地震早期预警方法综述
中国是大陆强震最多的国家，在全球7%的国土上发生了全球33%的大陆强震[121]。1949年以来，我国自然灾害造成人员死亡比例中，地震灾害所占比例高达54%，是我国造成人员死亡最多的自然灾害[122]。一次灾害性地震的发生，往往猝不及防地把城市夷为平地，不但损害国民经济，更会给人民的生命财产带来巨大损失。虽然有很多科学家致力于研究地震预报的方法或探讨地震前兆现象，但由于地震的孕震、发生、发展的过程十分复杂，且震源区细节无法直接探测，所以不能保证在地震发生前对地震时空强三要素做出非常准确的预报。但由于数字化地震仪、数字通讯、数据处理等现代科技的发展非常迅速，建立地震实时监控系统成为了可能，所以越来越多的国家投入到地震早期预警系统的研究[4]。
地震预警是指地震发生后，在破坏性地震波尚未到达前数秒或数十秒的时间内，将震中区或极震区接收到的大震信号迅速用电信号向外界发布警告，则距震中一定距离之外的人们可以获得一个宝贵的避难时间[87]。以汶川8.0级大地震为例，如图4.1、4.2中所描绘的地震纵波和横波所对应的走时可以看出，离震中区较近的区域为无效区域，不具备预警时间，但离震中区几十公里外的区域则可以获得数秒或数十秒的预警时间。
图4.1 地震早期预警有效区示意图---以汶川8.0级大震为例
(考虑地震纵波情形, 图中的数字为地震预警有效时间, 单位为秒)。
图4.2 地震早期预警有效区示意图--以汶川8.0级大震为例
(考虑地震横波破坏情形，图中的数字为地震预警有效时间，单位为秒)。
早在100多年前，美国加州理工学院的Cooper（1868）教授就提出了地震早期预警的想法[79]。原理是具有破坏性的S波传播速度比P波慢，而地震波传播速度又远小于电磁波。100多年后，日本才在其子弹列车（新干线）上安装预警系统，为最早使用地震预警系统的国家。最近几十年，很多国家和地区才开始地震早期预警系统的使用，如：日本、中国台湾、墨西哥、美国南加州、意大利、罗马尼亚等[81?82,84?86,124?135]。地震预警系统由数字化地震台网检测系统、地震信号通讯系统、中央处理控制系统和对用户的警报系统4部分组成[136?137]。最终的预警时间是每一部分的处理时间之和与地震波走时之差。
1地震预警系统的分类
地震早期预警在理论上通常分为两大类，并有不同的定位算法与之相对应
[87,137]。（1）区域预警系统（front-detection EWS）：一种比较传统的方法，即将
地震仪安装在“震中区”，在地震发生后，使用地震台网的观测数据快速确定地震震级和地动强度，对远距离的城市区域进行早期预警。Nakamura(1984)首次将该方法用于日本铁道部门[138]。（2）当地地震预警系统（onsite EWS）：由于P波比S波的传播速度快，所以在预警的目标区建立观测网，由P波的初期震动
（2s~4s）确定震源参数（地震大小、震中位置），预测S波到达后会出现的更严重地面破坏情况，从而提出预警[81,123]。UrEDAS系统和ElarmS用的就是这种方法[81,123]。
Front-detection EWS系统比较复杂，需要用S波的信息来确定震源参数，因为这样比较精确。但是等S波到达，需要花费很多时间，对震中距较近的区域就失去了预警的意义。台湾的预警系统就是一个典型的例子，台湾中央气象局使用Front-detection EWS预警系统，大约可以在地震发生后22秒内提供资讯，但只能对离震中区70公里以外的城市和重大工程发布预警信息，震级的误差为±0.25级，显然这种方法具有很大的局限性[87]。后来由于技术的发展和台网的密集，台湾可以实现对离震中位置30公里以外的区域进行预警。日本和墨西哥的预警系统也是这种类型。只是墨西哥使用的预警系统有些不同，他们是对震中距300km以外的区域进行预警。
Onsite EWS系统则比较迅速，可以对离震中距较近的区域进行预警。根据P波和S波的走时信息，人们可以获得一个宝贵的时间差： t?t2?t1?t0?n，n为地震初至P波记录的时间，t0为计算时间和预警延迟时间，t1是地震初至P波传播至台站的走时，t2为S波传播到台站的走时。此方法已经由Erik通过大量真实数据验证，地震震级完全可以用P波前几秒时间窗内的信息进行估测，所以这种方法对离震中距较近的区域提供地震早期预警是非常有效的[137]。近年来，Kanamori（2005）改进了Nakamura(1988)和Allen and Kanamori(2003)所提出的方法，提出了反映地震初至P波到达后前3秒震动大小的参数?c，使地震早期预警系统的发展又上了一个台阶。关于此方法在下文中会有详细介绍[81,123,139]。
2各国地震预警系统的发展现状
日本、美国、墨西哥以及中国台湾都位于地震活跃的板块边界上，灾害性地震频发，所以也成为率先发展地震预警系统的国家和地区。他们在这方面所做的工作对我国地震预警系统的发展有很大的借鉴作用[132,137]。
2.1 日本的地震预警系统
早在1960年，日本就开始使用地震预警系统，成为最早使用地震预警的国家。为了使高速运行中的列车在受到地震波强烈冲击之前及时停止，以免酿成翻车的危险，1992年，日本将最新型的UrEDAS(Urgent Earthquake Detection and Alarm System)地震预警系统安装在新干线上。1995年，发生的神户地震，死亡人数超过6000人，并造成了200亿美元的损失，带动了全国地震预警系统的发展。自从这次事件后，日本在全国范围内都布设了固定的地震台网（包括800个高密度台站，1000个地面强震仪和70个宽频带地震仪，并将UrEDAS系统应用于国内其他领域，同时还研发出了一个更快速的预警系统，称之为“Compact UrEDAS”，在1998年应用于铁路和地铁系统[142]。
UrEDAS是新一代的智能型预警系统，兼具有P和S两波段式的地震监测警报系统，也是最早设计出的商业化地震预警系统，其最大特点是可以由单个地震台站的P波初始振幅确定震源参数。UrEDAS系统主要利用P波初始震动的偏振性和振幅信息确定地震参数，由P波初始震动的卓越周期确定震级，因此UrEDAS可以只通过P波初始震动的信息来确定地震参数，从而获取更多的地震预警时间，当S波到达后则可以提供更准确的地震参数。
2004年，日本新泻县中越地区发生了Ms 6.6级地震，并发生在新干线的运行时间内。地震发生时，震中区有4辆列车在运行，但只有一辆出轨。在地震发生后2.9秒，P波传至“Compact UrEDAS”系统，在1秒后就发出了地震预警，系统自动切断了列车电源并启动了刹车系统。S波在预警后2.5秒到达了列车，一秒钟后发生了剧烈的震动[141]。虽然列车出轨了，但除了一节车厢，其余均留在铁轨上，大大降低了损失。
目前日本的地震预警系统形成了一个覆盖全国的网络，台站间距20 km。日本气象局（JMA）的公众预警包括很多方面：广播系统被要求从电视和电台上发布预警，国内多个警报系统也用来向大众发布预警。公众预警系统都是自动控制的，在紧急情况下自己做出反映。但是，日本气象局不可能做到为每个特定地点提供预警并作出紧急反映（如一些大型的私人场所），而日本的私人服务商可以做到。私人服务商可以根据JMA提供的信息为某些私人地点提供一系列服务，例如：确定地震强度、发布预警时间、做出一些应急措施等。一个典型的例子是“家
庭型地震仪”，可以翻译JMA的信号，并利用内部的微电子机械系统传感器，提供P波监测，从而进行Onsite EWS地震预警。这个装置安装在墙上，插头接入交流电源或Internet/Ethernet上，地震时可以发出预警，并进行倒计时。现在日本大约有650个家庭型地震仪被使用，其中包括500所学校[132]。 2.2 墨西哥的地震预警系统
墨西哥市研发出目前唯一直接对公共场所发布地震预警的系统，也是目前地震早期预警成功的特殊案例。墨西哥的安全保证系统（SAS）是基于1985年9月19日8.1级大地震而建立的。破坏性的地震发生在远离墨西哥300km以外的太平洋海岸俯冲带上，造成了1万多人丧生，3万多人受伤。因此，若能在太平洋海岸上建立台站进行预警，在地震发生后利用无线电信号对墨西哥市发出警告，人们 将有充分的时间避难[132]。
1991年8月，SAS系统开始为一小群使用者提供预警，包括25所学校和地铁系统。1993年5月，他准确预警了一次6.0级的地震。1993年8月，这个系统开始在墨西哥市广泛使用，成为世界上首个被广泛使用的公众预警系统。他的使用者主要是小学、中学、大学、紧急和安全部门、政府大楼、民防组织和地铁系统。地震发生后，除了可以使用电视和电台，SAS系统还可以通过e-mail和SAS网站向公众提供预警。1995年9月14日，7.3级的地震带动了SAS系统的发展，可以在S波到达前72秒向公众发布预警，地铁可在S波到达前50秒停止运行，学校可以有计划的进行疏散[132,137]。
从1991年10月至2009年5月，SAS系统共提供了13次公众预警和52次预防预警。提供公众预警和预防预警的地震级别分别为：4.8-7.3级；4.1-7.3级。其中有两次地震（6.3级和6.7级）没有做出预警并在1993年11月16日做出了一次错误的预警，当时公众警报做出了预警但是地震没有发生。 2.3 美国的地震预警系统
美国地质调查局（USGS）始建于1879年3月，隶属美国内政部，是美国内政部八个局中唯一的一个科学信息与研究机构。USGS从事地震监测系统开发已经有40多年的历史。当1989年旧金山地震发生后，USGS随即研发出一套简单的地震预警系统。1991年，美国国家研究委员会建议科研单位应加强对地震预警的研