• 台灣地震預警的發展
        吳逸民  國立台灣大學地質科學系
        台灣過去地震預警的發展,要推回到1990年了,那時台灣的經濟正處於繁榮的時期,在此狀態下政府同時推動了許多建設與計畫,當中包括了地震觀測相關領域的計畫。當年蔡清彥教授擔任中央氣象局局長,鄧大量院士、蔡義本教授、吳大銘教授及李泓鑑博士擔任氣象局的顧問,蔡義本教授就建議氣象局應該推動強地動的觀測計畫,也因為此計畫的推動,在921地震發生時台灣的強地動計畫記錄了當時近斷層品質良好的強震紀錄,對於震源研究及近斷層的耐震設計都扮演相當重要的角色。當年地震預警系統仍是一個剛開始發展階段,李泓鑑博士就建議氣象局應該要投入地震預警系統的發展,因此當時台灣、日本、墨西哥被列為地震預警系統最先發展的三個國家,但各國所發展及運作的面向都不盡相同,在日本地震預警系統由中村博士開發,僅限於鐵路系統的運用,墨西哥的系統僅限於墨西哥市的預警,台灣則為國家級的系統開發。
        台灣發展地震預警的動機為1986年11月15日花蓮地震,此地震發生於花蓮外海,主要的災害卻在台北盆地,經由模型的推算剪力波(S波)由震央花蓮傳遞到台北約需要30秒,因此,若在花蓮設立密集地震網,假設當地發生地震,可以在15秒測得地震,相對台北而言就有15秒的預警時間。當年在李泓鑑博士的提議及推薦之下,提出了地震預警的A計畫,由加拿大的一家公司主導發展,在花蓮設立十個測站,由花蓮氣象站及台北的地震測報中心兩個處理中心相互對應統整,始為台灣地震預警系開始發展的雛型。
        由於A計畫是一個商業型發展的系統,基於商業機密及專業,研究人員能參與的空間有限,這也導致此計畫面臨結束的命運。約在1994年有鑑於A計畫的發展,鄧大量院士就提出發展B計畫的可能,利用傳輸地震訊號的另一半傳輸空間將同站的強震訊號傳回,接著用強震訊號發展地震速報及預警系統,B計畫就此誕生(Teng et al., 1997)。當年我就是B計畫的執行者,藉由李泓鑑博士的技術指導及轉移,1995年開發了台灣的地震速報系統,這是全世界第一個國家採用即時強震訊號進行地震觀測,這項修正及改進對地震速報系統是一個重要的里程碑,1995年以前發布一個地震約要30分鐘,首先要從高敏度的速度型地震儀訊號以人工的方式定出地震位置,高敏度的訊號在大地震發生時因容易超過紀錄範圍,故僅能挑P波到時定位,需再由電話撥接的方式連接各測站的強震儀,取得震度及利用這些強震紀錄堆算地震規模。然而,1995年採用即時強震訊號起了重大變革,強震訊號沒有超出紀錄範圍的問題,可以同時定出地震位置、規模及取得各地震度,當年我們也發展了自動挑選P 波和 S波到時的系統,因此,可以將發布地震的時間推進到5分鐘左右,921地震展示的成果即是速報系統最佳驗證(Wu et al., 1997, 2000)。
        地震速報系統開發完成後,B計畫接著開始投入預警的工作,A計畫因為測站僅分布發蓮地區,雖然,可以在約十幾秒獲得地震訊息,但是定位及規模誤差大,難以實用。因此,B計畫利用宜蘭、花蓮、南投等的即時強震訊號建立花蓮子網預警系統,由於花蓮子網測站串連多個地區即時強震訊號,擁有覆蓋性廣的優勢,定位及定規模分別都在20公里及0.3內,是在實用的範圍內,獲得地震訊息的時間約在地震發生後20秒,驗證地震預警的可行性,因此,我們決定結束A計畫,將A計畫的測站併入B計畫,對提升花蓮子網測站的地震觀測有更佳的效率(Wu et al., 1999)。相對於A計畫是一個商業模式的系統,B計畫則是一個完全自行開發的系統,一開始是藉由李泓鑑博士的技術指導及轉移,中後期則是完全在台灣自行開發。
        地震發生後利用初期地動訊號定出地震位置及規模,對震源區以外的區域提出預警,這是區域型或是前端偵測型預警系統,區域型系統中地震定位是相對容易處理的問題,只要有五、六個測站的到時就可以定位,然而,利用初期訊號定地震規模,一直都是關鍵問題。雖有B計畫花蓮子網的成功案例,然而,為了推展到全台灣,仍需要克服定地震規模問題,1998年我們提出了ML10的方法,此方法是利用地震初期10秒的訊號決定規模,並且控制在規模0.3以內(Wu et al., 1998)並結合虛擬子網的概念,台灣地區的地震對於震源區域70公里以外的區域可以平均在22秒發布預警,在2002年應當是最先進的區域型地震預警系統(Wu and Teng, 2002),台灣的地震預警奠下良好基礎。
        區域型地震預警系統在靠近震央一定範圍的區域是無法提供預警,因此針對震央附近的預警,需要採用現地型的地震預警系統來補足,所謂現地型的地震預警系統,是在要保護的目標現地,裝設預警系統,利用接收到的地震P波特性預估即將來襲S波強度,提出預警。2004年我進入台大擔任教研工作,也開始針對現地型地震預警方法研究,2005與金森博雄提出了P波的平均週期及位移振幅(Pd)法(Wu and Kanamori, 2005a, 2005b, 2008),此方法也被廣泛使用於後續發展現地預警及區域型地震預警系統(Wu and Zhao, 2006),縮短地震發布時間,目前氣象局也利用此法及新的作業系統,希望將區域性地震預警推向10秒邁進。
        現地型地震預警技術有突破之後,為了地震預警的普及化,我們將P波方法與微機電(MEMS)感應器結合,成功地開發低價位的P波警報器,技術轉移至三聯科技公司,該公司得以開發P波警報器(P-Alert),並成功的引領該公司將產品銷售至印度、印尼、墨西哥、韓國、紐西蘭、希臘、菲律賓及中國,台灣過去一直都是地震儀器的純進口國,這項研發帶領台灣成為地震儀器的出口國。
        在行政院災害防救應用科技方案的推動之下,目前全台灣已安裝七百台左右的低價位P波警報器(P-Alert)。單一的測站可以進行現地型的地震預警,透過網路的連通,地動訊號可以傳回控制中心,建立成高密度即時強震網,提供即時的震度資訊。歷經多次規模大於6.0的地震,例如:2016及2018年2月6日的美濃及花蓮兩次災害地震,P-Alert即時監測網都可以表現非常良好,現地預警在震源區可提供4-8秒的預警時間,這推翻過去認為有地震預警盲區的概念(Wu et al., 2013, 2016, 2019)。高密度的地震網於地震後即時繪製詳細的地動分布圖,約在地震發生後一分鐘,系統已經傳送震度圖至國家災害防救中心作災情評估,能夠作為參考,即時提供何處可能為災損區,對於救災扮演重要角色。此外,經由高密度的地震網即時繪製詳細的地動分布圖,可以分辨出斷層的破裂方向,這是科學上的重要突破,在地震發生後數分鐘內要判定斷層的破裂方向,沒有仰賴高密度的測站是很難做到的(Jan et al., 2018)。
        今年是921地震20週年,921前約10年地震預警在台灣發展,921後地震預警逐漸成熟,近年來中央氣象局也已經將區域型地震預警實用,現地型地震預警在台灣也發展良好並和中央氣象局區域型系統結合,得到加成效果。此外,我們也將地震預警技術推廣至中國、印尼、印度、越南、南韓、紐西蘭、希臘、墨西哥、所羅門群島、尼泊爾及菲律賓,回饋國際社會,這些都是地震預警在台灣的重要發展,20週年的今天面對地震我們更有準備了。
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