地震預測預警等級風險評估與分區分級發布方案的研究*

楊馬陵，沈繁鑾，陳大慶，曾春梅

(1.廣東省地震局，廣東廣州510070;2.海南省地震局，海南?？?70203)

0 引言

世界各國處理和解決非確定性突發災害的實踐表明，采取預警技術對災害實行分級防御是一種有效的減災方法。近年來，預警的思想和模式已在我國各種突發社會事件、自然災害、經濟運行等社會公共安全領域得到了廣泛的應用。我國的地震學者也提出許多有關地震預警的建議和設想［1－7］。

本文從地震預測預警的思路和要達到的減災目的出發，提出了發布預測預警的原則和預警等級的劃分，研究了地震預測預警等級的風險評估方法和分區分級發布方案，并以曾經不同程度做出過震前預報的幾個實例，對所提出的發布方案進行了案例分析和檢驗。

1 地震預測預警的思路和預警等級

1.1 地震預測預警的思路

所謂地震預測預警是指在地震災害事件發生前，向社會發布的一定時間和空間范圍內可能發生地震災害的警告。其目的是通過警告性信息，提醒社會公眾采取一定的預防措施，避免和減少破壞性地震事件所造成的災害。

預警技術的思路是通過對社會發布不同的預警等級，從而達到對災害實行分級防御的目的。對于地震預測預警而言，就是根據對可能發生地震的預測意見，依照發生的緊迫程度、預測的可信程度和可能造成破壞的程度等因素，劃分成不同的預警等級，并給出針對不同發布對象的防震措施建議。通過發布地震的預測預警等級，可以向社會提供可能發生破壞性地震的信息，并通過不同防震措施的實施，起到穩定社會并最大程度減輕地震災害的作用。

1.2 預警等級的劃分與發布原則

參照國家突發性公共事件的預警等級，地震預測預警的等級可劃分為4個級別。一級為最高級別，代表地震發生的時間性最為緊迫、震兆信息最為可靠、遭受嚴重破壞的概率最高，所應采取的防范措施最強。以此類推，四級則最低。也可按通常的災害預警等級的顏色表示法，分別賦予一級、二級、三級和四級為紅色、橙色、黃色和藍色預警等級。

預測預警的等級實際上代表了在預期的破壞性地震發生前，社會將采取的防震措施級別。由于地震預測的不確定性和社會對預警信息反應的復雜性，在發布地震預測預警信息前，應當對確定的預警等級進行風險評估。

根據地震預測預警的思路，發布預警信息的目的是，在盡可能降低社會影響的基礎上，合理防范可能出現的地震災害，最大程度地減少可能的人員傷亡。由此確定發布預警的兩項基本原則。

(1)災害損失最低原則

設Si為災害損失，有

式中:1～4分別對應以下的情況，1對應發布預警，未發生地震的災害損失;2對應發布預警且等級正確，且發生地震;3對應發布預警但等級不對，且發生地震;4對應沒發布預警，但發生地震。

不同情況下的災害損失可用文獻［8］給出的方法，用預警區的GDP損失和人員傷亡估計。

(2)預期代價最低原則

設Sii為代價，有

式中:S11為發布預警的代價，由預警信息可能給預警區帶來的停工停產損失估計;S12為發布預警可減少的傷亡和破壞的代價，可由預期地震強度，預警區抗震設防烈度、人口和經濟數據等因素綜合估計。

1.3 預警等級的風險評估指標和方法

由于面臨不同的地震緊迫性、不同的地震破壞性以及不同的預測概率，發布預測預警等級信息后所采取的防范措施也不相同。因此，發布的預測預警信息中必須包含時間緊迫程度、地震破壞程度和預測可信程度三個因素。根據我國幾十年地震預報、震災預防等多方面的理論與實踐，提出地震預測預警等級的三項風險評估指標。

緊迫度指標T:未來可能發生地震的時間尺度(d)。對地震發生時間的預測有長期、中期、短期、臨震等幾種尺度。而地震預測預警只是對即將來臨的地震災害事件的警告信息。心理學的研究發現，接收信息的初期對人的心理影響最大，隨著時間的推移，記憶將遺忘得很快。長時間尺度的地震預警，初期的恐震情緒不僅將影響社會、經濟和生活的正常秩序，且易造成非地震人員傷亡和財產損失;而后期的遺忘和逆反心理則容易導致對地震的輕視麻痹?？紤]目前地震預測的水平和社會公眾的心理承受能力，其時間尺度應以不嚴重影響社會正常秩序為最低底線。我們的研究認為對不同的預警等級的時間緊迫指標T在7～180 d內較為適合。

破壞度指標P:單位尺度上遭受地震嚴重破壞的概率。該指標是Pm和PL兩個變量的幾何平均。

式中:Pm為預測震級范圍內能夠造成房屋倒塌的震級所占的比率;PL為預測區域內發生最大預測震級造成的單位尺度倒塌比率，當Pm或PL大于1時取1。

地震烈度I或地震動加速度α與地震的震級M和震中距離r有經驗關系，即烈度或加速度的衰減關系，一般表述為:

根據預測區域的基本抗震設防烈度或加速度(城市為50年超越概率10%的設防要求，對一般沒有設防要求的農村，可按照低于烈度Ⅵ度、加速度0.05 g考慮)，以高于設防烈度2度或高于設防加速度4倍為造成房屋倒塌的烈度或加速度，代入預測區的烈度I或加速度α的衰減關系，即可計算出能夠造成倒塌的最低震級，并預估出最大震級所造成房屋倒塌區域的長度或面積，進而計算出Pm值和PL值，并最終得到破壞度指標P。

可信度指標R:地震預測意見實現的概率。該指標是對地震三要素預測方法效能、震兆強弱程度和異?？煽啃缘目傮w評價?？墒褂脤哟畏治?、模糊集值評價等方法，根據不同的地震預測方法的異常指標等計算得到?？尚哦戎笜说亩ㄐ悦枋鰹?，可信度很高、較高、高和一般，對應的定量指標分別為R=0.8、0.7、0.6、0.5。也可以采用下述方法進行計算。

參考層次分析的層次結構，將準則層設為時間、震級、地點三項，指標層為各預測方法。指標層某參量的計算方法為:該預測方法的效能或評分(0～1)與對最終預測范圍的支持度(0～1，即最終預測范圍與該方法預測范圍的交集除以該方法預測范圍)的乘積，通過同類指標層各參量的直接相加得到各準則層的參量(超過1時取1)，而目標層R值則取準則層三個參量的幾何平均值。

2 預測預警的分區方案

2.1 預測預警的分區原則與方案

發布地震預測預警的分區方案可以有幾種，例如:考慮地震活動規律和預測經驗，按構造片區劃分;考慮地震承受能力，按多震與少震或強震與弱震分區;考慮傷亡情況，按人口稠密與人煙稀少區分;考慮社會影響，則按城市(含工業區)與農村進行分區等。

我們認為，通過分區應該使預警等級的劃分和相應防震措施的規定更合理，更容易提高預警的社會和減災效益。因此，分區的原則應該是:綜合權衡發布預警給不同區域帶來的社會影響和代價，盡可能減少的人員傷亡和經濟損失的比例。

考慮到地震預測的經驗已反映在可信度指標R內，而地震承受能力(主要是房屋倒塌)標準是相對統一的，再者人多、人少對于可能減少的人員傷亡比例與預警發布后可能付出的代價，兩者基本成正比(如，人煙稀少地區，預警發布所能減少的人員傷亡數目少，但預警等級的偏差影響和付出的代價也小)。但是從社會影響程度考慮，對城市及工業區或農村地區，發布預警所帶來的影響和沖擊卻大不相同。因此，我們考慮預警分區方案應為:①城市(縣級及其以上城鎮)及工業區;②農村地區。

2.2 預測預警的分區分級發布方案

根據發布預測預警的風險指標，考慮我國現階段地震預測的能力和水平，結合一些已有的地震預報成功和失敗的震例經驗，建立了以下的強震預測預警等級的分區分級量化方案(表1)。

表1 預測預警等級與分區量化方案

2.3 預警等級的發布對象和防范措施

發布預測預警等級是為防范可能的地震災害所采取的應對決策服務的?？紤]到發布預警等級后可能產生的社會影響，不同預警等級所針對的發布對象應該有所區別。為此，設計出不同預警等級所對應的發布對象和防范措施概要(表2)，其中預警等級高的防范措施要累加級別低的措施。例如預警等級為一級時，要采取的措施包括從四級到一級的所有措施。

表2 預測預警等級的發布對象和防范措施概要

3 案例分析

對以上的分區分級預測預警方案，進行已有震例的案例分析和檢驗。

3.1 遼寧岫巖5.4級地震

1999年11月29 日，遼寧省岫巖縣偏嶺鎮與海城市孤山鎮之間交界處發生5.4級地震，遼寧省地震局在震前提出了準確的臨震預測，省政府就此做出果斷的決策，對可能的地震極震區發布臨震預報，并采取了適當、合理、正確的應對措施，最終取得了很好的減災實效。

作為典型案例，從預測預警的角度進行分析。最終的預測意見為:震級5.5～6.0，區域尺度16 km，時間是臨震尺度(≤10 d)。根據該地區地震活動規律和前兆異常的充分性，給予該預測意見的可信度R值為0.7。預報區主要是農村地區，地震設防烈度為Ⅶ度，設防加速度為0.1 g，烈度衰減關系采用I=2.401+1.586M－1.429ln(r+15)。由于農村地區房屋多數未按標準設防，因此抗倒塌烈度取為Ⅶ度強。計算得到破壞區尺度為8 km，破壞起始震級為5.8級，可得到PL=0.5、Pm=0.5、破壞度P=0.5度，按照預測預警發布方案(表1)，應發布預警等級為一級。

如果沒有按照省政府要求縮小預報區域，根據省地震局的短臨預報卡片，預測震級為5.0～5.9，預報區尺度為100 km，預報時長為10 d。假定該預測意見的可信度R值為0.8，計算得到PL=0.08、Pm=0.2、破壞度P=0.13，按預警等級方案(表1)，應發布的預警等級為二級。實際上，對發布一級預警地區的外圍區域，應該采取二級、三級預警的防范措施。

3.2 甘肅民樂6.1級地震

2003年10月25 日甘肅民樂6.1級地震前，甘肅省地震局提出“未來3個月內甘肅及邊鄰地區，尤其是祁連山中東段、甘東南等地震重點危險區存在發生6級左右地震的可能”的預測意見，并在震前半個月進一步縮短了預報期限。政府及時采取了包括加強地震監測、檢查應急預案和應急設施、準備救災(援)物資等措施，在地震發生后取得很好的社會及減災效果，這也是一次地震預警的成功實踐。

從預測預警的角度進行分析，設預測震級為5.5～6.5，預測危險區的尺度為260 km，預測時間為30 d，預測可信度R=0.8，危險區內除民樂縣城(設防烈度為Ⅶ度、設防加速度為0.15 g)外，絕大部分為抗震能力很弱的農村地區，取抗倒塌烈度為Ⅷ度半。計算得到破壞區尺度為8 km、破壞起始震級為6.3級，則PL=0.03、Pm=0.3、破壞度P=0.095，按照預測預警發布方案(表1)，應發布二級或三級預警。若能縮小危險區和預測時間尺度，則可發布一級預警。

3.3 新疆伽師6.8級地震

2003年2月24 日新疆伽師6.8級地震前，新疆地震局提出“3個年度危險區已隨時可能發生6級以上地震”的預測意見。但上述預測意見，對于政府是無法進行震前應急準備的。但如果能夠縮小預報區范圍和時間尺度，按照預測預警的思路與理念，仍應該是有所作為的。

設預測震級為6.0～6.9，預測區平均尺度為200 km，預測時間為30 d，預測可信度為0.8，危險區主要是農村地區。取抗倒塌烈度為Ⅷ度強。計算可得到破壞區的尺度為22 km、破壞起始震級為6.4級，則PL=0.037、Pm=0.5，于是破壞度P=0.14，按照預測預警等級方案(表1)，應發布二級預警，若能進一步縮小危險區范圍和預測時間尺度，則可發布一級預警。

3.4 遼寧海城7.3級地震

1975年2月4 日19:36，遼寧海城發生7.3級地震，震前遼寧省地震部門于4日零時向省政府發出了“遼寧海城—營口將要發生大震”的預測意見，省政府于上午10時發出通報，要求落實防震、抗震工作，縣、公社(鄉)則動員人員離開房屋進行避震。這是我國首次實現的對7級地震的成功預報，聯合國確認海城地震預報是人類第一次，也是惟一的一次對強震作出的準確臨震預報。

按照預測預警的方法進行分析，設預測震級為6.5～7.5，預測區尺度為100 km，預測時間為7 d，預測可信度為0.7，預測區域屬于城市及工業區，設防烈度為Ⅶ度。取抗倒塌烈度為Ⅸ度，計算得到破壞區尺度為51 km、破壞起始震級為6.6級，則有PL=0.51、Pm=0.9、破壞度P=0.68，按照預警等級方案(表1)，應該發布一級預警。

綜上所述，對1999年遼寧岫巖5.4級地震、2003年甘肅民樂6.1級地震、2003年新疆伽師6.8級地震和1975年遼寧海城7.3級地震的案例分析和檢驗結果，說明了本文提出的預測預警等級、分區發布方案基本是合理的。

4 結語

從發布地震預報到發布地震預測預警等級，只是地震防災減災觀念和思路上的轉變，即由模糊的、不確定的，并且無法實際防震操作的地震預報意見轉變為清晰的、確定性、可操作的地震防御措施，使政府和社會公眾能夠采取的防震減災措施更加科學、合理和規范，并不代表地震預測預報水平有所提高。

本文提出的預測預警發布方案還需要更多的震例進行檢驗，并需要在實際操作中不斷調整和改進。此外，在實際應用中，當預測預警發布指標處于分界值附近時，還需根據具體情況進行決策。

案例分析的數據來自遼寧、甘肅、新疆地震局預報中心的同事，在此表示感謝。

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