地球科學

地震預警爭取黃金十秒

地震預警的科技逐漸成熟,配合建置廣播系統,並事先規劃好逃生路徑,可有效減少地震造成的傷亡。

撰文/李名揚

地球科學

地震預警爭取黃金十秒

地震預警的科技逐漸成熟,配合建置廣播系統,並事先規劃好逃生路徑,可有效減少地震造成的傷亡。

撰文/李名揚


重點提要
■台灣的現地型地震預警系統經過327及602兩次地震,證實了提前預警的功能。結合區域型地震預警系統,功能將更齊全,對全台都有保障。
■2014年1月開始,國家地震工程研究中心將把全台劃分為25區,展開地震預警示範計畫。


2013年3月27日上午10點03分,正是學校上課的時間,南投縣仁愛鄉突然發生規模6.2的地震。距離震央65公里的嘉義市港坪國小裝置的「強震即時警報系統」,在強烈地震波到達之前13秒就發出了警報聲響,緊急廣播「預估震度五級,請立刻進行避難疏散」,裝在走廊及穿堂的跑馬燈也打出警告字樣,全校師生立即停止上課,學生拿起放在椅背的橘色頭套包住頭部,一樓學生迅速而有秩序地跑到操場,二樓以上的學生則躲到桌子下方。


6月2日下午1點43分,在327地震震央西方6.2公里處,又發生了規模6.3的地震,這天是星期日,學校沒有上課,但包括港坪國小、花蓮縣光復國小、宜蘭國小、蘇澳南安國中、中正大學及一家參與系統測試的保全公司,都在強烈地震波傳到前9~24秒收到警報。


利用時間差進行預警


這套「強震即時警報系統」,是由國家實驗研究院國家地震工程研究中心(以下簡稱國震中心)所開發,經過327和602兩次地震實際測試,確實發揮了提前預警的功能。地震預警的基本原理,是在地震儀偵測到地震後,在強烈地震波到達之前提早警告民眾。


地震波可分為壓縮波(P波)和剪力波(S波),P波傳播速度較快(約每秒6.5公里),會使建築物上下振動,但破壞力較小;S波傳播速度較慢(約每秒3.5公里),會使建築物左右搖晃,破壞力較強。國震中心這套地震預警系統即是利用P波傳播速度較快的特性,計算即將傳到的S波強度與時間,如果震度超過某一標準,可能造成建築物毀損,就立即發出警報。裝置在學校的預警系統中包括了地震儀,以偵測當地的P波,屬於「現地型預警系統」。


除了國震中心,台灣大學地質系教授吳逸民也研發了一套現地型預警系統。其預警儀中的地震儀若偵測到地表垂直位移量超過0.35公分,預警儀會立即發出警報。根據他的研究統計,若P波造成的地表垂直位移量超過0.35公分,則隨後而來的S波震度有一半以上的機率超過五級,九成以上的機率超過四級。


目前吳逸民在全台灣佈建了400部預警儀(參見左上方圖),大多設在學校。在327大地震時,距離震央不到10公里的南投縣法治國小,在強烈S波傳到前1.65秒就得到預警,10幾公里外的桃源國小則在2.71秒前得到預警;而在602大地震,距離10幾公里的麒麟國小和地利國小也分別在S波傳到前1.84秒和1.22秒得到預警。


國震中心的現地型預警系統則包括兩部地震儀及一部電腦主機,可進行較精細的分析。國震中心研究員林沛暘指出,他們的地震儀不但可偵測地表垂直位移、速度、加速度的變化情形,還會偵測地表振動的頻率,因為地震規模與地殼斷裂面的長度有關,斷裂面越長,地震規模越大,而振動的頻率則會越低;另外也會偵測在上下、左右、前後三個方向的地表位移量隨時間變化情形,把這些資料與電腦主機中台灣歷史地震資料庫比對,就可分析其相關性。國震中心的預警系統因此可分析出S波可能產生的震度,準確度相當高,有八成以上機率誤差範圍會在正負一級以內。


這種確實研判地震震度的技術,使得國震中心可以進行客製化的預警。林沛暘舉例指出,宜蘭或花蓮位於東部外海地殼隱沒帶及中央山脈斷層帶之間,經常發生震度四級以上的地震,可以將預警儀設定為六級以上的地震才會發出警報,避免造成「狼來了」效應,因為太常發出警報而使人們對警報麻痺,在真的發生強烈地震時反而不為所動;而在很少發生四級地震、又有許多高樓大廈的台北市,則可以設定為四級,達到適當的預警效果。這套系統甚至可以預報不同樓層感受到的地震震度,讓高樓民眾能有心理準備。


國震中心除了佈建預警系統,還提供完整的地震預警方案,包括透過廣播及跑馬燈通知全校師生緊急避難。吳逸民的預警儀目前主要為研究用途,發出警報聲時,只有預警儀附近的人可以聽到。


國震中心到學校裝設預警系統前,必須進行實地考察,了解學生人數、教室分佈、各房舍的建築強度等,規劃出適合一樓學生逃出教室的動線,而考慮到預警時間通常只有10幾秒,因此二樓以上學生就地掩蔽而不逃跑;並透過反覆進行的防災演練,教導學生正確逃生以及保護自己的方式。


此外,國震中心也會為學校裝設獨立的廣播設備,一旦預警儀發出預警,就直接以這套廣播設備播送警報,同時搭配強烈閃光,以及放在穿堂或司令台的字幕機,務求確實把地震預警傳達給每一個人。


互通有無,有效運用


2011年日本福島大地震時,遠在373公里外的東京地區能在強烈地震波傳到前一分多鐘就接到警報,則是利用「區域型預警系統」。區域型預警系統的原理,是利用最接近震央的數個地震站接收到P波訊號後,電腦計算出震央的位置、深度、規模等資訊,並推算出強烈的S波傳到各地的時間,以對這些地區發出警報。


台灣的中央氣象局在各地震站佈建有監測地震的強震儀,當震央附近的3~5個強震儀先後接收到P波訊號後,會持續接收訊號10秒鐘,再根據這10秒的P波訊號進行計算,從地震發生到算出結果,大約需耗時18~20秒;然後透過適當管道發出預警,目前的做法是將預警訊號傳送到國震中心的現地型預警系統同一部電腦主機,只要現地型和區域型其中一套系統發出預警,就立即透過廣播及字幕機向全校播放警報。


吳逸民佈建在全台的400部預警儀也兼具區域型預警系統的功能,只要有八部距離震央最近的預警儀都接收到P波訊號,就馬上傳回台大地質系的電腦主機進行計算,而不必持續接收訊號10秒鐘,以此來縮短預警時間。這套系統在地震發生後12~20秒可以算出結果,並立即把訊號傳到400部預警儀,發出預警。


和現地型預警系統相比,區域型預警系統的準確度更高,而且對距離震央較遠的地區發出預警的速度也更快,可以幫民眾爭取更多的逃命時間,這也是為什麼國震中心和吳逸民的系統都要兼具現地型及區域型兩種預警方式的原因。




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