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為什麼感覺比震央晃?臺北盆地的「場址效應」

科學月刊_96
・2019/09/23 ・3408字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 536 ・七年級
  • 郭俊翔/國家地震工程研究中心。

在臺灣,每當有較大規模地震發生時,若臺北盆地的震動較周邊地區大,幾乎都可見到電視新聞報導或一般民眾朗朗上口地說,這是盆地效應場址效應(seismic site effect)造成的震波放大現象。這是一個什麼樣的現象?為什麼限於臺北?臺北有什麼特別的地方嗎?一切就得從場址效應的機制開始談起。

場址效應,是一種影響地震震度的因素,又稱盆地效應。地震發生時,當震源的地震波傳到地表時,會因著地表表面的地下介質的軟硬程度而影響震度大小。

場址效應是什麼?

據筆者所知,最早記載有關場址效應的文獻是在距今超過 100 年前,由有現代地震學之父之稱的米爾恩(John Milne)於1898年所出版的《地震學》(Seismology)一書,書中提到:「不難找到兩個相距不到300公尺的地震測站,但它們的水平向振幅卻可以達到 5 倍,甚至 10 倍。」

由此可知,早在 19 世紀地震學家就藉由地震觀測,發現震度可能也會因地而異,而且落差可能相差很大!而造成極大落差背後的原因,就是地質條件差異,也就是所謂的場址效應。

為什麼會有場址效應?

在地震發生後,一開始的地震波會在堅硬岩盤中傳播,但地震波從岩盤進入近地表的鬆軟土層時,會因為地層性質轉變發生一件生活在地表的人們覺得不太好的事,那就是:

  1. 地震波振幅加大,代表會搖得更大。
  2. 地震動延時加長,代表會搖得更久。

所以,可想而知,放大後的地震波會更容易造成建築物的損壞、倒塌而加重地震災害,因此場址效應的研究在地震工程領域相當受到重視。筆者利用下圖來介紹場址效應,使用簡單的繩波實驗說明鬆軟地層對震波放大的現象,可讓一般民眾了解場址效應的現象。

以繩波在粗細不同的繩子間傳遞時的振幅變化來說明鬆軟地層對震波放大的現象。source:國家地震工程研究中心《安全耐震的家-認識地震工程》科普書籍網頁版

在臺灣,臺北盆地正好具備所有場址效應發生的要點,堅硬的岩盤(第三紀基盤)和鬆軟的土層(松山層),而其西深東淺盆地外型,不僅造成不同週期的震波放大,也讓地震波進入盆地時更容易聚焦,進而產生共振及延長震動的持續時間,也因而讓臺北盆地內的民眾在地震發生時更加「有感」。

臺北盆地在近代曾受過數次強震的影響,皆是由於盆地內的場址效應造成震波放大,而使災損更加嚴重,例如 1986 年芮氏規模 6.8 的花蓮外海地震,震央距離臺北盆地約 110 公里,仍造成臺北盆地內多處建築物倒塌或嚴重損壞;1999 年芮式規模 7.3 的集集地震,雖然發生在臺灣中部,卻在臺北盆地造成相當嚴重的災情,包括松山賓館和新莊博士的家兩棟高樓的倒塌,更有多棟建物嚴重損毀。

如何量化場址效應?

至於科學上如何量化場址效應,這時就不得不簡介一下「反應譜」。為了瞭解地震波對建築結構造成的影響,結構工程師發明加速度反應譜,其橫軸為週期,縱軸為加速度,代表某地震波作用於建築結構時,不同週期地震力的最大加速度值。不同週期震波有各自的最大加速度值,分別計算後可繪製成加速度反應譜,常在工程上作為地震力評估的依據。

而設計反應譜則是數筆強震記錄加速度反應譜所計算出的平均結果,加上專家適當調整後所制定出的人造反應譜,用來代表各地區可能受到的各週期地震動強度,可作為建築物建造時的耐震性能設計依據。因此,當在加速度反應譜上看到某週期的加速度值越高,代表其地震力越大,若超過設計反應譜則代表建築物會有損壞的可能。

集集地震時,臺北盆地內的民生國小與指南宮測站的地震動加速度歷時(右上)及加速度反應譜(右下)。source:作者提供

以集集地震為例,位於臺北盆地內的 TAP014 民生國小強震和臺北盆地外的 TAP067 指南宮強震站(上圖右上)的加速度震波比較,位於盆地內的民生國小測站,處鬆軟土層上,其最大加速度(PGA)值為107加爾(gal),而位於盆地外的指南宮測站,處堅硬岩盤上,其最大加速度值卻僅有 36 加爾,兩測站與車籠埔斷層的距離差異不大,但其加速度振幅卻差了近 3 倍,若再看到右下的加速度反應譜圖,則可看出兩測站的譜加速度值(Y軸)在不同週期(X軸)時有不同振幅放大的情況,代表臺北盆地對不同週期震波會有不同的放大倍率,因此在臺北盆地內被大幅放大的震波,週期約 1 秒左右,更容易造成災損。

再來看另外一個例子:2002 年 3 月 31 日芮式規模 6.8 的花蓮外海地震,也造成當時施工中的台北 101 大樓頂樓的起重機吊臂掉落及多棟建築物受損,臺北的災情也較花蓮嚴重。

墨西哥城的盆地效應

除了臺北,國外有無類似臺北盆地場址效應的案例呢?不止有,還發生過慘重的災情。

1985年墨西哥地震的震央與墨西哥市位置圖;右上為SCT測站和 UNAM測站的加速度反應譜;右下為不同距離的測站加速度波形。來源:作者提供

墨西哥的首都墨西哥城,就位於盆地之中,而腳下鬆軟的湖泊沉積物就覆蓋在堅硬的岩盤上。1985 年,墨西哥近海發生震矩規模 8.0 的隱沒帶強震,距離震央 400 公里的墨西哥市,因其地質條件也產生強烈的場址放大效應而造成墨西哥市嚴重災損。

如圖三中所示,位於盆地內的 SCT 測站,最大加速度為 170 加爾,而位於盆地外圍的 UNAM 測站的最大加速度僅 35 加爾,兩者差異將近 5 倍,而比較觀察兩測站的反應譜,可看到週期 2 秒的震波在 SCT 測站的譜加速度值(Y軸)將近 0.8 g,但同樣週期的震波在 UNAM測站的譜加速度值則僅有 0.1 g,其放大倍率超過7倍,而這也是場址效應的另一項特性,沉積物較厚之處會對長週期震波造成放大。

由於 1985 年所發生的經驗,墨西哥政府早在 90 年代就開始推動地震預警(Earthquake Early Warning)系統,如臺灣目前強震即時警報的設置。因為地理位置的因素,墨西哥大規模地震都是發生在南部沿海一帶,儘管距離墨西哥市大約都有 300 公里以上的距離,但由於墨西哥盆地強烈的場址效應,本應當隨著距離而衰減的地震波在到達墨西哥市後又被放大。不過,數百公里的距離仍提供地震預警系統相當足夠的時間可以對墨西哥市民眾發布警報,以降低危害。

臺北盆地微分區

話題回到臺北盆地,座落在地上的建物是否要將特殊地質條件所造成的場址效應列入考慮因素?當然需要啊!因此,臺灣的《建築物耐震設計規範》於2005年改版後已在臺北盆地加入微分區的概念,並於2009年對其分區進行調整,即對盆地內不同的區域,依其地質條件及實測資料的強震特性,特別考量場址放大效應和長週期震波效應,並為各分區制定適當的設計反應譜。

現行規範中,為因應盆地內不同的沖積層厚度造成的強震反應,而將其分為臺北一區、二區及三區,並分別制定不同的建築物設計反應譜(下圖),所考量的地震波週期由長到短依序為一區、二區和三區,也正好反應由深到淺的沖積層厚度變化。而此根據臺北盆地實測資料而制定的微分區規範,考量到位於盆地內的建築物會受到的震波放大效應和較長週期的震動,可確保符合此規範的建築物可以承受場址放大作用後的地震力。

現行耐震設計規範的臺北盆地微分區圖。source:引用自耐震設計規範

改良盆地的脆弱性

人類為生活便利逐水而居,而肥沃的沖積土壤更是孕育農作物的良田所在,因此,發展出許多位於沖積平原或盆地的大都市。但是,當地震發生時,這些位於軟弱土層的城市則必須承受更強的地震作用力。

盆地的土質軟弱,何以因應強勁的地震作用力?值得我們深思。source:pixabay

類似的例子履見不鮮,除了上述的臺北盆地和墨西哥市外,還有像美國加州的舊金山、洛杉磯及日本的東京、大阪等,都是位於鬆軟土層上而人口稠密的大都市。

那要如何改善?砍掉重練、遷移居住在其上的人們嗎?目前世界上還未有能這麼實施的例子。但隨著科技的進步,先進國家會制定出合宜的耐震規範,只要按照規範施工,都能確保地震時建築物不會完全倒塌而保有生存空間。近年來,國內所發展的地震預警技術也越來越成熟,可爭取強震到達前數秒時間讓民眾就安全位置躲避。然而,臺北盆地內為數眾多的老舊建築,因年代已久且耐震力較弱,需要適當的補強或重建才能提高建物耐震力,以確保居住的安全。

延伸閱讀


 

本文摘自《科學月刊 09 月號/2019 第 597 期:正視震知識》科學月刊社出版

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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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