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发表于 2015-05-12 17:01
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2015-05-12 15:55:42 来源： 华夏网 作者：江宇 原标题;江宇：地震预报读书笔记 【作者按：原文写于2008年汶川地震之后，但是一直没有写完。希望对这个问题有研究的同志能够继续研究这个十分重要的问题。要重新振兴中国的地震预报事业，首先要解放思想，要整风，不能够拿“地震预报是世界难题”来拒绝探索和进步。中国是人口大国，地震多发国，又是地震预报世界纪录的保持者，理应为人类做出更大的贡献。江宇】 汶川地震以来，看了一些关于地震的书，想了不少关于地震预测和预报的问题。 在人类科学昌明的今天，我们对地震的预报还无能为力，这不能不说是全人类的遗憾。然而，始终盘旋在我脑中的一个问题是：即使是在目前的科学发展水平的限制下，人类是否已经把现有科学技术的作用发挥到了最大?目前世界各国的地震预测和预报制度，是否已经是最优的?是否还有进一步提高预测水平、减小伤亡的空间呢?我认为答案是肯定的。下面几篇文章，就是我对这个问题的思考过程和初步的结论。 一、什么样的预报才算成功的地震预报? 我首先给出地震预报的定义：所谓地震预报，即“根据现有信息，对于未来某个时间段、某个地区将发生地震的概率进行推断”的过程。 这个定义里有三个要素：一是根据现有信息，什么样的信息才是有效的?必须满足前验概率和后验概率都足够大才可以。不能说，地震之前出现的现象都可以作为地震预测的根据，因为有一些信息，在不发生地震的情况下也会出现，比如蛤蟆上街。必须满足：“在发生该现象之后发生地震的概率”和“在发生地震之前出现该现象的概率”都足够大的那些现象，才可以用作地震预报。为了叙述方便，我们把这种信息称作“有效信息” 第二、三个要素是，时间段和地区。目前的科技水平，对于中长期预报是有效的，比如“日本在未来50年之内必发生7级以上地震”，这个结论可以是完全正确的，但是这种预测是没有多大作用的，总不能让全日本人民50多年内都住在防震棚里，而如果将日本的所有的建筑都进行防震处理，成本可能太高。。而，对于防灾减灾有重大意义的短临预报，目前还是一个难题，预测的时间越精确、地区越精确，准确度就越低。许多人往往从这个现象出发，来否定地震预测的意义。但是我认为，只要有恰当的机制，同样可以使中长期预报的作用发挥到最大。 二、关于中国历史上的三次大地震的预报情况 新中国历史上在人口稠密地区发生过几次大的地震(新疆发生过8.6级的，但是没有造成伤亡)，其中排在前三位的分别是汶川地震(2008年，8.0级)、唐山地震(1976年，7.8级)和辽宁海城地震(1975年，7.3级)。 其中，海城地震成功的预报出来并采取了防震措施，伤亡极小;唐山大地震已经接近于预报出来，但是功败垂成;而汶川地震，从目前的信息来看，没有进行有效的预报。 1、海城地震预报成功，是不是“瞎猫碰上死耗子”? 海城地震之前成功的进行了预测，并且向群众公布了，采取了疏散措施。虽然震级7.3，震中烈度9度多，波及了6个市、10个县，却仅有1300多人死亡，占全地区人口的0.016%。而据估计，如果不采取措施的话，死亡人数可能超过5万。海城地震，是在世界历史上首次成功地预报七级以上大震，也是目前为止的唯一的一次。 当然，海城地震目前还是一个孤例和个案，这三十年中，中外都没有重现海城地震预报的辉煌。那么，海城地震是不是蒙对的?其经验是否有推广价值?对于这个问题的回答，直接关系到对于“地震能不能准确预报”这个重大问题的回答。 我认为，海城地震能够预测成功，出于这么几个因素： 第一，海城地震的类型是比较容易预测的类型。海城地震是“频繁小震-平静-大震”的类型，这个地区历史上发生的地震都是这种类型。而根据中长期的预报，又已经确定在这个地区将会产生大地震，那么，一旦发生频繁小震，之后突然平静，再加上有其他宏观异常，就可以判断大震将至。也就是说，地震本身的特点是海城地震预报成功的原因之一。但是这一点也限制了“海城经验”的推广，唐山大地震、汶川大地震都不是这种类型，大震是突然来临的，之前没有发生小震。 第二，对宏观异常的观测和重视，是海城地震预报成功的第二个经验。宏观异常，即水、地磁、地电、大气、动物等指标的异常。仅仅凭宏观异常不能够预测出地震，但是，宏观异常和中长期预报、小震频繁能现象互相印证，就能够提高其他指标的精确度。1964年邢台大地震之后，面对灾区人民“你们如果能事先打个招呼多好”的质问，周总理十分心疼，痛下决心要中国地震学界研究宏观异常。1975年，当时华北地区的“群防群控网络”已经十分发达，很多中学、工厂、学校都有宏观异常观测点(张庆洲：唐山警示录)。在海城大地震的预报中，宏观异常起了很大的作用。 第三，当时，还处在计划经济时期，社会的组织程度较高，组织疏散对于经济发展的影响比较低，所以政府在拿到科学家的预报后，也比现在容易下决心进行临震预报。 第四，正确的进行了中长期预报。(1975年1月下旬，辽宁省地震部门提出地震趋势意见，认为1975年上半年，或者l一2月，辽东半岛南端发生6级左右地震的可能性较大) 这四点当中，第一条在局部(即同类型的地震带)具有推广价值;第二条下面会讲到，是对所有的地震都有推广价值的;第三、四条也具有普遍性。 当然，到目前为止我们还没有回答这样的问题：海城地震是不是蒙对的?也就是说，如果一个地区出现了和海城地震之前一模一样的所有现象，有多大的可能不发生地震?这种机率不能排除，但是从目前的情况来看，并不大，至少我们可以说，在海城地震发生的华北地区，以及中期预报所界定的“1975年上半年”这个范围内，没有出现预报失误的现象。因为如果别的地区发生了“预而不震”的现象，一定会被披露出来，尤其是“地震不可预报论”者一定会将其作为有力的论据，地震预报可是把一个城市翻个底朝天的事情，不可能掩盖住。 而，一旦中期预报是有效的(这是目前能做到的)，而又能在中期预报所限定的范围内进行准确的临震预报，那么地震的预报就是准确的。 因此，海城地震的预测成功，是科学的成功，而不是碰运气。 2、唐山地震的经验和教训在哪里? 本部分主要文献来源于张庆洲《唐山警示录》 首先说一个事实，唐山地震之前，既有中长期的预报(和海城地震的中长期预报是一样的，是为当年国务院69号文)，又在临震前观测到了广泛的宏观异常(据事后统计，有3000多处)，许多观测点也都给出了比较可靠的短期临震预报，精确到了2-3天，本来是十分有希望成功的预测出来的。但是，问题出在，当时正在批邓，地震主管部门人事比较混乱，没有人出来进行这些宏观异常的综合比较分析;再加上唐山毗邻北京，预测错误的话，政治风险很大，所以地震部门采取了明哲保身的态度。 而，7月24日中国地震局的官员已经向唐山地区通报过震情，其中一个县的县委书记重视了起来，并且从7月26日开始密切发动群众关注宏观异常，并且采取的疏散措施。全县人民在露天睡觉。 这个县叫青龙县，离震中75公里，全县47万人，没有死一个人。 同样，我们回避不了的问题是：青龙县是不是蒙对的?即，会不会出现这样一种情况：当时几乎每天都有人在发布地震预报，但是只有这一次碰上了，所以这一次碰上的那个所谓“科学家”就出名了，而只有这一次预测被历史记录了下来? 我认为不是。 首先，当时确实只有青龙县一家采取了疏散的措施，这足以表明，即使每天都有人预报出来地震，那么预报出来的概率和严重程度也是不一样的，否则无法解释这位青龙县委书记为什么只采信了这一次?这足以说明，这次预报是有充分的根据的，否则，这位县委书记不会冒着“反革命”的政治风险开这种玩笑; 其次，根据《唐山警示录》一书的记载来看，唐山震前的宏观异常已经达到了非常明显的地步。例如，在唐山地震前两三天，气温、气压等五项指标的最高值和最低值，全部超过了历史的最大水平。尤其是，在地震前10分钟，地声和地光已经达到了振聋发聩的地步，据我所知，除了地震之外，没有任何一种其它的现象能带来地声和地光。而可惜的是，由于没有任何事先的地震预报，居民大都没有地震常识，反而以为是“要下暴雨”，甚至“苏修扔原子弹”，于是不仅没有逃生，反而把门窗紧闭，大大加重了地震的损失。 也就是说，最起码，地震前10分钟做出临震预报是有可能的。如果提前几天能够“打个招呼”，比如让老百姓开门睡觉，而在临震前10分钟发布警报，许多人是完全能够逃生的。 第三，再退一步，即使这些预测信息都不够有效，也就是说地震概率不到100%，但是，即使是最反对“土办法”的人，也同意这些宏观异常的出现，足以说明地震的概率有显著上升。而在地震概率显著上升的时候，如果能够采取比较温和的预报方式，同时密切加紧观测，及时发布临震预报，也还是能够救不少人的。 所以我认为，青龙县的经验，对于整个唐山也是适用的。如果当时青龙县的县委书记是唐山市委书记，说不定就是另外一种情况。唐山地震的预测，是功败垂成。 唐山地震没有前震，是突然来临的。这里起作用的预测信息，主要是宏观异常。 因此，唐山地震的预测失败，失败于制度上的原因，而非技术上的原因。否则无法解释青龙县的成功。 3、汶川地震 汶川地震，按目前掌握信息的判断，中长期预测是有的，但是，短临预报没有。或者说，至少没有达到唐山地震预测的程度。理由如次： 首先，汶川地震之前没有小震，无法用“海城模式”进行预报; 其次，虽然有新闻报告了蛤蟆搬家等宏观异常，但是这类信息太少。更主要的是，改革开放之后依靠“群防群治”的办法的宏观观测点已经逐步撤销和瓦解了，所以目前想用宏观异常来预测也不可能了。 这背后根本的原因，下面要详细讨论。这里先概括一下，我认为主要原因是30年来我国地震科学放弃了自己的经验，而走到西方还原论的道路上，放弃了“evidence based”的研究方法，而专注于“theory based”的方法。研究的内容追求理论的完备性，和“科学性”，而不追求在现实中的实用性，尤其是“土办法”等唯象规律的使用。导致我国花了十几年时间建立起来的地震观测网瓦解了。 所以，这次汶川地震，固然不能怪地震局，因为他们今天想预测也没有办法预测了——微观理论不成熟，而想用宏观现象预测，观测点都没有了。但是，我们本可以不这样的。 这次悲剧，是历史的悲剧，也是学术的悲剧。套用一句话，我们是愿意科学的死，还是愿意不科学的生? -------------------------------------------- 上面两部分算是引言。下面，我们着重开始讨论两个问题： (1)如何从技术上，提高地震预测的准确性? (2)在给定地震预测准确性的前提下，如何设计合理的制度，使得地震给社会带来的成本最小? 这两个问题不是完全独立的，但是可以分别进行讨论。上面的部分我们没有详细的区分这两个问题，下面开始需要区分清楚。 三、宏观异常法应当重新得到重视 1、地震预测的两条路线之争 这个题目的演义味道浓了一点，但是能把主要问题说清楚。一条路线的理论基础是现代科学的还原论，即要从微观层次上研究地震发展的机理，只有从理论上把“地震是怎么发生的”的机制说清楚，才能够以此为依据进行预测;另一条路线，说的学术一点可以叫做“系统论”，即，在不清楚地震的微观机理的情况下，通过经验确立其他的宏观现象(如地磁、地电、水文、大气、动物等)和地震之间的联系，根据这种联系来预测地震。 这两种方法中，第一种当然准确度高，但是难度很大，目前人类还没有掌握;第二种比较简便易行，但是目前地质学界认为，准确度不高。究竟是不是这样，下面我们还会讨论。 为了阐述清楚，我们再来举几个例子： 比如，A是导致地震发生的原因，如地壳运动;而A同时导致了两种现象，B和C，B是地震，C是其他的宏观异常，比如地磁变化。 所谓还原论的预测方法，就是要找到A和B之间的函数关系，并且通过观测A来预测B; 所以系统论的预测方法，就是在不清楚A和B、A和C之间关系的情况下，通过观察B和C之间的联系，用C来预测B. 如果事实上A和B、A和C之间确实存在一一对应或者相关性较大的对应关系的时候，这种预测方法就是有效的。 另外，如果C是单个的现象，比如蛤蟆上街，那么可能预测的准确性就要差很多，因为蛤蟆上街可能是出于很多原因：下雨啊，觅食啊，打群架啊，小蛤蟆结婚啊等等;但是，如果C是一系列现象的集合——尤其是，如果是一系列异常现象的集合，那么，我相信C这个集合包含的异常现象越多，预测的就越准确。因为，在没有地震的情况下，出现蛤蟆上街这一种异常现象的可能性还是比较大的，但是同时出现若干种异常现象的几率就很小，因此，C当中包含的异常现象越多，预测的可信度就越高。 我们可以再举气象预报的例子，中国古人预报天气，就是用宏观到宏观的方法来预测的，所谓“月晕天晴日晕雨”等无数民谣，至于月晕和大气环流、热带气旋之间是什么关系，他们是不知道的;而现代气象科学就是应用微观的数据和理论模型进行的预测。 哪一个准确?事实证明，很难说。 2、为什么要重视宏观预测? 地震预测为什么要重视宏观预测?原因如次： 首先，目前的微观预测方法不成熟，而地震预测的需求客观存在;地震是巨大的自然灾害，科技的首要作用是救人，而不是模型的完备性; 其次，宏观预测有过海城地震、唐山地震预测的成功案例;而目前，已有的案例都是支持宏观异常在预测中的有效作用的，而尚未有反例来排除宏观预测的有效性; 第三，有观点认为，宏观预测要靠人的主观经验，所以不科学。这种说法从抬扛的角度来看是正确的，但是，在科学研究中要完全排除人的主观影响，这是终极的目标，是随着科技的进步而逐步达到的，但是，不能说不达到这个目标的就不算科学。 我本科是学化学的，就拿分析有机分子结构的核磁共振、质谱这两种手段来说，这两种手段的原理、技术都是很成熟和精确的，但是，图谱做出来之后，怎么读图，哪条曲线代表哪个分子碎片?这是需要经验和因人而异的，没有一个准确的公式能够概括。我们化学学院有一位老先生，大家看不懂的图谱都去找他，他确实能比大家看得准，能够分辨出分子结构中的细微差别。 这是不是不科学?确实不够科学。但是有没有用?有用。至少比没有要强的多。 第四，我国具有开展宏观预测的基础和经验，也具有丰富的人力资源。而60-70年代的宏观异常观测数据，已经非常丰富，但是后来没有进行系统的总结和归纳，尤其是没有对于海城地震和唐山地震之前的宏观异常进行总结，这是十分可惜的。 第五，前文所述，C当中包含的异常现象越多，预测的可信度就越高。(也就是说，如果已知甲地地震之前发生了100种宏观异常，而乙地如果也发生了这100种宏观异常，那么比只有10种宏观异常的情况下，更容易推断乙地要发生地震。这个是可以用概率论证明出来的，有兴趣的同学可以帮我证一下) 因此，宏观异常要发挥作用，就需要广泛、密集的观测以及迅速的收集数据。现代信息技术的发展，为处理大范围、高密度的宏观异常提供了可能。前提是——只要有观测到的一手数据。 3、我国放弃“宏观异常法”的制度性原因 我国的地震宏观异常监测网络是在周总理的亲自推动下，于60-70年代之后建立起来的，改革开放之后就逐步瓦解了。而90年代之后，反而重新得到了联合国减灾机构的重视，资助我国重新进行了实验，并且在我国内蒙古等地成功预报了两次地震。但是，直到目前为止，国内的地质学界对于宏观异常法仍然未加重视。地震局长们念念有词的“地震预测是世界难题，上天容易入地难”，还是没有从西方现代科学还原论的框架中跳出来。 我国放弃“宏观异常法”有这样一些制度上的原因： 一、改革开放之后社会结果发生了变化，农村集体经济瓦解，而大多数监测点是设在农村的，没有人有动力和意愿再从事地震预报; 二、改革开放之后意识形态的变化，使得全盘否定计划经济时期的经验和做法成是时髦，片面地吸取了过去的教训，把行之有效的“土办法”也作为“瞎指挥”的例子，一概予以了否定。 三、可能也有地震学界内部派系之争的原因。 因此，要重新振兴中国的地震预报事业，首先要解放思想，要整风，不能够拿“地震预报是世界难题”来拒绝探索和进步。中国是人口大国，地震多发国，又是地震预报世界纪录的保持者，理应为人类做出更大的贡献。 目前，亟需要做的是这么几件事： 第一，认真抢救和总结海城地震、唐山地震的原始宏观数据，进行系统的研究; 第二，在中期可能有地震活动的地区，建立密集的宏观观测点，加强对于宏观异常数据的收集和研究。即使要否定宏观异常的作用，也应该建立在数据的基础上。因此，不管怎么说，收集宏观数据都是有必要的。
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