地震预测预警等级风险评估与分区分级发布方案的研究*

2010-01-26杨马陵沈繁銮陈大庆曾春梅

灾害学 2010年4期

杨马陵，沈繁銮，陈大庆，曾春梅

(1.广东省地震局，广东广州510070;2.海南省地震局，海南海口570203)

0 引言

世界各国处理和解决非确定性突发灾害的实践表明，采取预警技术对灾害实行分级防御是一种有效的减灾方法。近年来，预警的思想和模式已在我国各种突发社会事件、自然灾害、经济运行等社会公共安全领域得到了广泛的应用。我国的地震学者也提出许多有关地震预警的建议和设想［1－7］。

本文从地震预测预警的思路和要达到的减灾目的出发，提出了发布预测预警的原则和预警等级的划分，研究了地震预测预警等级的风险评估方法和分区分级发布方案，并以曾经不同程度做出过震前预报的几个实例，对所提出的发布方案进行了案例分析和检验。

1 地震预测预警的思路和预警等级

1.1 地震预测预警的思路

所谓地震预测预警是指在地震灾害事件发生前，向社会发布的一定时间和空间范围内可能发生地震灾害的警告。其目的是通过警告性信息，提醒社会公众采取一定的预防措施，避免和减少破坏性地震事件所造成的灾害。

预警技术的思路是通过对社会发布不同的预警等级，从而达到对灾害实行分级防御的目的。对于地震预测预警而言，就是根据对可能发生地震的预测意见，依照发生的紧迫程度、预测的可信程度和可能造成破坏的程度等因素，划分成不同的预警等级，并给出针对不同发布对象的防震措施建议。通过发布地震的预测预警等级，可以向社会提供可能发生破坏性地震的信息，并通过不同防震措施的实施，起到稳定社会并最大程度减轻地震灾害的作用。

1.2 预警等级的划分与发布原则

参照国家突发性公共事件的预警等级，地震预测预警的等级可划分为4个级别。一级为最高级别，代表地震发生的时间性最为紧迫、震兆信息最为可靠、遭受严重破坏的概率最高，所应采取的防范措施最强。以此类推，四级则最低。也可按通常的灾害预警等级的颜色表示法，分别赋予一级、二级、三级和四级为红色、橙色、黄色和蓝色预警等级。

预测预警的等级实际上代表了在预期的破坏性地震发生前，社会将采取的防震措施级别。由于地震预测的不确定性和社会对预警信息反应的复杂性，在发布地震预测预警信息前，应当对确定的预警等级进行风险评估。

根据地震预测预警的思路，发布预警信息的目的是，在尽可能降低社会影响的基础上，合理防范可能出现的地震灾害，最大程度地减少可能的人员伤亡。由此确定发布预警的两项基本原则。

(1)灾害损失最低原则

设Si为灾害损失，有

式中:1～4分别对应以下的情况，1对应发布预警，未发生地震的灾害损失;2对应发布预警且等级正确，且发生地震;3对应发布预警但等级不对，且发生地震;4对应没发布预警，但发生地震。

不同情况下的灾害损失可用文献［8］给出的方法，用预警区的GDP损失和人员伤亡估计。

(2)预期代价最低原则

设Sii为代价，有

式中:S11为发布预警的代价，由预警信息可能给预警区带来的停工停产损失估计;S12为发布预警可减少的伤亡和破坏的代价，可由预期地震强度，预警区抗震设防烈度、人口和经济数据等因素综合估计。

1.3 预警等级的风险评估指标和方法

由于面临不同的地震紧迫性、不同的地震破坏性以及不同的预测概率，发布预测预警等级信息后所采取的防范措施也不相同。因此，发布的预测预警信息中必须包含时间紧迫程度、地震破坏程度和预测可信程度三个因素。根据我国几十年地震预报、震灾预防等多方面的理论与实践，提出地震预测预警等级的三项风险评估指标。

紧迫度指标T:未来可能发生地震的时间尺度(d)。对地震发生时间的预测有长期、中期、短期、临震等几种尺度。而地震预测预警只是对即将来临的地震灾害事件的警告信息。心理学的研究发现，接收信息的初期对人的心理影响最大，随着时间的推移，记忆将遗忘得很快。长时间尺度的地震预警，初期的恐震情绪不仅将影响社会、经济和生活的正常秩序，且易造成非地震人员伤亡和财产损失;而后期的遗忘和逆反心理则容易导致对地震的轻视麻痹。考虑目前地震预测的水平和社会公众的心理承受能力，其时间尺度应以不严重影响社会正常秩序为最低底线。我们的研究认为对不同的预警等级的时间紧迫指标T在7～180 d内较为适合。

破坏度指标P:单位尺度上遭受地震严重破坏的概率。该指标是Pm和PL两个变量的几何平均。

式中:Pm为预测震级范围内能够造成房屋倒塌的震级所占的比率;PL为预测区域内发生最大预测震级造成的单位尺度倒塌比率，当Pm或PL大于1时取1。

地震烈度I或地震动加速度α与地震的震级M和震中距离r有经验关系，即烈度或加速度的衰减关系，一般表述为:

根据预测区域的基本抗震设防烈度或加速度(城市为50年超越概率10%的设防要求，对一般没有设防要求的农村，可按照低于烈度Ⅵ度、加速度0.05 g考虑)，以高于设防烈度2度或高于设防加速度4倍为造成房屋倒塌的烈度或加速度，代入预测区的烈度I或加速度α的衰减关系，即可计算出能够造成倒塌的最低震级，并预估出最大震级所造成房屋倒塌区域的长度或面积，进而计算出Pm值和PL值，并最终得到破坏度指标P。

可信度指标R:地震预测意见实现的概率。该指标是对地震三要素预测方法效能、震兆强弱程度和异常可靠性的总体评价。可使用层次分析、模糊集值评价等方法，根据不同的地震预测方法的异常指标等计算得到。可信度指标的定性描述为，可信度很高、较高、高和一般，对应的定量指标分别为R=0.8、0.7、0.6、0.5。也可以采用下述方法进行计算。

参考层次分析的层次结构，将准则层设为时间、震级、地点三项，指标层为各预测方法。指标层某参量的计算方法为:该预测方法的效能或评分(0～1)与对最终预测范围的支持度(0～1，即最终预测范围与该方法预测范围的交集除以该方法预测范围)的乘积，通过同类指标层各参量的直接相加得到各准则层的参量(超过1时取1)，而目标层R值则取准则层三个参量的几何平均值。

2 预测预警的分区方案

2.1 预测预警的分区原则与方案

发布地震预测预警的分区方案可以有几种，例如:考虑地震活动规律和预测经验，按构造片区划分;考虑地震承受能力，按多震与少震或强震与弱震分区;考虑伤亡情况，按人口稠密与人烟稀少区分;考虑社会影响，则按城市(含工业区)与农村进行分区等。

我们认为，通过分区应该使预警等级的划分和相应防震措施的规定更合理，更容易提高预警的社会和减灾效益。因此，分区的原则应该是:综合权衡发布预警给不同区域带来的社会影响和代价，尽可能减少的人员伤亡和经济损失的比例。

考虑到地震预测的经验已反映在可信度指标R内，而地震承受能力(主要是房屋倒塌)标准是相对统一的，再者人多、人少对于可能减少的人员伤亡比例与预警发布后可能付出的代价，两者基本成正比(如，人烟稀少地区，预警发布所能减少的人员伤亡数目少，但预警等级的偏差影响和付出的代价也小)。但是从社会影响程度考虑，对城市及工业区或农村地区，发布预警所带来的影响和冲击却大不相同。因此，我们考虑预警分区方案应为:①城市(县级及其以上城镇)及工业区;②农村地区。

2.2 预测预警的分区分级发布方案

根据发布预测预警的风险指标，考虑我国现阶段地震预测的能力和水平，结合一些已有的地震预报成功和失败的震例经验，建立了以下的强震预测预警等级的分区分级量化方案(表1)。

表1 预测预警等级与分区量化方案

2.3 预警等级的发布对象和防范措施

发布预测预警等级是为防范可能的地震灾害所采取的应对决策服务的。考虑到发布预警等级后可能产生的社会影响，不同预警等级所针对的发布对象应该有所区别。为此，设计出不同预警等级所对应的发布对象和防范措施概要(表2)，其中预警等级高的防范措施要累加级别低的措施。例如预警等级为一级时，要采取的措施包括从四级到一级的所有措施。

表2 预测预警等级的发布对象和防范措施概要

3 案例分析

对以上的分区分级预测预警方案，进行已有震例的案例分析和检验。

3.1 辽宁岫岩5.4级地震

1999年11月29 日，辽宁省岫岩县偏岭镇与海城市孤山镇之间交界处发生5.4级地震，辽宁省地震局在震前提出了准确的临震预测，省政府就此做出果断的决策，对可能的地震极震区发布临震预报，并采取了适当、合理、正确的应对措施，最终取得了很好的减灾实效。

作为典型案例，从预测预警的角度进行分析。最终的预测意见为:震级5.5～6.0，区域尺度16 km，时间是临震尺度(≤10 d)。根据该地区地震活动规律和前兆异常的充分性，给予该预测意见的可信度R值为0.7。预报区主要是农村地区，地震设防烈度为Ⅶ度，设防加速度为0.1 g，烈度衰减关系采用I=2.401+1.586M－1.429ln(r+15)。由于农村地区房屋多数未按标准设防，因此抗倒塌烈度取为Ⅶ度强。计算得到破坏区尺度为8 km，破坏起始震级为5.8级，可得到PL=0.5、Pm=0.5、破坏度P=0.5度，按照预测预警发布方案(表1)，应发布预警等级为一级。

如果没有按照省政府要求缩小预报区域，根据省地震局的短临预报卡片，预测震级为5.0～5.9，预报区尺度为100 km，预报时长为10 d。假定该预测意见的可信度R值为0.8，计算得到PL=0.08、Pm=0.2、破坏度P=0.13，按预警等级方案(表1)，应发布的预警等级为二级。实际上，对发布一级预警地区的外围区域，应该采取二级、三级预警的防范措施。

3.2 甘肃民乐6.1级地震

2003年10月25 日甘肃民乐6.1级地震前，甘肃省地震局提出“未来3个月内甘肃及边邻地区，尤其是祁连山中东段、甘东南等地震重点危险区存在发生6级左右地震的可能”的预测意见，并在震前半个月进一步缩短了预报期限。政府及时采取了包括加强地震监测、检查应急预案和应急设施、准备救灾(援)物资等措施，在地震发生后取得很好的社会及减灾效果，这也是一次地震预警的成功实践。

从预测预警的角度进行分析，设预测震级为5.5～6.5，预测危险区的尺度为260 km，预测时间为30 d，预测可信度R=0.8，危险区内除民乐县城(设防烈度为Ⅶ度、设防加速度为0.15 g)外，绝大部分为抗震能力很弱的农村地区，取抗倒塌烈度为Ⅷ度半。计算得到破坏区尺度为8 km、破坏起始震级为6.3级，则PL=0.03、Pm=0.3、破坏度P=0.095，按照预测预警发布方案(表1)，应发布二级或三级预警。若能缩小危险区和预测时间尺度，则可发布一级预警。

3.3 新疆伽师6.8级地震

2003年2月24 日新疆伽师6.8级地震前，新疆地震局提出“3个年度危险区已随时可能发生6级以上地震”的预测意见。但上述预测意见，对于政府是无法进行震前应急准备的。但如果能够缩小预报区范围和时间尺度，按照预测预警的思路与理念，仍应该是有所作为的。

设预测震级为6.0～6.9，预测区平均尺度为200 km，预测时间为30 d，预测可信度为0.8，危险区主要是农村地区。取抗倒塌烈度为Ⅷ度强。计算可得到破坏区的尺度为22 km、破坏起始震级为6.4级，则PL=0.037、Pm=0.5，于是破坏度P=0.14，按照预测预警等级方案(表1)，应发布二级预警，若能进一步缩小危险区范围和预测时间尺度，则可发布一级预警。

3.4 辽宁海城7.3级地震

1975年2月4 日19:36，辽宁海城发生7.3级地震，震前辽宁省地震部门于4日零时向省政府发出了“辽宁海城—营口将要发生大震”的预测意见，省政府于上午10时发出通报，要求落实防震、抗震工作，县、公社(乡)则动员人员离开房屋进行避震。这是我国首次实现的对7级地震的成功预报，联合国确认海城地震预报是人类第一次，也是惟一的一次对强震作出的准确临震预报。

按照预测预警的方法进行分析，设预测震级为6.5～7.5，预测区尺度为100 km，预测时间为7 d，预测可信度为0.7，预测区域属于城市及工业区，设防烈度为Ⅶ度。取抗倒塌烈度为Ⅸ度，计算得到破坏区尺度为51 km、破坏起始震级为6.6级，则有PL=0.51、Pm=0.9、破坏度P=0.68，按照预警等级方案(表1)，应该发布一级预警。

综上所述，对1999年辽宁岫岩5.4级地震、2003年甘肃民乐6.1级地震、2003年新疆伽师6.8级地震和1975年辽宁海城7.3级地震的案例分析和检验结果，说明了本文提出的预测预警等级、分区发布方案基本是合理的。