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2017年7月4日 星期二

台灣發展地震預警的過往雲煙

文/吳逸民    教授    (國立台灣大學地質科學系)

吳逸民教授(投影片中也是),阿樹於2013年拍攝(低照度解析不佳)
(編按)「強震警報簡訊」為我們爭取了數秒鐘的預警時間,能在地震發生時震波來襲前搶先知道地震即將來臨,或許大家可能多少知道這樣的簡訊服務逐漸普遍,但你知道這項技術的發展史和背後默默努力的科學家嗎?今天震識邀請了在國內地震預警技術發展扮演重要角色的吳逸民教授,跟我們談談過去的內幕秘辛點滴!


當年的時空背景
台灣、日本及墨西哥是最早投入地震預警系統(1)的國家,地震頻繁的日本同時擁有先進的高速鐵路,而地震預警的發展也因應而生。至於墨西哥,則是因為墨西哥市就建在乾枯的湖泊上,即使是遠在三百公里外的隱沒帶發生大地震,因為盆地及場址效應,也會放大地震波而造成墨西哥市高樓的損壞,1985的墨西哥地震就是ㄧ個典型的案例。地震災害總是會提醒著人們,不要輕忽地震威脅,而台灣投入地震預警系統開發的科學動機,自然也是一起顯著的地震。1986年的花蓮地震發生在外海,對花蓮的住家並沒有造成太大損害,這次地震反而最嚴重的災害卻是在120公里外的台北。根據震波的速度推估,具破壞力剪力波(S)從這次地震的發震位置傳遞到台北的時間,至少要30秒,因此,若在花蓮建立預警系統,就可以對台北提供預警時間。

投入研究的緣起
有了科學動機,還要有資源投入,到底是什麼樣的契機,讓台灣在二十幾年前就開始發展地震預警系統?1990年代,台灣正值經濟繁榮,國家建設開始蓬勃發展,中央氣象局便打鐵趁熱成立地震測報中心,當時的局長是蔡清彥教授,地震測報中心的主任是辛在勤博士。地震測報中心初期在思考該如何推動地震觀測的發展時,那時延聘了鄧大量院士、吳大銘教授、蔡義本教授及李泓鑑博士為顧問。蔡義本教授就建議應該建立強地動的觀測網(2),因為,當時有許多國家的強地動觀測網都在大地震發生後才建置,大多未能留下大地震的強震紀錄(3)。蔡局長接受了建議,開啟了台灣大規模的強震觀測史,密集設置強地動觀測站。因此,1999921集集大地震發生後,台灣便因而得到前所未有的近斷層強震紀錄,這些紀錄對於往後地震科學發展有莫大助益。這些寶貴的科學資源,也是拜當年睿智的決定所賜。

參與開發的點滴
此外,服務於美國地質調查所的李泓鑑博士,當時也建議台灣應該要發展地震預警系統,基於1986年的花蓮地震案例,加上當時國際間地震預警處於剛發展的初期,李泓鑑博士認為這領域是台灣有潛力可領先世界的研究項目,於是便開始發展地震預警系統。
當年的地震預警系統主要由加拿大的地震儀器公司負責開發,系統主要接收在花蓮地區十個地震站進行解算,而預警系統的主機分別設在花蓮及台北,這是當年的主(A)計畫。鄧大量院士回來台灣時發現,當年傳輸地震訊號的數據線路(可以想成像網路訊號的概念)仍有一半的頻寬可以使用,建議將共站的強震儀訊號即時傳回,以發展地震預警系統的備案(B)計畫。
        服完兵役的我,於1993年進入氣象局工作,不久就被指派接手B計畫,當時有些資深前輩認為,地震預警不會成功,所以B計畫就由我這菜鳥接手。我一直認為戰士是不能選戰場的,所以接手後便孜孜不倦的進行這計畫,與在遠地球另一端李泓鑑博士一起工作、分頭進行。李泓鑑博士心跳是一般人的兩倍速率,是個急躁的人,自稱是Slave driver,為了解決難題,三天兩頭總有超過一兩小時的國際電話。當年我也曾兩度飛到美國地質調查所與他共事,而他來台灣時,便是由我接待,我還曾帶他到基隆配眼鏡喝啤酒……李泓鑑博士近年來健康狀況不佳,而我現在也不喝啤酒了,如今回想起往事,不勝唏噓。

取代主案的備案
當年公務人員出國多少也有酬庸性質,第一年我出國去與李泓鑑博士工作,第二年要換其他人去時,李泓鑑博士就說,如果要換其他人,那也不用來了!所以第二次還是我出國工作。因為李泓鑑博士的專業指導,原先是備案的B計畫反而成功了,由於當年的A計畫因為是商業的系統,使用者無法進行修改,儀器業者的地震專業仍有些不足,最後終究被B計畫淘汰,然而A計畫的細節畢竟已是塵封的往事,如今也毋需多談了。
B計畫是如何成功的呢?首先,利用即時強地動訊號進行有感地震測報,因為是來自強震儀器的訊號,除了可以利用地震波形資訊進行地震定位及計算規模,亦能同時將地動加速度轉成震度。1995年之前,光是發布一個有感地震就要花上約30分鐘的時間,運用B計畫的技術後,便可縮短在10分鐘之內,而在九二一地震發生後,地震報告的訊息約兩分鐘就可以送出,也是B計畫的成效,當時也是領先世界的效率。
B計畫的基礎技術由李泓鑑博士提供,當年的的計算時效最終仍遇到一個難以突破的瓶頸:為了追求時效,需要用地震初始振動定出規模,但這是一個難以突破的關鍵技術。直到1998年提出新的規模計算法,才開始有辦法在30秒提供地震解算結果,初探地震預警的先機,藉由預警子網及虛擬子網(4)到了2002年,已經可以在地震發生後22秒提供初步的地震訊息,為當時最佳的地震預警系統,這也是有心插柳的結果,也讓地震預警可進入下一步的應用階段。
 
虛擬子網示意圖,圖中三角形指的是即時強震測站,虛線為在不同地方發生地震事件時,系統自動搜尋圓半徑約60公里的子網範圍,計算範圍中的測站可以增加地震資訊處理的效率。圖中星星為1999集集地震的震央位置。圖截自Yih-Min Wu, T.-l. T. (2002), A Virtual Subnetwork Approach to Earthquake Early Warning, Bull. Seism. Soc. Am, 92(5), 11

相關註解:
1:本文所提到的「地震預警」並非預測地震的方法,而是在地震發生時搶快在震波來襲前提供警報的技術,氣象局官方名稱為「強震即時警報」。然在技術發展過程中皆以「預警」來描述,故本文仍使用地震預警一詞。
2:「強地動觀測網」指的是以強震儀(提供紀錄為「加速度值」)所組成的地震觀測網,而加速度值可以直接換算並對應震度的資訊。
3:本文中所有「強震儀」、「強震資料」都是指記錄地震動加速度值的儀器與紀錄,都是因應工程與震度等需求而生的。

4:「子網」的概念是將全台的即時強震站再細分為數個較小的網路,如將北部畫成一區、花蓮畫成一區以此類推。當子網的儀器偵測到地震時先行分析處理資料,比起處理全台的資料,較少測站的子網可有效縮短時間。其中預警子網是事先用人工方式分區,而虛擬子網則是在地震訊號進來時,電腦依收到設號的測站位置自動畫分子網範圍,可再進一步加速預警時效,得到更多預警時間。

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