地震預警受到國際重視

如果能在強烈地震之震波擴散之前的10到30秒發布警報,警告該區應變,應能降低民眾傷亡和財產損失。本校地質系吳逸民副教授利用「地震初達波從事地震預警研究」成果受到國際重視,美國夏威夷太平洋海嘯警報中心去年已採用相關程式,進行預警監測。

吳教授的研究成果連續發表在《地球物理研究通訊》等國際知名期刊,除了引起美國地震界重視之外,韓國氣象廳去年底也邀請他發表演講(如圖1);日本京都大學決定用此概念研發地震預警系統。

吳教授目前正研發結合微機電技術、可隨身攜帶的掌上型地震預警器,一旦有災害性大地震發生時,民眾可在第一時間收到氣象局傳送的警訊,就地及時採取應變措施。

吳教授指出,台灣位在地震頻繁的環太平洋地震帶上,地震活動頻繁,災害性地震也經常發生。如 1906年嘉義梅山地震、1935年新竹台中烈震及 1999年集集大地震至今都在民眾心中都產生無法抹滅之回憶。因此,地震防減災是必須持續加強的研究重點。

地震預測一直都是熱門的地震防災研究議題,儘管有許多的前兆現象能被確認[1],但目前仍未達實用階段。由於體認到地震預測之運用成效仍低,許多國家進而將資源投入地震預警系統之發展[2]。快速的地震資訊,除了是地震防救災反應重要的指標外,也能滿足社會大眾及新聞媒體的期待。地震預警系統所提供之訊息,更是直接提供重大工程及民生設施採取緊急地震應變的關鍵。

地震預警是當地震發生之後,在破壞性的地震波尚未來襲前之數秒至數十秒提
出警告。這段時間可直接用於降低地震災害,運用的範圍如下:

(1)學校學童躲入桌子底下尋求保護及心理應變。墨西哥市的預警系統研究成果顯示,接受地震預警訊息的學童,在心理上大幅降低對地震之恐懼。

(2)工人能離開危險的工作位置。

(3)醫院進行的手術能暫時停止或調整精細及關鍵的操作,例如:眼科手術等。

(4)運輸系統能自動停止或減速,例如:高速鐵路列車減速以降低翻車之風險。

(5)維生管線及通訊網路能自動調整、重組或關閉,例如:關閉瓦斯及供水管線,減少地震所引起之火災及其他災害。

(6)工廠能及時進行緊急應變,保護振動敏感之設備,例如:晶元製造廠。

地震預警系統是目前經評估有效的地震減災方法,美國、日本、墨西哥及台灣都投入這項工作。台灣預警系統設計的動機是基於 1986年 11月15日ML 6.8 (Mw 7.8) 花蓮地震所帶來的警示。該地震之震央雖然在花蓮地區,然而主要的震災卻發生在 120公里外的台北地區。根據地震波走時資料,剪力波由花蓮地區傳遞至台北地區至少須 30秒的時間,如果地震監測系統能在 30秒內提供震央的地理位置及其規模。則將能在破壞性振動來襲之前,爭取數秒至十餘秒的預警時間,運用於緊急減災應變。因此,中央氣象局於 1994年開始投入地震預警工作。

台灣預警系統從1995年起中央氣象局開始安裝即時強震觀測系統,從事地震速報工作。為了加強運用即時的強震訊號,地震預警系統也積極發展中,採用MLlO的地震規模估計方法[3]及區域地震子網[4]或虛擬子網[5]之設計,計算出地震參數的時間估計可以縮短至約 20秒,因此,對於離震央 70公里外的都會區,將以提供不同程度預警時間。

然而,目前的方法對於離震央 70公里內的區域是無法提供預警。主要為所採用 MLlO是一個較傳統估計方法,需要利用地震被偵測後10秒的地動訊號,因此,無法提供警告的時間至地震發生後15秒以內。因此,近年來研究地震初達波(P波)之方法從事地震預警研究,以期能將提供警告的時間縮短至地震發生後10秒。

地震初達波的規模估算方法:在地震預警研究中,利用初達波決定地震規模是最重要且最困難的關鍵技術。傳統的丙氏規模(ML)估計是由特定頻段地震波的最大振幅經距離修正而得之。然而,當觀測到最大振幅時巳無預警時間。因此,傳統的規模計算方法並不適用於地震預警系統中。所幸,經過去多人的研究發現[6,7,8],當地震越大時地震訊號的振動週期越長,可利用初達波的震動週期來推算其規模。

利用地震初達波預估震度:一般地震初達波會攜帶地震訊息,剪力波則攜帶大部分的能量且較可能造成災害。若能由地震初達波推估即將來襲剪力波振動強度,就可以直接運用於現地型預警系統中。我們分析了台灣地區[12]與南加州[10]的大地震記錄發現,P波到達後3秒最大位移振幅(Pd)與地動速度峰值(PGV)呈現對數線性關係。因此,可以由地震初達波來估算震度[13],且其誤差約在一個震度階。這項成果對於誤報敏感度低的預警保護對象,將有相當良好的成效。例如:電梯之控制,於地震時與最近樓層停止,並打開門,此類設施即使偶而將小振動高估之誤報,亦不影響。

災害性地震之快速辨認:判定災害性地震是救災應變之重要關鍵。因此,我們分析了台灣地區的淺源大地震記錄,研究結果發現結合tc及Pd可以用來辨識災害地震[9],若依據此原理也可能將判定地震是否釀成災害的時間縮短至10秒,而爭取更多救災反應時間。

對於地震之防減災而言,地震預測之技術仍有待努力,地震預警系統是目前最為實際的地震減災方法。為了在強震波來襲之前提供更多的預警時間,我們使用P波到達後3秒的訊號來決定地震規模、預估震度及快速辨認災害性地震。採用tc方法有可能將地震大小的判定時間縮至10秒,對於離震央30公里外的都會區提供預警。Pd可以用來估算震度,可以直接運用於現地型預警系統中。tc 及Pd乘值大於1時則為可能為災害性地震發生。

參考文獻

1. Seismic Quiescence before the 1999 Chi-Chi, Taiwan, Mw 7.6 Earthquake
Y. M. Wu and L. Y. Chiao, Bull. Seism. Soc. Am., 96, in press (2006).

2 Real-time seismology and earthquake hazard mitigation 
H. Kanamori, E. Hauksson, and T. Heaton, Nature, 390, 461-464  (1997).

3 Quick and Reliable Determination of Magnitude for Seismic Early Warning
Y. M. Wu, T. C. Shin, and Y. B. Tsai, Bull. Seism. Soc. Am., 88, 1254-1259 (1998).

4 Development of an Integrated Earthquake Early Warning System in Taiwan – Case for the Hualien Area Earthquakes

5. Y. M. Wu, J. K. Chung, T. C. Shin, N. C. Hsiao, Y. B. Tsai, W. H. K. Lee, and T. L. Teng, Terrestrial, Atmospheric and Oceanic Sciences, 10, 719-736 (1999).

6. A Virtual Subnetwork Approach to Earthquake Early Warning 
Y. M. Wu and T. L. Teng, Bull. Seism. Soc. Am., 92, 2008-2018 (2002).

7 The Potential for Earthquake Early Warning in Southern California
R. M. Allen and H. Kanamori, Science 300, 685-848 (2003).

8 Real-time seismology and earthquake damage mitigation
H. Kanamori, Annual Review of Earth and Planetary Sciences, 33, 5.1-5.20 (2005).

9 Experiment on an Onsite Early Warning Method for the Taiwan Early Warning System
Y. M. Wu and H. Kanamori, Bull. Seism. Soc. Am., 95, 347-353 (2005).

10 Determination of earthquake early warning parameters, τ c and Pd, for southern California
Y. M. Wu and H. Kanamori, Bull. Seism. Soc. Am., 95, 347-353  (2005).

11^ Magnitude determination using initial P waves: A single-station approach
Y. M. Wu, H. Y. Yen, L. Zhao, B. S. Huang, and W. T. Liang, Geophysical Research Letters, submitted (2006).

12 Rapid Assessment of Damage Potential of Earthquakes in Taiwan from the Beginning of P Waves 
Y. M. Wu and H. Kanamori, Bull. Seism. Soc. Am., 95, 1181-1185  (2005).

13 Relationship between peak ground acceleration, peak ground velocity, and intensity in Taiwan
Y. M. Wu, T. L. Teng, T. C. Shin, and N. C. Hsiao, Bull. Seism. Soc. Am., 93, 386-396 (2003).

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