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疊加再疊加,揭開強震誤判的盒子--地震定位的實作篇之(三)

震識:那些你想知道的震事_96
・2019/01/21 ・2292字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

在前篇一次不夠震兩次,連發的地震更難懂──地震定位的實作篇(二)中,我們提到「接連兩個地震」對於地震定位與相關工作造成的困擾,本文我們再進一步談另一個「特殊狀況」:

幾乎同時發生兩個地震,也同時影響了介於兩地震中間的測站

如果兩起地震同時發生,震源附近的測站一定會先收到較近的地震帶來的地震波,以這個角度來看,如果測站的數量夠多,似乎不太會受不同地震的震波干擾定位結果。但是,如果讓電腦自動判別定位地震,這種情況就容易衍生出相當棘手的事:那就是造成強震警報(預警)的誤判!這種誤判可謂是自動化強震警報系統的最大敵人,誤判的次數一旦變多,人們對於警報的信任就會降低!

兩個地震為何會造成強震警報系統誤判?

兩個相距數十公里的地方同時發生兩個地震,就可能像誤判燈泡數目一般,會讓地震警報系統誤判成一個地震。圖/pixabay

試想一下,從數十公尺的遠處看兩個擺得很近(小於30公分)發亮燈泡,有可能會把兩顆燈泡視為同一個比兩顆都亮的燈泡(如果有近視的話可能更有可能誤判)。而兩個相距數十公里的地方同時發生兩個地震,就可能像誤判燈泡數目一般,會讓地震警報系統誤判成一個地震。

在 311 東日本地大地震後,鄰近地區的地震變得頻繁,發生這種容易造成誤判情況的機會多了很多,因此後續研發了 IPF 法以解決這類問題。

過去一般使用的方式就是當有幾個連續地震站「認出」有地震發生後,就開始進行定位和分析的計算,如果同時發生兩個地震,自動系統又判斷成一個並且同時計算,就有可能算出錯誤的結果;IPF 法則是在計算時,將每個測站的數據可以交互參考,同時判定時間、測站位置分布以及振幅等,或許可以把它想成是結合「大數據」和「人工智慧」的方式[註1],因為這樣的方法需要更大量的演算、更多資料量的分析處理。這樣一來,預警系統能用更少的測站資訊就能決定震源參數,自然就會更有效率,這是IPF 法額外的好處,而這方法在 2016 年的 12 月開始使用。

不過,在2018年1月5日上午,日本的緊急地震速報系統還是發布了一個有問題的警報,將極近時間兩處發生地震的波動讓系統誤判成一個更大的地震,一個地震發生在日本西側的富山縣,另一個則在東側的茨城縣,由於自動系統誤判震源的關係,導致計算出來的規模高估許多,震度自然也評估成較大的情況。

下圖為地震發生時各個時間點的地振動加速度情況(圖片截自日本防災科學技術研究所強震觀測網 K-NET 網站公布的影片資料,由於影片有研究單位版權,故提供其下載連結

 

2018 年 1 月 5 日,同時發生了兩個地震,圖中的小點為地震測站,轉變成綠色時代表振幅增大,可以看到隨時間擴散的震波,最後交雜得分不出是哪個地震了。圖/日本防災科學技術研究所強震觀測網K-NET網站

 

等等,不是已經用了 IPF 法避免將多個地震誤判成一個嗎?怎麼還是發生了?阿樹自己的解讀是,這樣的方法投入不到兩年,雖然能有效減少誤判(以此方法重新解析過去的誤報事件確能減低誤報率),但還是有需要持續改進的地方。

預警系統不是做好就好,還要不斷修正

改進也不是只有針對同時發生的地震,接著繼續談另一個近期(2018 年 3 月)投入改善速報結果的方法:「PLUM法」(日文)。如 2011 年 311 地震這樣規模極大(M=9)的地震,規模極大的地震如果要把規模估的準確,就需要完整的地震波紀錄,然而這樣一來就沒有辦法提前預警,PLUM 法的出發點是用來因應這樣的情況,直接跳脫先計算地震規模再估算震度的模式,而是用已得到的震度資料來估算後震波還未到達地方的震度。

這樣一來如果一開始無法正確估算規模,低估了大地震,也能在後續提供比較準確的震度預警,讓稍遠一點的地方也能被預警到。以 311 為例,有許多地方在一開始沒有正確的震度預估資訊,在運用 PLUM 法重新模擬後,就會有更多實際觀測震度較大的地區,在地震波還未到達前就可以預警。

對此,阿樹有個「猜想」:

如果有這樣的方法藉由實際觀測修正預警資訊,那在前面提到將兩個地震誤判成一個而高估震度的情況,是否能用這樣的技術輔助判斷呢?[註2]不過目前還沒有相關應用。

最後,我們從地震定位的演進、各種困擾測報人員或科學家的情境,可以發現即使是今日的科技以讓地震定位可以用極短的時間完成,但在分秒必爭的情況下,早一點探得先機,就能早一步採取防災作為。所以這樣的科學研究,研如同一場沒有止盡的長期抗戰,必須不斷精進更新,沒有所謂「做到哪就夠了」的事,永遠都有數不完的挑戰!

註解

  • [註1]:氣象廳公告 IPF 法的說明文件並沒有明確解釋詳細的計算方法,阿樹對於這方法的理解也有限,若解讀有偏差煩請先進指正。
  • [註2]:目前阿樹查到的資訊,還未有提及 PLUM 法的技術可用來因應兩個地震同時發生的誤判,因此本段僅為個人觀點,並非科學上已達到的技術。

延伸閱讀

本文轉載自震識:那些你想知道的震事,原文為《地震預警系統誤報?原來是兩個地震來攪局(地震定位的實作篇之三)》,也歡迎追蹤粉絲頁震識:那些你想知道的震事了解更多地震事。

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《震識:那些你想知道的震事》由中央大學馬國鳳教授與科普作家潘昌志(阿樹)共同成立的地震知識部落格。我們希望透過淺顯易懂的文字,讓地震知識走入日常生活中,同時也會藉由分享各種地震的歷史或生活故事,讓地震知識也充滿人文的溫度。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》