灾害

对地震预报的一些看法

看到吾无五物写的“从天气预报到地震预报”的文章,想起周秀骥院士5月20日在中科院地学部举行的汶川地震院士座谈会上关于天气预报的精彩分析,这段时间又恰好聆听了陈颙院士对地震预报的见解,觉得比较这两种预报非常有意义,为了更好地理解地震预报所处的阶段,我们不妨回顾一下气象预报走过的路程。(根据陈颙院士的分析整理和扩展而成)

天气预报

17世纪以前,天气预报(这里指短期的气象预报)主要也是停留在观察天象(例如华北地区的“旱刮东风不雨,涝刮东风不晴”这个谚语)、物象(例如蚂蚁搬家,燕子低飞)的经验性预报阶段。

17世纪以后,温度表和气压表等气象观测仪器相继出现,气象台陆续建立(一开始是单台,后来发展为气象台网),人们开始根据气压、气温、风、云等要素的变化来预报天气。今天,天气预报已经走上了物理预报的道路,取得了很大的进步。在一些先进国家,24小时的降雨预报,可以给出某一地点降雨的时间和强度,除偶尔失误外,基本准确。这种进步,主要归功于两个方面的因素:

一,天气图。自从100多年前欧洲出现第一个气象观测台网,编制了第一张天气图开始,人类对于大气的观测就进入一个新的时代。利用天气云图,以及高压区不会下雨,低压区可能下雨等科学认识,天气预报进入了物理预报的时代。至今,全世界成千上万个气象台,每个台都可以得到实时的全球观测资料,对天气演变的分析也从二维发展到了三维(图1);

二,数值天气预报。20世纪50年代以来,动力气象学原理、数学物理方法、统计学方法等广泛地应用于天气预报。大气运动的规律(湍流除外)已基本清楚,大型计算机可以快速求解大气运动方程,进行数值预报。

天气预报的进展就建立在这些坚实的科学基础上面,尽管如此,目前的天气预报也难做到完全准确,好的预报也只能达到70%-80%的准确率。

图1 我国风云二号气象卫星发射回来的中国大陆的云层照片,正常的气象服务每个小时一张照片传回地面。(图片来源:中国气象局网)

地震的短期预报

地震的短期预报比天气预报困难要多得多,我认为主要的原因是现阶段还无法实时得到 “地下云图”。

虽然从20世纪60年代开始,美国率先建立了世界标准地震台网WWSSN,将单独的台站发展为台网,可以让全世界在最短的时间内获取地震的发震信息。但是地震台网主要得到的是震后(而非震前)的资料,没有大的天然地震,人们很难研究清楚地震的机制和原理,这可能也是地震研究的无奈;不巧的是天然地震发生的频率低(图2),发生的时间和震源位置不精确(定位精度存在较大误差),因此台网对地震的监测目前还属于“被动”阶段,利用天然地震很难得到精确的关于地下结构及其演化的“地下云图”。虽然石油勘探界可以利用4D地震获取地下油气的运移状态,但是探测区域及其有限,成本相当高,无法用于监测深达几十公里、上万平方公里区域的地下结构及其变化(天然地震震源深度通常为几十公里,而且和地震密切相关的活断层通常也有几百公里长)。

图2 中国≥6级地震震中分布(公元1949-2000年)(图片来源:人民教育出版社课程教材研究所.2004.普通高中课程标准实验教科书 地理 选修 5 自然灾害与防治[M].北京:人民教育出版社)

利用GPS或遥感得到的也只是地面(而非地下)的信息,很难据此准确推断地下结构。这也就是大家所说的“上天容易入地难”。经过长期的构造变迁,地下岩石中充满了各种尺度的断层、节理和褶皱,它的运动规律远比大气更为复杂。在不同的地理构造环境、不同的时间阶段,不同震级的地震都显示出相当复杂的孕律过程。也就是说地震预报的经验很难从这个地区“拷贝”到另一个地区。

地震的发生具有“成串性”。在一串地震中,震级最大的地震为主震,紧随主震且震级小于主震的地震都称作余震,主震之前发生的地震称为前震。对于有前震的大地震(如1975年海城地震),有一定的预报能力。而对于没有前震的大地震(如1976年的唐山地震以及这次汶川地震),预报则变得十分困难。全世界的统计资料表明,有前震的大地震占大地震总数的比例不到十分之一。

所以,目前还不能不用经验性的预报方法。经验性预报主要也是通过分析过去已发生的地震,寻找其中的统计规律,并用于预报以后的地震。但是用经验性方法预报地震比经验性预报天气还要难,主要是因为对于一个地区(特别是对于震中区域)来说,地震发生的重复性时间是很长的,几十年、几百年或者上千年都有可能,而进行科学研究的话,都有统计样本。地震的统计样本要比天气预报少得多。

正因为地震预报尚处在经验性预报这个阶段,就会伴随着两种特定的现象:

一、动物的异常行为、奇特天象等所谓地震的宏观前兆异常问题(图3)。从1966年邢台地震至今的40多年里,国内外许多人对此进行了生物学机理、生物特出感知功能、地磁场触发原理等研究。但是到目前为止,这些宏观异常都缺乏十分确凿的科学依据。从另外一个角度说,即便这些异常迹象可以作为预报地震的参数,地震监测人员也不能仅仅依靠某一个单独的异常事件做出地震预报,因为这种异常可能只对应极小的发震几率。一旦误报地震,损失往往同样惨重。

二、出现了一批基于经验性预报的业余预报员。他们的探索精神值得钦佩,他们的研究值得鼓励和支持,但是他们应该认识到经验性预报的局限性,应该认识到预报结果的社会性,肩负科学探索和社会责任,谦虚谨慎,积极加强与专业预报员的合作。

但是可以相信如果地震预报像天气预报一样,从经验性过渡到物理性预报,以上两种现象就会慢慢消失。

图3 地震前的动物异常。(图片来源:许根顺摄 《全国地震美术书法摄影展作品选》)

地震的长期预报

和短期地震预报不同,地震的长期预测是可以实现的,这主要基于地震学家对断层和地质构造的研究(图4)。地震的长期预报比气候预报(气象的长期预报)要强,这是因为大地震发生的地点一定与大的地质构造有关,一次8级大地震不会发生在像鄂尔多斯地台这样的稳定的地质单元。人类对于断层等地质构造的研究已经有几百年的历史,这些知识提供了地震长期预报的基础信息。而对于气候预报来说,明年多雨少雨,洪涝发生在何处,判断则很困难。

图4 中国主要构造分布略图(图片来源:人民教育出版社课程教材研究所.2004.普通高中课程标准实验教科书 地理 选修 5 自然灾害与防治[M].北京:人民教育出版社)

如果我们把地震预报分成:以预测未来大地震发生地点为目标的长期预报,和以预测未来大地震发生时间为目标的短期预报。从1956年第一个全国中长期科学技术规划开始,我们在长期预报方面取得了明显的进步,地震参数区划图的问世就是最好的例子(图5),当然这些地震参数区划图也会随时间不断地进行修正和改变。而在短期预报方面,我们还有很长的路要走,也许要几代人坚持不懈的努力。用周秀骥院士的话说“科学急不得,就像100多年以前要求天天作气象预报,也是不可能的。我强调要把科学基础不断提高。”

最后,以美国地震学会通报(BSSA)对海城地震预报的评价作为结束:尽管海城地震的预报集合了迷惘困惑、经验分析、直觉判断和良好运气,它毕竟是第一次在实践上没有以失败而告终的大震预报的尝试。

图5 中国地震动峰值加速度区划图(图片来源:《中华人民共和国国家标准GB18306-2001中国地震动参数区划图》)

更多阅读:陈顒:以地震科技工作者的眼光审视汶川大地震

2 thoughts on “对地震预报的一些看法”

  1. 老弟,我觉得现在的地震研究走到误区,走上了歧路,几乎所有的研究都在跟着地震走,所有的成果都是基于震后的地震地质背景上,确切地讲,现在的研究是震后研究,其成果对震后有实际意义,而对预报毫无用处。
    至于天气预报的突破,在于气象卫星,更在于云图反映了天气的实质。而地震而言,我们要得到哪个参数,其图像能够代表地震?况且,地震活动、预报,应当从全球考虑,汶川地震,其实,喜马拉雅周边的应力应变场都脱不了干系。
    欣喜的是,老弟的文笔已有大家的苗头。

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