地震防災：分秒必爭的地震預警技術
103/06/06
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林沛暘｜
國家實驗研究院地震工程研究中心
林哲民｜
國家實驗研究院地震工程研究中心
地震預警分秒必爭
臺灣位在環太平洋地震帶上，由於歐亞板塊與菲律賓海板塊邊界的碰撞擠壓，地體構造活動頻繁，地震活躍。根據中央氣象局的資料，臺灣平均每年發生1萬8千起以上的大小地震，其中約有1千起是有感地震，而芮氏規模6以上大地震的每年平均發生次數也達3次。這些大規模地震發生的位置若鄰近人口密集區，就易造成嚴重災害，甚至可能是千人以上的傷亡，以及無法估計的經濟、財產損失。
由於地震發生在地底下且成因複雜，雖然有許多間接觀測地震前兆的研究，但現階段科技尚無法準確預測地震的發生。而地震一旦發生，地震波傳遞快速，反應時間有限，導致地震不似天候觀測能達到氣象預報的階段。因此，地震預警技術就是希望能在以分秒為單位的有限反應時間內，提早一步發出地震訊息，爭取保障民眾生命財產安全的機會。
地震預警原理
地震波分為體波與表面波兩種，體波又分為Ｐ波與Ｓ波。Ｐ波振動模式是縱波（壓縮波），在地層中傳遞速度約每秒6.5公里；Ｓ波振動模式是橫波（剪力波），速度約每秒3.5公里。Ｓ波一般來說振幅較Ｐ波大，且其水平向振動對於房屋結構破壞性較強，是造成地震災害的主因。表面波傳播速度則又慢於Ｓ波，因包含較多水平向長周期能量，也會對結構物產生影響。
地震預警就是利用地震Ｐ波與Ｓ波的速度差，透過及早偵測首先達到的Ｐ波進行判識，在破壞性高的Ｓ震波到達前的很短時間內發出預警訊息，讓大眾立即避難減災。
根據前述原理，地震預警技術可分為區域型與現地型兩種。區域型地震預警是利用多個測站組成的地震監測網，在地震發生後，先對距離震央較近的甲地測站觀測到的震波進行分析判別，並透過多個測站的到達時間差定位，推估地震規模、距離等震源參數，提供距離震央較遠的乙地地震預警訊息。也就是說，區域型地震預警是利用震波到達甲地與乙地的時間差，達到地震預警的目的。
現地型則僅利用單一地震儀，在觀測到初達Ｐ波時快速推估震源參數，計算Ｓ波抵達時可能造成的地動大小，進而對現地位置發出地震預警訊息。基於兩種地震預警形式的差異，區域型能提供較正確的地震資訊，現地型則能較迅速發出地震訊息。
日本的發展情況
地震預警的可能性早在19世紀末就提出了，但直到20世紀後期由於觀測技術及電腦計算能力的提高，地震預警技術才開始受到各國注意，其中又以美國、日本、墨西哥、我國等幾個地震災害嚴重的國家投入最早。
由於早期在發展新幹線高速鐵路時的需要，以及1995年阪神大地震嚴重傷亡的教訓，日本是現今在地震預警領域投入最多，也是實際應用最廣的國家。
日本新幹線的UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）預警系統在鐵路沿線安裝地震儀，任一測站偵測到地震Ｐ波就判斷地震震源參數。當推測震動大小會超過特定門檻值時，便立即針對受影響路段自動停駛列車，確保列車及乘客的安全。
此外，日本氣象廳從2007年起開始透過各種傳播媒體向社會大眾發布即時地震預警訊息，並結合數個地震觀測機構共同推動地震預警的技術發展、民間推廣、商業應用等。這些地震預警系統都已在2011年311大地震及其他許多地震期間成功地發揮功能。
臺灣的發展情形
在臺灣，中央氣象局從1990年代初開始致力於發展強地動觀測網。首先，在全臺設立75個地震觀測站，建立網路即時傳輸功能，並逐步增加到現在的110個，配合地震測報中心的即時分析能力，建構成一強震速報系統。
氣象局的強震速報系統可在地震發生後1～2分鐘內自動定位出地震位置，推估地震規模、全臺震度分布等資訊，透過網路及媒體向社會大眾公布地震訊息。
接著，氣象局以地震速報系統為基礎，於2004年開始發展強震即時警報系統，利用其即時強震訊號以區域地震子網或虛擬子網的方式，透過近震源區域測站快速推定出地震資訊，可把計算時間縮短至20秒內。透過這區域型地震預警模式，可對距離震央70公里外的區域發出有效的地震預警訊息，並隨距離遠近爭取到不同長度的反應時間，進而減輕地震災害。
氣象局區域型地震預警系統，已經與教育部合作，目前已於全臺3,344所中小學安裝強震即時警報接收軟體，做為各校地震緊急應變之用，但後續仍需持續進行警報軟體與廣播系統之界搭，確保師生能在第一時間收到警報訊息，並配合地震防災演練作避難疏散，以保障師生安全。
不過，臺灣南北長約400公里，東西寬僅約150公里，幅員小但人口密集。區域型地震預警僅對震央70公里外的地區有效，70公里內則屬於地震預警的盲區，無法在強震波到達前收到地震警報。一旦大規模地震發生於島內，如民國88年的921集集地震，臺灣將有大半範圍是位於盲區內，而近震央區域卻又是地震動最強、災害最嚴重的地區。因此，快速且預警盲區較小的現地型地震預警技術也成為臺灣地震預警發展的重要一環。
傳統地震定位是利用至少3個測站觀測到的至少4個Ｐ波或Ｓ波的到達時間，透過震波行走時間與測站距離的關係，推算地震發生時間及震源位置，因此區域型地震預警在等待多個測站資料及分析過程中都需花費一定時間。現地型地震預警為了加速分析時間，只利用單一測站Ｐ波資料進行推估，以Ｐ波與Ｓ波的速度差爭取地震預警時間。
地震規模的大小與震源破裂的範圍有關，破裂範圍越大規模越大。假設破裂速度相同，則破裂範圍越大其產生的震波周期越長，也就是震波周期與地震規模有正相關性。
在透過大量歷史資料迴歸分析後，就可建立其經驗式。利用前3秒Ｐ波的主要周期推估地震規模，再利用地震規模、前3秒Ｐ波最大位移和震央距離的經驗迴歸式推估出震央距離。最後就可把地震規模與震央距離代入地震動衰減律中，預測測站所在位置的可能地表最大加速度及抵達時間，提供完整的現地型地震預警資訊。這種現地型地震預警模式可在Ｐ波抵達後的數秒內就發出預警訊息，大幅縮小預警盲區，可與區域型地震預警相互配合。
研發整合與應用
為了推動地震預警系統的研發整合與應用，由國家災害防救科技中心、國家地震工程研究中心、國家高速網路與計算中心組成研發團隊於民國97年進行先期規畫，98～100年執行整合型計畫，推動體制規畫、通訊管道評估與傳遞測試，以及現地型強震即時警報系統技術的研發。
初期在實驗室進行雛形系統建置與測試，把理論變為實際的系統，可以偵測地震並提出預警。以921集集地震進行測試，現地型地震預警系統依震央遠近，可以提供數秒至數十秒的預警時間，並透過自動化廣播、跑馬燈、電視插播等方式通知用戶避難，同時自動開啟大門、停妥電梯、開啟逃生動線指示燈、關閉瓦斯等自動化減災措施，大幅減低地震所造成的傷亡。
在實驗室驗證完成後，研發團隊便與中央氣象局共同進行技術整合及應用推廣，陸續在臺北市、宜蘭縣、花蓮縣、嘉義縣市挑選了9個學校建置示範站，結合區域型及現地型地震預警資訊，如果預估震度超過預設的門檻值，立即啟動專用廣播系統、跑馬燈，通知學校師生採取緊急避難措施。
由於地震預警系統所能爭取的時間有限，而且越靠近震央預警時間越短暫。以近幾次的地震來說，離震央約五、六十公里也只能爭取十幾秒的預警時間。雖然時間很短，但能發揮很大的功效，例如捷運列車或高速火車能夠及時減速、維生線或瓦斯管線能夠自動關閉、工廠的生產線可以及時停止運轉，或電腦硬碟的讀寫動作可以立即停止等。因此，如何讓這十幾秒的預警時間發揮作用，便是這套系統成功與否的關鍵。
在學校的示範站硬體建置完成後，研發團隊一一勘察各個校園結構與逃生動線，為各校擬訂地震防災演練劇本。配合這套系統每年進行防震演練，確保師生能把握這短暫的預警時間採取正確的應變作為。
經過這些年的演練，示範學校都能在預警時間內，使1樓的師生依照預設逃生動線撤離教室，2樓以上師生先躲到安全位置掩蔽，待主震結束後再離開教室。依據921集集地震的經驗，1樓教室倒塌機會最大，2樓以上教室通常都能有較完整的避難空間。地震時只要師生能依照地震防災演練完成動作，便能大幅減低地震所造成的傷亡。這系統於2013年3月27日及6月2日南投地區兩次地震都成功發揮作用，逐步讓大眾認識這套系統的功效。
相對於日本來說，臺灣地震預警的技術難度較高。日本的地震多發生於外海，離陸地至少數十公里遠，因此預警時間比較長。以311東日本大地震為例，其震央離東京200公里以上，因此有超過1分鐘的預警時間。然而臺灣的災害型地震如921集集地震，震央都在島內，距震央百公里內都是重災區，有效預警時間較日本短很多，使臺灣在地震預警系統的推動與發展上面臨了更大的挑戰。
考量預警時間短暫，需要最有效的應用，因此研發團隊預計與產業界合作，在全國國中小建置地震預警示範系統，把相關技術實際轉移至產業界，運用其力量使這套預警系統的成本降低，並能長時間地維運。而最重要的是在這些國中小推廣防災教育以及地震防災演練，實際使這套系統落實於地震防災中。
防災為先
在東日本大地震後，許多民眾期待臺灣能像日本一樣，把地震預警系統逐步推廣至住宅、車站、醫院、廠房，甚至是每個人的智慧型手機裡。
然而，在努力提升地震預警技術，以滿足更多使用者需求的同時，是否也該問問自己，如果現在收到地震預警訊息，是否知道自己該做什麼？地震預警系統可以提供寶貴但短暫的預警時間，建築物結構是否能撐過地震而不倒塌才是真正的關鍵。因此，必須注意建築物結構的安全與耐震性能，再透過地震預警系統爭取預警時間，並加強防災教育與防震演練，地震所造成的威脅便可以大幅降低。
