2009年7月6日

地震來了,快跑!—台灣地震預警系統的發展

如何「預測」地震的發生,一直是科學家努力的目標,儘管離這終極目標還很遙遠,地震的「預警」卻已有突破性的發展。

作者/吳逸民(任教台灣大學地質科學系)、林郁梅(就讀台灣大學地質科學研究所)、蕭乃祺(任職中央氣象局地震測報中心)、吳秉儒(任職國家災害防救科技中心)

2009年4 月6 日凌晨三點半,地震矩規模MW達6.3 的地震撼動了義大利中部,連遠在震央近百公里外的首都羅馬,都同樣感受到地震的威力;不只許多歷史悠久的古城建築在一夕之間淪為斷壁殘垣,更造成近三百位居民罹難,以及為數眾多的民眾無家可歸。猶記去年5 月的中國四川汶川大地震方滿一週年,今年也正好是台灣在經歷九二一大地震後屆滿十週年、以及造成日本六千多人罹難的阪神大地震十四週年紀念。

時至今日,地震仍是最難監控與掌握的自然災害。與颱風相比,地震前兆現象與地震發生之關聯性,雖然總在大地震發生後被廣泛討論,但是目前仍無一明確且可行的結論。儘管「地震預測」一直是科學家努力的終極目標,但是因為震源破裂過程非常複雜、地震觀測在時間與空間上有限等因素,雖然歷經了數十年的努力,「預測」還是未達實用階段。正因為地震的難以預測,更加凸顯了震波來襲前「地震預警」與防減災作為的重要性。

世界各國如美、日、台灣、墨西哥、義大利、土耳其、羅馬尼亞等國,都相繼轉而投入發展地震預警系統。快速的地震資訊包含「預警」及「速報」兩階段——所謂「地震預警」是指在地震發生後,破壞性的地震波尚未來襲之前,提早數秒至數十秒發出警告,以降低地震災害;而所謂地震速報」則是指在地震發生後數十秒至數分鐘內,提出較完整的地震資訊,以供災害評估及應變救災之參考。

地震預警系統

地震預警系統(earthquake early warning system)是屬於一種地震減災的方法,其概念最早由庫柏(Cooper)博士於1868年提出。當一地震發生的時候,累積的能量釋放,從震源處開始以地震波的形式向外傳播,並穿越整個地球內部;地震時的天搖地動,即是由到達地表的震波晃動所造成。

從震源處開始向外傳遞的彈性波有兩種, 其一是P波(primary wave,簡稱P wave),又可稱為疏密波、壓縮波(compressional wave)或是縱波(longitudinal wave);另一為S 波(secondary wave ,簡稱S wave ),又可稱為高低波、剪力波(shear wave)或是橫波(transverse wave)。此兩種彈性波又可稱為體波(body wave),因為這兩種波可在地球內部傳遞,此名稱是相對於只侷限在地球近地表傳播的表面波(surface wave)而言。

當地震發生後,P波是所有震波種類當中傳遞速度最快,且最早被監測站接收到的波相,也因此,其名字是來自於拉丁文的primus ,代表「第一」的意思;而重大災害的發生,多是因S波及表面波的到來,造成地表強烈的晃動。P波在地殼的傳遞速度大約為每秒5~7公里,於上部地函則大約每秒8~9 公里;而S 波在地殼的傳遞速度大概只有每秒3~4 公里,表面波的波速又更慢了。地震預警系統即是運用此波傳速度的差異特性,來達到提前預警的作用。

如何利用地震剛發生後的初始振動,有效評估地震位置、規模及各地區之震度大小等,為預警系統中的幾個重要課題。這些問題都必須在地震發生後數秒之內立即估算,才能提供出有價值的警報訊息。而在這所有問題之中,架設完整且密布的地震監測網系統,是最首要的工作。

台灣地震速報系統及預警系統的發展

為強化台灣地區的地震測報工作,減少地震的災害與威脅,中央氣象局自1992 年起推動台灣強地動觀測計畫,目前已於全台建置688 個自由場強震測站,其中有109 個是即時測站。1997 年起執行「強地動觀測第二期計畫——建置強震速報系統」,正式將台灣地區地震測報工作推進至速報的階段。經過幾年來的持續發展以及測報經驗,地震速報系統已經穩定運轉,成為台灣地區發布有感地震的核心系統。目前針對發生於島內或近海區域的有感地震,系統平均在地震發生後40 秒即可初步掌握震央位置、地震規模及各地震度,並迅速透過網際網路、行動電話簡訊、傳真存轉等多重管道,在3~5分鐘內迅速對外發布完整的地震報告。

台灣預警系統的發展動機,是肇基於1986年11 月15 日發生於花蓮外海、芮氏規模(ML)達6.8(MW 7.8)的地震,所帶來的警示。該地震之震央雖在花蓮外海,但卻對遠在120公里外的台北地區帶來災情。根據地震波走時資料計算,S波從震源傳播到台北地區約需30 幾秒的時間,因此,如果地震監測系統能快速地運算評估,在最短時間內提供震央位置、地震規模及各地震度等資訊,便能在破壞性的震波到來之前,爭取數秒或數十秒的預警時間,採取緊急應變措施,以減少地震造成之傷亡及損失。

因此,自2004 年起,中央氣象局執行「強地動觀測第三期計畫——發展強震即時警報系統」,延續強震速報功能,發展地震預警系統。1999 年發生九二一大地震時,需要大約100秒才能提供警報資訊。經過多年研發,在地震速報系統的架構下,利用虛擬子網(virtualsub-network)的設計,針對發生於台灣島內或近海區域的有感地震,可以將地震自動處理的時間大幅壓縮至20 秒以內,對於距離震央100 公里外的地區,將可提供約10秒以上之預警時間。為了爭取更多的預警時間,中央氣象局與台大地質系合作,目前正在研發下一代的預警系統。【更詳細的內容,請參閱第475期科學月刊】

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