地震预警系统技术在美国已经过关 可提前 40 秒关燃气躲厕所

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       近日，加州理工学院 地震预测中心 及 USGS ( 美国地质调查局）地震中心 宣布，早期地震预警系统 Shake Alert 将在美西太平洋沿岸进入试用阶段，目前覆盖包括三大关键区域：南加州大洛杉矶地区，北加州旧金山湾区，以及华盛顿州的西雅图地区。



南加州大学地震学教授 郦永刚


       著名地震专家、南加大教授 郦永刚 解释，早在10年前加州已经开始在定点地区放置地震检波器（ 传感器 ），进行早期地震预警系统的测试，比较成功，而这次的系统升级更详细。加州理工学院为此收到联邦政府 8000万元 的经费，系统完成需要追加到 9000万 美金以覆盖加州。因为需要放置大量的地震传感器，单单覆盖加州就需要上万个传感器，而且维护费用在美国也很大。


       目前这套地震预警系统的主要负责人是加州理工学院教授 霍克森（ Egill Hauksson ），USGS 著名地震专家 琼斯（ Lucy Jones ）的先生，霍克森 本人也身兼 USGS 地震科学家。


       地震预警系统在美国技术方面已经过关，第一代已经获得总结性成功的经验。目前，Shake Alert 第二代地震预警系统在原有的基础上增加站台，2018年底向部分居民区开放，主要计划在美西三大关键区域 —— 大洛杉矶地区，旧金山湾区、大西雅图地区的定点地震观测站长久性放置数千台传感器，终极目标是覆盖整个加州。


       第二代系统升级，所报参数提高，包括大量计算出来的数据；其次还包括相关人员的专职培训教育，帮助理解系统设备如何运作，以便充分利用这套系统。


       这套系统预报5级以上地震，目前很局限，不能全面推广，只能划区预报，逐个区实现。但是，地震预警系统已经成功与民生相关的重要部门机场，铁路公交，公共供水气电公司实现联网，一旦有重大震情，预警系统将有效预警中止这些系统运作，以最大程度减少灾情影响。


       主要三大区包括南加州的大洛杉矶地区、北加州的旧金山湾区及西雅图地区置放传感器密集度已经达到标准，也已在调试手机应用，有望两三年通过手机收到预警。


       已经成功预报的例子有今年5月份的 Chino 地震。这套预警系统已经实现地震波信号大约 18秒 完成数据传输，提前 6秒 传到 USC ( 南加大）总部；以及2014年 NAPA 地区 6级 地震也已成功预报。


       预警系统提前多久预报地震，取决于数据处理中心与震中的距离，如果在地震源头，地震波扩散，则预警系统无法发挥作用。如果 8级 地震发生在 圣安德鲁斯大断层（ San Andreas Fault ）南端靠近美墨边境的 萨尔顿海（ Salton Sea ），相距洛杉矶市区约 180公里，地震波传到洛杉矶大约需要 1分钟 时间，地震中心大约 18秒 处理数据，所以洛杉矶居民可以提前约 40秒 收到地震预报，但南加州的非常不利的因素是大盆地构造，地质松散，震级将被放大3-5倍，相当于一个7级地震就在脚底，对房屋的破坏力严重。


       预警系统可以提前 40秒 预警信息，虽然房屋损毁无法挽救，但人们逃生的时间则比较充裕。


       第二代地震预警系统相比第一代质量上达到飞跃，第二代系统可以直接传报震中的位置，震级数据及方向等，包括地震波传到某一地点，引起的地面震动也会传给地震中心，因为地震时真正的破坏力是地面震动，震级再大如果距离遥远破坏力不会太大。需要把这些关系讲清楚，但是第一代预警系统只是用几何的方法算出地震波随距离衰减，以地面引起的重力加速度为标准。另外，第一代预警系统虽然知道震中距离，震级和方向，但精确度实际误差大，所以还需要了解整个地震波在传输过程中通过的地下构造的物理性质和力学机制，包括地震条件，地貌条件等都要综合性把这些数据全部包括进来，再通过计算机综合做预测：地震发生以后地震波传到某一块区域地面引起的上下震动，因此精确度要求高，难度高，这些美国在第二代预警系统的完善中正在进行。


       早期地震预警系统最大的瓶颈是误判，因此需要投放数量足够多的传感器，保证报出的质量符合最低要求。也需要预警系统的可靠性经得起考验。
  








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       有研究已经表明，人们如果能在地震波到达时提前 3秒 收到警报，伤亡人数可降低 14%；提前 10秒 获得警报，伤亡人数可减少 39%；提前 20秒，伤亡人数可降低 63%。


        而发生在四川阿坝县九寨沟的7.0级地震中，成都 ICL 地震预警系统，成功提前 71秒 通过手机及专用终端为成都市发出预警信息，提前19秒为甘肃陇南市发出预警。 而这次预报，其实已经是这套系统第38次成功预警我国的破坏性地震。



       地震预警系统的关键究竟在哪里？


       在了解“ 地震预警 ”这个世界性难题的关键点之前，我们要先了解什么是 地震预警 与 地震预报：


     “ 地震预警 ”则指在地震发生后，利用纵波（ P波，主要使地面上下颠簸 ）比横波（ S波，主要使地面左右颠簸 ）传播速度不同而产生的时间差，与时间赛跑，在威力更大的横波到达预警目标之前对外发出预警。


     “ 地震预报 ”则是指的是在地震发生之前，预知地震发生的地点和时间，从而快速将人员提前撤离地震区，关闭次生灾害源，将地震灾害降低到最低。


       因此，作为一种“ 超级新闻速报 ”，地震预警对于信息时效性与准确性的要求是前所未有的，传统的地震定位与算法基本不能在预警系统中使用。而这两个模块也就成了全球地震监测技术发展过程中的关键性技术难题。也正因为如此，地震预警至今仍然是一个世界性难题。


       总之，一个完整的地震预警系统至少应该包括实时地震定位、实时震级计算、预警目标区烈度估计以及预警信息发布等几个重要功能模块。而“ 定位算法 ”与“ 实时震级计算 ”则是整个预警系统中最重要、最关键、也是决定地震预警成败的两个主要功能模块。


       中国“出品”的 ICL 地震预警系统


       这次在九寨沟 7.0级 地震中发挥效用的 ICL 地震预警系统，是由国家“ 千人计划“入选者，成都市高新区减灾研究所所长王暾及其团队研发，并与四川阿坝州防震减灾局联合建立一整套体系。


       ICL 地震预警系统分为地震监测，预警信息分析和处理，预警信息发布，以及预警信息接收和应用4个环节。大致包含了如下几个部分：地震监测仪器、数据收集与计算中心、发布预警的各种途径，可接受预警信号的 行业 / 个人 终端。


       在地震发生时，它能够利用地震危险区域布设的高密度台网对震源进行监测，进而通过检测仪将检测到的关键信息发送至预警中心畸形分析处理，然后预警中心再通过各种信息接收终端发布预警信息给用户，最终用户接收信息并进行避险。


       最值得注意的是，该预警系统已经实现了通过智能手机、广播电视、微博、地震预警信息接收服务器等同步实时发布预警信息，也使得我国成为继墨西哥、日本后，第三个具有地震预警技术能力的国家。


       目前，我国已建立了覆盖31个省区，220万平方公里，覆盖6.6亿人口的地震预警网络， 主要分布在南北地震带、华北地震带、东南沿海地震带、新疆西北部。覆盖了中国地震预警一线区90%的面积。


       几十秒真的很关键


       很多人也许会有疑问，只能提前几秒到几十秒的地震预警，到底能有多大作用？大家可别小瞧了这短短几十秒。


       如果你在第一时间看到这则信息并迅速躲到厕所的反应时间是相对充裕的，经测试为 5~7秒 左右。这也是为何微博有不少网友在感慨地震预警系统的重要性。










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       曾在东汉时期名噪一方的候风地动仪，虽然原物已经失传了一千多年，流传下来的也只有零星的文字记录。但是到现在，其和制造人张衡一同，仍被视为中国古代伟大科技发明的典范，并且进入教科书之中，成为几代中国人的集体记忆。


       据史料记载，候风地动仪早在 公元200年 左右就消失殆尽。那么，那个印刷在中国现代教材之中，让无数国人认为其就是当年张衡所造的地动仪，又是怎么产生的呢？  这一切还得将时光推回到上世纪50年代，并且要认识到，几代历史教材上展示的地动仪，并不是候风地动仪的原件，而是一位叫王振铎的古代科技史学家根据史籍复原而出的概念模型。



王振铎在1951年复原的王氏“地动仪”


      “ 以精铜铸成，员径八尺，合盖隆起，形似酒尊，饰以篆文山龟鸟兽之形。中有都柱，傍行八道，施关发机 …… ”在《 后汉书 · 张衡列传 》中，只有区区196字关于候风地动仪的语意模糊的记载。而王振铎，就在根据这些文字，开始了复原候风地动仪的工作。在1936年，王振铎画出了第一套自己复原的地动仪模型图稿，并采用“ 悬垂摆 ”的结构原理。也就是从地动仪的上部垂下来一根摆，用以并判明地震方向，并控制相应机关。


       时间来到1949年，新中国成立。王振铎被任命为文化部文物局博物馆处处长，在那个激情昂扬、百废待兴的时代，他收到了一项特别的任务：复原一批代表古代文明的器物作陈列、宣传之用，而其中就包括候风地动仪。


       历经一年时间，王振铎放弃了自己1936年想遵从的“ 悬垂摆 ”原理，而是采用倒立的“ 直立杆原理 ”，于1951年设计并复原出 1：10 比例的木质“ 张衡地动仪 ”模型。消息一出，就受到了空前的关注，在那个年代，地动仪的复原，承载了尤为积极的使命，对古代科技研究和中华文明推广极具激励意义。于是，由王振铎复原的“张衡地动仪”就被编入全国中小学教科书，就连中国地震局也用这部复原模型做了几十年标志，直到前几年才取下。



1953年中国发行的“ 张衡地动仪 ”邮票



1972年美国总统尼克松参观历史博物馆，专门参观张衡地动仪


       王振铎所复原的张衡地动仪一时之间风光无两，更是成为了中外文化交流的载体，多次走出国门展览，曾置于联合国世界知识产权组织总部，与美国人从月球上带来的岩石一起并排展览。


       无法“ 动 ”的地动仪


       王振铎虽然根据古籍记载复原出了地动仪的模型，但是因为模型内部结构缺乏合理性，所以其龙口中的铜丸无法吐下来，也就无法检测地震。随着对此地动仪的模型的宣传愈广，外国地震学家的质疑之声也不断冒出。甚至从对王振铎所复原的地动仪上，转移到了对张衡以及对候风地动仪都怀疑其是后人杜撰，根本不是真实的历史。


       更让人尴尬的是，在1988年这尊“ 张衡地动仪 ”访问日本奈良时，中方解说在向日本观众讲解地动仪的工作状况时，手持一根木棍，木棍捅一下，龙口中的铜丸才会掉到下面蟾蜍的口中。


       其实不仅是外国学者的批判之声，在国内的地震学界也有不少质疑。王振铎的老朋友、中国地震学奠基人 傅承义 院士当面指出了1951年模型的原理性错误并说道：“ 房梁下吊块肉都比你那个强。”










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