地震研究：現代版的侯風地動儀
91/09/05
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辛在勤｜
中央氣象局
在歷經九二一集集大地震的浩劫後，相信國人對地震的印象永生難忘。雖然國內地震測報已有不錯的成績，但地震學界努力的成果，與民眾殷切期盼地震預測能早日成功之間，仍有一段艱難的路要走。
一九九九年九月二十一日凌晨，一場驚天動地的大地震震撼全臺，地震發生後102秒，遠在地球另一端的美國加州國家地質調查所（United States Geological Survey, USGS），收到一封發自我國中央氣象局的電子郵件，內容詳述此次地震發生的時間、規模、震央位置、震源深度，以及全臺各都會區的震度資料。這般快速的地震消息發布，中央氣象局是如何辦到的？對地震測報不是十分深入了解的人而言，感覺會像西元一三二年張衡發明人類第一部地震儀–候風地動儀一樣神奇，但對經年從事臺灣地區地震測報的工作者來說，無疑已向世人證實：臺灣的地震測報系統效能斐然。
臺灣地處歐亞板塊與菲律賓海板塊相互聚合的樞紐點上，是典型島弧與大陸碰撞產生之大陸邊緣島嶼，每年約有接近一萬五千次大小不一的地震發生。同時，根據以往地震的記載，臺灣近百年曾經發生過多次災害性的地震，例如︰一九○六年梅山地震、一九三五年新竹－臺中大地震、一九四一年中埔地震、一九五一年花東縱谷地震、一九六四年白河地震、一九八六年花蓮地震，以及令人印象深刻的一九九九年集集大地震。這麼頻繁的災害地震不斷發生，再再顯示臺灣這個島嶼為地殼活動非常劇烈的一個區域，生活在如此嚴峻的地震威脅環境下，地震測報的工作就顯得非常地重要。
何謂地震測報
顧名思義，地震測報即是在地震發生後，能夠快速且準確地將相關地震資訊，包括地震發生時間、震央位置、震源深度、地震規模、以及各地震度等地震最基本的參數，透過媒體公布給大眾知道。
地震測報作業依據的資料來源主要是地震儀所記錄到的地震波。當斷層錯動時，蓄積在彈性變形的岩石裡的能量，會以地震波方式向四面八方傳遞出去，造成各地的振動。由震源產生的地震波有主波與次波二種。主波在傳遞時，其傳波質點的運動方向與震波傳遞方向一致，即傳波質點在沿著傳遞方向上，交替產生壓縮與膨脹的變化，有如聲波一般；次波在傳遞時，其傳波質點的運動方向與震波傳遞方向垂直，即傳波質點在垂直傳遞方向上，產生使介質扭曲的剪切振動，有如繩波一般。我們在地震發生後，綜合各個地震觀測站所記錄到的地震波動資料，由主波、次波到達時間可計算出地震的發生時間與震源位置，由波動振幅與周期，再結合測定位置之距離因子，可計算出地震規模。
地震規模
規模是用來描述地震大小的尺度，係依其所釋放的能量而定，以一無單位的實數表示。目前我們最常聽到的芮氏規模（Richter magnitude）是適用於震央距離在數百公里內觀測的地震，一般也稱為近震規模。芮氏規模是由美國地震學家芮氏於一九三五年所創。
除了芮氏規模外，世界網在遠距離的觀測資料，通常會使用體波規模或表面波規模來計算規模值，視其計算時所取的特定波相來決定規模名稱。各種地震規模因量度方式不同會產生不同的數值，但皆在表示地震所釋放出能量多寡。在各種地震規模值間皆有統計經驗式相互換算。
地震規模的計算要素包括震波振幅、震波頻率與震央距離，因此規模數值的計算是在地震定位處理結束後才能決定。有時媒體在報導地震消息時，會出現「芮氏地震儀」這樣的字眼，民眾甚至會誤以為是「瑞士」生產的地震儀，這些都是錯誤的說法。事實上，世界各地已經停產伍德－安德森地震儀，這種古董級的地震儀大概只有在地震博物館中才看得到。但為了能夠沿用歷史上的地震資料與現今的地震活動作比較，一直保留使用該儀器的運動方程式。所以在規模的計算時，地震學者會先將震波紀錄模擬成伍德－安德森地震儀之紀錄，才由最大振幅與距離決定地震的規模。
震度量取
地震測報除了對地震本身的參數進行分析外，各地震度的大小也是測報的一項重點。震度是最易獲取的震波破壞參考指標，可由強震儀記錄的震波振幅直接量測。強震儀一般也稱為加速度地震計，用來測量地動之加速度，所反應的正是物體的受力狀況。我國現行的震度分0至7共八個等級。
由於都會區建築物朝高空發展，有時地表的震度很輕微，但在高樓層則會有較明顯的搖晃。震度的量測仍以地表測量到的加速度為發布依據。
地震觀測系統
地震測報量測地震參數，要得到良好的測定結果，必須事先規劃、佈置地震觀測地點。由於現代的地震儀已能檢測出極輕微的地盤振動，為避免環境雜訊對儀器接收震波的干擾，地震測站會設置在較隱蔽的地點，使記錄的震波品質清晰，有利於震波訊號的檢視，才不至於影響地震定位。另一方面，地震測站會刻意部署在經常發生地震或有發生地震潛能的地區，以便就近監測該地區的地震活動情況。
地震網是結合眾多地震觀測站所形成的觀測憑藉。地震網依照任務的需要，在測站內會有不同的儀器配置，以便蒐集分析地震所需之震波資料。例如，世界地震網量測全球大範圍地區的地震活動，測站主要配備長週期地震儀或寬頻地震儀，量測到的地震其規模多在中上程度。小範圍或為觀測局部區域地震活動而設計的地震網，則是配備短週期地震儀與強震儀，以兼顧微弱地震與強烈地震震波資料的完整。由於計算地震參數之過程必須綜合各測站的觀測資料，因此，地震網通常會設置至少一處的中心機構，以便接收各地資料，進而完成計算分析的工作。
現代化的地震觀測系統充分運用了電信傳輸與資訊科技，使地震測報的速度得以提升。地震測報速度提升，除了結合地震學之外的其他學門技術，也肇因於地震學領域在數個環節的重大突破。其一為研發地震儀器使其具有數位化功能，並能立刻輸出資料；其二為利用地震學理撰寫震波分析軟體，使各項參數能快速求得。以中央氣象局地震觀測系統為例，各地的震波資料在測站數位化後，即時經由中華電信公司的數據專線傳送至臺北中心站，隨即輸入電腦進行分析工作。整體的設施就如同人體的觸感神經系統：地震觀測站內設置的地震儀器好比神經末梢；傳輸資料的電信線路好比神經傳導線；中心機構之電腦機組就像人腦。地震觀測由儀器偵測、資料傳送、軟體分析一連串有時效性的組合，來完成地震測報的任務。
臺灣地震測報之演進
臺灣地區以儀器觀測及記錄地震已有百年以上的歷史。一八九七年設置於臺北測候所的第一部地震儀，稱之為格雷．米爾恩式（Gray Milne）地震儀。以儀器觀測地震是科學化的開端，若無儀器記錄下地震波動的過程，地震現象只能以文字簡略記述，甚至地震在何處發生亦無法推求或得知。所以在儀器觀測之前，只有災害地震能依各地破壞程度概略判斷地震震央位置，其他條件的地震資料保留不易，也相當貧乏。早期的地震儀均屬機械式地震儀，並且持續使用了一段相當長的時間。機械式地震儀受限於類比記錄方式以及震波低放大倍率，再加上觀測地點僅限於數個氣象觀測所，致使對地震的觀測能力與調查工作大多只能針對有感地震或災害地震。許多微震、弱震的資料因此遺漏，對於大地震之前是否有前震發生，很難從觀測資料上作評斷。
臺灣的地震觀測歷史有幾次重大變革，主要以更新儀器、加密觀測地點為變革內容。有趣的是，數次變革工作皆在發生嚴重的災害地震之後才開始推動。例如，民國二十四年臺中－新竹烈震（臺灣有史以來傷亡最慘重的災害地震）之後，在新竹、宜蘭、大武及成功等觀測所增設了地震觀測設備。民國四十年花蓮、臺東地區分別發生規模七的大地震，觀測所因此增設了當時新型的強震儀。民國五十三年嘉南白河烈震後，我與美國合作在陽明山鞍部設置了世界標準地震站，也因此使我國成為世界地震觀測網的一員，同時也引進電磁式地震儀的使用。民國六十一年花蓮瑞穗發生強震，是年中央研究院成立地球科學研究所籌備處（今中研院地球科學研究所之前身），並由該單位在全臺建立現代化的地震觀測網–臺灣地區遙記式地震觀測網。此地震網之建置有其劃時代的意義，臺灣地震觀測正式進入弱震觀測時期，大量蒐錄的地震資料使臺灣地區的板塊構造模式獲得了解。民國七十五年花蓮地區接連發生災害地震，十一月中旬的一次淺層地震甚至造成遠在百公里外的中和華陽市場倒塌。政府開始積極推動地震防災業務，加強氣象局地震業務組織編制與地震觀測的軟、硬體設備。透過國際合作與國人的自行研發，在地震測報機能上有了長足進展。
自民國七十九年以來，我國的地震觀測作為是相當值得肯定的，在行動上搶先出擊，不再是地震後的檢討加強，在設施上建構有全世界密度最高的即時地震監測網，並且全面數位化震波資料、全天候二十四小時連續接收，為電腦化快速測報地震消息奠定基礎。
這期間，中央氣象局推動強地動觀測第一期「加強地震測報建立地震觀測網計畫」，建立臺灣地區完整的地震觀測網。該計畫包含兩個重點：一為擴建地震監測網並加強其功能，以嚴密監測臺灣地區地震活動；另一為建立都會區強地動觀測網，以蒐集各都會區地層、土壤及結構物之強震資料。經過幾年來持續地執行，在擴建地震監測網方面，除了將測站數由原有的十九個測站增加至七十五個外，並將每個測站的觀測儀器更新為三向量、具高靈敏度的短週期速度型地震儀，大幅度地提升地震監測的能力。在建立都會區強地動觀測網部分，於民國八十年七月開始執行。截至目前為止，總共設立了六百三十七個自由場強震站及五十八座的結構物強震儀，自由場意指空曠、非結構建築內之場地。結構物強震儀選擇不同地盤、建築實體中安裝觀測，以研究震動特性提供建築業者參考。而其所蒐集的強震資料，不僅是工程界耐震設計規範最為重要的參數，同時，也可以做為救災單位搶救方案的重要依據。
第一期計畫結束後，氣象局繼續進行強地動觀測第二期計畫－建置地震速報系統。現階段計畫是為強化地震救災所設計。此地震速報系統於民國八十三年十二月底正式安裝啟用。截至目前為止，共已安裝完成七十五個測站。
由於系統中採用了自動定位的技術，因此可有效地減少作業處理的時間，一般而言，此系統可於地震發生後一分鐘得到相關的結果。以九二一集集大地震為例，消防署在地震發生約三分鐘後接獲氣象局震度通報，隨即成立震災處理中心，進行指揮協調傷患救援的工作。各地消防單位也在十分鐘內陸續接獲地震相關訊息。因此，地震防護工作除了落實個人的基本防護外，科學化的群體防護作為亦逐漸成形。
臺灣地震測報的未來發展
鑑於九二一集集大地震所造成的重大傷害，臺灣地區的地震觀測除了延續目前既有的觀測方式外，並積極進行幾項地震觀測儀器建置及更新的任務。
首先為寬頻地震觀測網的建置，寬頻地震儀為目前世界上最進步的地震觀測儀器，可提供研究地震以及活斷層更為理想的資料。因此，中央氣象局近幾年內將逐步更新配備有寬頻地震儀的地震觀測站，以完成新一代的地震觀測與研究。
第二個計畫為設置全球衛星定位系統，以連續監測臺灣地區地震前後的地殼變形。目前中央氣象局在臺灣地區共設有十六個全球衛星定位系統的永久站，並預計在五年內擴充至一百五十個。
氣象局接續地震速報計畫，未來將建置地震即時警報系統。此系統建立的觀念主要是運用電磁波傳遞的速度遠快於地震波，因此，在地震波尚未侵襲大都會區前，針對重大公共建設，例如捷運系統、高速鐵路或金融系統之電腦機組，事先告知已有強震發生，適時予以停機或採取必要的防災行動，將對地震減災上有很大的幫助。此系統的建置，目前也是臺灣地區地震觀測未來發展的一個很重要目標。
就地震科學觀點而言，地震預報技術迄今尚未成熟。然而分析全球過去發生災害性地震的特性，發現有些大地震在發生前可能會有一些異常地震活動，及一些異常的地球物理現象，如地殼變形等。因此，中央氣象局目前正與國內外地震學者合作，從事與地震有關異常現象之研究。該局並設有「災害性地震應變委員會」，主要成員為國內地震學者專家，若發現有異常之地震前兆，即邀集委員就地震異常現象做研判，如經確定有可能發生災害性地震時，即採取相關之應變措施。
