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臺灣地震測報的發展




文/蕭乃祺


 回顧 

1999年9月21日凌晨1點47分，臺灣中部地區發生規模7.3的921集集大地震，地震後102秒，中央氣象局的地震速報系統在大規模停電的情形下，順利計算出地震的位置與規模(圖1)，並透過電子郵件與呼叫器通報地震的資訊(Wu et al., 2000)。當時速報的表現是全世界地震測報重要的里程碑，備受國際重視與肯定，這也是1989年氣象局成立地震測報中心，專責我國地震測報業務以後，10年努力後所繳出的第一個成績單。

圖1. 、氣象局地震速報系統在集集地震發生後102秒自動產製的地震報告圖(資料來源：中央氣象局)

 集集地震後，20年來氣象局持續精進我國地震測報的能力。首先在2000年時參與國科會推動的5年期「地震及活斷層研究」跨部會整合科技計畫，期間建置了高品質的寬頻地震儀觀測站，同時為推動地震前兆的研究，建置了全球衛星定位系統(Continuous Global Positioning System, CGPS)連續觀測站與地震地下水觀測站。2006年開始全面進行觀測網的升級計畫，建置新一代的地震觀測網，除提升原觀測站速度型短週期地震儀與加速度型強震儀的解析度至24位元，並增建高品質的地震觀測站，包括井下地震儀觀測站與東部海域海底地震儀觀測站，全面強化地震儀紀錄的品質，並擴展地震的監測範圍。

災害地震是威脅臺灣最嚴重的天然災害之一，為快速提供救災單位與一般民眾有感地震的資訊，包括震源的參數與震度的級數，我國自1995年開始發展地震速報系統(Wu et al., 1997)。該系統利用即時的強地動紀錄，藉由自動地震定位的技術，有效縮短有感地震的偵測與通報時間，並在集集大地震時發揮重要的速報成果。2007年配合地震觀測網的升級，氣象局研發新一代的地震預警技術與系統(Chen et al., 2015)，利用地震初達P波的訊號進一步縮短資料處理時間，並發展強震即時警報作業，將地震測報運用於可行的預警防災上，建立臺灣完整的地震測報作業。

2013年在教育部、各縣市教育局處與氣象局跨單位合作下，推動「強化地震速報作業系統之應用」計畫，開始將強震即時警報的應用納入我國防災工作的重點(蕭乃祺等，2014)。該計畫先以全國3,500所中小學為推動對象，全面於校園內安裝地震資訊接收軟體，透過網際網路即時接收氣象局發布的警報，提供校園師生緊急地震防護，並將應用對象逐步擴展至高中與其他救災、交通單位。由於大地震存在預警應變的時間非常有限，通常僅有短短的數秒至十數秒，因此如何在第一時間同時對全國民眾推播訊息，為其防災應用最大的挑戰。氣象局2016年配合國家建置災防告警細胞廣播系統(Public Warning System, PWS)計畫，開發地震速報細胞廣播服務，透過手機讓民眾可以迅速收到地震訊息。另外氣象局於同年，與民間電視台合作，隨時蓋台插播強震訊息，提醒民眾注意。

雖然地震預測距離到實際作業化的階段，到目前為止仍是一個不可能的任務。不過由於地震對於民眾的生命與財產安全，無時無刻皆可能帶來重大的威脅，因此地震前兆相關的蒐集資料與分析研究，並最終以建立可運作之前兆研判與預警機制為目標，亦是我們需要重視並投入心力的方向。集集地震後，氣象局與學術界密切合作，開始發展地震前兆的觀測與研究，包括多元前兆觀測現象的使用，以及多種數值分析與統計方法的研發，至目前已經開始踏出第一步，並獲得相當的進展。

本文將介紹臺灣在集集地震後，20年來在地震測報工作的進展，主要包括全面現代化的地震觀測設備，以及建立完整的地震測報作業。

 基礎 

我國在地震測報上已經擁有非常良好的基礎，包括建置了進步的地震觀測網，以及蒐集了完整的地震背景參數資料庫。

 地震觀測網  

臺灣目前建置了全世界測站密度最高的地震觀測網，平均不到10公里就設有1個地震觀測站。運作中的地震觀測網主要有3個（圖2），包括中央氣象局地震觀測網（Central Weather Bureau Seismographic Network, CWBSN）、臺灣強地動觀測網（Taiwan Strong Motion Instrumentation Program network, TSMIP）、臺灣地球物理觀測網（Taiwan Geophysical Network for Seismology, TGNS）。

圖2. 氣象局3個主要地震觀測網的測站類型與分布圖(資料來源：中央氣象局)

CWBSN是1個即時地震觀測網，地震儀每秒100點訊號，可以24小時連續傳回氣象局中心站進行即時的分析，對於臺灣地區地震目錄的建置、有感地震的速報預警、地體構造與地震相關研究等，提供非常重要的資料來源。目前觀測站的數目超過170個，安裝的地震儀包含寬頻地震儀、短週期地震儀與強震儀。寬頻地震儀與短週期地震儀皆是速度型的地震儀，可以記錄非常微弱的地動訊號，加上寬頻地震儀具有記錄地震長週期訊號的功能，因此也可以偵測震央距離超過1,000公里以上的遠震。強震儀是加速度型地震儀，顧名思義主要是記錄大地震的地動訊號，對於強烈的振動不會有失真飽和的情形。由於CWBSN安裝了這3種地震儀，所以可以詳盡地的記錄臺灣地區的地震活動。地震站設置的位置除了原有的地表站外，近年來為了避免人為雜訊的干擾，提升地震儀紀錄的訊號雜訊比，建置了62個井下地震儀觀測站(圖3)，將地震儀安裝在平均深度300公尺的井內。另外為了擴大地震監測範圍，強化地震定位的準確性與時效性，在東部海域亦建 置了3個海底地震儀觀測站(圖3)。

圖3.、 井下地震儀觀測站場址與地震儀照片(上圖)，以及海底地震儀觀測站海纜鋪設與地震儀照片(下圖) (資料來源：中央氣象局)

為了完整蒐集臺灣各都會區地盤及結構物之強震資料，提供學術界地震科學研究與工程界耐震設計規範，氣象局在1990年代初期在臺灣各地建置高密度的強地動觀測網TSMIP(辛在勤，1993)。觀測網目前總共建置了737個自由場強震站與45座結構物陣列，採用力平衡式加速度計FBA (Force Balance Accelerometer)感應器，可以完整記錄大地震劇烈的振動資料。解析度亦從早期的16位元全部升級成24位元(圖4)，對於地動震幅的解析能力提升了200倍左右。

圖4. 、TSMIP從早期使用16位元強震儀演進至現今24位元強震儀的照片圖(資料來源：中央氣象局)

 為了推動地震前兆的研究，氣象局在集集地震發生後開始建置臺灣地球物理觀測網TGNS。除了大規模全面建置高精度的連續GPS觀測站，以及地震地下水觀測站外，並與國立中央大學合作，技術轉移接手維護地球磁場觀測站與大地電場觀測站(圖5)。2012年起GPS測站儀器陸續升級成全球導航衛星系統GNSS儀器，可以進行多星系統的觀測，截至目前，整個TGNS觀測網總共包含了163個GNSS觀測站、6個地下水位觀測站、12個地球磁場觀測站以及20個大地電場觀測站。

圖5. 、TGNS中不同類型的地球物理觀測站照片圖(資料來源：中央氣象局)

 背景參數資料庫 

在觀測網持續營運與資料處理例行作業下，建立了臺灣地區3個重要地震相關的背景參數資料庫，為我國的災害監測、科學研究與工程應用提供非常重要的基礎資料。第1個背景參數資料庫是臺灣地區地震目錄，由於觀測儀器解析度與站房環境品質的提升，每年平均偵測的地震由原本2萬個，從2012年大幅增加至4萬個，可以完整記錄臺灣地區規模1.5以上的地震。目前目錄中總共累積的地震數量已經超過67萬筆(圖6)，完整的資料除了使用於地震活動分析外，對於臺灣區域範圍的速度構造、孕震構造與震源機制等相關研究，提供豐富的基礎資料。


圖6. 、臺灣地震目錄所記錄的地震分布圖，圖中符號大小、顏色分別表示地震的規模大小與震源深度(資料來源：中央氣象局)

第2個重要的資料是自由場強地動紀錄，過去30 年總共蒐集了超過2萬8,000個強震、數量超過22萬筆的紀錄。這些紀錄不僅有效應用於我國強地動觀測研究、耐震設計規範以及地震工程應用，對於全世界強震相關的研究亦是彌足珍貴。例如在集集地震發生前，全世界非常缺乏近斷層的強震紀錄，而當集集地震時收錄了數十筆車籠埔斷層錯動的強地動紀錄(圖7)，讓近斷層帶的強震紀錄一舉增加數倍，對於全世界近斷層地震動特徵的研究影響深遠。


圖7. 、集集地震石岡國小強震站所收錄的3分量強地動紀錄圖(資料來源：中央氣象局)

第3個完整的背景參數資料庫是地表位移時間序列，氣象局連續GNSS觀測站的數量超過160個站，平均分布於臺灣各地。透過每月例行測站座標、包含經緯度與高程資訊的解析，可以獲得每個測站位置，水平動與垂直動位移隨著時間變化的情形(圖8)。測站座標解析是使用美國麻省理工學院與加州大學聖地牙哥分校斯克里普斯海洋研究所共同發展的GAMIT/GLOBK資料處理軟體，解析後獲得地表位移的時間序列，可以用來推算臺灣各地速度場與應變場的變化，進行地殼形變相關研究，同時亦是地震前兆、同震位移、火山活動、地層下陷、地層滑動等監測重要的參考資料。


圖8. 、2004年迄今花蓮GNSS測站的3分量地表位移時間序列圖(資料來源：中央氣象局)

 作業 

氣象局目前穩定運作與持續發展的地震測報作業主要有2個，包括有感地震資訊速報作業，以及地震前兆觀測作業。

 有感地震資訊速報作業 

我國已經建置完整的地震速報作業流程，當臺灣島內或近海發生顯著有感地震時，平均地震後15秒左右即會發布強震即時警報，民眾可以透過網際網路推播、手機細胞廣播與電視台蓋台插播等方式，第一時間獲得強震訊息而採取緊急應變。約5分鐘以後則會對外發布正式的地震報告，內容包括震源資訊與觀測震度，對於防救災與公共設施單位提供地震應變調度重要的參考資訊，並可適時降低民眾的恐慌。近年來為提升地震應變效能與提高災損評估準確性，全國各縣市每個行政區至少建置1座即時強地動觀測站，透過校園網路與部分專線傳送地動加速度紀錄，進一步提供以鄉鎮市區為尺度的細緻化震度資訊。

以2018年2月6日規模6.2花蓮災害地震為例（圖9），地震預警系統在地震後約17秒對外發布地震訊息，通報單位包括學校、防救災、公共運輸與防災產業等單位，對於距離震央約60公里以外的地區可以提供預警的時間，另外一般民眾則在地震後20秒時透過手機與電視，得到訊息立即採取緊急應變。5分鐘後氣象局發布正式地震報告，並在7分鐘後進一步提供以鄉鎮市區為尺度的細緻化震度資訊。防救災單位在獲得地震相關資訊後，10分鐘內即可迅速成立災害應變中心，召集相關單位投入地震救災的工作。


圖9. 、2018年2月6日花蓮地震氣象局地震速報資訊時效圖(資料來源：中央氣象局)

 地震前兆觀測作業 

地震發生主要成因為地殼受板塊作用擠壓下，不斷累積能量後快速釋放所造成。過程中因應力應變長時期積累的關係，一般認知地表會持續產生微量的變形，而當應力強度增加到接近岩石破裂強度時，則岩石可能會先產生微小裂隙而導致地震活動改變或是體積變形。因此透過長期地震活動度與地表形變的觀測，有機會在大地震發生前可以發現徵兆。另外臨震前，岩石微小振動或隙縫破裂亦有可能引起區域其他環境參數的變化，例如地下水位、地球磁場、大地電場等。

氣象局依據可能出現地震前兆的時間，分為中長期與短期2種前兆觀測。中長期觀測主要預估前兆出現的時間約在大地震發生前半年，觀測的項目目前主要為地震活動的時空變化與地殼形變。短期前兆則是設定地震發生前數小時至10天左右可能會發生，觀測的項目包括電離層電子含量變化、地下水位變化、地球磁場與大地電場異常等。

以2016年2月6日美濃地震為例，臺灣中南部山區在地震發生前6個月，與長時間的地震活動狀況比較(圖10)，呈現低地震個數(圖中藍色區塊)，以及低地震能量釋放的情形(圖中大間隔虛線範圍)，其統計數值皆在長期背景值的1/4位數以下。同樣的情形也出現在臺南歸仁與仁德GNSS測站間的基線變化(圖11)，這2個測站間的基線在一般狀況下，呈現逐漸縮短的情形，幅度每年平均在1公分左右。在美濃地震發生的半年前，其基線出現顯著的轉折，反而呈現出測站間相對運動似乎鎖住(lock)的情形，而當半年後地震發生後，測站基線變化的模式也逐步恢復成原先的情形。


圖10. 、2016年2月6日美濃地震前半年，臺灣地區地震個數與釋放能量在空間上，與長期地震活動狀況比較的分布圖(資料來源：中央氣象局)


圖11. 、2010年至2017年1月臺南歸仁與仁德GNSS測站間的基線變化(資料來源：中央氣象局)

氣象局地震前兆觀測作業在與學術界密切的合作下，已經逐步進行制度化的資料蒐集與研究分析。不過截至現在實際分析的成果，真正成功的案例其實還是非常有限，尤其對於短期前兆的觀測，可視為成功發現前兆的比例似乎都在2成以下，氣象局將會持續努力進行相關的研究。

 展望 

展望地震測報未來發展的方向，將會在現有的觀測基礎與測報作業下，逐步擴大地震測報工作的服務能量與防災價值，主要目標包括：

1. 持續提升強震測報能力，強化警報資訊於地震防災之應用。

2. 大幅開放地震資料服務，擴展資料於學術研究與工程應用之價值。

3. 合作交流地震前兆研究，建立可運作之前兆研判與預警機制。

 參考文獻  

辛在勤，1993：臺灣地區強地動觀測計畫。臺灣地區強地動觀測計畫研討會論文摘要集，1-10頁。

蕭乃祺、蕭文啟、江嘉豪，2014：中央氣象局強震即時警報作業介紹。中央氣象局通訊，103年8月號，1-6頁。

Chen, D. Y., N. C. Hsiao, and Y. M. Wu (2015). The Earthworm Based Earthquake Alarm Reporting System in Taiwan, Bull. Seism. Soc. Amer., 105, No. 2A, 568–579.

Wu, Y. M., C. C. Chen, T. C. Shin, Y. B. Tsai, W. H. K. Lee, and T. L. Teng (1997). Taiwan Rapid Earthquake Information Release System, Seism. Res. Lett., 68, 931-943.

Wu, Y. M., W. H. K. Lee, C. C. Chen, T. C. Shin, T. L. Teng, and Y. B. Tsai (2000). Performance of the Taiwan Rapid Earthquake Information Release System (RTD) during the 1999 Chi-Chi (Taiwan) earthquake. Seismo. Res. Let., 71, 338-343.





蕭乃祺
中央氣象局地震測報中心副主任