2020年10月5日 星期一

您怕變成國家級邊緣人,但我們卻更怕國家級的狼來了!

文/阿樹    震識:那些你想知道的震識  副總編輯

在2020年的9月30日,臺灣東北海域發生了一起規模5.9的地震,最大震度是在新竹關西的4級,而接著在10月4日的凌晨臺灣中部也發生了規模4.1的地震,最大震度是在苗栗的3級。 

欸,沒事幹麻提這兩個看起來在臺灣挺日常的地震?
因為,不少看待這兩起地震的網民、媒體和政治人物們,正為了「震度幾級」該發布災防告警簡訊而吵鬧著…詳見以下幾則新聞:

震度都3級 為何僅台北有國家警報(聯合新聞網)
https://udn.com/news/story/7266/4901746
台中4.1地震!民眾未獲手機預警提醒 盧秀燕:改3級就發簡訊(ETtoday)
https://www.ettoday.net/news/20201005/1824665.htm
中市地震4級才有手機簡訊 議員促調降至3級、盧秀燕應允
https://news.ltn.com.tw/news/life/breakingnews/3311956
(其他不及備載略)

新聞來源:ETtoday,連結https://www.ettoday.net/news/20201005/1824665.htm

 

今天跟讀者分享這些新聞,並不是要笑民代或市長不懂震度規模,因為這已經是一個擺在哪一個國家,都會出現的萬年迷思,即使教科書、科普文都已經寫很多,還是沒辦法將「震度」這個重要的觀念深植人心,所以在我們評論之前,還是不厭其煩的科普一下震度和規模的不同,再來談到底災防簡訊的發布標準該如何。

今天我們改用另一個國人熟悉的天然災害來類比,那就是:颱風!在發布颱風警報單時,我們會知道兩個重要的資訊:

颱風的大小,也就是輕度、中度還是強烈颱風
颱風對各地的影響,可能是風力級數、可能是降雨量。

決定大家要不要避災的關鍵,應該是你有沒有在7級風的範圍內,或有沒有在暴雨的範圍內。颱風從北邊通過,南邊可能被影響的程度很小,反之若從南方海面掃過,北部可能也就放不到颱風假,總之這邊想要呈現的觀念是:「風、雨的程度會因地而異」。

所以回到地震報告上的資訊,我們可以這樣理解: 

地震的(能量)「大小」指的是地震規模,跟前面說的颱風大小很像。
地震對各地造成的搖晃,就是震度,可以類比為前面提到的風力級數。

所以,照理說一次地震的大小應該就只有一個固定值,所以一次地震的一種(如芮氏)規模就只會有一個值,而這個值是經過換算出來的,並且固定就是兩位的有效位數,所以科學一點的表示應該要寫規模7.0,若寫規模7的話,就會變成口語化的用法了。

那麼震度呢?它是將測量到的數值再作分「級」的概念。前面提到的風力,其實每一級都有其對應的風速(km/h)範圍,像7級風就是50~61km/h。而震度是以同樣的原理,只是現行國內的使用方式是4級以下採加速度值、5弱以上則以速度值作為參考。簡言之就是,若您能理解颱風對各地造成的風速不同,便能用同樣的方式理解地震的震度概念。

雖然這類的科普知識看起來很無趣,但若連震度規模都分不清楚,要討論相關規定會是件很荒謬的事情…

請看以上 不會冷 說明的地震分級比較快…

接著來談新聞應該討論的焦點:到底幾級才應該發送簡訊
首先,「震識」需先聲明:所有的發送規定,我們會建議需經過地震、防災與政策執行等各種不同專業的人士先討論後,制定出對防災有益的做法,而本文的重點則是從地震防災相關背景的專業提出觀點。

在制定規範前,其實我們已經有很多目前已經實行的規定或是科學分析方式可以提供參考。首先或許是大眾最為關心的「老舊房屋會不會有危險」的問題,就目前地震的分級上,3級的震度描述為:

(人的感受)幾乎所有的人都感覺搖晃,有的人會有恐懼感。
(屋內情形)房屋震動,碗盤門窗發出聲音,懸掛物搖擺。

至於震度4級的描述如下:

(人的感受)有相當程度的恐懼感,部分的人會尋求躲避的地方,睡眠中的人幾乎都會驚醒。
(屋內情形)房屋搖動甚烈,少數未固定物品可能傾倒掉落,少數傢俱移動,可能有輕微災害。

而若來到震度5弱以上,則開始會對建物威脅了:

部分未固定物品傾倒掉落,少數傢俱可能移動或翻倒,少數門窗可能變形,部分牆壁產生裂痕。

由於目前建築的耐震規範至少都有5級(指的是5弱),近年完成的新屋當然不應有問題,那麼4級呢?其實4級震度的加速度範圍(25~80gal)離目前建物較低的耐震規範(0.23g,相當於225.4gal)是有點遠的,所以若採用4級的震度來判斷會不會對建物造成威脅,或許可算是已經「料敵從嚴」了。

不過,4級的震度若持續個數秒,對於人們是會容易產生恐慌的,因此目前在各種災防措施上,多以震度4級作為分界點,大部分的縣市政府,都會在4級以上啟動災害應變的機制,而臺北市則是震度3級就開始動作了。但若是「中央」的層級,則以5級開始啟動災情通報,而6級才會啟動中央應變災害中心。

至於臺北市為何用震度3級當標準,阿樹目前不敢斷言,但就過去阿樹在氣象局地震測報中心值班的經驗,同樣的震度,在北部地區總會比其他的地方有更多的關注。常有在地震報告未發布前,值班電話就響翻天了,最大宗的為記者,其次為民眾,而常見的共同點是位於樓層稍高處,即使是2級的震度,都會十分有感。網友們常戲稱「天龍國」,不如想成是因為人口密集、大樓林立且對地震較為恐懼等因素(九二一地震,震央雖遠卻造成北市樓房倒塌),造就了對地震防災的獨特觀點,而這樣的觀點是否正確,需要的不是我們在這邊評斷,而是要更多的分析與討論,包括高風險住宅的數量、地震的頻率與風險程度,就如同氣象局地震中心回應媒體的說法一般,他們需要各界的專家協助評估怎麼樣最好。

摘自臺北市防災作業手冊

摘自臺北市防災作業手冊


哎唷好麻煩,不能大家都用震度3級當發布標準嗎?
好像很合理,但這又是一種迷思了:

當前面有數十次地震防災警報的結果都是搖晃不大的小地震,多數人已經麻痺習慣了,就好死不死輕忽了一次真的大的地震…

簡單來說就是怕「狼來了」效應,強震警報本來的用意就是要讓大家在大地震來襲前做好準備措施,就阿樹自己來說,是每遇到必躲避的,而且我最近還撰文酸過音樂會的中間來襲地震時,舞台上的表演者真的很「勇敢」的繼續唱歌。現狀已是如此,那麼降低門檻到底是料敵從嚴?還是讓我們更分不清楚簡訊呢?

以2019年臺中市和臺北市發生的地震情況來比較,其地震數量統計如下:

臺北市,大於3級:7個,大於4級:2個。

臺中市,大於3級:17個,大於4級:3個。

先不管還需要討論的臺北市,當臺中市改以三級為發布標準的理由是災害防救,那就意味著市政府相關單位至少要先如臺北一般動起來,嗯,看起來年度工作會多6倍哦…但問題還是一樣,當「搖得不大卻一直要檢查」變成日常時,到底是好,還是不好呢?

順便補一下地震之國花蓮的資訊,大於3級:121個,大於4級:60個。(我相信絕對沒有一個地方首長會在這情況下提出要求的)


此外,以地震分級方式和我們最接近的日本,亦是以5級(弱)作為「警報」發布的門檻,而他們會另外提供發布門檻比較低的「予報」給特定的用戶(有些業者有開發地震警報機器,可以自由設定接收資訊的門檻)。所以如果是站在國家中央單位的立場,他們是比較高門檻、比較能確定是大地震的資訊,才會「強迫」送警報訊息到大眾的手機上,但如果今天用戶想要知道即時的中小型有感地震資訊,則是民眾需自主取得。套用到台灣的現況來說就是:大地震國家推播給你,小地震請自己裝相關app自己設定。

阿樹寫的地震100問都有講!自己去看


所以,要怎麼做,對大家比較好、對防災也有幫助呢?
但是,請先問問自己,您是否同意每次警報響起時,就立刻「趴下、掩護、穩住」呢?


如果您不會馬上有作為,那震度3級或4級發布,好像也沒啥意義,對吧?


延伸閱讀:

Did you feel it?震,知道了 

沒事,幹嘛改震度分級呢?(絕對不是吃飽太閒)  

 你有看過邊地震邊唱歌嗎?如果你沒看過,現在你看到了… 

災防告警服務專區

 震災災害防救業務計畫

《建築物耐震設計規範》 的重要沿革 - 國家地震工程研究中心

2020年9月8日 星期二

臺灣地震規模計算方式修正?那之前的有什麼問題嗎?

 文/陳子翔


最近,中央大學郭陳澔老師的團隊受中央氣象局委託研究計畫,完成了一項相當重要的研究:修正了臺灣的地震芮氏規模計算公式。

咦?可是地震規模不就是用來表示一個地震所釋放能量大小的數字嗎,為什麼會有不同結果?而且為什麼我們的芮氏規模計算方式「要修正」?難道,臺灣的地震跟世界上其他地方的地震不同嗎?


地震規模怎麼來

當我們要評斷地震的「大小」時,最常使用的就是「震度」與「規模」。震度用來表示一個地方搖晃的程度,規模則是代表一地震所釋放的能量,震度與規模的概念相信許多讀者都相當熟悉了,不過當我們理所當然的在每次地震後,到氣象局官網查詢這次地震自家附近的震度大小、這個地震規模多大時,但你知道地震報告上的震度和規模實際上是如何得知的嗎?

要得到一個物理量,最常見也最基本的方法就是量測,好比用溫度計可以量測溫度,尺則可以得知積雪的深度(記得不要用溫度計)等等,而地震的震度基本上也可以用儀器「量」出來。隨著科技的進步,除了用地震儀,利用震度的換算基本原理,以「加速度計」所測量到的加速度,加上搖晃持續的時間這兩個資訊也可得知。不過,震度能透過「加速度計」來衡量,但怎麼好像從來沒聽過有「規模計」或是「能量計」之類的儀器,那地震的規模又要怎麼量呢?

答案是,地震發生在深不可見的地下,我們的確沒有任何方法能「直接」量測到一次地震釋放的能量,不過,依然可以用一些方法回推估計出地震的規模。我們最常聽到的芮氏地震規模,是美國地震學家Richter在1930年代所發明,當時的定義是以「伍德—安德森扭力式地震儀」,在距離震央100公里所測量到的最大振福來定義規模大小,而且這個方法還有一個假設條件:假設在距離震源等距的條件下,地震最大振幅與地震所釋放能量是「正相關」而且是「穩定的函數關係」。(這段黑體字很重要請暫時記著三分鐘)

但是,伍德—安德森扭力式地震儀早就沒有在使用了,而且更重要的是,地震的搖晃程度或最大振幅與地震所釋放能量並不是那麼簡單能用一個關係式打遍天下,必須因地制宜做些許的關係式調整。搖晃程度固然與規模正相關,但卻也還有很多其他因素會影響地震的搖晃程度,比如所在地的地質特性、斷層滑動機制、測站與斷層的相對位置等等……也因此,現代的芮氏規模早就不是當年的芮氏規模了,現代的芮氏規模(Local Magnitude, ML),參考的資料是根據現代的地震儀測量資料模擬成伍德—安德森扭力式地震儀的振幅,並且根據各地的地質特性來制定公式進行計算得知的。

然而公式再怎麼修,芮氏規模終究只是以最大振幅經由公式回推的結果,而不是真的根據地震的物理特性得知的,當規模太大時會有「飽和」的問題,其實就是前面提到「地震最大振幅與地震所釋放能量是『正相關』而且是『穩定的函數關係』」這件事不再適用。也就是芮氏規模超過大約7之後其實就失真了,譬如實際上釋放能量達規模9.0的地震,如果用芮氏規模來計算可能會只有8.0、7.8等極度失真的結果,主要是因為在模擬成伍德—安德森扭力式地震儀的振幅時,已將地震所含的低頻能量自動濾除,這是當時地震紀錄儀器本身的限制。

也因為芮氏規模存在的這些問題,地震學家在1970年代發展出了另一種計算規模的方式:地震矩規模(Mw)。地震矩規模與芮氏規模不同,不是以地震波回推,而是從有關地震是放能量大小最根本的幾個條件:震源滑動面積、滑動量來計算。如此一來得到的規模就是根據地震震源的物理特性所算出的能量,也不會有「飽和」的問題,世界上著名的幾個大地震,比如2011年日本東北大地震的規模9.0,就是地震矩規模喔!

中央氣象局 地震報告

美國地質調查所 USGS 地震報告
與上圖中央氣象局同一起地震,USGS利用其儀器與震矩規模計算的結果不同


說到這邊大家一定有個問題:既然地震矩規模好棒棒一百分,為什麼不放棄芮氏規模統一用地震矩規模就好了?理論上確實可以,但會產生另一個額外問題,就是地震震源的這些物理特性要怎麼得知呢?沒錯,要精確判斷斷層滑動面積和滑動量其實也是個大工程,需要仰賴不同的探測方法,即使是利用地震波也得要有夠多夠完整的地震波資訊,因此要得到地震矩規模是需要時間的。如果每次地震完要瞭解個規模多大,都要曠日費時地計算才能得到結果,在研究上相當有意義,但對於跟時間賽跑的「地震測報」就變得有些不切實際。試想一下,5分鐘若能得到的資訊卻為了細節而花上30分鐘,對大眾而言意義不大。因此大部分地震發生時,會先使用方便又快速的芮氏規模作為地震報告的資訊。


臺灣使用的地震規模

如同前文所說,芮氏規模仍然是最常用、又快又方便的規模計算方式,仍是我們地震測報的使用的首選,而既然要重用它,我們當然希望它越精確可靠越好,這也就是為什麼會有這次的芮氏規模公式修正。

中央氣象局原本的芮氏規模計算方式是從1993年開始使用,是以三軸短周期地震儀的觀測資料進行回推,不過舊版本的規模運算結果有高估的問題,在淺層地震上,算出的規模大約會比實際的地震矩規模來的高約0.2,而在更深層的地震誤差還更大一些,甚至2016年有個案例氣象局的芮氏規模給出6.9,而美國地調所算出的震矩規模卻只有6.4,這兩個數字所代表的能量可是差了5.6倍呀。而且根據前文,實際上當地震很大時,芮氏規模應該是要偏「小」,但結果那些深層的地震,卻是明顯偏「大」了,即使用芮氏規模的飽和問題來解釋,也不合理啊!

所以,郭陳老師與其研究團隊便根據臺灣的地質特性,修正了芮氏規模公式,而藉由真實資料的驗證也發現,氣象局的芮氏規模與地震矩規模的誤差成功的縮小了。下圖就是運用新、舊公式得到的芮氏規模與震矩規模得到的結果,縱軸表示計算結果與實際地震矩規模的差值,橫軸則是規模大小,可以發現新的計算方式(綠)較舊(藍)的結果更靠近震矩規模的計算結果。

圖片來源:郭陳澔教授


結語

地震規模可以對應到能量的概念雖看似簡單,但實際面上地震規模的估算卻相當不容易,如何讓地震規模的估計更精確,也是這數十年來地震學家不斷努力的課題。而這次芮氏規模的計算方法修正也再次驗證這件事,從另一個角度來看,除了可以讓每次地震的規模更接近真實釋放的能量外,由於進行公式修正的同時,必須更深入了解不同深度的地震對應到地震波的表現,因此這樣的研究也有助於地震學家在未來對於不同深度的地球物理特性有更多的認識。下次當開啟氣象局的地震報告時,也別忘了地震規模數字的背後,有著許多地震學家多年來共同的努力呢!


參考資料與延伸閱讀

Guan, Zhuo-Kang & Kuo-Chen, Hao & Sun, Wei-Fang. (2020). Re-calculation of the attenuation functions for Local Magnitude from the upgraded Central Weather Bureau Seismic network in Taiwan. Terrestrial Atmospheric and Oceanic Sciences. 10.3319/TAO.2020.06.16.01.

新芮氏規模地震計算式 中大研究團隊修正調整

地震的大小誰說了算?Part I:課本沒教的芮氏規模

地震大小誰說了算?Part II :更「先進」的地震規模算法?

講錯了,才沒有「芮氏規模9.0」的地震!