警時間反而越長。再拿汶川地震舉兩個極端的例子：離震中不到20公里的映秀鎮，處於預警系統的回響盲區，基本沒有可能獲得提前預警；而距離震中約1500公里的北京，可獲得大約3分鐘的提前預警，但又幾乎沒有意義。

日本

日本國土交通省所屬的日本氣象廳於2006年8月1日啟用高度利用向緊急地震速報系統，並於次年10月1日上午9時開始向全國的一般大眾發布警報。

緊急地震速報分為“預報”和“警報”，“預報”向高度利用者提供，警報的發報條件為“預測震度5弱以上”，在其預警系統的宣傳手冊中提到，如果您距離震中太近，預警信息和地震波可能同時到達。

2008年6月14日，日本發生的芮氏7.2級地震中，距離震中30公里的鷗州，在3.5秒後收到了預警信息，但此時破壞性的S波已經到達。在遭受嚴重衝擊的栗原，地震預警信息只提供了0.3秒的應急時間。對應於距離震中50公里和80公里的居民，則分別獲得了5秒和15秒的應急時間。

2011年3月11日的東北太平洋沖9.0級地震中，系統分別在地震發生後5.4秒和8.6秒向高度利用者和一般民眾發布了地震預警，幾乎是在地震波到達陸地的一瞬間，在警報地域居住的居民都收到了警報。其中距離震源較近的岩手縣大船渡縣（觀測震度6弱）獲得了12秒的預警時間，搖晃最劇烈的極震區宮城縣栗原市（觀測震度7，最大加速度約3.8個重力加速度）則獲得了18秒的預警時間，而東京都（震度5強）在警報發出1分鐘後也感受到了劇烈的搖晃。

預警系統在關鍵技術上還沒能做到十全十美，尤其是地震參數的快速判定，以及複數個地震同時發生時，震源參數分離獨立判定。作為5個部署了地震預警系統的國家地區之一，日本的投入最大，性能也是最好的。然而2008年1月27日，日本時報（The Japan Times）一則標題為“地震預警系統再次失效”的新聞，從一個側面反映出了地震預警系統的現狀。

中國

2014年5月，中國首都圈地震預警系統經過近1年半的建設，已建成並於投入運行，為首都圈民眾和捷運、化工等重大工程提供地震預警服務。

此次系統覆蓋了北京、天津、唐山、承德、張家口、保定、廊坊、滄州、大同等首都圈區域13萬平方公里範圍。當首都圈及周邊區域發生地震時，預警系統可以在地震發生7秒內為民眾和重大工程發出警報，減少人員傷亡和次生災害。

首都圈地震預警系統套用了該所自主研發的ICL地震預警技術。該技術是2008年汶川地震後，在來自中國地震局等國內外專家的支持下研發的，經過大量汶川餘震檢驗而逐漸完善與成熟，形成了我國具有完全自主智慧財產權的地震預警技術。

截至2014年，中國已有15個省市開始套用ICL地震預警技術建設地震預警系統，覆蓋區域近100萬平方公里，其中包括南北地震帶、郯廬地震帶等。其所建設的地震預警系統已經成功預警包括蘆山7級強震等破壞性地震，並通過手機、電視、微博和專用接收終端等發布預警信息。首都圈中的一些學校、社區、科普館已經套用了地震預警信息。

系統部署

部署地震預警系統，是一個整體的社會工程，並不是一個簡單的技術問題，需要綜合考慮科技因素、經濟因素和社會因素。僅有羅馬尼亞、土耳其、墨西哥、台灣和日本擁有投入使用的地震預警系統，正在開發預警系統的國家和地區有美國加州、冰島、瑞士、義大利、希臘、埃及和印度。據2004年《科學》雜誌報導，日本2004年花費9000萬美元完成的地震預警系統是迄今最為全面的預警系統。值得注意的是，地震大國同時也是地震研究實力最為強勁的美國，至今仍沒有實際運作的地震預警系統，因為有美國學者批評建設此類系統會擠占大量地震學的研究經費，不利於地震學的長期發展。

一般來說，開發地震預警系統的地區，有如下特點：

1.地震發生頻繁

如日本、台灣、墨西哥和美國加州都位於環太平洋地震帶上，地震活動頻繁。只有頻繁的地震活動才需要頻繁的地震預警，來減輕地震造成的損失。如果不能減少一定的損失，那么部署這套昂貴的系統本身就是一筆損失。

2.有較強的經濟實力

地震預警系統由於整合度高，對地震台站密度有要求且需要長期不間斷運作。地震預警系統的警報終端還需要與相關行業和部門合作開發，如電視台、鐵道部門、工廠、醫院等等，都需要裝備相應的警報終端才能發揮預警系統的功效。因此預警系統的部署成本並不算是低廉，對當地可能有一個長期的經濟壓力。

3.設防區域小，預警價值高

日本，台灣均為整體設防，因為他們需要防禦的總面積偏小，美國的地震預警系統主要也是針對舊金山周邊區域。同時，這些防禦區域經濟相對發達，高科技產業密集，人口密度大，長期預警的經濟社會價值可觀。

綜合上述的情況，對於是否需要地震預警系統，科學界內仍未能形成一致的看法。支持的學者認為這是一個很棒的想法，可以減少地震災害的損傷；不支持的學者認為這套系統成本高昂、功能有限，前途並不光明。2004年《科學》雜誌有文章標題用“打賭”來形容各個國家對於地震預警系統的態度。迄今，我們仍無法看到這個賭局的結果。不過有一件事很確定，日本等國將繼續在這個賭局上不斷下注。

地震預警

中國地震局“國家地震烈度速報與預警工程”已經進入發改委立項程式，計畫投入20億元，用五年時間建設覆蓋全國的由5000多個台站組成的國家地震烈度速報與預警系統。

雲南省昭通市巧家縣、四川省涼山彝族自治州寧南縣交界2013年2月19日10時46分58秒發生4.9級地震，有媒體報導稱，成都高新減災研究所與雲南昭通市防震減災局聯合建設的地震預警系統對該次地震進行了成功預警。

據介紹，中國地震局在科技部的支持下，從2009年開始啟動“地震預警與烈度速報系統的研究與示範套用”項目，項目進展順利，即將進行正式驗收。“通過這個項目，中國地震局已經掌握了地震預警系統的關鍵技術，將來會直接套用到國家地震預警系統工程里去。”該工作人員說。

現狀

中國雖然是個多地震國家，由地震造成的人員傷亡與經濟損失巨大，但除大亞灣核電站在法國人承建時建立了一個由地震監測網路和人工決策相結合的地震預警系統外，中國尚未自主建設過其他重大工程地震預警系統，有關研究工作也僅是剛剛在個別高校和研究所興起。儘管地震預警在國外已有近50年的實踐歷史，但在中國無論從理論還是實踐上都是一片空白。強震動數據的實時處理與地震三要素的快速確定；地震動場的生成；基於地震動參數的震害快速評估等都是我們需要進一步研究的科學和技術問題。

中國從上世紀末開始開展地震預警技術先期研究，已在測震台網和強震動台網觀測數據實時處理、地震事件的實時檢測、基於有限台站記錄的實時地震定位、基於地震動初期信息的震級測定以及和地震動場實時預測等方面都取得了一些成果。但是由於地震本身是地質問題，由於相關研究費時費力所以造成很多學者選擇其他研究方向。

方案

存在兩種地震預警方案，一是基於地震速報系統，即利用地震觀測網中離震中最近的幾個監測台，快速確定地震的三要素（時間、地點、震級），然後利用現代通訊和破壞性地震波的傳播時間，讓離震中較遠的人們有一定的時間採取措施。此方案（網路預警）確定了地震的基本要素，可以向比較遠的區域發布預警。但該方案有比較大的盲區，需要幾個監測台才能確定地震的信息。

另一方案是單點地震預警，此方案利用地震縱波和橫波的特點，進行地震預警。其工作流程是，該點的地震儀連續監測震動，如果檢測到很強的縱波，則產生預警，警告破壞性地震波即將到達。該方案只需要一個監測台，所以盲區小。但只能對該地點進行預警，其套用有一定的局限性。比較好的方案是把網路預警和單點預警結合起來，以減少盲區和增加預警範圍。

汶川地震發生後，國家地震監測部門在5分鐘左右確定了地震位置及強度，十幾分鐘後上報地震信息。而在地震發生十幾分鐘後，地震面波基本上已經離開中國，所有的地震直接災害及影響已經形成，達不到地震預警的效果。而確定地震何時結束、何地結束及通過地震破裂模型評估地震災害，做出地震震動圖，則是地震一天后的事情了。

福建省地震局和中國地震局工程力學研究所在2007年合作研發了“區域數字地震台網實時速報系統”，實現了震後一分鐘自動測定地震基本參數，已經成功套用於地震的自動速報，並解決了與地震預警系統相關的實時數據流傳輸、地震數據實時處理和地震基本參數自動速報等基礎問題。

中國《國家中長期科學和技術發展規劃綱要（2006-2020年）》和《地震科學技術發展規劃（2006-2020年）》都明確提出了應該在中國建設地震預警系統。但是，當《科學新聞》問道“中國應該如何加強地震極早期預警系統？”時，倪四道糾正，“現在，我們要做的不是加強地震極早期預警系統，而是建立！中國沒有極早期預警系統！”

困難

地震預警系統面臨三個困難：一是硬體條件的限制；

二是技術上的困難——地震發生後，只能用到近震源有限台站的初期信息來確定地震基本參數，並實時預測尚未到達的破壞性地震波的強弱。信息的有限性會影響地震事件自動判別的可靠性和地震基本參數的測定的準確性；

三是地震預警的局限性——地震預警系統並不是萬能的，其套用受到台網條件、技術發展及震源所處位置等客觀條件的限制。

地震預警系統建立的阻礙在於思路、體制和科技三方面。同時由於部門利益分割嚴重致使地震相關工作大多是地震局在負責，打破部門分割，少一些‘本位主義’；發動多部門參與研究，避免思路僵化，引入競爭機制也是地震預警系統建立中需要克服的困難。

進展

中國在“九五”期間，在首都圈建立了由72台衛星傳輸、80台電話撥號傳輸的數字強震台站組成的地震烈度速報系統，目標是當首都圈內發生芮氏3.5級以上地震時，在5分鐘內提供初步地震位置、10分鐘內給出地震參數與地震烈度分布。在“十五”期間，還計畫在北京、天津、蘭州、昆明、烏魯木齊五大都市建設以強震動觀測台網為基礎的地震動強度速報系統。但是這一系列的成果都不足以說明中國預警機制的進展。

地震預警系統可以通過增加地震監測網點、完善信息傳播機制來建立，硬體上，在中國只需兩年就可建成。中國非常有必要把中國的相關地震學研究力量組織起來，形成有效的應急地震學研究體系，使中國儘快建立起強地震早期預警系統。中國要建立預警系統，地震監測台站密度還不太夠。中國西部地區台站密度比較小，做起來難度大，需要再加密。首都圈台站密度比較大，做起來容易些。

完善預警系統

2013年4月20日早上8時2分，四川雅安突發7.0級地震，頓時牽動了億萬國人的心。這一刻，我們都是雅安人，民族大愛在神州蔓延。多難興邦，殷憂啟聖。從汶川到雅安，我們付出了血的代價，也汲取了血的教訓。此次雅安地震，無論是官方還是民間，反應更迅速，救災更專業，信息更透明。不過，我們可以做得更好，建立和完善地震預警機制已成為當務之急。地震預測、預報、預警是三個不同的概念。地震預測是通過資料分析、規律研究提前判斷地震發生信息，預報是把預測結果進行發布；而預警是指在地震發生後，搶在地震波傳播到設防地區前，向設防地區提前幾秒至數十秒發出警報，以減小當地的損失。眼下，地震預測、預報還是世界性難題，成功的預測、預報多屬個例，而在地震預警上可以大有所為，日本覆蓋全國的地震預警系統就是典範。

研究所

系統簡介

QuakeSolutionTM預警系統是王暾博士領導的成都高新減災研究所在國內外專家的支持下，自汶川地震後，通過技術創新而實現的軟硬體一體化的、具有自主智慧財產權的地震預警系統。該系統的重要創新是其誤報率低、軟硬體一體化技術等。另外，該系統還可具備烈度速報功能。與無預警系統相比，地震預警系統可以在地震災難到來前給出警告，縮短反應時間、判斷時間、決策時間，減少人員傷亡。

有無預警系統時，避險過程比較。

成立於汶川地震後的成都高新減災研究所，從2008年汶川地震後開始研製地震預警技術；在來自國內外地震、應急專家的幫助下，成都高新減災研究所初步掌握了地震預警和烈度速報的核心技術，且已經將這些技術融入到其開發的軟硬體一體化系統中，形成了自主智慧財產權。

從2010年底開始，研究所已經先後在2萬餘平方公里的汶川餘震區域包含18個縣市，覆蓋了四川省、甘肅省、陝西省三省交界區域）布設了預警試驗網路，自2011年4月15日起，已經對試驗區域內發生的110次餘震實現了預警，並在國內首次實現了參試人員先收到預警簡訊，然後才感覺到地震（在四川省地震局台站管理中心、成都市防震減災局等單位都安裝了接收終端，並進行了實時錄像）。

汶川試驗區域圖中方框表明地震監測設備布設區域，其中的小圓點表示監測設備

預警和烈度速報系統展示平台展示了台站監控（左上屏）、實時數據流（左下屏）、預警警報視窗（右上屏）、烈度速報輸出（右下屏）

自主研發

地震預警系統就是在一定地域布設相對密集（例如，台站間距15公里）的地震觀測台網，在地震發生時，利用地震波與無線電波或計算機網路傳播的速度差，在破壞性地震波(橫波或面波)到達之前給預警目標發出警告，以達到減少地震災害和地震次生災害的技術。地震預警的關鍵是利用地震波的前幾秒的數據準確估計震級、震中位置以及快速估計地震對預警目標的影響等。

成都高新減災研究所自主研製《地震預警系統》，公眾體驗從2011年日9月20日開始啟動的。減災面對全國公眾招募多名地震預警系統體驗志願者，現階段中國的部份志願者正在參與測試，主要分為電腦客戶端，手機手機客戶端，手機簡訊，三種方式接收預警。支持的手機作業系統有安卓，IOS，和windows mobile，（iPhone地震預警接收軟體可自動跟蹤用戶GPS位置，或用戶自行設定所在區域，以接收相應預警信息）。體驗志願者將在智慧型手機或者電腦上安裝地震預警系統的客戶端，在地震發生時，手機和電腦將會自動響起地震橫波到達所在位置的倒計時，非智慧型手機則通過簡訊功能，接收到地震預警的相關信息，提醒體驗者及時避險。成都高薪減災研究所自主研究的地震預警系統，已經預警120多次，有利促進了中國地震研究。

日本地震預警

1989年，日本的鐵道技術研究所開發出了實用性的地震預警系統，投入新幹線列車運營管理。

2004年8月1日，日本的全國性地震預警系統試運行，2006年正式運行。

該系統能夠在地震爆發後極短的時間內，向相關地區的民眾傳達地震波將要到達的信息，並且儘可能地將各種特殊情況考慮在內，使預警信息通知到人，“無所不至”。

2007年10月1日，日本氣象廳推出了“緊急地震速報”，能夠在地震發生後幾秒到幾十秒的時間內向公眾發出地震警報。

2007年11月26日，日本電報電話公司(NTT)出售的大部分手機都搭載了簡訊通知地震警報的功能，其它運營商之後也紛紛效仿。用戶可以通過訂閱服務，免費接收地震警報簡訊或電子郵件。智慧型手機通過設定或下載套用軟體也可以實現接收警報。

重要事件

2011年4月25日，預警系統開始試運行。

2011年7月和2011年12月，分別召開地震預警研討會。

2011年9月20日，公眾開始體驗地震預警。

2011年11月1日，四川甘肅陝西的學校套用地震預警系統進行演習。

2011年12月6日，實際地震觸發學校的地震預警警報，師生安全有效疏散。

2012年2月12日，組織志願者座談會。

2012年4月22日，多個智慧型手機平台能夠接收地震預警信息等加入。

2012年5月10日，參加由四川省科技廳組織的中國首次過萬人地震預警演習。

2013年2月19日10時46分，雲南省昭通市巧家縣附近發生4.9級地震，成都高新減災研究所與雲南昭通市防震減災局聯合建設的地震預警系統對該次地震成功預警。這是國內地震預警系統首次實現對破壞性地震成功預警。

地震預警系統(科技成果：地震預警系統)