為什麼要用電腦模擬地震？
臺灣數值地震模型 (TNEM) 由中研院地球所李憲忠副研究員開發，可以精確且快速分析出地震發生的過程，了解歷史地震、現今地震及未來的情境地震，為防災帶來重要的貢獻。
1999 年 9 月 21 日凌晨，集集大地震在臺灣人睡夢中突襲而來，許多人至今仍心有餘悸。那時，李憲忠正好在博士班第一年，踏入地震學研究不久就受到巨大的震撼。他體認到，臺灣需要更多地震研究的人力，假使當初把車籠埔斷層研究更透徹，也許災情就不會那麼慘重。
2016 年 2 月 6 日凌晨，又是一場眾人熟睡時的地震，在台南造成嚴重傷亡。這時，李憲忠利用他開發的臺灣數值地震模型 (TNEM) ，在電腦中解開這場地震之謎。這套數值模型，利用強大的電腦運算技術，能為未來的地震防災帶來不少貢獻。
美濃地震，為何臺南災情最嚴重？
2016 年這場地震，有個現象令人十分困惑──震央明明是在高雄美濃，為什麼災情最嚴重的區域反而在臺南？單純以氣象局的觀測資料不容易解答這個問題，因為它只能提供「震源位置、規模、震度」等數值，無法告訴我們地底下實際上發生了什麼事情。
李憲忠的電腦數值模擬，則還原了地底下斷層面錯動量的分布，看穿地震發生的特性。
如下圖，李憲忠針對這次美濃地震，計算出斷層面上的錯動量分布。由此可看出一個非常重要的現象──斷層面破裂最嚴重的地方，其實不是在震源 (紅色星星) 附近，而是在震央偏西北方，有兩個明顯的「錯動集中區 (Asperity) 」，亦即兩個紅圈處。
這次的破裂從震源開始之後，朝著西北向延伸，於是指向了臺南地區，這個效應稱為「破裂方向性 (Directivity) 」。
破裂的方向不一定是斷層的方向，由於每個地震的特性不同，必須利用觀測資料結合電腦來逆推，才能知道地底下的斷層面上發生了什麼事。
李憲忠表示，還有其他因素，影響美濃地震的破裂過程與地震波傳播。其中一個因素是「場址效應」，由於嘉南平原是沖積層，土質比較鬆軟容易造成振幅放大，且能量會在鬆散的物質裡持續震盪，造成較長時間的搖晃。
https://www.youtube.com/watch?v=eLDovQhJuq0
這部影片是李憲忠根據 2016 年 2 月 6 日美濃地震的資料，以臺灣數值地震模型模擬三維地震波傳遞的動畫。
從中可看到，由於「場址效應」，嘉南平原區的震動比山區來得嚴重。此外，震源本身還有「震源輻射效應」，並非震源的每個方向的震動都一樣，而是有輻射狀的分布，而這次的美濃地震，震源輻射放大的區域正好位在震央的西側。
以上種種因素加起來，使得美濃地震災情最嚴重的區域出現在臺南。
「臺灣數值地震模型 TNEM 」是何方神聖？
李憲忠的團隊能夠還原地底下發生的事情，利用的是他們自己開發的強大武器──「臺灣數值地震模型 (TNEM) 」。
這是一套整合性的模型，目標是以電腦來模擬與重建臺灣的中大規模地震，分析震源破裂與三維地震波傳遞的過程。
震源破裂的模擬，採取「逆推」的方法，藉由遠場(全球世界網的資料)、近場(臺灣本身的地震紀錄)與 GPS 的同震位移紀錄等觀測資料，透過電腦回推出斷層面上錯動量的時間─空間分布。接著利用建立好的震源破裂模型，加上三維地下構造數值模型，便可模擬地震波在複雜構造中的傳遞。
除此之外，這套模型還開發了一個重要的系統，就是即時計算地震學地震報告。
只要 2 秒，超級電腦就可分析完全臺灣 40 萬個格點，找到震源的位置以及所有的震源參數。透過電腦的技術，並在 2 分鐘內把「發震時間、位置、規模、震源機制」全部求解出來，特別是「震源機制」其分析速度，比傳統地震報告系統更快。
平常所看到的波形是背景雜訊，但只要地震發生， 2 分鐘後就有完整的地震資訊顯示出來。李憲忠很有信心地說，這套系統在全世界絕對是數一數二的。即時地震監測系統網站每 2 秒就會更新一次資料，民眾皆可上網查詢。
為什麼臺灣能夠辦到？李憲忠說明，由於幅員較小，且政府支持相關研究，臺灣的地震觀測網可能是全世界密度最高的。更重要的是，他們開發了一套完善的軟體來分析地震，並利用中研院地球所內的 256 顆 CPU 進行連續長期監測。
這套地震模型，另有一個領先世界的關鍵：完全採用的「三維」的地下構造來計算。李憲忠說，國外許多研究團隊，都是假設地底下為「均質」或「一維」的構造。雖然這種假設能比較快求出地震大致的模式，但真實自然界並非此種簡單的構造，所以很容易發生誤判或產生較大誤差。
李憲忠則希望利用高精度的地震模型，將模擬結果建立數值資料庫，拿來作為長期的科學研究與防災應用，因此越精確越好。
自然界是一個複雜的三維環境，不是簡單的一維。除非那邊的地下構造很單純──但是我想，容易發生地震的地方，通常構造都很複雜。隨著現在電腦技術漸漸發達，計算三維速度構造的影響，將會變成是個必要且常規的工作。
還原歷史地震現場：1935 年新竹─台中地震
臺灣數值地震模型，不但能精確分析最近發生的地震，還能重建過去的歷史地震，以及探討未來可能發生的地震情境。
歷史地震雖然是過去的事情了，但是透過了解過去地震的發生過程與特性，對未來的防災非常重要。由於斷層面的能量累積到相當程度，可能重新釋放能量，假如我們可以了解它的回復週期與破裂特性，則可更清楚知道如何防範下一次的大地震。
1935 年發生新竹─台中地震，造成的傷亡比 921 集集大地震更加慘重。現在的觀光景點魚藤坪斷橋，就是那次地震所造成的結果。
由於當時還沒有進入數位時代，因此地震資料不易取得，主要是日本氣象廳的紀錄。當時的地震紀錄是類比式的，用一隻紀錄筆在煙燻紙上描繪出振動的過程。而震度的紀錄，大都是藉由當地人的口述，以人的感受或房屋傾倒毀損的情況判斷，因此可能存在很大的落差。
現在有了數值地震模型，可以模擬重建當時的情形，對於了解歷史地震有很大的幫助。
1935 年的地震，由震央往南北兩方向破裂出去，北段是獅潭斷層，南段是屯子腳斷層。臺灣西部為逆衝褶皺構造，有許多南北向的斷層排列著。此次地震就是一條斷層破裂後，觸發其他的斷層，就像骨牌效應，因而破裂範圍拉很長。
未來可能發生的情境地震
李憲忠說，身為地震學家，常被身邊的親朋好友問到：「到底地震能不能預測啊？」坊間也有很多能人異士，號稱能夠預測地震。李憲忠說明，要能真正稱為「地震預測」，「時間、位置、規模」三者都要能明確講出來。然而，這樣的地震預測，現在的科學還無法做到。
雖然無法預測地震，數值模擬能夠分析不同的情境，也就是在某種形式的地震發生之前，就知道可能的災情分布。如此，也能達到防災的目的。
上圖是李憲忠模擬最危險的情境地震。臺灣東部外海有個「琉球海溝」，是菲律賓海板塊向北隱沒到歐亞板塊的界線，這個構造一路延伸到日本。在這種隱沒帶深處發生的大型逆衝地震，規模通常都非常大，可能超過 M8 。他說：
日本地震防災已經做得很好，然而 311 東日本大震災他們當時推估那邊只有規模八點多的地震，沒想到自然界就是出乎意料來個九點多的，讓他們措手不及。所以我們要料敵從嚴，用電腦去模擬這種極端的情境。
若在琉球海溝發生大型隱沒帶的地震，災害來源不只是地震波，還有海嘯。海嘯的模擬相當重要，因為海嘯傳播速度比地震波慢得多。地震波波速每秒 6 至 8 公里，海嘯只有每秒 0.2 到 0.3 公里。地震發生後三、四分鐘地震波就已經傳遍臺灣島，但是海嘯則需要兩、三小時。因此，海嘯確實可以預警，在地震發生後應可以有較足夠撤離人員的時間。
數值模擬如何提供防災準則？
地震的數值模擬，可以提供不少防災的資訊。在地震發生前，就可以分析，一旦這樣的地震情境發生，會有怎樣的災情，這對於災害防制的評估很有幫助。針對特定孕震地區，可以研究活動斷層以及地底下的盲斷層走向、容易產生的破裂方向性、以及場址效應等。這些結果，都可以應用到基礎建設的耐震設計，以及落實到建築法規上。
另外，地震發生當下，則可以透過即時地震監測系統，迅速釐清地震的各種參數。就震源而言，可以很快得到震源機制，推估該地震可能與哪條斷層有關，評估是否會影響到鄰近的斷層。如果斷層的能量可能還沒釋放完畢，就必須特別關注是否有餘震或更大地震的發生。
此外，即時線上地震模擬可以迅速計算出地震波的傳播與震度分佈，推知那些地方災情會比較嚴重，據此來調度救災人力。
臺灣數值地震模型得到的結果，是有物理基礎存在的數值模擬，可以比較接近「未來自然界可能發生的真實情況」。
現在防災單位亦有一套完整的地震應變流程，目前的系統主要是從「統計」的角度出發，利用「規模、震度、人口稠密度」等，建立邏輯樹，來評估災情。待後續臺灣數值地震模型開發得更完整，將能補足強化現行的地震災害評估與應用。
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採訪編輯｜歐柏昇 美術編輯｜張語辰
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本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位
