《地震數值預測總體設計導論》序跋＊

張 懷 張曉東 徐錫偉 吳忠良 邵志剛 張永仙

1) 中國科學院大學，北京 101408

2) 中國地震局地震預測研究所，北京 100036

3) 應急管理部國家自然災害防治研究院，北京 100085

4) 中國地質大學（北京），北京 100081

地震數值預測一直是我們追求的目標，由中國地震局地震預測研究所學者編著的《地震數值預測總體設計導論》（圖1）要與大家見面了，為了讓大家提前了解該書內容，特刊出張懷教授（序一）、張曉東研究員（序二）、徐錫偉研究員（序三）應邀為該書所作的3 個序和吳忠良研究員、邵志剛研究員、張永仙研究員應邀為該書所作的跋。

《地震數值預測總體設計導論》試圖在前人工作的基礎上，參照其他領域的總體設計的經驗，面向更大范圍的讀者，討論地震數值預測的總體設計問題，或者說從總體設計的角度討論地震數值預測問題。

全書分為7 章。除引言和第7 章（結論和討論）外，第2 章側重地震數值預測作為一個系統的“輸入”和“輸出”，介紹國內外地震數值預測的幾個典型案例。第4 章從地震數值預測如何與統計預測、經驗預測、物理預測等結合的角度，介紹地震數值預測的應用場景的若干典型案例。第3 章集中討論地震數值預測概念設計中的一些關鍵問題。第5 章針對如何使目標時間尺度較長的地震數值預測實現時間相依（time-dependent），并在現有的地震預測業務中發揮作用的問題，以年度地震趨勢會商為例，討論一種“混合預測”的策略，這也是在中國地震臺網中心所開展的實踐的一個小結。第6 章結合中國地震科學實驗場，給出一個地震數值預測總體設計的應用實例，該實例與實驗場國家重大科技基礎設施的項目建議和可行性研究工作以及實驗場的長期發展規劃工作有關，但更多地反映了某種“理想狀態”下的地震數值預測系統的總體設計的思路。

圖1 《地震數值預測總體設計導論》封面Fig.1 Cover of Overall Design of Numerical Earthquake Forecasting

該書由地震科學聯合基金（項目號U2039207）、科技部重點研發專項（項目號2021YFC3000605）資助出版。

序一

國際上關于地震預報的討論可以追溯到1909年，G.K.Gilbert 在Science上發文稱，基于對地震發生最基本的認識，即地震是剪切應變條件下巖石的突然斷裂或滑動引起的，我們能夠對地震進行預測。此后，科學家一直致力于尋求科學地進行地震預測的方法。囿于人們對地震的認識有限，地震預測相關的工作研究很長時間都停留在經驗性、不確定性、不穩定性的思維和方法中，既與地震的孕震背景相關性小，也缺乏物理依據。

近年來，數字孿生、大數據與人工智能驅動、大規模數值模擬等新概念、新技術、新模型層出不窮，越來越多的行業開始了數值預測的探索和應用。大量的實例都證明了數值預測的可行性，有效性和穩定性。因此，地震數值預測逐漸成為近些年來進展最大，最有可能獲得成效的預測方法之一。

美國的南加州地震中心（Southern California Earthquake Center，SCEC）自1988年以來，針對美國加州地區，構建了統一的加州地震破裂預測系統（Uniform California Earthquake Rupture Forecast，UCERF），并發布該地區地震發生的概率，以及可能會產生的相關災害。2009年意大利拉奎拉6.3 級地震后，歐洲大力發展可操作的地震預測（Operational Earthquake Forecast，OEF），提供不斷更新的概率預報，并發展基于應力觸發的地震預測、基于地震概率模型的預測，以及兩者的結合等。

中國科學家也一直在尋求對地震進行科學的、具有物理意義的、可重復可再現的預報方法。1956年，傅承義率先在“科技長遠規劃”中提出開展地震預報研究工作的規劃、科學途徑和實施方法，和中國地震活動性及其災害防御研究。1963年，傅承義先生在《科學通報》上發表《有關地震預報的幾個問題》，這是我國在科學刊物上提出地震預報的第一篇文章。王仁院士在1980年將數值計算方法應用到華北地區強震的時空演化研究中。地震數值預報的思想在我國最早由劉啟元和吳建春在2005年的論文《論地震數值預報—關于我國地震預報研究發展戰略的思考》中提出。而后，石耀霖院士等提出了地震數值預測路線的初步設想。張培震院士、陳颙院士、張國民研究員等都先后提出了地震數值預測的設想和展望。

數值地震預報，即在充分繼承經驗預報的基礎上，引入物理約束，采用數據與模型雙驅動可計算性建模，對復雜斷層系統內發生的地震進行時空與震級的定量性概率估計的地震預測與預報方法。數值地震預報是地震預報理論、方法、技術、專家智庫的集大成者，是地震預報這一領域難題應對大數據、人工智能和高性能數值模擬飛速發展的必由之路。

數值地震預報基于地震孕育和發生的物理規律，利用現代多種技術手段觀測和大規模數字化記錄積累的海量數據，充分發揮現代高性能計算技術能力，集成模型驅動和數據驅動的大規模數值計算，實現對大地震長中短臨漸進式的實用化預報。

對地震孕育發生物理機制的認識是地震數值預報的基礎。物理預報不能停留在定性的一般性討論，必須能夠定量化地體現于數值預報之中。地震數值預報依賴于創新的技術方法，依據累積的海量科學數據，挖掘認識地震孕育發生的規律及其物理機制。

從可操作實現上，地震數值預報的研究既要重視基礎研究、規劃長遠發展，也要急地震工作之所急，只爭朝夕，開展漸進式長中短臨預報實用化探索。地震數值預報的研究將對地震科研起先導作用，帶動地震科學和地震預報研究的發展。地震數值預報研究，對地震孕育發生的物理過程研究有更直接和迫切的要求，對了解巖石圈的結構、狀態和物理力學性質以及巖石圈動力學相關的各種動態觀測有更具體的需求，反之也使這些基礎性研究和資料能更直接地發揮實際作用，而不是基礎研究與實際經驗預報兩層皮。

《地震數值預測總體設計導論》一書從總體設計的角度，闡述了地震數值預測的概念、發展歷程、典型案例、基本問題和應用場景，并介紹了針對地震預測業務的一些相關數值預測嘗試，討論了中國地震科學實驗場關于地震數值預測系統的總體設計，是這一領域的一項有重要意義的工作。

地震數值預報研究必將引起巨大的新思考和新變化，對地震科研和地震工作發揮促進和先導引領作用。地震數值預測研究自身短期內雖然不會成為主要地震預測手段，但它促進的高性能計算和大數據分析，會促進從簡單的經驗預報向統計經驗預報轉化，并逐步增加預報中對物理機制的考慮，有助于把我國目前的經驗預報提高到新水平。

序二

用了三天時間一口氣詳細讀完了《地震數值預測總體設計導論》，思緒久久不能平靜，為能夠在地震預測科技發展的關鍵時期出版這一具有重要意義的書籍感到欣慰和激動，也為年輕的地震預測研究專家能夠編寫出這本書感到自豪。

全書中闡述了地震數值預測的概念、內容、原則和國內外進展情況，對地震數值預測的典型案例、基本問題和應用場景進行了論述，介紹了近期國內相關數值預測的進展情況，討論了中國地震科學實驗場關于地震數值預測系統的總體設計，是這一領域的最具基礎性的工作成果。

通過長期的地震科學探索實現地震預報，是人類的夢想，也是當今世界科學難題。人類以往對地震孕育發生機理的研究，主要是經驗性的研究方法（利用以往的震例進行現象的總結、歸納和推理），其間也有極少部分地震在有利的條件下實現過成功的預測，但是這些成功的預測主要是經驗性的。

隨著全球與地震相關的觀測技術的發展，尤其是地震、GNSS、重力等學科高密度、高精度觀測的實現，觀測數據得到了極大的豐富。地下斷層和介質結構分辨率大幅度提高，不僅可以獲得高分辨的靜態結構，隨時間變化的動態結構也具備相當的可信度。同時，慢地震、地震成核、Tremor 等一些新現象的發現，為地震數值預測初期的開展奠定了基礎。

美國的南加州地震中心（SCEC）構建了統一的加州地震破裂預測系統，并發布了該地區地震發生的概率和災害預測結果。2009年意大利拉奎拉6.3 級地震后，可操作的地震預測引起了國際上足夠的重視，開始提供不斷更新的概率預報，并發展了基于應力觸發的地震預測、基于地震概率模型的預測結果等。

我國已經在中國地震科學實驗場的川滇實驗區建立了相關的1.0 版的數值預測公共模型，包括斷層模型、速度結構模型、形變模型、流變模型等，初步建立了30年尺度強地面運動概率預測模型。在發布的《中國地震科學實驗場科學設計》中將發展地震數值預測作為重要的研究方向。

地震數值預報研究必將開辟地震預測的新領域，引起地震預測科學的新變化。地震數值預測短期內雖然不會成為主要地震預報手段，但它會促進從經驗預報向物理預報轉變，有助于把我國目前的經驗預報提高到新的水平，實現地震數值預測從無到有的轉變。

近年來由于大數據與人工智能技術的推動，數值預測的探索和應用開始加速發展，初步顯現出地震數值預測的可行性。中國地震科學實驗場基礎設施建設項目已經開始考慮建立地震數值預測技術的軟件系統。因此，地震數值預測將逐漸成為地震預測方法新的探索途徑，將對地震預報科學發展起到巨大的推動作用。

序三

隨著高分辨率觀測技術的進步和超級計算機計算能力的提升，孕育發生強震、大地震或特大地震的三維地質構造和地震監測預測預警相關的科研活動、業務運行等工作逐步實現了數值化和定量化。例如，在與地震災害成因密切相關的活動構造研究中，活動斷層地表幾何結構、地表破裂型地震復發間隔、地震事件離逝率等成果不僅實現了參數化和定量化表達，還利用三維活動斷層模型模擬推演技術將這些參數化、定量化成果嘗試性地用于地震預測中，已然成為地震預報領域需要重點發展、從經驗性預報向具有物理意義地震預測過渡不可或缺的前瞻性議題，地震數值預測正是其中一個值得關注的熱點。

迄今為止，我們對震源所在地殼的結構、構造、物性參數、應力—應變狀態等知之甚少，有限的地表儀器觀測、歷史文獻記錄、空天對地遙感等數據、資料很難準確地描述出活動斷層上破壞性地震孕育—斷層破裂滑動—斷層面愈合這一遠超人類個體生命周期的復雜過程，已有發震斷層應變積累方式、滑動習性等力學模型與客觀現實之間的偏差，嚴重制約了數值地震預測的發展。從萬年尺度活動斷層滑動習性和地表破裂型地震復發模型研究可知，地表破裂型強震、大地震或特大地震震級大小與活動斷層地震破裂分段長度、破裂面積、凹凸體形態特征及其在一定條件下多個段落的級聯破裂行為密切相關。已有研究表明，特定地區強震、大地震或特大地震孕育、發生取決于活動斷層三維結構特征、破裂滑動強度、應力—應變狀態等，復發模型包括單條活動斷層上位移可變模型（variable slip model）、均勻位移模型（uniform slip model）、特征地震模型（characteristic earthquake model）或特征位移模型（characteristic slip model）等，還包括巨型活動斷層段落之間或活動斷層系之間相互作用下復發間隔逐漸縮短的叢狀群集模型、復發間隔相對較短的活躍期與復發間隔相對較長平靜期相間臺階狀復發模型等。在過去的近20年間，以鄧起東院士為代表的地震地質科學家們，基于活動斷層長期滑動習性和構造力學機制，結合地球物理探查結果、近斷層形變觀測和地震活動性監測，通過構建地震構造模型和數值模擬，已經能夠更準確地識別或判定高震級地震危險區，為高震級地震（M≥7）監測預測和防震減災提供可靠的標靶。

本專著從我國發展具有物理意義地震數值預測需求出發，不僅回顧了地震數值預測的發展歷程、基本概念、內涵和外延，還展示了國家和行業科技規劃和部署，以及科學家個人的推動作用；在國內外地震數值預測典型案例解剖、現有地震成因力學模型和斷層摩擦滑動行為分析基礎上，深入淺出地討論了地震數值預測的可行性、存在的基本物理問題與應用場景，明確了地震數值預測的前提是利用三維建模技術構建反映客觀、真實地殼物性參數和斷層幾何結構形態特征的地震構造模型，詳盡展示了從地震構造背景、活動斷裂孕震特征、塊體變形特征中分析并提取區域構造變形基本特征，建立三維地震構造模型，并結合地震活動性和地殼應變監測數據進行地震數值預測的全過程。值得關注的是，在有關章節還重點介紹了對川滇交界東南緣鮮水河—小江斷裂系及其周緣地區的相關建模和結果分析的全過程：在把握川滇交界東南緣的地震構造背景、活動斷裂運動學特征和強震孕震動力學機制基礎上，選擇鮮水河—小江斷裂系及其周緣斷裂作為研究目標，蘊含著高速走滑斷層運動特征、活動斷層構造變形分配機制、強震孕育機理等諸多熱點研究問題，體現了地震數值預測中幾大重點關注的內容，是構造力學思維在地質分析、構造建模、數值計算與分析以及地震危險性判定上的集中應用。

本專著不僅有助于相關從業人員了解地震數值預測學科的發展主線，也為非專業人士了解這個正在蓬勃發展中的熱點研究方向提供了很好的參考資料。

跋

1 復雜性物理視野中預測的可行性問題

地震數值預測初看起來似乎是一種拉普拉斯決定論的產物。近年來非線性物理系統中各種復雜性的發現，仿佛從根本上動搖了地震數值預測的可行性。然而從物理上看，正是地球巖石圈系統的非線性動力學性質，使地震數值預測具有了可操作的性質。與數值氣候預測模型相比，目前地震數值預測還處于“初級階段”。但參照非線性物理的研究成果及其在數值氣候預測等方面的應用，地震數值預測的可行性，道理是相通的。

地震的孕育和發生離不開巖石圈及其層次性結構。在巖石圈動力系統這一具有不同層次的開放系統中，導致地震孕育和發生的各層次的相互作用，表現為諸多相互依賴的物理機制，每種機制都會導致失穩。即使“拉普拉斯妖”可以給我們提供巖石圈的所有細節（其結構、其本構關系，等等），在這一系統中也存在種種可以導致不可預測性的現象，如確定性混沌（deterministic chaos）、自組織臨界性（selforganized criticality），等等。在這一系統中進行地震的定量預測，仿佛因此成為一個物理上不可能的目標。

然而非線性物理所揭示的一個重要現象是，隨著所考慮的物理問題的尺度的不同，在具有復雜性的物理體系中，往往會“涌現”出一些可以導致可預測性的規律性。傳統的“還原論”（reductionism）性質的分析，此時為“總體性”（holism）的分析所取代。重要的是，其中的一些通過“涌現”（emergence）而顯示出的可用來描述系統的狀態、預測系統的發展趨勢的規律性，具有一些與模型細節無關的“普適性”（universality）的性質。這就使得在對巖石圈結構的細節并不是十分了解、在大地震的“樣本數”比較稀少、在地震的孕育和發生過程具有多種復雜性的情況下，地震數值預測不僅可以有所作為，而且可以為克服這些固有的困難作出獨特的貢獻。

世紀之交關于地震預測的可能性的爭論，在科學思想的發展中具有重要意義。因為這畢竟是人類從理論上思考地震的“物理可預測性”的一個重要嘗試，其所導致的“研究范式轉變”，表現為改變了原來的“游戲規則”。“規則”變化之一是，理論上，以前人們一直力圖寫出地震的動力學方程。在相當多的情況下，這種要求并不現實。地震預測的非線性物理研究使人們開始注意另一種可能性：既然非線性復雜系統的一些行為，可以與系統的一些細節無關，那么，是否可以用較為簡單的模型闡明地震的一些規律，并將其應用于地震的預測?！耙巹t”變化之二是，經驗上，以前人們一直試圖找到地震發生的規律（例如周期性）。在相當多的情況下，這種嘗試并不成功。現在人們開始注意到，是否有這樣的可能：從理論上先看看可能會存在，或者不存在哪些“規律性”。地震數值預測為這兩個方向的研究范式轉變提供了一個不可多得的工具。

不過歷史地看，這次世紀爭論的局限性也是明顯的。實際上，本應該是：

因為巖石圈動力學是非線性的，所以一些地震的預測，或者地震的一些性質的預測是可能的。

因為巖石圈動力學是非線性的，所以一些地震的預測，或者地震的一些性質的預測是不可能的。

這兩個結論都是對的，并沒有矛盾。但問題是，爭論雙方都把結論表述為：

因為巖石圈動力學是非線性的，所以地震預測是可能的。

因為巖石圈動力學是非線性的，所以地震預測是不可能的。

2 不確定性及其應對策略

地震數值預測中涉及若干帶有很大不確定性的參數。應對這種不確定性的深層次的思路，就是由巖石圈動力學的復雜性所導致的“總體性”分析。“粗?；碧幚砉倘徊豢杀苊獾貙е驴臻g—時間分辨率的下降，但“粗?；钡奶幚沓３？梢园盐找恍Q定系統演化趨勢，特別是系統中的突變的特征。對于一個由很多基本單元組成的系統，在可以給出各基本單元的物理參數的不確定性范圍的情況下，類似于“各態歷經”的所有可能情況的總合，或者說類似于“蒙特卡羅”的處理，不一定確切地、卻比較方便地給出了“概率分布”的概念。

應對初始條件不清楚的困難，一個普遍采用的思路是把地震的動力學過程處理成一個“馬爾科夫鏈”，即系統現在的情況由系統的“最近的過去”的情況所決定— 在離散時間的情況下，由系統的“前一步”的情況所決定。對于地震問題而言，由于與連續彈性介質中的“圣維南原理”有關的機制，也許“馬爾科夫鏈”的概念可以擴展為“時空馬爾科夫鏈”，即一個地點的情況決定于離該點較近的周邊在其“最近的過去”的情況—在離散的情況下，一個結點的現在的情況由其“最近鄰”結點的“前一步”的情況所決定。

應該說，無論是類似于“馬爾科夫鏈”的處理，還是類似于“蒙特卡羅”的處理，一定程度上都是“沒有辦法的辦法”。需要提出的問題，也許不在這些辦法是有限度的，而是為什么這些辦法在一些情況下是有效的，而由此所導致的可預測性，其邊界究竟在什么地方，是需要通過具體的實驗進行研究的問題。

地震數值預測問題，就其物理實質而言涉及與其他類似的物理問題相同的基本問題：“微觀”與“宏觀”的關系，“不確定性”與“可預測性”的關系，“量變”與“質變”的關系，或者“漸變”與“突變”的關系。

3 地震預測研究的核心困難與地震數值預測的重要性

目前，地震預測基本上沿著三個方向發展。一是統計預測，主要包括基于地震本身的統計規律（如“地震空區”、地震“周期性”等）的預測，和基于地震的“標度關系”（典型地表現為“用小地震預測大地震”）的預測；二是經驗預測，主要包括基于地震前兆異常的預測，和基于不同前兆異常的“綜合性的”預測，其中專家經驗從物理上說相當于在地震分析中引入了“附加自由度”；三是物理預測，主要包括基于沖擊-響應過程（如利用日月引潮力對地球的一些部位形成“加載、卸載”，再通過“加載-卸載響應比”來推測其不穩定性）的預測（一次地震發生之后，通過其所造成的應力擾動影響另一個潛在地震區的不穩定性，也屬于這種預測），二是基于模擬的預測（大致上相當于本書所討論的“狹義的”地震數值預測）。從目前地震預測領域發展的實際情況看，“用物理預測取代統計預測和經驗預測”作為一個長遠發展目標或是合理的，但作為一個近期目標還不現實?，F階段的現實主義的發展戰略，應是三種預測“取長補短”，“協同作戰”。

地震預測的研究，面臨三方面的核心困難，即“地球內部的不可入性、大地震的非頻發性、地震孕育發生過程的復雜性”。地震數值預測對于克服這些困難具有獨特的作用。

大地震的非頻發性作為制約統計預測發展的最重要的困難之一，在地震數值預測的框架中有望得到較好的解決。地震數值預測帶來了一種前所未有的可能：我們可以利用有限的機時，“重現”人類歷史乃至地質歷史上時間尺度達千年甚至更長的地震活動，再將對這些“合成的”地震的預測的經驗，運用到現實世界的地震預測中去。

地震孕育和發生過程的復雜性目前有兩個方面。一是物理上的“本征的”（intrinsic）復雜性和不可預測性，例如類似于“級聯”（cascading）過程的地震破裂的不可預測性等；另一類是“表觀的”或“現象學的”（phenomenological）復雜性，例如目前的一個經驗是，不同的地震前、不同的觀測點上，往往會出現很不相同的前兆現象，單純看“曲線”、找“對應”，往往會非常迷惑，但在一個地震的孕育過程中應力場的演化的整體圖像中，所有這些不一致的前兆表現，往往是同一個應力場演化過程的反映。地震數值預測對經驗預測的直接的幫助就在于，可以通過應力場演化的圖像，來細化、深化對所觀測到的前兆現象的認識，特別是，在一個統一的物理背景下，定量化地解釋不同學科、不同手段的觀測。應該說，目前在地震發生之后的回溯性研究中，已有很多很好的工作。但針對未來地震的前瞻性的觀測部署，即把“為預測的監測和模擬”（monitoring and modeling for prediction）的思路落實到實際震情監測的工作，還有較大的發展空間。

地球內部的不可入性（據說這是古希臘人的說法）是物理預測，特別是基于模擬的預測的一個重要困難。然而在復雜性物理的視野中，通過較為簡單的模型（從原胞自動機模型、彈簧—滑塊模型、剛性塊體模型，到彈性模型、彈塑性模型、彈塑性流變模型等），探索那些在實際地震預測的層次上“涌現”出來的可預測性，成為克服這一困難的有效工具。從這個意義上說，復雜性物理背景下的地震數值預測，提供了一個不一定正確、但從未如此清晰的“路線圖”。而此前的地震預測研究的“路線圖”，或者開放性有余而清晰性不足（例如，經驗性地搜尋“地震前兆”），或者幾乎不可操作（例如，先徹底搞清楚地震的物理再考慮地震的預測）。

以對地球的有限的觀測，究竟能在地震預測中走多遠，這是任何一個負責任的地震理論都無法回避的問題。這個問題之基本、之深刻，已在很大程度上超越了地震研究本身。重要的是，現在對這個問題的回答，已不僅僅是抽象的哲學思辨（雖然物理學也曾被稱為“自然哲學”），而是可以落實到具體的理論建模、模擬計算、觀測檢驗的“實證性的”科學研究議程。地震數值預測一方面要充分利用計算能力的歷史性進步，不斷嘗試新的東西，另一方面也應該“站在巨人的肩上”，在理論上做更為深入的思考。