2017年8月29日 星期二

地震故事part1:地震類比紀錄器與測報初體驗

文/阿樹  《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

雖然阿樹過去求學和研究歷程並不是以地震為主軸,不過,阿樹畢業後曾短暫在氣象局地震測報單位服務,短短三年也學習到了不少地震測報背後的科學,阿樹將從這段時間的一些小故事,分享科學冷知識。故事很多,將會分成數篇慢慢和大家聊。(不過這些故事純粹是阿樹自己的歷程紀錄,本文絕沒有收任何的廣告、業配或是贊助XD)

今天要來聊的主角之一:地震類比紀錄器

關於「地震類比紀錄器」
中央氣象局的一樓,有一處地震宣導走廊,走廊上有一台「地震類比紀錄器」,或許參加過局慶開放參觀的朋友,有機會看到這台機器;或是在稍微顯著的地震過後,從電視新聞的畫面看到紀錄器上頭的地震波形照片。這台紀錄器不間斷的將來自各地地震站透過網路專線連線回來的訊號刻畫在紙上,紀錄紙並不是一般的白紙,而是使用特殊的感熱紙。指針上的高溫(印象中是利用電流產生的溫度)會在紙上留下痕跡,才不會有墨水用完這類的問題。
中央氣象局地下室展示場的威赫式地震儀,黃靖閑攝影
附帶一提,前一週本站篇邀稿的作者張技正也曾跟我提過他過往的故事,說到早年仍使用古老機械式地震儀的年代,他曾處理過地震儀的紀錄紙,當時的紙需要經過燻烤讓變得好吃紀錄紙先附著黑色的含碳物質,到時指針就會直接紙上留下白色的刮痕紀錄。阿樹覺得相當有趣,但對當年的工作人員來說,要忍受煤油燃燒的味道,又要小心翼翼的不要刮到,可不是容易的差事。(燻考過程請參考以下影片)

記錄紙燻煙示範講解 - 儀震天下/921地震15週年 歷史地震儀特展

「所以,氣象局會有很多很多的紙張,記載著每一次的地震資料嗎?」其實那個時代已漸行漸遠。隨著科技演進、儲存與傳輸不斷求多求快的發展,現今多數的地震紀錄都已經是數位化的資料,類比紀錄對研究或測報都已不再實用(1)。而畢竟是以紙來記錄,無論是以滾筒的方式或是摺疊收納,總是會有用完的時候,可能數個小時就得更換一次,如果剛好在更換的時候發生地震…就有可能遺漏了!

不過,在地震走廊上的紀錄器,還是保留了地震資料最經典的呈現方式,也能即時的繪出地震儀的訊號,理所當然的是最好的地震知識宣導工具之一。此外,這樣的機器在地震測報中心內也還有幾台,筆者過去在協助測報發布時,也想到了它們的另一種用途…

當地震發生,紀錄上的指針便會左右擺動咔啦咔啦作響,此時不僅還不知道地震確切的位置,甚至連地震預警(強震即時警報)也還沒能產製出來,因為這些訊號,是測站接收到最初始的震波(P)後,在不到一秒鐘的時間就傳回來的資訊。等到過了幾秒,有足夠的震波到時資料可以進行解算時,才有可能進一步知道震央、規模等資訊。換言之,「指針正在咔啦咔啦作響的類比紀錄器」對於地震發布台值班的人員,就等同於地震預警的概念一樣。
看到這個就知道,20幾分鐘前有個地震(最左方一個突波代表1分鐘)
分秒必爭的地震測報
不過,在地震發布台值班時,除了類比紀錄器外,還會有很多的警報可以用來提醒相關人員,像是過去新聞提過的「小丸子音樂」就是其中一種,實際上就阿樹的印象,至少有四、五種不同的警報音效,分別代表不同意義或是由不同系統或是不同演算方式產生的自動定位結果。

至於整個產生地震報告的流程就是:地震發生後十幾秒到數十秒(2)觸發自動系統並演算(這時響起櫻桃小丸子音線或是其它警報聲),接著經過確認檢視後發布,整個過程大約就是二到五分鐘。在《台灣發展地震預警的過往雲煙》一文中,吳逸民教授也提到,在1995年時,地震報告發布的流程還需要花上約30分鐘的時間,直到運用和地震預警架構一樣的自動化技術後,開始大幅縮短時間,在1999年九二一地震後便能在二分鐘之內送出報告。這樣的水準大概已經是極限,據阿樹所知,目前多數有感地震報告多能在二到五分鐘內完成。
本圖是阿樹由當年工作的回憶自行繪製,非氣象局實際的SOP流程圖

等等,既然有自動系統,那為什麼還需要提醒相關人員檢視?
道理很簡單,因為這件事「很重要」,所以需要有個再次確認的系統。如果是大地震,所有第一時間防救災體系所仰賴的資訊,全都在那張地震報告之上了,包括地震位置、深度、規模、震度等資訊幾乎都是在當下都要有一定的準確度。當然以科學的角度來看,沒有什麼百分之百準確的事,只是我們還能做些努力,譬如說「讓專業的來!」

當然不是叫專業的來計算地震參數,分秒必爭的情況下,多一道人工手續,其實是讓資料在送出前能盡可能達到「最接近正確無誤」的地步。即使擁有自動系統,難免會有因軟硬體的問題造成地震波形與震度的判讀問題,而利用多套自動系統搭配專業判釋,就有助於讓發布的資訊更加穩定正確。波形若有問題,可能會影響定位結果,而若進一步造成震度誤判,也會讓事後的災情評估出現誤差。而真實會遇上的情況可能也會更複雜,除了隨時(24小時不間斷)都有輪值人員注意之外,還得設置待命與定期模擬演練等,但重點是「地震要發生並不會先告訴你啊!」

速報和預警的用途差異
地震警報求快求準,要很快的提供必要訊息
但話說回來,或許有人看完上面的故事會問我:「可是你等地震發生後的兩分鐘才給我地震報告,早就是事後諸葛,沒有效用啊!」但如果反向思考一下,若在震波到來前的10~20秒給你滿滿的地震資訊(包括震央、深度、規模、各地震度),對於多數用戶而言,需要再消化資訊並理解的時間早已超過可預警的時間,預警只能給「最有用的資料」,也就是地震大致在哪、你是不是在震度大的地方。

簡言之,對一般大眾使用者而言,現在防災簡訊中的地震警報作為個人即時避災所用的「第一報」,而像氣象局透過網頁正式發布的資訊則為更詳盡的「第二報」,這個第二報除了是讓要去救人的人有更多的資訊,也讓大家可以去關心自己身邊重要的人是否遇上了劇烈的搖晃。這些的背後則是長期的硬體建設、軟體發展和人員訓練的工夫才能成就,阿樹藉此以個人的經驗與大家分享這些成果背後的努力

這只是第一章,阿樹還有一些相關故事,仍未完待續。

1:最早的地震儀是以紙張上面繪製震波圖形來做記錄,無庸置疑的是連續的「類比紀錄」,而這邊提到的「類比紀錄器」也是以這樣的方式記下地震波形的。而現代的地震儀多已數位化,所以對於地震波形的紀錄是以「取樣」的方式記下,但因為取樣率隨著科技進步(譬如主流的資料流為100Hz,就代表一秒就有100筆資料),對於地震測報所需的演算上已足夠。

2:進行地震定位與規模計算時,加入計算的儀器資料越多,所需的時間越多,不過造成時間需花費較多的主要原因,並不是因為要花更多時間計算,而是因為需要「等待地震波形到達」,若要將分布於全台的測站都算進去,那勢必已經是地震波經過之後的事了。

2017年8月22日 星期二

地震觀測紀實:一個地震觀測工作者的故事

文/張建興 (前中央氣象局地震測報中心簡任技正)


筆者過去在氣象局從事地震測報的工作。某日在地震宣導走廊遇到兩位氣象預報的同仁,她們正在爭論剛才是否發生地震,遂就近找了路過的我當裁判,我指了指走廊邊的震波類比記錄器,短暫解釋約在三分多鐘前於宜蘭近海處有發生地震,從紀錄可判斷該地震規模小,可能地表強震儀都只測量到0級的震度,因而未發佈有感地震報告,但當時在較高樓層辦公的她們其中一人,確實感覺到這起地震。

處理了這場爭議後,頗有日行一善的欣慰。事後想想,在以前還沒有發明地震儀能記錄地震波的年代,如果發生了此類爭端要如何解決?筊杯嗎?找許多人來投票嗎?再想想,雖然我長年生活在多震的環境,還好臺灣現在設置了許多的地震儀進行科學觀測,對於震動較敏感的我不用憂慮是否身體有異,還蠻幸福的。


關於地震儀的歷史與科學
中央氣象局地震測報中心外的震波類比紀錄器,潘昌志攝影。

Technology always comes from human nature. 如果地球上沒有板塊運動、不會發生地震的話,我猜人類發明地震儀捕捉地震波的動機與構想可能會延後(也許在核武發展之後)吧?當然,這樣一來我們對地球內部的了解程度可能遠比現在少多了。在小學時的教課書中讀到,西元132年張衡創製了人類第一部地震儀(1),雖然該部儀器未能記錄地震波動,概具有判知於遠域發生顯著地震的功能,但仍為全球地震科研者推崇,論述人類地震科學發展時多有著墨。十九世紀的幾位學者們運用牛頓定律,結合重錘慣性擺的週期運動的原理,研製了最初的機械式地震儀,在地震發生大地萬物皆處振動當下,成功地記錄了觀測點的地震波動資料。

隨著觀測資料增長,地震學者於未有觀測紀錄之前發展的彈性波動理論(2)逐步獲得實證,從早期的定性觀察邁入定量研究,健全了地震學的研究根基。二十世紀人類科技日新月異,在基礎原理之上,機械式地震儀進化成電磁式地震儀,使用方式越加便利、資料紀錄品質更加精良。回顧地震儀的發展,這項工具乃地震科學發展史上的重要角色。

近代地震觀測儀器仍持續推陳出新,除廣泛佈置於陸地地表、深入地下,並拓展至海域,功能也益加強化,搭配數位通訊即時傳輸,匯集一定數量網絡型式的地震觀測站資料,接收後經由人工智慧軟體處理,可快速進行地震定位、規模計算、震度量測與訊息發報。有些地震儀的設計更是新潮,直接將智慧軟體植入為配件,在地震時鳴放警報音效,甚可操控穩固電梯與升降機等機具。人類文明自古對地震就多有描述,從揣測、觀測、監測到今日可預測震度即時發佈警報,最主要的環節端在研究地震波所獲得的知識幻化運用。

「解析地震波」所帶動的地震學發展

在地球的自然界中,地震波可謂最複雜的波動之一,由於天然地震的震源絕大多數以雙力偶(double couple)模式產生彈性波動(3),釋放的能量在體波(包括Primary Secondary waves)特殊的輻射形式(radiation pattern)下,經過非常多樣的地下介質乘載傳遞,到達地表後又產生表面波(包括Love Rayleigh waves)持續擴散,其內涵(頻率、速度、方向性等變化)可能超乎我們經常接觸到的光波、聲波與水波。地震波動紀錄除了是證實發生地震的最佳科學資料,同時也帶出許多我們無法親眼目睹的地下形貌與地質資訊。

地震能量從震源發出經傳遞路徑與場址為儀器蒐錄,地震學者分析波動紀錄,從中求取震源破裂的幾何形態、路徑上的衰減效應以及觀測位置的場址反應,讓地震研究內容十分豐富多元(4)。地震科學研究增進了我們對地體構造的了解,於具有震災潛在威脅區域,更能實質進行事先防範災害的相關作為,以我們所處的環境臺灣為例,非常能夠親身體驗地震科研與防震科技的發展。

臺灣發生地震的頻率還蠻高的,感受地震是臺灣人共有的生活經驗,若造成嚴重災情也會留下長久的記憶。早在十九世紀末,臺灣就設置了地震儀開始科學觀測,百來年的觀測歷史,過程中有學習、有創新,地震防災事務也在經驗中淬鍊成長,我們從921地震可以看到臺灣在事件前的各項努力,包括有建築抗震法規設計、活動斷層調查成果、建置地震訊息迅速發佈系統以及救災動員規劃(5)。不可諱言的, 921顯著的地震災情可能掩蓋了許多事前的努力,但我們還是必須在地震相關科學研究與防災事務持續加強,以因應此類必然再現的地震事件。

1:根據文獻記載,張衡的「候風地動儀」嚴格來說僅是「測震儀」,因為其不具紀錄效果。

2:米契爾(John Michell)18世紀中就提出地震是彈性波的想法,而到1820年代帕松(Simeon Poisson)和柯西(Augustin-Louis Cauchy)以數學的方式推導出彈性波的方程式,這些研究都遠早於機械式地震儀問世(1890年之後,也驗證了彈性波的理論)

3:天然地震若以斷層錯動型態發生時,會依錯動方向而形成不同形式(壓縮或伸張)的波動,其空間上相對應的關係如下圖所示。
 
震源(focus, F)發生錯動瞬間造成波動的質點運動示意。圖取自維基百科Focal mechanism條目,圖片作者與來源: Mikenorton - Own work, CC BY-SA 3.0

4:前述內容如震源破裂幾何、衰減效應、場址反應等研究題材,皆為來自地震資料的解析結果,這些均屬地震科學的「基礎研究」範疇。

5:在1999年之前,臺灣因過去國內的數次震災與其它國家的借鏡下(1995日本阪神地震),已開始啟動多項與防災作為有關的科學研究。雖然地震災情嚴重,但許多觀測和研究也藉由九二一地震有更長足的發展,如當時剛起步的強震警報與強震儀的設置等等(詳見本站「臺灣發展地震預警的過往雲煙」一文)

2017年8月17日 星期四

我們為什麼需要「強震即時警報」?警報時間越長就越有效嗎?

文/阿樹   《震識:那些你想知道的震事》副總編輯

這篇文章的發想是來自於今年(2017)四川地震後文章:提前71秒为成都发出九寨沟地震预警, 这套中国研发的预警系统真的很牛掰,這些文章帶出了一些大眾對強震警達的不當相像和迷思,也藉此談談「強震警報」(以下會以「地震預警」來作為代稱)對我們的重要和實用在哪。但阿樹在這先說明一下,前述的文章內容並不糟糕,也有提及實用觀點,但或許為了更吸引讀者,在下標題時卻忽略了地震基本的科學極限,所以才特別需要澄清一下

二種不同思維的地震預警
修改一下藥廠廣告的台詞,用在地震預警上就會是平平是地震預警,原理不同,用途效果也不同!」過去像本站介紹過局的震預警系統,以及日本的緊急地震速報,甚至前文中國大陸使用的ICL地震預警系統,大致的原理都是建構在基本的地震定位與決定規模的方式,進一步的利用電腦與程試判斷等手段,盡可能縮短時效,並且以規模計算的結果評估震度,目前上述「區域型地震預警」的技術大約可以縮短在20秒之內

另一種則是「現地型地震預警系統」,這種系統就會跳過地震定位的步驟,直接針對先收到的P波進行分析,而透過大量分析過去的地震波形資料特徵,便能從最初的P(僅需前三秒的波形)分辨出地震的規模是大是小,進而估算後續震波的活動,這樣一來就可以更快得到資料,這種方式在國內包括國家地震工程中心、前些日子接受本站邀稿的吳逸民教授皆有相關的研究與衍生產品。

不過有一好就沒有兩好,現地型的系統時效快,但畢竟僅靠預先設計好的演算方式,準確度就比不上利用較多測站解算完成的區域型地震預警系統,反過來說區域型的技術由於需要花上較多的時間,最嚴重的震央區或斷層沿線一帶,可能都算是「盲區」,就算收得到區域型的預警簡訊,地震也早就過了。除非我們能把這兩種摻在一起…當然,我想得到,你想得到,科學家也想得到!目前上述所提到的開發單位都在嘗試如何把這兩種方式結合搭配運用以達到最佳效益,好在這些研究已經近在咫尺了!

說到「效益」,該怎麼評估?越多秒越好嗎?
因為地震預警是種「提前告警」的警報,習慣上或許看到71秒會有「這系統很厲害RRRR」的感覺,但這真的就很厲害嗎?接下來我們用簡單的數學來解析,內文有提到它是對「成都市」的預警,成都市和震央的距離關係有多遠、震度有多大呢?筆者沒有官方資料,先拿USGS的報告截圖來看:
震央所在以等震度線分布圖,圖片截自USGS網頁。
若將上圖中震央(星星)地區與震央直接拉線,相隔大約280公里多,S波的波速若以3.5km/s來算會是80秒、以3km/s則是93秒,如果我們取個中間值估個87秒好了,減去71秒就會是16秒,代表的意思就是震後約16秒我們就收到地震簡訊了,還記得前面提到區域型預警技術一般解算情況都會壓在20秒內嗎?就這次的案例而言,16秒的時間做好解算+發布到用戶端,的確算是很好的時效,尤其是簡訊端發送的部分

但是,如果要直接把「我們多了71秒可以防災」來作為結論,卻言之過早,因為上圖的成都市旁邊也顯示了當地的震度,以MMI震度階畫分的話是震度IV級,對於到中央氣象局大約是1~2級左右的震度,這樣程度的晃動小到幾乎不會造成災害,真要考慮也僅有極精密的儀器之類的會受影響吧?

那麼到底預警可以用在多遠的範圍?
真要用科學的角度來看,實在很難給個門檻範圍,因為呢,地震大小不同,衰減的程度不同,當然我們會得到的預警時間也都不同。這樣講很難懂對吧?我們舉出一種情境,看看地表震度分布和S波從發震之後到達不同地方的時間關係示意圖:
情境1:僅考慮震度衰減的效應,S波的行進波速以3.5km/s來估計。黃色為震央位置示意,實際上震度分布會因斷層破裂型態而有所變化。圖片由筆者所繪。
從上圖的情境來看,大於六級震度的地方幾乎都在預警盲區內,五震震度區或許可以仰賴現地型預警技術,而四級震度區或許可以藉由區域型地震預警得到更多的預警時間。
為什麼上圖的S波到達時間只畫到四級震度區?因為三級以下的震度對於多數建物並不會造成太大危害,而現在台灣收到的地震簡訊大致也是以所在地震度四級為標準。(不過,曾聽過朋友有在震度三級的情況收到簡訊,個人猜想或許是考量正負一級的誤差吧?)
至於更小的震度區呢?當然因為離的更遠,理所當然的就有更多的預警時間,只是它並不能達到真正減災的效果,大概是減少恐慌吧?

接下來,如果我們把地震規模改變一下,將上面那張不同震度區的邊緣和S波到時的關係表格化,做成不同規模情境時的情況如下圖:
將不同規模、地表加速度範圍與S波到時所繪的圖,地表加速度2580250gal分別是456級震度的最低門檻值。不同顏色長條圖代表規模不同時,最遠可測得的加速度值,並用白色長條圖顯示其對應的S(波速以3.5km/s推估)從發震到達該位置時的時間。本圖為模擬所得之圖,不代表實際地震時的情況,由洪瑞峻所繪製。
所以我們可以大略估出不同距離、震度與可預警的時間差異,可以發現當規模越大時,震災範圍將會較大,當然,需要預警的地方(震度4級、25gal以上區域)就會變大,此時再來談「得到多少預警時間」才有實質意義。預警技術所考量的地方應該是搖晃較大的地方,若是針對震度極小的地方,看起來就只是一個倒數計時展示器的概念而已

不過,離震央較遠的地方也不一定安全
看了前面的圖表資料,或許有人會得到「遠的地方比較安全,所以也用不著預警」的結論,不過我必須說這是個迷思觀念。因為震度的分布不會等距均勻分布,還會受到斷層本身和地質的影響,我們從921集集地震的等震度圖,就能略窺一二:
921集集地震的等震度分布圖,星號為震央所在,圖片來源:中央氣象局地震百問
先看震度6以上的部分,可以發現圖上的震度分布是長形的,向北延伸到新竹,向南延伸到嘉義,絕大部分因素在於南北向的斷層型貌,以及斷層錯動的情況。斷層向南可延伸到南投和雲林交界,而向北則可到苗栗南端,而錯動的初始點雖在震央區,但斷層錯動量最大的地方要再更偏北方一點(斷層上的短暫瞬間:動與不動之處()一文)。所以雖然有些7級的震度區離震央稍遠,但震度一樣很大、很危險。
接著看5級震度的地區,最明顯的就是在北部地區有一塊淺綠色,雖然搖晃不若6級強烈,但也足以造成一些損害,此時預警系統就可發揮用處,如下圖所呈現的概念:

情境2:在情境1的基礎上,多了一塊震度因地質情況而產生放大效應的部分(橘色橢圓範圍),提前預警將對此區域發揮更好的效果!圖片由筆者所繪。
預警系統「真正的用處」
在此舉出兩例近代歷史地震案例,分別是1986年與2002年在花蓮外海發生的地震,前者震毀了當時台北縣(現新北市)中和的華陽市場,而後者則造成施工中的台北101大樓起重機吊臂震落的傷亡。預警系統並不能改變震毀的市場或震落的吊臂,尤其是當時的華陽市場經改建後耐震能力已較差(這也是事後調查才知道),讓我們的建物更加堅固耐震,一直都是抗震的重要做為,與預警系統本身是不同的事,然而像是施工中的吊臂,或是當年在市場一樓的人們,若是多了十秒至二十秒的時間應對,是否能再降低傷亡人數呢?哪怕是在搖晃之前能盡可能的避開危險,都能多爭取一些生存機會,當然,這都得建置在我們知道怎麼運用科學、科技來幫助自己。歷史無法重來,但未來可以改變,看似消極作為的各項地震研究或防震建議,實質上也是一種積極求生之道。

延伸閱讀:

註:集集地震的車籠埔斷層,請見下圖中央地調所之台灣活動斷層分布圖: