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应该取消地震局吗

 

老子说:“天地不仁,以万物为刍狗。”地震是对这句话最好的诠释。这位不速之客,你向它贡献、祈祷,都没用。它突然就来了,搞出许多动静,试图夺走你珍视的人和物。我们和它无法讲和,但又绕不开它,怎么办?要是知道它什么时候造访,让大家提高警惕就好了。

这样,两大门派应运而生。一派高调,相信地震可以预测,称在地震前,即可根据某些指标判定地震发生的时间、地点和震级,从而让周边生活的人们有充分的时间做应对准备,避免人员伤亡,减少财产损失。这听起来让人振奋,但除了一些传说,从来未见应验。

惩于预测派一次次被打脸,另一派低调多了,认为在目前的认识及技术水平下,要精确预测地震是不可能的,但在地震发生后,可以向受影响的人群发出预警信号,为大家赢得极短的应急准备时间,最大限度减少对生命的伤害和各种次生损害。预警派的设想已在日本实现。

地震减灾的预警与预测之辨,看起来是学术观点之争,但其实热衷于搞地震预测的基本上是一些做着爱因斯坦梦的民科(民间科学家),主流科学界并不认为他们的努力值得认真对待。不过,落到公共政策层面,我们有必要对预警与预测进行辨析,因为这关系到与地震减灾相关的公共资源能否得到合理配置,关系到民众的生命财产安全能否得到有效保障。


地震预警的基本原理

地震预警(Earthquake Early Warning)原理很简单。地震发生时,从震源发出两种体波(Body Wave):P波与S波,它们穿过地下岩石层到达地面。这两种波的行进速度是不一样的,地震仪只要探测到首先到达的P波,我们就可以推断地震的发生。

P波(P代表Primary或Pressure)主要源于对岩石的压缩作用。岩石被压缩后有一个回复力,导致其膨胀,这个压缩与膨胀交替的过程传播开去,就形成了P波。P波的性质与声波非常类似,均能在固体、液体和气体中传播,均是纵波(Longitudinal Wave),即振子来回振动的方向与波行进方向一致。这样,当P波抵达地面时,将引起建筑物上下震动。地震导致的P波典型的速度在每秒5至8公里之间。

S波(S代表Secondary或Shear)主要源于弹性岩石所有的剪切作用。岩石在剪切力之下扭曲,这种剪切和扭曲传播开去,就形成了S波。有点像抖动一端固定的绳子,绳子的扭曲会传播开去形成绳波一样。S波只能在固体中传播,是横波(Transverse Wave),即振子来回振动方向同波行进方向垂直。这样,当S波抵达地面时,将引起建筑物前后左右震动。S波的行进速度一般为P波的六成左右。

当P抵达地面时,S波只行进了60%的路程,还要比P波额外多花2/3的时间才能到达地面。这种速度差使得地震预警成为可能。P波是上下震动的,与地球引力方向大致重合,振幅小,因此破坏力小;S波是前后左右震动的,同地球引力方向大致垂直,振幅相对于P波大,因此破坏力大。这种悬殊的破坏力使得地震预警成为必要。我们以目前最成熟的日本地震预警系统说明之。


日本的“紧急地震速报”

日本是一个群岛,位于亚欧板块、菲律宾海板块和太平洋板块交汇的地方,地震频发。每个世纪,都会发生若干次极具破坏性的大地震,往往还会导致海啸,造成巨大的生命财产损失。就好比头顶上悬着一把达摩克利斯之剑,冷不防就掉下了。因此日本有很强烈的动机关切如何地震减灾,又有整洁、守纪律等东方民族优点,其在不断试错和调适中演化出来的地震预警系统,是目前全世界最精细、最成熟、最发达的。

日本的地震预警系统,日文为“紧急地震速报”,英文缩写为EEW(Earthquake Early Warning),由日本气象厅统一负责。在1995年阪神大地震后,日本决定推行面向一般公众的预警系统,投资了6亿美元,现行预警系统于2007年10月正式运行。日本也有专门面向写字楼和工厂的私营地震预警系统。如日本铁路公司早在二十多年前就自己搞了一个大规模的预警系统,当时高速的Nozomi子弹头列车刚刚投入运营。这反映了经济对地震预测的真实需要。私营预警系统的成功经验被政府的公众预警系统所吸收。

为了监测地震,日本气象厅在全国范围内放置约200个地震仪(Seismograph)及622个地震烈度计(Seismic Intensity Meter)。此外,日本地方政府和防灾科学技术研究所也在全国各地分别放置了2912个与777个地震烈度计。不论这些仪器的权属,日本气象厅从所有的仪器中实时搜集和汇总所有的信息。

地震一发生,当震源发出的P波经过两个及以上监测点,或者P波和S波先后经过一个及以上监测点,理论上就可以计算出震源和震级并测量出烈度。就日本气象厅而言,在地震刚发生后,它能够利用一个地震仪搜集的数据立即估算出震源、震级和烈度的最初数据;在地震发生后10秒,能够利用两至三个地震仪的记录数据来修正最初的估算;在地震发生后20秒,能够利用三至五个地震仪的数据来进一步让这些参数更精确。

必须说明一下地震烈度(Seismic Intensity)这个概念。烈度反映了我们感知到的地震。日本采用八度表(而非较普遍的十二度表)来衡量烈度(日文为“震度”)。0度无感;1度,一些安静待在室内的人有轻微震感;2度,灯会轻微晃动;3度,橱柜中的碗碟会作响;4度,没放稳的饰物会下掉;5低,没放稳(unstable)的家具会倾覆;5高,没固定(unsecured)的家具会倾覆;6低,墙面瓷砖和窗户会破会掉;6高,未加固的混凝土方块墙会塌;7度,加固的混凝土方块墙会塌。

如果地震烈度达到5低及以上,日本气象厅就会向一般公众发布预警,称为“紧急地震速报(警报)”,通过电视、广播、有线电视、无线电、手机、网络和卫星等各种可能的媒介传达到一般公众。如果烈度达到3度及以上,或者震级达到3.5级及以上,或者P波或S波振动的最高加速度达到100Gal(Gal为厘米每秒平方)及以上,日本气象厅则会向“高度利用者”(专业用户)发布预警,称为“紧急地震速报(预报)”,订户包括铁路公司、建筑工地、学校和医院等,需要有先进电脑终端专门用于接收预警信息。


地震预警的局限

地震预警当然不是万能的,也有局限性。第一,如果震源太近,可能预警来不及发出或刚发出,S波就来了,这样一般公众根本来不及做任何应急准备。这里有个内在矛盾,你越是离震源近,遭受的烈度越大,对地震预警的需求也就越大越迫切,但预警能为你提供的时间越少。反而你离震源比较远,遭受的烈度较小,对预警的需求没有那么大那么迫切,但预警能为你提供的时间反而多。这个大自然就是这么安排的,我们无从改变。

第二,地震预警假阳性的情况,让大家虚惊一场或遭受经济损失。日本面向专业用户的“紧急地震速报(预报)”自2007年10月以来的三年里,共发出1713次预警,其中有30次是假阳性,误报率为1.75%。许多误报是由于人为错误或仪器缺陷,这个原则上是可以不断改进的。但也有一个时间和精度的权衡问题,为了及时,降低一些精度在所难免。

预警有局限性,这就好比吃药,药效不是最理想,还有一些毒副作用,但权衡之下,治病救人要紧,也就不得不服用。


地震预警真起作用

根据震源远近的不同,日本气象厅发布的预警能为受影响的居民和专业用户争取到几秒到几十秒的时间,以最大限度地保护生命和减少各种次生灾害。一家人在就餐时收到预警,那就停止用餐,主妇关上煤气,防止引发火灾;打开门,以便在摇晃结束时撤出室外;一家人躲到桌子底下,保护好头部,以免被东西砸伤;可不能因为恐慌从门窗跳出去。当你在乘坐电梯时收到预警,就要让电梯在最近的楼层停下来,然后迅速撤出去。

当你在超市等大型公共场所收到预警,就要听从管理者的指令,蹲下来用双手或包包等护住头部;不要试图冲向出口,因为恐慌会传染,容易发生挤压踩踏。当你在开车时收到预警,不能突然减速或刹车而酿成车祸;应打开警示灯(Hazard Lights)提醒其他司机,然后慢慢减速。

地震预警对外科手术、建筑工地、化工厂和高铁等至关重要。如果外科医生正划开患者肚皮或正在给血管打结时突然遇到地震,那患者可能有生命危险;有了预警,医生就可以及时终止精细的手术。如果化工厂在营运中突然遇到地震,就可能发生有害物质泄漏及火灾和爆炸等;有了预警,就能关上管道阀门,紧急停止危险作业等,避免大事故。如果高铁在高速前进时突然遇到地震,就可能列车脱轨甚至飞出去,从而导致大规模人员伤亡;有了预警,就能迅速减速并停下来,避免大事故。

大家想必对2011年3月11日发生于日本列岛东北方向的9级地震(Tohoku Earthquake)并引发的大海啸记忆犹新。本次地震震中距日本最近的城市仙台约130公里,距东京约373公里。最初监测到P波的时间为14时46分40.2秒。5.4秒后,14时46分45.6秒,首次给专业用户发出预警。8.6秒后,14时46分48.8秒,首次给一般公众发出预警。45秒后,14时47分25.2秒,首次给东京地区发出预警信号。

正在仙台某大学上课的Kensuke Watanabe教授手机立马收到警报,指令学生躲到课桌下;预警后29秒钟,2时47分17秒,S波抵达仙台,整个仙台都在猛烈抖动;在摇晃过后,Watanabe和学生们安然无恙,撤到开阔地带。S波在东京预警后约45秒抵达东京。对仙台和东京的市民来说,本次预警分别赐予他们29秒与45秒的宝贵时间,有效地避免了人员伤亡和各种次生灾害。地震预警真起作用了!


日本经验被取法

日本地震预警的成功经验被一些地震多发国家和地区取法。如台湾在1999年“9·21”大地震后痛定思痛,大幅度提高了高铁的抗震性能,其高铁地震预警系统即是从日本新干线学习的经验。2010年3月4日8时18分,台湾高雄发生6.7级地震,预警系统立即发出讯号,正在行驶的6趟列车立即刹车,结果还差强人意,这些列车分别在19至82秒内刹住了车。

2013年1月,美国加州参议员Alex Padilla推动该州通过了立法给地震预警提供资金,预计花费8000万美元,与美国地质勘探局(U.S. Geological Survey, USGS)合作打造一个覆盖全州的公共地震预警系统。为了说服立法者,除了说加州有99%的概率在未来30年内发生6.7级地震之外,USGS援引日本地震预警系统在2011年3月11日Tohoku大地震中的出色表现。事实上,日本的成功经验被大量研究,如2011年9月美国宾州大学的Erika Yamasaki发表了论文《我们能从日本地震预警系统中学到什么》,详细解析了Tohoku大地震的整个预警过程。


为何地震不能预测

在地震预警稳打稳扎取得不俗进步的同时,通过地震预测来减灾的想法,早被主流科学界抛弃了。所谓地震预测,是指至少预测出地震发生的精确时间和地点。“加州有99%的概率在未来30年内发生6.7级地震”,就不是这个意义上的预测,范围和时间跨度太大。

对地震成因,过往有很多猜测。如中国古人有一种颇有想象力的看法,认为地震是沉睡的地龙惊醒后抖动的结果,这简直是对地震S波的形象化描述,不过S波是地震的结果,不是原因。现在较为一致的看法是,根据板块构造学说,板块之间会相对移动,板块交汇的地方有断层线,这提供了能量释放的薄弱环节。这些地方发生地震的概率要高些,但凭这些知识要预测地震几乎是不可能的。

预测地震为何不可能?第一,是地下的信息很难搜集。利用卫星只能搜集地表的信息,很难据此准确推断地下结构;监测天然地震的P波和S波是推断地下结构的一个主要手段。凭借这些信息很难描画出地下结构的精确信息,这样在没有精确信息下的建模精确度就会打很大折扣。

第二,即使能像精确搜集气压、气温、风和云的信息那样精确搜集到地下结构的信息,也不能精确预测地震。地下结构系统和大气系统都是复杂系统,一点点微扰、一点点参数的改变,结果大不一样。现在精确预测一周后的天气是不可能的,怎么能指望能精确预测到几周、几月甚至几年后的地震呢?

要预测地震,相当于在广州有几百万人口中,你只知道少数若干对夫妇的情况,然后要你预测今晚八点哪些夫妇会吵架。即使你知道每对夫妇的性格、脾气、观点和亲密程度等方面的信息,你就能预测今晚八点哪些夫妇会吵架吗?你当然会预计平时关系不太好的夫妇吵架的概率会大一些,但要预测他们什么时候吵架、会不会打起来,你有办法吗?


民科预测不足为训

有许多民科凭借地震前的“征兆”,如地震云和动物的异常行为等推断和预测地震的发生,中国2008年以来的三次大地震都有出现一些自我加冕的地震预测专家。

问题是,第一,这些“征兆”与地震之间的相关性(别说因果性了)并无确凿的根据。

第二,预测结果的假阳性占比太高,从而使得这种预测手段没有意义。你十几年如一日唱空中国房价,虽然过往你的预测全落空,但只要你一直坚持不懈唱空下去,终有一天你会对,但这能证明你有预测的能力吗?

我们可以用简单的Bayes定理来推断,民科预测地震的手段必定不靠谱。假设一种疾病某个监测手段准确度为99%(即有病的人99%能检测出阳性,没有病的人1%会被错检为阳性),这种疾病在人群中的发病率为1%,那在检测出阳性的人中,真正有病的人只有50%!

同样地,假设地震之前90%都会出现某个“征兆”(这样高频率出现的征兆并不存在),同时地震的发生率很低;不发生地震的情况下这个“征兆”出现的概率只有10%,那以这个“征兆”来推断地震的发生准确性将会低到可以忽略不计的程度。


地震预测“专群结合”

目前在中国,相信地震可以预测的人士还不少,这是有原因的。中国是世界上惟一把地震预测作为地震局工作职责的国家。这起于1970年代。1971年,成立了国家地震局,统一管理全国的地震预防工作。1972年,确立中国地震工作方针:“在党的一元化领导下,以预防为主,专群结合(即专家与群众相结合),土洋结合(即土办法与洋办法相结合),依靠广大群众,做好预测预报工作。”

由是,那时候的地震预测,很快变成了一场群众运动。民间的地震预测报告像赶集似的涌向国家地震局,群众观察到了各种地震“预兆”,如鸡、狗和鲤鱼等动物异常行为,颇为可乐,其精确度可想而知。如果不是1975年海城地震那一针强心剂,“群测群防”运动早就灰飞烟灭了,早就成为前三十年诸多笑料中的一个了。

1975年2月4日19时36分,辽宁海城发生了7.3级地震。在主震到来之前,辽宁省认为有大地震发生,对海城进行了紧急疏散,这就是被一些地震预测专家津津乐道的“成功预测海城地震”,“说明中国地震预测世界领先”,挽救了当时濒临危亡的“群测群防”运动。真相其实很简单,海城地震在主震之前有前震。当天凌晨,在营口、海城一带已发生了4.7级的地震。有前震的地震是很少的,1976年的唐山大地震就没有那么幸运了,一下子就把“群测群防”打回了原形。

不过,有了海城地震的“成功预测经验”,地震预测受到了高度重视。1975年12月,国家地震局由中科院代管升格为国务院直属。直到1980年代,地震预报差不多就是地震局的全部工作,地震预报室专门负责预报地震,是地震局内最重要的业务机构。许多经历过那个年代的都有过“躲地震”的记忆。上面说地震要来了,于是搬到开阔地带。但假阳性的比例实在太高,对生活和经济活动的伤害实在太大,官方也慢慢收紧了对地震预测的发布。


“群测群防”的式微

1988年,国家地震局发布《关于地震预报的规定》,将地震预报分为长期(几年到几十年)、中期(几个月到几年)、短期(几天到几个月)和临震(几天之类)四种,规定了地震预报的发布权限:长期预报由国家地震局发布;中期预报由国家地震局或省级政府发布;短期预报和临震预报由省级政府发布,“在时间允许的情况下”要经国务院批准。这是上收了地震预报的发布权限。

规定更有针对性的条文:“各级地震部门、地震台站及地震工作者、群测点及测报员以及任何单位或个人,在地震预报意见未经人民政府批准发布前均不得向外泄露,更无权对外发布。”这是收紧了“群测群防”擅自发布地震预报的权力,这让民间地震预测专家很不满。

1998年,国务院颁布了《地震预报管理条例》代替了上述规定,但仍延续了这种基调。将地震预报分为长期(未来十年内)、中期(未来一二年内)、短期(3个月内)和临震(10天内)四种,规定地震预报的发布权限:全国性的长期预报和中期预报由国务院发布,省级范围内的地震预报由省级政府发布。不过,鉴于地震预测是世界性难题,条例发布以来,未查阅到国务院和省级政府向社会公开发布的地震预报,只说而不做,这是明智的。

条例还规定:“任何单位和个人不得向社会散布地震预报意见及其评审结果。”从事地震工作的专业人员“擅自向社会散布地震预测意见、地震预报意见及其评审结果的,依法给予行政处分”,个人“制造地震谣言,扰乱社会正常秩序的,依法给予治安管理处罚”。“群测员”从条例中消失了,但在现实中没有消失,现在他们是民间科学家,经常遮遮掩掩地用暗语发布地震预报。

这些条文的变化,反映了官方对地震预测的态度日趋理性,日趋向科学界主流看法靠拢。只不过,收敛速度似乎还不够快。


地震局应从预测转向预警

2008年以来的三次大地震之后,基本上民间都有废止地震局的声音,因为在一些人眼里,地震局就是“地震预测”的代名词,是不科学和愚昧的,完全是浪费公帑。不过根据中国地震局2013年总预算40.87亿元,用于地震预测预报的支出仅为1.46%,从这个数字看,地震局用于预测的资源是象征性的,可忽略不计。

不过也有新的问题,地震局在某种程度上已蜕变为吃饭财政。中国地震局目前有2.3万员工,2013年四十多亿元的总预算,用于地震事业机构和行政运行的支出超过60%。其中投入基础研究的只有六百多万,但却有1.5亿用于保障房建设,保障的当然是他们的员工。

我们当然不希望地震局继续干没有意义的地震预测工作,也不希望地震局员工不干多少活却舒舒服服地吃着公帑。但真要裁汰这些人阻力一定很大。如果地震局能够从速把工作的重点和每年40亿预算的主要部分用于真正能救命的地震预警,地震局员工的工作就有意义了。地震预警才能为地震局找到说服纳税人、继续存在下去的理由。

现在有一场竞赛,自带干粮的民间机构借鉴日本等国的成功预警模式,颇有看头,有纳税人埋单的官方要是不赶紧,真说不过去了。

2013年2月19日,民间机构成都高新减灾研究所成功预警了云南巧家县4.9级地震,为周边地区提供了几秒到几十秒不等的应急时间。这是中国首度实现对破坏性地震的成功预警,对官方构成了一定的压力。

又根据中国地震局和福建省地震局的信息,“国家地震烈度速报与预警工程”目前已经进入发改委立项程序,计划投入20亿元,用五年时间建设覆盖全国的由五千多个台站组成的国家地震烈度速报与预警系统。

这场民间与官方的竞赛,无论谁跑在前面,都必将促进中国地震预警体系的建立与成熟。中国纳税人的境况必然更好,我们付出的钱将真正用在有价值的地方,我们的生命也将更有保障。中国有后发优势,可以低成本地向先进国家学习经验,拿来就用,惠而不费。 



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