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強震即時警報

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地震發生後震源向外傳播P波、S波,地震觀測站接收到速度較快的P波後,將觀測資料傳到中央氣象局,中央氣象局分析計算這些資料,並搶在S波到達前對外發布警報
交通部中央氣象局的強震即時警報系統

強震即時警報英语:Earthquake Early Warning,縮寫:EEW),又稱地震預警地震速報,是臺灣地震發生後發布的警報,針對部分地區利用地震波傳遞速度的差異,在較具威脅性但速度較慢的S波表面波到達前,透過電腦軟體行動應用程式災防告警細胞廣播訊息系統等方式預先通報,以爭取數秒到數十秒的預警時間。[1]:1[2][3]2017年交通部中央氣象局的強震即時警報系統總共發布56次警報,發生於臺灣島內或近海的地震可在地震發生後20秒內對外發布警報,對距離震央70公里以外的地區提供預警。[4]:46

原理[编辑]

地震發生時,地震的能量藉由地震波傳遞,地震波根據振動方式分為P波S波表面波,P波傳遞速度約為每秒6到7公里,S波傳遞速度約為每秒3到4公里,表面波傳遞速度則小於S波。S波的振幅通常較P波大,且S波的水平向振動對房屋結構較具破壞性(表面波因包含較多水平向長週期能量也會影響結構物),因此S波的破壞性較P波強。透過傳遞速度較快而先抵達的P波預估破壞性較強的S波的振動大小,並在S波抵達前發出警報,爭取數秒到數十秒的預警時間,愈靠近震央的地區預警時間愈短。[3][5]:6

類型[编辑]

一臺放在桌上的儀器,其螢幕是立著的,上面顯示一些波形,在這臺儀器的左邊還有一臺立著的儀器,上面有文字「EEWS 地震預警系統 國家地震工程研究中心」與顯示時間的螢幕。兩臺儀器間以線連接
國家地震工程研究中心於2013年台北國際發明暨技術交易展展示的現地型強震即時警報系統

強震即時警報可分為區域型(或稱前端偵測型)、現地型與複合型[6]:30[7]。區域型(前端偵測型)是在地震發生後,利用震央附近的地震站所觀測到的地震波,快速計算出地震規模、震央位置與震源深度,並以此預估各地區的震度與地震波到達的時間,再利用快速通訊技術通知各地區。[8]區域型採用較多地震站的資料,需要較長的時間才能完成計算,但精確度較高,適用於距離震央較遠的地區,交通部中央氣象局所發展的強震即時警報系統即屬於區域型。[3]現地型是利用P波的振動值,預估之後到達的S波的振動大小,並對當地提出警告。現地型採用單一或少數幾個地震站的資料,較區域型快完成運算,在接近震央地區有較快速的預警,但精確度較低,適用於距離震央較近的地區,[3]國家地震工程研究中心即致力於現地型強震即時警報系統的研發[9]。複合型是結合區域型與現地型[6]:30,具有兩者的優點[10],速度較快且較精準[11],發展單位有國家地震工程研究中心、三聯科技股份有限公司[12]

歷史[编辑]

臺灣地震預警系統設計的動機是1986年11月15日花蓮地震芮氏規模為6.8级,此次地震主要的災情發生在距離震央120公里外的臺北地區,S波傳遞至少需30秒。[13]1994年中央氣象局在花蓮裝設地震預警的雛形系統,1998年停止監測,測試結果為對於花蓮地區的地震,平均可在地震發生後20秒得到震央位置與地震規模,震央位置誤差平均為22公里,地震規模誤差為0.7级。[6]:142001年中央氣象局開始進行強震即時警報成效的測試[14]。2004年中央氣象局開始執行「強地動觀測第三期計畫-發展強震即時警報系統」,在2009年完成計畫時已將地震測報所需時間縮短至30秒內。[15]2008年國家實驗研究院所屬國家災害防救科技中心國家地震工程研究中心國家高速網路與計算中心開始與中央氣象局合作研發強震即時警報系統[a][9]。2008年國立臺灣大學地質科學系教授吳逸民開始與三聯科技公司合作研發Palert 地震P波感測儀,2010年起投入量產與設置,[17]截至2018年9月14日,臺灣已設置674個測站。[18]

2011年國家地震工程研究中心公開發表現地型強震即時警報系統[19]。2013年中央氣象局完成開發強震即時警報接收軟體並開始安裝於臺灣中小學[20]:21[21],2014年中央氣象局開始全面對中小學發布強震即時警報[22],截至2014年9月,已安裝接收軟體的學校數量為3500所以上。[23]2014年國家地震工程研究中心開始與中華民國教育部中華民國科技部合作在中小學建置地震預警系統[24],截至2019年1月,有3403所學校建置完成。[25]2014年中央氣象局與企業合作,推出強震即時警報行動應用程式app)提供大眾使用。[26]2014年12月18日國家地震工程研究中心和中興保全公司共同發表「地震預警服務」[11],截至2016年12月,有多所中小學與科技廠商採用。[27][28]

2016年5月3日中華民國行政院表示災防告警細胞廣播訊息系統(又稱災防告警系統)加入中央氣象局的地震資訊,自即日起開始透過手機提供地震速報與地震報告的訊息[b][30]5月4日中央氣象局說明災防告警系統於5月起與地震速報系統介接先行營運測試[31];5月6日花蓮縣近海發生芮氏規模4.7级的地震,災防告警系統首次發送地震報告;[32]5月12日宜蘭縣外海發生芮氏規模5.8级的地震,災防告警系統首次發送地震速報;[33]5月31日臺灣東北部海域發生芮氏規模7.2级的地震,災防告警系統第二次發送地震速報。[34]2016年8月23日中央氣象局與東森電視合作,自即日起開始透過電視提供地震速報的訊息;[35]9月1日宜蘭縣外海發生芮氏規模4.8级的地震,東森電視的東森新聞台首次推播地震速報。[36][37]2017年7月31日中央氣象局舉辦「強震即時警報發布條件調整說明會」[38];2017年10月中央氣象局調整強震即時警報發布條件,將地震規模4.5级以上調整為地震規模4.5级以上且預估有縣市政府所在地的震度達到3級以上。

作業流程[编辑]

中央氣象局強震即時警報系統的作業流程分為觸發偵測、地震定位與發布決定三步驟。首先中央氣象局將地震儀資料傳到中心站的電腦,利用地動振幅變化量與背景雜訊的比值進行地震的觸發偵測,超過門檻時即為觸發狀態,當觸發測站超過5個時,地震觸發成立,紀錄觸發測站的P波到時與位移振幅。接著利用P波到時計算地震發生時間、震央位置與震源深度,地震規模則利用P波振幅計算[c],隨著測站資料傳回電腦持續計算與更新,當達到發布條件時即對外發布[d][1]:2-3發布後持續計算,若計算出的地震規模與原先相差0.5级以上或震央位置與原先相差20公里以上時發布更正報。[40]:4中央氣象局發布檔案的格式為XML,內含地震發生時間、地震位置、地震規模等地震震源參數,接收端收到後利用最大地動加速度英语Peak ground accelerationPGA)衰減公式[e]與地震波傳遞速度,預估震度與地震波到時。[1]:3國家地震工程研究中心校園地震預警系統的站點分為主站與副站,主站利用強震儀偵測振動訊號,將訊號傳到主機運算,判斷是否為地震所造成,並利用體波震源法[f]支撐向量機[g]預估最大地動加速度,達到門檻時透過廣播系統發布警報,並將警報傳到附近的副站(距離主站20-30公里內),副站接收到警報後利用廣播系統發布。[42]:19、34國家地震工程研究中心校園地震預警系統亦可整合中央氣象局的區域型強震即時警報系統,以適用不同震央距的情況。[42]:17Palert地震預警系統(又稱P-alert地震預警系統)在有12個測站同時偵測到最大地動加速度大於1.2gal時,判斷為地震發生,並透過電子郵件在1到3分鐘內發送地震動資訊。[43]

傳播形式[编辑]

地震警報器[编辑]

一臺固定於牆上的長方體儀器,正面上半部有可以顯示現在時間、震度與加速度的螢幕
三聯科技公司為Palert製作的觸控式地震警報儀i-touch,提供現地預警的功能[44]

Palert 地震P波感測儀是國立臺灣大學地質科學系教授吳逸民與三聯科技公司合作研發的地震警報器,內建4種判斷地震的機制[h][46]單一測站的Palert可以利用P波的資訊,進行現地型的地震預警,Palert連接網路後資料可以回傳控制中心,進行區域型的地震預警,現地型系統於2013年3月南投地震2013年6月南投地震在震央區可以提供1到3秒的預警時間[i][48]區域型系統可在地震發生後1分鐘內繪製等震度圖[49]

電腦軟體[编辑]

地震速報訊息是中央氣象局推出的電腦軟體,提供學校、消防、軍方等單位使用,[50]:66此軟體在接收到中央氣象局伺服器發送的警報,快速計算預估震度與S波抵達時間後跳出視窗,顯示所在地的預估震度、S波抵達剩餘時間,並播放警示音。[51]地牛Wake Up!是個人開發的電腦軟體,提供一般民眾下載使用,此軟體在接收到地震速報後,顯示所在地的地震波到達剩餘時間、預估震度、震央位置等地震訊息,並播放語音。[52]

行動應用程式[编辑]

中央氣象局與民間廠商共同開發出數個強震即時警報行動應用程式,提供民眾免費下載,[53]中央氣象局也於2016年7月推出自行開發的行動應用程式[54],提供強震即時警報、地震報告、海嘯資訊等服務。[55]這些程式利用網路接收中央氣象局傳送的強震即時警報,顯示震波到達剩餘時間、地震規模、預估震度等地震訊息,並以推播、聲音、震動等方式提醒使用者。[56][57]

災防告警細胞廣播訊息系統[编辑]

災防告警細胞廣播訊息系統是臺灣利用細胞廣播技術,在短時間內大量傳送強震即時警報、土石流警戒、公路封閉等防災警示訊息到手機,即時通知民眾的系統。[58]根據臺灣電信業者的測試,訊息從電信業者傳到手機約需要2到10秒。[59]中央氣象局在偵測到地震規模5.0级以上,且預估有縣市政府所在地的震度達到4級以上或臺北市政府所在地的震度達到3級以上時,即透過此系統針對預估縣市政府所在地的震度達到4級以上的縣市臺北市則為3級以上)發送地震速報,接收到訊息時手機會強制發出警報音效與自動跳出警告文字。[60]

電視[编辑]

中央氣象局與電視媒體合作,透過電視推播地震、海嘯、大雷雨等警示訊息,[61]截至2018年2月,合作媒體有東森電視三立電視TVBS中國電視中天電視大愛電視[62]:11當中央氣象局偵測到地震規模5.0级以上且預估有縣市政府所在地的震度達到3級以上時,即透過網路傳送警報至電視台,由業者將地震訊息插播至節目畫面。[50]:68

發布情形[编辑]

中央氣象局[编辑]

在2014到2017年,中央氣象局的強震即時警報系統對發生於臺灣島內或臺灣近海的地震,可在地震發生後20秒內對外發布警報,對距離震央70公里以外的地區提供預警。[63]:43[64]:44[65]:45[4]:462014年5月21日花蓮鳳林地震為例,當日上午8點21分14.0秒,花蓮縣鳳林鎮發生芮氏規模5.9级的地震,地震發生後15.4秒,中央氣象局的強震即時警報系統完成初步地震資訊之定位,並透過電腦軟體「地震速報訊息」通報各縣市消防局、氣象站與中小學;地震發生後3分42秒,中央氣象局完成地震報告並對外發布。[63]:49此次地震中央氣象局的強震即時警報總計傳送至2703部電腦共花費0.482秒[40]:9,震央位置誤差為2.4公里,地震規模誤差為0.1级,距離震央約50公里以外的地區有數秒到數十秒的預警時間,分別為臺中都會區嘉義都會區約10秒,臺北都會區臺南都會區約20秒,高雄都會區約30秒。[63]:46中央氣象局在2016年透過災防告警細胞廣播訊息系統發送6次地震速報[66],2017年發送4次地震速報[67]

中央氣象局強震即時警報系統
年分 警報發布次數 震央位置
誤差平均值(公里)
地震震级
误差平均值(级)
參考資料
2014 37 17.6 0.3 [63]:43-44
2015 67 17.6 0.3 [64]:44-45
2016 67 16.65 0.25 [65]:45-46
2017 56 33.65 0.25 [4]:46-47

國家地震工程研究中心[编辑]

國家地震工程研究中心在學校建置現地型地震預警系統,另有接收上述主站預警訊息的副站。[42]:19、912015年2月14日臺東外海地震為例,當日上午4點6分31.8秒,臺東縣外海發生芮氏規模6.3级的地震,[68]各個站點距離此次地震的震央約83到230公里,現地型系統可提供18到30秒的預警時間。[69]:39

國家地震工程研究中心校園地震預警系統[j][k]
年分 主站數目 副站數目 主站地震偵測次數 主站準確率(%) 參考資料
2014 7 13 無資料 無資料 [71]:2、31-32
2015 21 161 7-207 56.76-100.00 [42]:91、33-34
2016 21 536 11-264 80.7-100.0 [70]:77、38-39

綜合[编辑]

標題為「國家級警報」,內容為「[地震速報]02/06 23:50左右花蓮地區發生有感地震,預估震度4級以上地區:花蓮、宜蘭、新北、台北,氣象局。」
災防告警細胞廣播訊息系統於2018年2月6日下午11點51分傳送到手機的地震速報

2016年2月6日上午3點57分27.2秒,高雄市美濃區發生芮氏規模6.4级的地震[l],地震發生後約12.6秒,中央氣象局發布強震即時警報;[73]地震發生後7分12秒,中央氣象局發布正式地震報告。此次地震中央氣象局的強震即時警報總計傳送至1096部電腦共花費0.127秒,[74]:2-3各縣市學校接收比率為6.8%到49.3%[75],震央位置誤差為5.66公里,地震規模誤差為0.3级,[76]距離震央50公里內的屏東、高雄與臺南地區幾乎沒有預警時間,嘉義以北的地區有5秒以上的預警時間,[77]臺北地區有49秒的預警時間[50]:64,各縣市政府(不含金門縣政府連江縣政府)所在地有0到52.3秒的預警時間,預估震度為1到5級。[74]:4Palert地震預警系統在地震發生後約5秒,可估計近似中央氣象局發布的地震位置,震央相差6.1公里、震源深度相差2.4公里;地震發生後6.5秒,可估計地震規模。[78]從震央附近到臺南地區的Palert測站利用現地型的預警方式,可提供2到5秒的預警時間。[42]:83國家地震工程研究中心的校園地震預警系統(現地型)在這次地震於所設站點可提供3.8到32.8秒的預警時間,距離震央70公里內的站點可提供3.8到10.4秒的預警時間。[42]:36、80

2018年2月6日下午11點50分42.6秒,花蓮縣近海發生芮氏規模6.0级的地震[m],地震發生後約17秒,中央氣象局發布強震即時警報;地震發生後5分25秒,中央氣象局發布正式地震報告;[80]:11-12下午11點51分2秒中央氣象局透過災防告警細胞廣播訊息系統發送地震速報,發送區域為花蓮縣、宜蘭縣、新北市、臺北市;[81]下午11點51分3秒電視台插播地震速報訊息[80]:44。此次地震中央氣象局的強震即時警報傳送至2934部電腦共花費0.141秒[82],各縣市學校接收比率為30.3%到81.2%[80]:14,各縣市政府(不含金門縣政府、連江縣政府)所在地有0到39.7秒的預警時間,預估震度為2到5級。[62]:8-9國家地震工程研究中心的現地型地震預警系統在距離此次地震的震央6.2、23.2、37.9、58.2公里的測站,依序有2.4、2.5、6.2、11.8秒的預警時間。[83]中央氣象局的預警盲區半徑約為55公里,國家地震工程研究中心的預警盲區半徑約為23公里。[84]

應用與合作[编辑]

強震即時警報可應用於民眾緊急避難應變、高速交通工具及時減速、電梯自動停止、瓦斯管線自動關閉等防災措施[20]:14[85]。截至2017年,臺灣有4300個以上的學校、交通主管機關與防救災單位已安裝強震即時警報接收軟體,[86]以學校而言,在接收到強震即時警報後,可利用廣播、電子看板等方式發出警報,進行疏散或就地庇護。[40]:82014年有9個單位(學術單位和民間廠商)與中央氣象局地震測報中心簽訂「合作推動地震資訊傳遞服務契約」,提供強震即時警報傳遞服務與開發相關應用,包括警報廣播、地震警報器、行動應用程式等,[63]:472015年合計有12個單位與中央氣象局簽訂合作契約[12][87]:47,2016年合計有15個單位與中央氣象局簽訂合作契約[65]:49-50,2017年合計有11個單位與中央氣象局簽訂合作契約[4]:50。國家地震工程研究中心亦與中華民國科技部、中華民國教育部及民間業者合作建置現地型地震預警系統,此系統配合演練與自動化控制,可降低傷亡與損失。[88]

侷限[编辑]

預警盲區[编辑]

由於強震即時警報系統需要收錄震央附近的地震波資料,且資料處理、通訊系統傳輸需要一定時間,此段時間內地震波仍持續傳播,所以接近震央的地區接收到警報時,S波可能已經到達,無法做出預警,這些沒有預警時間的地區稱為預警盲區。[3][8]區域型強震即時警報系統以發生於臺灣內陸的地震而言,平均約需要18到20秒才能發出警報,預警盲區為距離震央50-70公里以內。[89]:5臺灣島的南北長約400公里,東西寬約150公里,以區域型系統而言,若大地震發生於島內,臺灣會有大範圍在盲區內,這些區域由於近震央,地震動強、災害嚴重。[5]:8921大地震的重災區為例,距離震央在100公里以內,區域型系統的預警時間不到10秒。[69]:38現地型強震即時警報系統的預警盲區為距離震央20-30公里以內[7][90]。以921大地震為例,現地型系統可以分別為臺中縣大里市(今臺中市大里區)、新竹科學園區、臺北市大安區爭取7、17、27秒的預警時間,[89]:6分別距離震央43、105、152公里[90]

誤報[编辑]

若短時間內地震連續發生,會影響強震即時警報的精確度,可能造成遺漏或誤報。測站背景雜訊、人為干擾、通訊品質不佳等因素也可能造成誤報,[8]例如因為落雷或監測儀器不正常運作而在沒有發生地震時發布警報[3]。2016年11月12日上午11點30分左右,國家地震工程研究中心於嘉義30所中小學設置的地震預警系統在無地震的情況下發布警報,原因為港坪國小的跑道施工,重機具輾壓造成振動,觸發警報系統並傳到其他學校所造成。[91]中央氣象局的強震即時警報系統在2018年2月花蓮地震序列中,2月4日下午9點56分41秒芮氏規模5.8级地震發生後1分鐘的芮氏規模5.1级地震漏發,2月6日下午11點50分42秒芮氏規模6.0级地震發生後3分鐘的芮氏規模5.0级地震漏發。[62]:21-24

連線問題[编辑]

大地震發生時,電力、通訊可能中斷,造成觀測、計算與通訊系統無法正常運作,導致強震即時警報系統無法運作或產生更大誤差。[3][92]在強震即時警報行動應用程式方面,接收訊息會受到開發者的技術能力、手機是否上線、網路是否暢通、距離震央遠近等影響,[87]:482016年4月28日前後臺灣東部發生數十起地震,就有民眾反映程式失效,收不到訊息。[93]在災防告警細胞廣播訊息系統方面,接收訊息會受到電信業者的技術、手機型號(是否符合規範)的影響。[50]:67

實際應用[编辑]

2015年4月20日中央研究院提出《大規模地震災害防治策略建議書》[94],建議書中提到臺灣「未能充分運用即時預警資訊,及早應變」,臺灣在強震即時警報系統的研究並不比日本的緊急地震速報系統差,但是在實際應用上大幅落後,主要原因為「災害型地震之差異」、「法規與政策」與「產學落差」。[95]在地震訊息傳遞合作方面,中央氣象局以地震訊息傳遞影響很大為由,合作契約僅與機關或公司單位簽署,個人開發者無法簽署。[96]電腦軟體「地牛Wake Up!」由個人開發,開發者曾表示中央氣象局不接受授權申請,無法直接取得地震速報。[52]

備註[编辑]

  1. ^ 國家災害防救科技中心負責系統的推動,國家地震工程研究中心負責技術的研發,國家高速網路與計算中心負責通訊管道的評估及規劃[16]
  2. ^ 地震報告自2018年5月15日起停止透過災防告警細胞廣播訊息系統發送[29]
  3. ^ 經驗關係式為是警報使用的地震規模,是P波垂直向位移的最大振幅(公分),是震源距離(公里)
  4. ^ 對外發布的警報採用強震即時警報系統產生的第三報,第一報、第二報不採用[39]
  5. ^ 公式為是最大地動加速度,是地震規模,是震源距離,場址效應
  6. ^ 英语:τc Method,以P波垂直向加速度的前三秒計算地震規模與震央距離,再以最大地動加速度衰減率計算最大地動加速度[41]
  7. ^ 英语:Support Vector Machine,以P波垂直向加速度的前三秒及SVM迴歸模型計算最大地動加速度,準確率較高[41]
  8. ^ 分別為P波3秒位移、PGA最大地動加速度、位移與短/長周期均值[45]
  9. ^ 距離2013年3月南投地震的震央不到10公里的南投縣法治國小,有1.65秒預警時間,距離10多公里的桃源國小有2.71秒的預警時間;距離2013年6月南投地震的震央10多公里的麒麟國小有1.84秒預警時間,距離10多公里的地利國小有1.22秒的預警時間[47]
  10. ^ 2015年主站、副站數目為截至2015年12月31日[42]:91,有2個主站因設置未滿3個月而無地震偵測次數、準確率的分析資料[42]:33
  11. ^ 準確率為預測震度在實測震度正負1級內之比率[42]:34[70]:39
  12. ^ 中央氣象局於2016年3月修改為芮氏規模6.6级[72]
  13. ^ 中央氣象局後續修改為芮氏規模6.26级[79]

參考資料[编辑]

  1. ^ 1.0 1.1 1.2 蕭乃祺、蕭文啟、江嘉豪. 本局強震即時警報作業介紹 (PDF). 通訊 (交通部中央氣象局). 2014-08 [2016-04-06]. (原始内容 (PDF)存档于2016-04-18) (中文(台灣)‎). 
  2. ^ 計畫源起. 地震速報系統-強震即時警報宣導網. 中央氣象局地震測報中心. [2015-09-20]. (原始内容存档于2015-10-01) (中文(台灣)‎). 
  3. ^ 3.0 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 基本原理介紹. 強震即時警報應用交流平台. 國家災害防救科技中心. [2015-09-21]. (原始内容存档于2015-09-25) (中文(台灣)‎). 
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外部連結[编辑]