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秒级预警 分钟级烈度速报 高分卫星数据支持 与地震波赛跑

发布日期:2022-09-22 09:28 浏览次数:

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  近年来,我国地震预警信息产出速度不断提升,从约10分钟的人工速报到1至2分钟的自动速报,再到秒级的地震预警,为抗震救灾提供了强大科技助力。(制图:张寒)

  9月19日13时05分09秒,墨西哥突发7.7级地震。9月17日夜间以来,台湾台东县、花莲县相继发生6.5级、6.9级地震,造成人员伤亡和财产损失。9月5日,四川泸定县发生6.8级地震。近期,地震频发,牵动人心,也考验着人们的应对能力。

  震后6.2秒发出地震预警信息,震后2分钟左右发出速报信息(含震源位置、震级等地震基本参数),震后3分36秒初步产出仪器地震烈度分布图,震后10分04秒产出正式的乡镇仪器烈度分布图,给出最大烈度9度区的范围,震后半小时产出余震序列精定位第一版结果……第一时间启动地震应急服务响应,以最快速度产出应急科技产品,泸定6.8级地震中,相关部门快速、高效做好地震应急处置、现场调查和科学考察工作,给人们留下深刻印象。

  震后6.2秒即发预警,在分钟尺度上获取地震动强度的详细分布

  “你开了手机地震预警功能吗?”地震预警这种新型减灾手段正逐渐被公众接受。

  “震后6.2秒,中国地震预警网就通过预警专用终端、手机APP、村村响应急广播、第三方平台等渠道发布预警信息,向康定市提前9秒、雅安市提前21秒、成都市提前56秒发布地震预警信息。”四川地震台研究员苏金蓉介绍,这是自2018年起连续成功进行预警处理和发布的第84次4级以上地震。

  如何才能及时有效发出秒级预警?苏金蓉道出关键:一是高密度的地震观测系统,二是低延时的通信网络系统,三是高效的数据处理系统,四是多渠道的紧急地震信息服务系统。“这四者缺一不可,只有先观测捕捉到地震波,及时传输汇集观测数据,再通过优化算法快速处理、发布,才可能发挥预警应有的效益。”

  “地震预警利用了电磁波比地震波快的原理。电磁波以30万公里/秒的速度传播,地震破坏性横波以约3.5公里/秒的速度从震源向外传播,如果能在震后6秒左右估计地震基本参数、发出预警,横波刚传播约20公里,距离震中100公里的地方就会有20秒以上的预警时间。”中国地震局工程力学研究所研究员、国家地震烈度速报与预警工程执行总工程师马强解释。

  “不要小看这数秒至数十秒的预警时间,它可以让公众避震、稳定人心,更重要的是能在一些生命线工程、重大设施和重大工程项目建设中避免产生严重后果或次生灾害。”苏金蓉举例,如高铁、核电站、油气管网输送及危化企业、医院手术室等可采取紧急应急处置措施,减轻损失。

  震级和烈度是描述地震的两个重要概念,此次泸定地震的震级为6.8级,最大烈度为9度。马强介绍,震级描述地震释放能量的大小,烈度描述不同地点受影响的强弱程度。一次地震只有一个震级,但是不同区域有不同烈度。

  “哪些地方震动强?哪些地方破坏大?这些信息对指挥决策非常重要。”马强说,以2008年四川汶川8.0级地震为例,震中在映秀镇,但是破坏最严重的地区则是从汶川一直延展到都江堰、彭州,再从安县延展到北川、平武。

  传统的地震烈度评定建立在震后调查的基础上,需要派遣大量专业人员深入震区绘制地震烈度图。对于强震而言,往往需要数天甚至数十天才能完成,远不能满足应急决策的需要。

  “如今,有了地震烈度速报,可在分钟尺度上获取地震动强度的详细分布,有助于提高烈度评定效率,及时为人员伤亡、经济损失评估以及应急救援科学决策等提供支撑。”马强说。

  几分钟至几小时内快速反演震源破裂过程,人工智能快速、精准定位余震

  下载处理远场地震波形数据,进行模型参数设置和反演计算,制图、分析结果……借助科技力量,研究人员还原了泸定6.8级地震的破裂过程——

  此次地震破裂以走滑运动为主,破裂发生自海螺沟下方深度12.8公里处,同时往两侧展开,约7秒后破裂转为主要往南东方向发展,整个过程持续约18秒,破裂总长度达40公里,最大滑动量达1.84米。

  汶川8.0级地震后,中国地震局地震预测研究所研究员赵翠萍所在的团队,一直承担着我国大震应急产出的任务,包括地震精确定位、震源机制解、破裂过程等震源参数的快速测定。

  “应急工作对震源参数产出的要求是快和准。地震数据获取快慢、震源机制解产出速度、反演算法是影响破裂过程快速反演的主要因素。”赵翠萍告诉记者,泸定6.8级地震后,他们合作研发的智能地动系统3分钟内产出了震源机制解,与其他研究者此后发布结果基本一致。

  “断裂带上滑动量大的位置往往是地表灾害严重的区域,尽快找出来可及时为震后确定救灾目标区域提供指导。”赵翠萍介绍,强震发生后,团队最快可在1个小时左右快速反演震源破裂过程。此外,强震破裂扩展方向前端及破裂区域中没有滑动量的区域,与未来的强余震发生有着密切联系,需要重点关注。

  大地震发生后,通常伴随着大量余震。截至9月12日8时,泸定6.8级地震共记录到余震2715次,其中3.0级及以上余震16次。在内行人眼里,这些纷繁复杂的地震波里隐藏着诸多参考信息。

  快速准确测定余震序列位置,对于应急救援具有重要意义。中国地震局地球物理研究所研究员房立华举例说明,比如根据余震和断层的关系,判断地震发生在哪条断层上,可以为震后趋势研判提供依据;根据余震分布的长度、宽度,可以估算灾区范围;根据余震和主震的相对位置关系,可以推测地震的破裂方向,其沿线一些城镇灾情可能更严重,等等。

  从上世纪70年代起,国内外地震学家百般尝试,想攻克密集地震序列自动处理这一难题,收效甚微。2021年之前,我国的余震序列分析主要靠人工,费时费力。汶川8.0级地震时,中国地震局抽调了中国地震台网中心、地球所、河北等省地震局的技术骨干共70多人次赴四川支援余震序列分析,坚守了一个多月。

  “2015年以来,人工智能在人脸识别、语音识别、无人驾驶等领域都取得了较好应用。从2017年起,我们就尝试借助人工智能解决地震数据的智能处理问题。”房立华说,也就是利用地震台网长期积累的海量数据,借助人工智能技术,让计算机自动学习地震波形特征,实时识别余震,并对其位置进行精确测定。

  经过不懈努力,2021年实时智能地震处理系统研发成功,并在云南漾濞6.4级地震和青海玛多7.4级地震中投入应用。目前,这一系统已在14个省级地震局得到推广应用。与人工处理结果对比显示,AI系统能更快速自动产出余震序列目录,数量是人工的2倍多,且精度基本一致,下一步将向全国推广。

  全天候全天时观测,10余颗卫星对灾区紧急成像,为应急救援评估提供空间信息支持

  纵横山谷中,震中海螺沟景区有多处山体滑坡,掩埋了部分道路,这是高分三号卫星9月5日获取的遥感影像图景。检测到灾情后,当地抢险救援力量迅速赶赴现场。

  卫星遥感是尽快掌握灾害状况、监测山体滑坡等次生灾害的重要技术手段之一。地震发生10分钟后,接应急管理部国家减灾中心和四川高分中心应急需求,国家航天局对地观测与数据中心第一时间启动民商卫星应急响应机制,协调调度高分三号01/02/03星、高分一号D星、高景一号等10余颗卫星对地震灾区紧急成像。

  当天19时11分,高分三号卫星成像获取到震区SAR影像,第一时间分发给国家减灾中心、中国地震局地震预测研究所、四川高分中心和当地应急部门,相关单位迅速展开分析,获悉灾区受损情况。

  “地震发生后,我们根据受灾地天气情况综合研判调度,优先安排以高分三号SAR卫星(合成孔径雷达卫星)为主的成像观测,同时辅以高分辨率光学卫星成像。”国家航天局对地观测与数据中心数据应用部副部长、研究员姚涛告诉记者。

  据介绍,民商卫星分属不同部门和单位管理运行,此前各自运行,互不协同。2021年,国家航天局建立了民商航天指挥控制中心,统筹指挥调度民商航天卫星资源,初步建立了民商航天应急响应机制,从而成体系地支持国家重大应急需求。

  “四川当地气象条件不佳,阴雨云雾天气多。高分三号SAR卫星不受云雨天气影响,具有全天候、全天时的观测能力,在洪涝、台风、地震等恶劣天气条件下可以监测淹没面积、受损范围和道路损毁情况等,是这次驰援灾区的‘主力’。”姚涛说,高分三号共有13种工作模式,可以针对陆地、海洋等不同观测条件和需求选择相应模式。在此次应用的聚束模式下,它的分辨率可以达到1米。

  “高分一号D星等高分辨率光学遥感卫星提供辅助,它们在分辨率上更具优势,在云层散开间隙等也能发现对灾区救援有价值的信息。”姚涛说。

  “高分一号D星、高分三号同属高分辨率对地观测系统重大专项。高分卫星观测要素最全、响应时间最快、协同观测能力最优,形成了体系化的应急服务能力。”姚涛举例,高分一号、二号、六号卫星可在房屋损毁、桥梁垮塌、化工园区爆炸等方面发挥重要作用,高分四号卫星在林火应急中可连续监测火情动态发展,高分五号卫星可对水源地污染灾害进行监测,高分七号立体测绘卫星可在尾矿库垮塌、滑坡泥石流监测中大显身手。

  长期坚持、不断创新,地震应急科技产品经历了从无到有、由慢到快、由弱到强的跨越式发展

  我国是世界上自然灾害最为严重的国家之一,灾害种类多,分布地域广,发生频率高,造成损失重。同时,我国又是世界上地震灾害最严重的国家之一。

  党的十八大以来,以习近平同志为核心的党中央高度重视防灾减灾救灾工作,全社会防灾减灾救灾能力建设取得显著进展。

  党的十九届三中全会确立了我国“大应急”管理体系。2018年4月,新组建的应急管理部挂牌成立,先后整合了原有11个部门的13项职责。经过四年多的实践检验,统一指挥、专常兼备、反应灵敏、上下联动的中国特色应急管理体系基本形成,新部门新机制新队伍的优势逐渐得到彰显。

  防震减灾史,也是科技进步史。

  赵翠萍回忆,汶川8.0级地震时,我国地震监测刚刚进入数字记录时代,台站数量不足,监测能力有限,数据处理大多依赖人工,科研人员无法及时获取数据。余震序列处理能力跟不上震情研判要求,震源机制解、震源破裂过程还停留在科学研究层面,尚未纳入震后应急工作发挥作用。

  谈及这些年来的进步,苏金蓉告诉记者,从观测台站的数字,可见一斑。2008年汶川8.0级地震时,四川共有台站52个;2013年芦山7.0级地震、2017年九寨沟7.0级地震时,这个数字分别增长为234、402个;到了2021年,四川预警系统共有台站2246个,增加了40多倍。

  不仅如此,监测能力、产出速度也有了很大提升。2008年,四川地震台只能对3.5级以上地震作出处置,如今全省平均1.6级就可以处置,泸定6.8级地震的余震甚至能监测到1级以下地震。2008年汶川8.0级地震时,最快处理出地震参数需要13分钟,2013年芦山7.0级地震55秒产出自动速报结果,2021年泸县6.0级地震,震后4.8秒就已对外发布地震预警信息。

  “科研要急国家之所急,还要先走一步。”中国科学院院士、中国科学院地球物理研究所首任所长赵九章这句话给房立华留下深刻印象。在房立华看来,地震科技创新必须始终面向国家需求、面向国际前沿开展研究。“十多年来,我们的地震应急科技产品,比如地震破裂过程图、震源机制图、地震动参数图、仪器地震烈度图和余震序列精定位图等系列产品,经历了从无到有、由慢到快、由弱到强,由人工到自动再到智能化的跨越式发展,应急科技产品不断丰富,产出速度和准确度不断提升。这都是长期坚持、不断创新的结果。”

  “经过十多年发展,我国在高分卫星应用方面彻底扭转了长期依赖国外遥感数据的局面,卫星数据自给率达90%以上。”姚涛称,高分专项实施之前,中国的卫星数量还相对少。2008年汶川地震发生时,我们还需依靠国际上提供卫星数据支持。如今,高分一号、二号、三号和四号卫星相继加入“空间与重大灾害国际宪章”,已有效响应全球36个国家和地区的上百起重大灾害。

(责任编辑:尚立坚)

信息来源:中国地震局

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