紧急地震速报(Earthquake Early Warning)是日本气象厅(Japan Meteorological Agency)于2004年开始试运行,2007年正式投入使用的
地震预警系统。系统利用了P波和S波的速度差,以及地震波和电磁波的速度差对地震进行快速预警。紧急地震速报是世界范围内,第一个投入使用、台站密度最高、台站数量最多、覆盖范围最大、耗资最多、性能最好的地震预警系统。系统的吉祥物是日本神话中导致大地震动的鲶鱼。
原理
截止2012年,日本气象厅(JMA)以及各个地震研究单位、大学和都道府县政府共建有由7480个震度观测点,1430个地震台站形成的高密度地震观测网,这样可以迅速报出地震发生的时空强。地震会产生两种不同的体波,速度快危害小的
P波以及速度慢危害大的
S波,日本的紧急地震速报就是利用了P波和S波的时间差,以及地震波和电磁波的速度差对地震进行快速预警。
研发历程
1972年,时任东京大学地震研究所所长伯野元彦等人提出使用海底地震计收集地震波,在摇晃到来前对大都市提供地震即将到来情报,称之为“10秒前大地震警报系统”,但当时由于相关技术受限,这套系统并未实现。
日本紧急地震速报系统的前身可以追溯到1989年,日本铁道技术研究所开发的地振动早期检知警报系统(Urgent Earthquake Detection and Alarm System,简称UrEDAS),原先这套系统是为快速行驶的新干线列车提供地震信息,以进行紧急制动防止列车出轨。
之后,随着地震仪数字化、通信技术和存储技术等的不断发展,日本政府以在1995年1月17日发生的
阪神大地震(阪神-淡路大震灾)为良好契机,开始不遗余力地布设高感度地震观测网(HI-net)。作为直下型大型地震防范对策中的重要一环,
地震预警系统也随着高感度地震观测网的布设而被提上了议程。
2003年4月,由日本文部科学省、气象厅和防灾科学技术研究所共同合作,以实用化的实时地震信息播报系统为目的的高度即时的地震情报传达实用化计划开始。2004年2月,防灾科学技术研究所研制的实时地震情报系统与气象厅和铁道综合技术研究所开发的短临地震情报系统合并,改编为紧急地震速报系统,并从2004年2月25日以九州东岸到关东一带的地区为对象开始系统试运行。2005年6月8日,试运行区域对应为日本全境。
2007年10月1日,紧急地震速报系统正式投入使用。
系统属性
警报分为“紧急地震速报(予报)”和“紧急地震速报(警报)”两种,其特征和区别请见下表。两种警报是由同一套系统生成。
系统流程
警报生成分成两个部分,震源快速解析和震度快速预测,其中震源快速解析由防灾科学技术研究所(NIED)提供,震度快速预测由日本气象厅(JMA)进行计算。从地震发生到预报、警报发出的整个过程历时不会超过10秒(又名:The Last 10-Second)。
日本气象厅预计于2015年将震源快速解析方法升级到“基于序列蒙特卡罗方法的综合震源决定IPF法(Integrated Particle Filter)”,震度快速预测也同时加入“实时观测震度预测法(PLUM法)”,构成新的混合算法以提高警报生成的速度和精度,届时紧急地震速报的后台系统将称作地震活动综合观测系统(EPOS)。
震源快速解析
地震发生的瞬间,防灾科学技术研究所(NIED)的基于高感度地震观测网(HI-net)的震源快速准确解析AQUA系统(Accurate andQUickAnalysis System for Source Parameters)利用在震源附近复数个高感度地震计观测到的数据,通过P波“着未着法”进行快速定位并判级,发表AQUA-REAL(AQUA-REAL的生成用时不会超过4秒),随着更多数据的传入,定位精度会不断提高,随之生成AQUA-RAPID、AQUA-HYPO,以及用于海啸预警的震源解析AQUA-MT/AQUA-CMT。
AQUA系统是整个预警系统的最核心部分,系统也在2007年获得日本地震学会优秀奖。
震度快速预测
防灾科学技术研究所(NIED)将数据通过专用回线同步发送到气象厅,气象厅于是进行地表“1千米X1千米”精度的震度推计。当两个台站的观测震度为
震度5弱,或推计最大震度达到震度5弱时,气象厅会对推计震度4(包括震度4)以上的地区,发布紧急地震速报(警报)。
警报发出
紧急地震速报(予报)主要通过专用软件和受信末端进行接收,而一般大众向的紧急地震速报(警报)则通过电视和广播电台发报。日本气象厅主荐在电视中播报紧急地震速报(警报)的形式,为日本放送协会(NHK)的放送形式,其他民营电视台大多使用此警报音和提示文。
警报音为日本放送协会NHK委托作曲人伊福部达,根据其叔父伊福部昭所编交响乐《Sinfonia Tapkaara,第三乐章:Vivace》开头的音调快速上升部分改编。
最初根据不同乐器的音色、升降调程度和快慢等因素,警报音的设计方案有30多个,经甄选后剩余7个,然后通过对不同性别、不同年龄段的人群进行评价试验,从中选出“让所有人都感到极高紧急性,却没有丝毫不安感”并且“在吵闹的公共场合仍能清晰地从噪音中辨识出来”的警报音,最终选定如下方案的编曲:
“(C大调,4/4)g、c1、e1、♭b1、♯d2,♯g、♯c1、f1、♮b1、♯e2”
此警报音因为在2011年东日本大地震中发挥了举足轻重的作用,被评为“让人的身心都能享受福祉工学所带来的恩惠”,伊福部达也由此获得2012年日本音频协会第17届“音之匠”的称号。
紧急地震速报在电视、互联网中都会出现。日本也贩卖紧急地震速报接收器和提供软件(Yahoo!防灾速报就是一种),学校每年演习并配备接收器。
系统性能
从2007年10月系统开始运行,到2014年8月4日,系统发出紧急地震速报(警报)共142次(各次警报信息请下跳至发报履历)。半数的予报发出所用时间在3秒左右,而大部分警报的用时在3~10秒。从下表中的数据来看,予报平均用时要比警报快8.2秒。
随着更多的数据传入,系统的精确度会不断提升。震央位置的偏差从第1报开始不断减小,在最终报时误差已经降到10千米以下。震级则在第1报过后出现过大估计的现象。震度推计则在整个过程中有过小估计的情况。
日本气象厅规定,当预警系统第一报的推计震度与实际观测震度相差±1阶级(如5度弱与5度强相差半级,但是按照日本气象厅震度阶级表相差为一个阶级)以内时,即可视为正确预警。
2009年之前系统准确度均在75%以上,2010年度(2010年4月~2011年4月)由于东日本大地震的群发地震的影响,系统的准确度仅有28%。2011年日本气象厅改进了系统算法,并增加台站数量,使准确性在2011年度相对前年翻了一番。2013年8月8日一次地震计故障所致的误报,加之2013年警报次数较少,2013年4月至2013年末的准确率仅有59%。日本气象厅希望通过改进技术及算法,将准确率在2015年提升至85%。
历史功绩
岩手宫城内陆地震
2008年6月14日上午8点43分,日本东北部的
岩手县和
宫城县等地发生里氏7.2级地震(岩手宫城内陆地震),最大震度达到了6强。岩手、宫城、山形、福岛等县共有9人死亡,260多人受伤,有多条道路出现塌陷,此外还有桥梁坍塌和民房倒塌的现象,日本气象厅起初公布的震级为7.0级,后来改为7.2级。此次地震震中位于岩手县内陆南部,震源深度约为10公里。
当地还发生了震度为5弱等多次余震。上午8点50分,日本政府在首相官邸的危机管理中心设立了官邸对策室,并派以防灾担当相泉信也为中心的政府调查团前往受灾地。首相福田康夫在地震发生后立即做出指示,要求迅速调查受灾情况,并全力抢救受伤人员。
日本气象厅在此次地震中,在地震检知后的4.5秒,对部分区域实现了由电视等媒体发布的地震预警,并也对几次大的余震进行了预警。
东日本大地震
东京时间2011年3月11日14时46分(北京时间13点46分),日本东北部海域发生里氏9.0级强震(
东日本大地震)并引发
海啸。
2点46分48秒,NHK电视台正式向全国发布了紧急地震速报。当时,综合电视台正在直播参议院预算委员会辩论,会议因涉及首相菅直人接受外国人政治捐款等问题而备受关注。紧急地震速报系统会不会出故障?我正在疑惑间,新闻中心大幅度地摇晃起来。“没错!”2点48分18秒,NHK的所有频道同时开始了地震报道。“本台将暂时中止对国会辩论的直播,开始播报地震及海啸相关情况。东京演播室也在大幅晃动。东京演播室也在大幅晃动……”
NHK还先后用日语、英语、中文、韩语、葡萄牙语播报了海啸预警。
在本次地震中,摇晃最剧烈的极震区宫城县栗原市(筑馆町)(测站:MYG004,观测震度7,最大加速度约2.9个重力加速度)获得了18秒的预警时间,而东京都(震度5强)在警报发出1分钟后也感受到了剧烈的摇晃。
局限性
时间
在地震波到来之前发布紧急地震速报的窗口时间非常之短,有时就是几秒钟甚至十分之一秒,震中附近的区域可能还没有收到紧急地震速报就已遭受地震的袭击。
例如,2008年4月28日凌晨2点32分,冲绳县宫古岛发生了4级地震,日本气象厅初次发表了地震预警,但比地震发生迟了5秒。5月8日,茨城发生5级地震,气象厅的预警比震中的摇晃迟了40秒。当时技术人员感叹“地震预警技术难度太大了”,民众表示“地震预警没有任何帮助”。
误报
紧急地震速报(误报)一般来说会因为以下几个原因产生:
A.震级推计
对震级和震度的推计还是有局限性。当多个地震同时发生,地震很难被分离识别,也就无法正确判级。
例如:2012年10月18日 0时01分 新潟中越地震-紧急地震速报(误报)
B.震度推计
由于震度衰弱放大公式的局限,就会出现震度预测的误差。
并且警报的发出是以气象厅的推计震度为发报基准的
震度预测的精度在±一级,而且大多数较大的地震的震度均在震度5弱的发报基准前后,误报的出现就时有发生。
另外,当深层地震发生时,由于岩层和岩浆对地震波的衰减能力不一样,就会出现“异常震域”的现象。“异常震域”与正常“地表摇晃程度以震央为同心圆向外递减”的情况正好相反,这样对于震度推计和警报区域的确定带来不小的难度。
C.观测仪器故障或其他
当使用单台站“P波着未着法”进行速报时,紧急地震速报(误报)就可能出现。
误报也可能是交通事故、闪电或设备故障造成的。
例如:2010年3月27日,东京都千代田区大手町(日本气象厅本部)的一台震度出现电源故障,该点观测加速度超过100 gal,导致系统误报。
再如:2013年8月8日下午5时,设置于三重县东南冲的“东南海3号”海底地震仪的上下成分(U/D成分)出现拾震异常,导致系统对于发生在和歌山县北部地震的震级(M2.3)过大估计,第一报的速报震级达到了7.8级,最大推计震度达到了日本气象厅十阶震度的最高一阶的震度7,而触发紧急地震速报(警报)。
2011.8.1下午5时,日本千叶县犬吠崎监测点遭雷劈,误报震度7摇晃,M9.1,从日高东部到冈山西部·爱媛南予预报震度7摇晃,交通网崩坏。
日本气象厅将继续同国际地球科学与灾害预防有关的机构合作,整取更大的进展。
其他配套措施
日本从1996年开始,政府连续3次修改《建筑基准法》,把各类建筑的抗震基准提到最高,要求商业楼宇能抗8级地震,使用期限要超过100年。
日本建设规划城市时,十分重视防灾避难设计。抗震性和安全性是建设公路、铁路和公园等城市基础设施的重点。在日本城市有许多政府指定的避难“缓冲地带”,不少城中绿地和公园入口处都插着“地震避难所”牌子。
日本在部分海域 2,000米深安装了监测系统,通过海上监测船将有关信息发射到人造卫星上,再利用全球定位系统,密切监视大陆架板块的移动。此外,日本政府还开发了“地震受灾早期评价系统”,储存大量4级以上地震的灾难资料。一旦发生大地震,该系统可在30分钟内自动计算出受灾规模,指导当局针对性地迅速展开救援工作其。
发报履历
自2007年10月1日紧急地震速报系统正式运行以来,截止2014年8月4日,系统共发布紧急地震速报(警报)共142次,以下收录各次预警信息。
No Good(NG)信息符号:“①”震级偏差过大。“②”震央偏差过大。“③”震度预测偏差过大。
NG诱因:“※”复数个地震同时发生。“★”系统失误(算法缺陷等)。“▲”事故(仪器故障等)。