2020年1月15日 星期三

沒事,幹嘛改震度分級呢?(絕對不是吃飽太閒)


身為地震科普推動者的我認為,「震度」是地震發生當下時,對人們最重要的一件事。

為什麼?因為它是最直接的資訊,災時的傳遞也最有效率,以下面兩個敘述例子來看:

19990921地震,規模7.3、震源淺層、震央南投。
20160206地震,台南市震度達七級。

想要描述地震時的搖晃很大,如果用規模大小來談,還得再描述地震的震央和震源深度,因為規模大的地震,如果位置離我們很遠,影響就會小得多,像是921地震時臺南市的震度就只有五級,如果我是台南人,當知道以上那條描述921地震的訊息時,並不能知道地震搖得多大。但「台南市震度七級」的資訊就相當明確,我可以知道「台南鐵定搖得很大」。

如果這時還問我「為什麼?」和「震度是什麼?」不好意思,麻煩請先到隔避棚,看完《Did you feel it?震,知道了》這篇文章再回來哦!




這是第一次改震度分級嗎?如果不是為什麼總是需要改?
這不是第一次改,第一次改分級發生在集集地震之後隔年的八月,而為什麼要改的理由也很簡單,那就是「不夠好用」。

集集地震前,氣象局的震度階和當時日本氣象廳使用的很像,為06級,但日本早在1949年後就因應需求增設第7級,而1995年阪神地震後也增加了5強、5弱、6強、6弱。

1999的集集地震,則是因為當時中部地區量測到的地動加速度極大,由於當時震度上限為6(250cm/s^2),但超過6級的分布範圍太大,根本分辨不出中部重災區的大小差異,而後來分析地動資料後,發現重災區的地動加速度動輒500600甚至超過900cm/s^2,且另一方面在建築法規上又將水平地動加速度的考量提高到412.5cm/s^2,所以又增設了400cm/s^27級震度(當時的新聞稿連結)



所以,不管是日本還是臺灣的例子都可以看到一個關鍵的事實:震度,始終來自於人性不對是震度,始終來自於防災需求。

2020年的震度是改得跟日本一樣嗎?
不,有超過87%是跟日本的不一樣哦!
臺、日震度分級一樣的地方,只有兩個:

      分級表「寫上」0~7級外加5566(但計算的公式與畫分的邊界,都不一樣)
      有將三分量進行合成單一向量振幅並濾波(但瀘波的考量也不同)

為什麼要自找麻煩弄不一樣的震度分級、不乾脆用一樣的就好?我們可以思考一下設置震度分級的最主要目的:
      「量化分級地震的『搖晃』行為」

以及更改時會出現的問題:
      會不會因為改變過大而不利配套措施的實施
      之後有沒有可能需要微調分級

因此,這項更改除了要考量科學,還要考量其運用在社會上的實踐,並同時考量科學不確定性,所以接下來我們會細談各種需履調整的理由以及跟國外的異同與原因。

最大的改變:除了用「地動加速度」以外,還納入了「地動速度」的考量
最早的震度是從現象描述而來的,因為早期還沒有適當的地震儀可以量測地震的參數,直到地震儀發明了後,人們發現地震可以用「波形」來描述它對地表造成的運動,就像海浪一般有波動的行為。而既然地震是種「波」,就可以用「位移」、「速度」、「加速度」三項來記錄。其中「加速度」是裡面中最能符合「強震」特性的參數,因為加速度最適合對應到「力」的物理意義,而能代表我們想呈現的「搖晃」。

不過,在經過數年來的研究分析(Wu et al., 2003)也發現,不止「地動加速度」,「地動速度」也是一項重要的參數,尤其是大地震發生時,更需要考量地動速度值,而其背後的原因是地震波的「週期」因素,大地震所帶來的長週期振動,會在近斷層的地方產生「速度脈衝」。

考量到文章內容開始有變難了,請容我用兩種簡單版和深入版兩種描述

      簡單版:
就是說我們光量測加速度不夠,還要量測「速度」才能完整度。就像我們如果用指尖輕輕但「快速」以蜻蜓點水的方式戳一下對方時,對方應該只會覺得癢,不會覺得痛;但如果我們用力揮拳時,因為動作很大速度變慢了,但對方被打到應該會想問候你母親一樣,快、慢並不是關鍵,還要考量出拳時的力道、人對於痛覺的敏感度等因素。

      深入版:
當地震波的週期長時,即使「加速度」不大,也會因為朝著同一個方向加速的時間延長,而產生比較大的「速度值」,因此會有「用加速度計算起來震度不算大,但以速度值的差異來看明顯搖晃很大」的情況。反過來說,地震波的週期很短時,就算是很大的加速度,也因為延續的時間太短,人或房屋根本還沒有「被搖到」的感覺。

一般來說解決處理「地震波週期」和「速度」有兩種方式:
  1. 在處理地動加速度資料時,以適當的濾波效果來讓地震的加速度可以更能對應災情。
  2.  用速度資料來做為震度的標準(或納入標準之一)

台、日在處理震度分級的差別,在於日本用了第一種方式但用到極致,而台灣經由2020的震度改制後,在震度較小時以第一種方式考量,但震度大時則以第二種方式為主。附帶一提,最常被修改使用的「麥卡利震度階」(美國、韓國、中國等地使用),就常見有「雙重標準」的情況,在有的地方會同時具有速度和加速度兩種指標,這也意味「地動速度」是重要考量依據。

要說哪一種比較好?很難說,「震度」的標準並沒有一體適用於全世界的分級表,即使是最多國家用的麥卡利震度階,其實在各地也有不同的微調修訂,這代表震度其實要考量到地震分布與地質的特性。而中央氣象局在修訂震度時,還是考量了集集地震、兩次0206地震的結果,並且在制訂過程中也以過去發生的地震模擬檢視適用性,最後才推出修訂方案。

所以,將速度納入考量不單純是「別人做我們就要跟進」而已,而是「別人做了不錯的,我們也來研究如何讓自己做得更好」的概念。接著我們來「說圖解字」一下新震度分級表:



「灰色部分」是中央氣象局在2020年起使用的震度對照表,簡單來說就是最大地動加速度(PGA)值過了80cm/s^2之後,就會開始改用最大地動速度(PGV)值來計算,白色部分我們則可以想成是「可以對應的加速度範圍」。所以如果我們看新的6弱、6強、7級的PGA好像都比舊的再調高(舊的6級是250~4007級是400以上),但這個論述「並不完全正確」,因為實際上在計算震度時,地震波的PGAPGV並不會和表中一樣對應的很好,有些狀況會是PGA算出來6強但PGV卻是7級,但反過來變成只有5強的例子也有。因此,要了解以前的地震震度分布情況,就需要以新制重新計算才能確知,並非直接就能對應。

那為什麼要細分5566弱呢?不能直接09還分10級嗎?
這點我沒辦法回答,因為它非科學問題,以科學家的角度來看使用何種標示沒有顯著差異,但我們仍可以討論兩種修改方式在實施上的優缺點。

改成0~910級的方式
優點:數字大者即代表震度大,若知道震度意義是很直觀的。

缺點:由於原來最高為7級,而新的7級也和原來不同,未經說明可能會有誤解,。

目前氣象局使用的56級細分強弱的方式
優點:雖然5級以上有點像是砍掉重練,但如果原先「5級以上%$@#」、「6級以上$%&@」的配套是維持不變的,這樣對於其它部會或單位(交通、營建、水利、防災、學術等)運用資料上的影響較小。

缺點:加上「強」「弱」的觀念和日本的分級方式有點像,所以容易產生台灣=日本震度分級的誤解。

我不確定還有沒有未考量的因素,但就目前上述的幾點,在56級加上強與弱是相對影響小且容易講述的,而對長期容易將震度和規模搞混的科普傳播中,或許這樣的改變讓震度不只有數字,還有描述性在,更能突顯兩者意義上的差異。所以,如果說震度分級是「改了會更好用」不單單只是從科學面,也包括了科普的層面呢!

圖片來源:震識FB相簿

延伸閱讀:
Wu, Y. M., Teng, T. L., Shin, T. C., & Hsiao, N. C. (2003). Relationship between peak ground acceleration, peak ground velocity, and intensity in Taiwan. Bulletin of the Seismological Society of America, 93(1), 386-396.