从2·12日本二连发地震看IPF法

集成粒子滤波法,简称IPF法。这是一个由京都大学防灾研究所和日本气象厅共同研发的算法,专门针对于改善同时发生多个地震的情况下紧急地震速报的发布精度问题。

一、地震发生时

 

对大多数人来说,2020年2月12日,同样也是平常的一天。但对LETC地震海啸同好会的成员们来讲,当天的晚上却是一个令人激动的夜晚。

让我们将时间回溯到2月12日东京时间(GMT+9)的19时许。

19时36分,由日本防灾科学技术研究所(NIED)运营的地震计数据实时推送软件向用户发出了关于“北海道地方发生了最大震度为3的地震”的速报。

正当LETC成员们认为这只是一个再正常不过的地震时,没过一分钟,以福岛县为首的东北·关东地方的许多观测点陆续观测到了比震度3还要强烈的摇晃。

图1 北海道4.4级地震发生 后1分钟,福岛县近海也随之 发生了5.5级地震 图片来自日本防灾科学技术研究所(2020).

为什么LETC成员们会如此激动?难道只是因为凑巧在短短几分钟时间内就发生了2次地震吗?这未免有些幼稚了些。更为重要的是,LETC成员们在这2次地震发生后,在脑海中第一时间想到的就是集成粒子滤波法被成功运用了。

 

二、IPF法是什么?

 

在这里,就不得不说明集成粒子滤波法是个什么东西了。我曾在2018年8月于中文维基百科上创建编写了《集成粒子滤波法》条目,主要介绍了它的研发背景和算法原理等内容。

集成粒子滤波法,简称IPF。这是一个由京都大学防灾研究所和日本气象厅共同研发的算法,专门针对于改善同时发生多个地震的情况下紧急地震速报的发布精度问题。

稍有关注世界地震活动或者时事新闻的朋友们可能都知道, 2011年3月的日本东北地方太平洋近海地震(也就是常说的“3·11大地震”、“东日本大地震”)为日本许多地方带来了难以恢复的灾害。由于这次地震规模巨大(震级达到了9.0级至9.1级,位列近代地震史前5名),导致余震活动十分频繁且活跃,时不时就会出现多次地震几乎同时发生的情况。

在当时,由于紧急地震速报系统的不完善,加之强震后许多地震仪都因为停电和海啸等原因处于数据传输中断的状态。在多次地震同时发生的情况下,紧急地震速报系统根据可用台站数量不多的、分布不均的地震台网记录到的数据推算出的震级和烈度时常过大,造成了多次误报的情况。

也就是说,在IPF法正式推出之前,在极端情况下,哪怕在日本附近同时发生了2次规模十分小的地震,但因为系统的缺陷,紧急地震速报系统只能认为在这个时间点上某地发生了1次地震,而不能把这2次地震区分开。因此推算出的地震震级会异常的高。由于推算出的震级较高,导致系统对附近地区可能遭受的摇晃程度的预估也就随之变高。

我们可以看如下一个例子。这个案例发生于2011年3月23日,即3·11大地震发生12天之后。图中,2个红色五角星的位置分别代表了2次地震的震中位置,黄色区域为被发布了紧急地震速报的地区。

 

图2 2次地震几乎同时发生的情况下造成的误报 图片来自日本气象厅(2011).

然而,在当时不够成熟的紧急地震速报系统的算法下,由于系统无法分辨出这是2次单独的地震,因此这两次地震被系统认为是一次震级达到7.0级的强烈地震,且将地震的震中定位至了地震B的震中位置。我们将右侧五角星的地震记为地震A,左侧五角星的地震记为地震B。根据日本气象厅的观测记录,这两次地震均发生于当日凌晨1时12分07.2秒。地震A和地震B的震级分别为5.4级和2.3级。根据地震发生之后的推算,即使是震级相对较高的5.4级的地震A,其带给附近地区最强烈的摇晃程度也不过只有震度3而已。日本烈度标准(正式名称为“日本气象厅震度阶级”)下的震度3,即代表虽然大多数人都能感受到摇晃,但由于摇晃程度较小,因此不会对当地产生任何实质性的破坏。

直观上来讲,7.0级和5.4级仅仅差了1.6级而已。但如果对地震震级有过了解的朋友都会知道,这1.6级的差,代表着释放的能量相差了250倍之多

这也意味着,紧急地震速报系统对明明是震级较小的地震B的震中附近地区,发布了烈度极高的紧急地震速报。根据误算得出的7.0级,系统推测出地震B的震中附近将面临最大震度达6强的强烈摇晃。而震度6强,是在日本烈度标准下第二高的烈度。

类似于这种误报的情况实际上还有很多。这种误报的频繁出现,使得2011年的误报次数激增至60次,与其他年份的平均值(11.5次)多出了数倍。为了解决这种问题,2014年,日本气象厅首次提出了IPF法的相关概念,并制定了预计于2015年下半年开始试用,且于2016年正式实行的规划书。

 

三、避免误报的原因

 

当然了,一定会有读者会认为,“宁愿误报也不能漏报”。诚然,在防灾心理的角度上讲,相对漏报,我们更愿意接受误报的情况发生。然而,在日本居住过一段时间的朋友们都会或多或少有过这样的体验:睡的很香,结果手机突然大响警报声,提示强震波即将袭来当地。

 

图3 因2020年2月1日凌晨茨城县南部5.3级地震对附近地区发布的紧急地震速报
图片来自日本气象厅(2020).

这次地震发生时,由于东京也被列为了紧急地震速报的区域,因此哪怕是在凌晨时分,居住于当地的居民持有的手机、安装在家中的紧急地震速报收信端等机器都以最大音量响起了警报声。然而实际上东京仅观测到了震度3以下的烈度。图3展示的是2020年2月1日凌晨,因茨城县南部发生的5.3级地震对附近地区自动发布的紧急地震速报的分布图。虽然系统在监测到P波(相对较快、但破坏力较小的地震波)后就推算出了这次地震的规模大约在5.5级左右,但由于震源深度推测过浅(推测结果为10千米),导致系统对附近地区的烈度估算较高。实际上由于这次地震的震源深度达60千米,因此除去正好位于震中之上的极少部分地区,大部分被发布紧急地震速报的地区都只观测到了震度3以下程度的摇晃。

凌晨时分被发布误报,可能至多只会引起大部分人睡得不安稳,极少数人因突如其来的过大的警报声导致的心脏病而受伤。然而,在忙碌的白天,如果某个地方被发布了紧急地震速报,于交通而言的电车、新干线、飞机,于福祉保障的医疗器械,于生产建设的工厂、建筑工地等一系列生活相关的事物都将被强制停止运作。如果这个速报只是一场因算法不成熟导致的误报,那么当地的许多活动也会随之受到或多或少的影响,反而将原本避免损失的目的变成了实质上制造损失的后果。

四、后话

 

日本气象厅曾经用这样的例子来说明过IPF法:“即使观测点的数量很少,也可以同时处理很多信息。所以,我们可以运用这种方法在短时间内寻求震源元素,提高信息的可靠性”。

不妨以电视屏幕上的“特定人物的自动跟踪”为例。出现在电视屏幕上的特定人物,如果暂时因障碍物而被隐藏,如果使用粒子滤波法,就可以根据该特定人物的特征(形状,颜色等)推测出这个人物在屏幕中的移动。由此,可以在短暂失去目标的情况下跟踪该特定人物。同理,通过粒子滤波法对震源进行测定,便可以将同时发生的几次地震分离开来。

日本作为世界公认的地震大国,在IPF法的研制后也仍在致力于解决3·11大地震发生时出现的问题。例如,自2018年3月起,为解决大地震发生时推测烈度过小的问题,日本气象厅开始实行了根据周边观测点观测到的实时烈度预测相关点的烈度的局部无阻尼运动传播法(PLUM法),与IPF法结合使用。2018年发生于北海道的最大烈度达到日本烈度体系下的最高烈度(震度7)的6.7级强震,便利用了PLUM法,为避免震害损失带来了不少帮助。

即便作为近几十年科学技术高速发展的人类,我们仍然还是没有什么有效的方法去预测未来地震的发生。哪怕是地震学界的泰斗金森博雄,也曾在书籍《巨大地震的科学和防灾》中无奈地提到,现代地震学作为短短发展了几十年的学科,一线学者们至今也无法明确一些地震现象的原理。但他也提到,既然人类无法预知、改变大自然的规律,那么就从我们现有的技术入手,以最大限度地保护人类生命的安全。

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