史上最早地震儀？｜科學史上的今天：12/13

本文由 交通部中央氣象署 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動，到我們的手機響起國家級警報，大約需要多少時間？

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站；1999 年臺灣爆發了 921 大地震，當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位；2014 年正式對公眾推播強震即時警報；到了 2020 年 4 月，隨著技術不斷革新，當時交通部中央氣象局地震測報中心（以下簡稱為地震中心）僅需 10 秒，就可以發出地震預警訊息！

然而，地震中心並未因此而自滿，而是持續擴建地震觀測網，開發新技術。近年來，地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」，預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元！

連上網路吧！用建設與技術，換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」，該計畫致力於跨部會、跨單位合作，由 11 個執行單位共同策畫，致力於優化我國環境與防災治理，並建置資料開放平台。

看到這裡，或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網（Internet of Things，IoT）有什麼關係，嘿嘿，那可大有關係啦！

當我們將各種實體物品透過網路連結起來，建立彼此與裝置的通訊後，成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中，即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統，並進行運算，實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站，但能夠和地震中心即時連線的，只有其中 500 個，藉由這項計畫，地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量，並優化原有強震監測站的聯網品質。

在地震中心的評估中，可以連線的強震監測站大約可在 113 年時，從原有的 500 個增加至 600 個，並且更新現有監測站的軟體與硬體設備，藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知，倘若地震儀沒有了聯網的功能，我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後，有什麼好處？

除了加強地震儀的聯網功能外，把地震儀「放到地下」，也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下？用日常生活來比喻的話，就像是買屋子時，要選擇鬧中取靜的社區，才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂；看星星時，要選擇光害比較不嚴重的山區，才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

地表有太多、太多的環境雜訊了，因此當地震儀被安裝在地表時，想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波，就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難，無論是電腦或研究人員，都需要花費比較多的時間，才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的？基本上，只要是你想得到的人為震動，對地震儀來說，都有可能是「噪音」！

當地震儀靠近工地或馬路時，一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站，是噪音；大稻埕夏日節放起絢麗的煙火，隨著煙花在天空上一個一個的炸開，也是噪音；台北捷運行經軌道的摩擦與震動，那也是噪音；有好奇的路人經過測站，推了推踢了下測站時，那也是不可忽視的噪音。

因此，井下地震儀（Borehole seismometer）的主要目的，就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」，記錄到更清楚、雜訊更少的地震波！​無論是微震、強震，還是來自遠方的地震，井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動，根據不同測站底下的地質條件，​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外，站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池，讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大，為什麼無法大規模建造測站呢？簡單來說，這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井，然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本，因此，即使井下地震儀的訊號再好，若非有國家建設計畫的支援，也難以大量建置。

人口聚集，震災好嚴重？建立「客製化」的地震預警系統！

臺灣人口主要聚集於西半部，然而此區的震源深度較淺，再加上密集的人口與建築，容易造成相當重大的災害。

許多都會區的建築老舊且密集，當屋齡超過 50 歲時，它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的，若是超過 25 年左右的房屋，也有可能不符合最新的耐震規範，並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀：

在地震界有句名言「地震不會殺人，但建築物會」，因此，若建築物的結構不符合地震規範，地震發生時，在同一面積下越密集的老屋，有可能造成越多的傷亡。

因此，對於發生在都會區的直下型地震，預警時間的要求更高，需求也更迫切。

地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統，目標針對都會區直下型淺層地震，可以在「震後 7 秒內」發布地震警報，將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起，地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組，並開始上線測試，當前正致力於臺南市的模組，未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難，無法主動保護民眾的生命安全，若人民沒有搭配正確的防震防災觀念，即使地震警報再快，也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術，地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道，經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》，讓民眾了解正確的避難行為與應變作為，充分發揮地震警報的效果。

此外，雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒，研發新技術的腳步不會停止；未來，他們將應用 AI 技術，持續強化地震預警系統的效能，降低地震對臺灣人民的威脅程度，保障你我生命財產安全。

本文由 交通部氣象局 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳儀珈

臺灣是全世界地震測站密度最高的地方，然後呢？

臺灣位於歐亞板塊與菲律賓海板塊交界處，古往今來，從 1935 年新竹-臺中地震、1999 年集集大地震到 2016 年的高雄美濃地震，這座島嶼挺過無數次強震的襲擊，更催化出驚人的地震測報實力與研究能量。

自日治時期設置了全臺第一座地震儀至今（2022 年），在 120 多年內，現在的臺灣已經擁有全世界地震測站密度最高的地震觀測網：共超過 700 座測站，平均不到 10 公里就有 1 座，一年平均可偵測到超過 3 萬次的地震！

從預算籌措、技術研發、測站建置、通訊與電力接通、儀器維護到資料處理與信號監控等，每一座地震觀測站的背後，都耗費了無數地球科學家們的心力和血汗，他們辛勤地上山、下海、鑽井、拉線，投入大量的人力、時間和資金，就是為了挖掘更多地球的秘密。

每一分、每一秒，都有可觀的訊號湧入中央氣象局的儀器，然而，人們到底要怎麼做，才可以讓這些得來不易的寶貴資料發揮最大的效益呢？

中央氣象局的做法是——將它們全、數、公、開！把臺灣地震與地球物理的觀測資料，無償開放給全世界下載使用！

2008 年初試啼聲、2020 年脫胎換骨！

自 2005 年起，中央氣象局地震測報中心開始規劃這個整合型地震相關資料的開放平台計畫，並在 2008 年 8 月正式上線，命名為「地球物理資料管理系統（GDMS）」。

可惜的是，當年 GDMS 採取「會員制」，使用者需線上申請，經過審核方可啟用帳號，也限定僅有「國內」的相關學術人員才能成為會員。

此外，隨著上線時間一長，原系統的功能及資料服務已無法滿足所有使用者的需求，例如資料並未使用國際通用格式、更新不夠即時、儀器參數不完整等等問題。

有鑑於此，中央氣象局和中研院地球所攜手合作，建置了全新一代的「臺灣地震與地球物理資料管理系統（GDMS-2020）」，取消原先僅開放國內學術人員下載的限制，轉型為向全世界開放，所有人都能在此下載地震和地球物理的觀測資料。

新版的 GDMS 也針對資料管理進行全面優化，設計了標準化的流程，讓整體資料典藏變得更穩定更即時，資料品質更有保障。新增的詮釋資料（metadata）也讓使用者得以從原始資料（raw data）分析出更真實的物理量。

走向國際化的地震資料中心！

在地球科學界中，美國 IRIS、歐盟 ORFEUS、日本 NIED 是公認的三大資料服務中心，負責提供即時、高品質的地震與地物資料。

無論是資料格式，還是系統管理，臺灣的 GDMS 也向這幾個單位看齊，藉由向全球研究人員開放地震與地球物理資料，不僅能夠促進整體地球科學的發展，也讓臺灣在地球科學界的能見度更高，展現我國在地震領域的研究和技術能量。​

現在，無論你是地球科學的學術人員，或是對地球科學研究有熱情的愛好者，只要進入這個網頁註冊帳號，就能取得即時又完整的地震與地球物理資料。​

完整性、通用性：最全面、最沒有門檻的研究資料

根據中央氣象局的介紹，GDMS 提供的資料大約分為三個類型：地震資料、地球物理資料，以及儀器的詮釋資料，提供連續的觀測紀錄，擁有資料上的「完整性」。

其中，地震資料來自各式各樣的地震儀，例如短週期地震儀、強震儀、寬頻地震儀、井下地震儀所記錄的震動波形，取樣率每秒 100 點；地球物理資料包含全球導航衛星系統（GNSS）所記錄的地表變形、水位計的地下水位、磁力儀的地磁強度，取樣率每秒 1 點；​詮釋資料則記錄了​儀器管理相關的資訊，包含測站位置、營運歷史、維護紀錄、儀器響應（instrument response）等內容，讓研究人員得到地動訊號真實的物理量，在分析資料的過程中扮演關鍵性的意義。

為了讓研究人員下載地震和地物資料更便利，GDMS 參考了其他國際地震中心的做法，從資料查詢、瀏覽與下載的介面，到符合國際標準的資料格式，具備資料上的「通用性」。

觀測資料的格式如下：

• 地震波形資料：miniSEED、SAC 和文件檔格式
• GNSS 資料：RINEX 格式
• 地磁資料：  IAGA2002 格式
• 地下水位： 純文字檔​

詮釋資料的格式為：

• 地震儀：管理上採用 dataless SEED 以及 StationXML 兩種格式，使用上另提供 Poles and Zeros 檔案
• GNSS、水位計和磁力儀：純文字、試算表或資料表等方式儲存，同時相關資訊亦全部轉入資料庫線上管理。​

即時性、國際性：幾乎即時的更新頻率，開放給全球學術界！

​標榜「即時性」的 GDMS ，更新資料的速度到底有多快？

為了讓研究人員在強震後能夠立刻進行分析，所有地震波形資料會持續開放至此時此刻的前 15 分鐘。而地球物理資料每日產製 1 個檔案，也就是說，今天可以拿到最新的資料是前一天的檔案。

規模超過 6 的地震發生後，GDMS 會自動擷取所有對應的地震波形，在一個小時內放在首頁供所有人瀏覽及下載，避免在地震過後湧入過多的索取而影響網站的服務效能。

此外，GDMS 也保存了從 1991 年 1 月 1 日至今的「地震目錄」。

由於地震觀測站收到的原始訊號是不停的連續波形，一般研究人員若要進行地震研究，需要耗費極大的人力和時間成本，土法煉鋼地從波形中挑出地震的波形。

GDMS 所提供的地震目錄，是由地震定位專業的夥伴們，從連續的波形中一一挑選而成，不論是在學術或災害研究上，都是非常珍貴的資料。目前系統中最新的地震目錄可提供到當下的前 1 個月，地震目錄跨越的時間超過 30 年，累積地震數超過 75 萬筆，毫無疑問是地震相關研究的一份瑰寶。

為了讓 GDMS 在國際上更有能見度，日前中央氣象局已正式向國際數位地震觀測網聯盟（International Federation of Digital Seismograph Networks，簡稱 FDSN）申請註冊數位物件識別碼（Digital Object Identifier，簡稱 DOI），進一步強化 GDMS 的服務品質。

未來，GDMS 不會停下進化的腳步，在中央氣象局與中央研究院的合作下，除了測站數量將不斷擴大、進行儀器的汰舊換新，還預計開發一套新儀器維護與參數連動機制，確保觀測資料與詮釋資料的可靠性，並隨時關注和參考使用者的回饋與需求，進行滾動式的修正，持續擴充 GDMS 的功能。

參考資料

1. ​中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統​
2. Thread: Taiwan CWB Seismological and Geophysical Data is officially OPEN from the new GDMS​
3. 地震測報中心蕭乃祺、甘志文、莊雅婷。〈建置國際化的地震資料中心〉。

本文由 交通部氣象局 委託，泛科學企劃執行。

• 文／陳儀珈

經過中學地科課程的薰陶，大部分的人都知道臺灣位於環太平洋地震帶上，是菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞交界處，因此地震非常、非常地頻繁。

然而，這個頻繁到底是多頻繁呢？

據統計，臺灣每年偵測到的地震平均達 3 萬多次，每天平均約發生 100 多次地震，約 2 天多出現 1 次規模 4.0 ~ 5.0 的地震，規模 5.0 至 6.0 的週期大約是 2 個星期左右，每年平均出現 3 次規模 6.0 以上的地震。

影片說明：

每一天都有這麼多地震在這塊島嶼底下悄然發動，什麼時候又會有如 921 般的大地震突然重創臺灣？

為了更了解這塊土地和潛在的危機，中央氣象局地震測報中心（以下簡稱地震中心）一肩擔起監測臺灣地震的重任，不斷提升地震測報的效能，努力降低未來可能的地震災害。

33 年內，進化了 5 次的「強地動觀測」計畫

自日本政府在臺北測候所設置了臺灣史上第一座地震儀至今，已經有 125 年的歷史了。這麼多年來，臺灣的地震儀和地震觀測網，有了哪些翻天覆地的變化呢？

國民政府接手臺灣後，改由中央氣象局負責臺灣的地球科學相關測報業務，並在 1989 年成立了「地震測報中心」，擴大編制，走上地震觀測現代化之路。

自成立至今，地震中心投入了巨大的資源和心力在「加強地震測報建立地震觀測網計畫」和「強地動觀測」的長程計畫中，其中強地動觀測每 6 年一期，致力於建置地震觀測資料的蒐集與應用，目前已完成共 5 期的計畫。

經過地震中心 33 年來的努力，從都會區到山區、從陸地到海上、從地表到井下、從 16 位元到 24 位元，地震測站的儀器越來越好，也漸漸拓展至臺灣各個地方。

截至 2022 年 7 月為止，包含中央氣象局地震觀測網（CWBSN）和臺灣強地動觀測網（TSMIP）在內，全臺已經建置了超過 700 個地震測站，是全世界測站密度最高的地震觀測網，平均不到 10 公里就有 1 個地震站！

蒐集了震波資料，然後呢？

除了監測地震活動之外，這些測站蒐集到的強震資料，不僅可以成為學術研究的養分，讓地震學家更了解這塊土地下的構造和祕密，在民生防災上，更有著極為關鍵的貢獻！

「地震」，是臺灣人自出生以來就與之共存，甚至習以為常的自然災害。不過，地震到底有多可怕？

對於成年人們來說，傷痛與恐懼可能會被逐漸淡忘，而對於那些沒有經歷過 921 集集大地震、1999 年以後出生的孩子們，更是毫無具體的想像和實際感受。

臺灣史上傷亡最慘重的1935年新竹-臺中（關刀山附近）地震，帶走了約 3000 人的生命；2018 年 2 月的花蓮地震，震毀了 4 棟大樓；日本 311 大地震和海嘯，奪去了 1.5 萬條生魂；震撼半個亞洲的中國汶川大地震，有將近 7 萬人罹難，受災人口高達 4600 萬多人。

因此，對於地震中心來說，如何「應用」這些地震資料，發展出更先進的預警系統，協助制定建築物耐震設計規範，以及配合其他政府單位規劃救災計畫，更是中心業務的一大重點。

30 秒→10秒→5秒！越來越強大的強震即時警報

「建置強震速報系統」是強地動觀測第 2 期計畫的主要目標，致力於提升地震測報的計算能力、縮短向其他單位通報的時間。

在 921 地震期間，雖然當時的地震速報系統只是雛形，卻成功在地震後 102 秒對外發布地震報告，這樣的速度，備受國際重視與肯定。

到了第 3 期計畫，「強震即時警報系統」已經可以在 30 秒內自動推估出初步的地震規模與震央位置，搶在破壞性地震波（S波、表面波）抵達前，將地震的訊息傳達給防災、救災相關單位。

除了大家最熟悉的、會讓手機響起震耳欲聾警報聲的災防告警系統（PWS）外，地震中心也和各防救災單位、公共設施、各級學校以及電視臺合作，一旦強震即時警報偵測到符合條件的地震，就會馬上傳遞地震消息，讓各單位進行緊急應變。

時至 2020 年 4 月，隨著地震觀測網的擴大和更新，以及不斷進步的通訊技術，地震中心已經可以在地震後約 10 秒內發出地震預警訊息，為國人爭取更多避難的黃金時間。

• 延伸閱讀：關鍵時刻能救命，與時間賽跑的地震預警系統發展史

下一步，地震中心將投入前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」，除了持續擴建井下地震觀測網、發客製化地震預警系統作業模組之外，也預計在 4 年內，讓都會區可以在 7 秒內收到地震預警。

在更久遠的未來，地震中心期許可以順利的應用 AI 技術，建置新一代的地震預警作業系統，進一步將發布時間縮短到 5 秒以內！

地震前兆：有辦法抓住強震前的蛛絲馬跡，然後「預測」嗎？

由於地震是在板塊彼此的作用之下，岩層不斷累積應變能量後斷裂錯動而成，不斷累積能量的同時，地底的岩石有可能會產生許多微小的裂隙和變形，並間接影響其他環境參數，改變地下水位、地球磁場、大地電場的數據。

以 921 大地震為例，在車籠埔斷層附近，地球科學家就曾經觀察到地下水水位出現了「同震」的變化！

地球科學家推測，有可能是當地的岩層受到應力的影響後，產生了許多微小的裂隙，因此改變了岩層的孔隙率、滲透率，進而產生地下水位的變化。

如果每一次大地震之前，地球科學家都可以掌握到這些細微的現象，就有可能發展出成熟的地震前兆研究和技術，甚至走上「地震預測」之路。

因此，地震中心除了建置地震站的觀測網之外，也大力推動地震前兆的研究，自 921 大地震後開始設置「臺灣地球物理觀測網」（TGNS）：

• 「全球導航衛星系統」（GNSS）可以進行大地測量，建立臺灣大地變形的資料庫，藉此監測斷層、火山活動，以及地層下陷或滑動等現象。
• 「地下水」測站能夠連續記錄大氣壓力、雨量與地下水位的相關性。
• 「地球磁場」測站用以監測地球磁場擾動的現象。
• 「大地電場」測站可以蒐集大地電場的觀測資料，並推估與大地震之間的關係。

可惜的是，雖然地球物理的資料和分析已經逐漸制度化，但在地震前兆的研究上，成功案例仍然遠遠不足！

不僅是臺灣在地震前兆上遭受挫折，其他國家在這個領域的研究也長路漫漫。地球科學家還沒有辦法歸納出地震前的行為並取得共識，更別說是地震預測這個更遙遠的夢想了。

幸好，現有的難關無法阻擋地球科學家的好奇心，中央氣象局地震中心也持續投注心力在地震前兆研究中，期許未來有破解祕密的一天！

起死回生的火山、仍然未知的海嘯威脅，地震中心也緊盯不放！

根據噴發紀錄和火山地震波等證據，在中央研究院林正洪研究員的努力下，中研院於 2016 年提出大屯火山群岩漿庫存在的證據，同時也在龜山島附近發現同樣的現象。

隨著地球科學家不斷提出新的證據，經濟部中央地質調查所蒐集相關的研究成果後，在 2019 年 9 月 24 日召開了「火山活動專家諮詢會議」。在各方學者的討論下，讓大屯火山群「起死回生」，將原本公認是死火山的大屯火山群和龜山島，重新被認定為「活火山」。

面對這個反轉，全臺如臨大敵，畢竟人口眾多的天母、北投與士林就在大屯火山群的山腳下，不但核電廠鄰近，總統府和 101 大樓也都距離它不到 20 公里！

我們對這些火山的了解和掌控，又到了哪一步呢？

藉由氣體、溫度、地表變形和地震波等資料，地球科學家可以判斷出大屯火山是否瀕臨爆發的狀態，而早在 2011 年，內政部與國家科學及技術委員會成立大屯火山觀測站 (TVO)，並整合中央地質調查所、中央氣象局、中央研究院及國內各大學分析研究成果，建立多項火山監測系統及平台，同步監測大屯火山活動並進行研究。

除了來自大屯火山觀測站的 10 個地震站之外，也包含氣象局設置在北部的地震站，藉此協助研究人員獲得幾乎即時的火山地震資訊。

當前我國政府已在 2018 年5 月 25 日正式將火山災害列管於「災害防救法」，隔年中央氣象局也制定了火山活動等級與預警發布機制，後於 2020 年 9 月 14 日公布「火山噴發訊息發布作業要點」，一旦大屯火山有任何不對勁，就會立即啟動火山預警發布機制！

除了來自大屯火山的威脅外，地震中心也負責海嘯的監測和警報發布，並在短短的幾分鐘內，就能解算出海嘯的抵達時間、預估浪高。

倘若太平洋海嘯警報中心（PTWC）預估海嘯可能在 3 小時內到達臺灣，或是臺灣近海發生規模 7 以上、震源深度小於 35 公里的地震時，地震中心即會發布海嘯警報，籲請沿岸居民因應海嘯侵襲。

臺灣的地震防災教育，地震中心也當仁不讓！

除了地震、火山和海嘯測報等核心業務之外，地震中心也致力於地震和防災教育，提供無數科普資源，讓社會大眾學習和運用。

在網路上，有中央氣象局建置的「中央氣象局數位科普網」、回答你關於地震大大小小疑惑的「地震百問」、地震中心官方 Facebook 粉絲專頁「報地震－中央氣象局」等等，各式各樣的線上科普內容。

在實體場域，中央氣象局也設置了幾個展示空間：中央氣象局本部、臺灣南區氣象中心、田中氣象站、竹子湖氣象站-火山監測教育展示室等地（目前因疫情暫停開放），讓有興趣的民眾或學校機關，都可以實際前往觀摩，親眼見證地球科學家和氣象局人員的工作場域和聆聽解說。

畢竟，若想達成真正意義上的「防災」，單單只是完善測報工作、防災工程與避難措施並不足夠。更重要的是，必須讓所有臺灣人都有正確的防災觀念，才能有效提升整體社會的抗災能力。