0

0
0

文字

分享

0
0
0

【紀錄】「哇!災!」:天龍國搖搖

陳妤寧
・2014/06/09 ・4238字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

__0426_original

文 / 陳妤寧

長期以來,大台北地區會發生強烈地震的耳語,不斷在民間流傳。今年2月12日的清晨,大台北地區因大屯山的地震而劇烈晃動,使得該議題再度獲得重視。大台北地區發生強震將有慘重災情,是危言聳聽嗎?在歷史上,大台北曾發生哪幾次重大的地震呢?假若大地震是難以避免的,人們該如何因應,才能把損害降到最低呢?今年度的第二場「哇!災!」邀請到中央氣象局地震測報中心的郭鎧紋主任、以及國家地震工程研究中心建物組鍾立來組長,分別向大家分享台北區域歷史上的地震記錄,以及從建築結構的角度而言如何加強耐震。

14017091991_cca85aff54_c

郭鎧紋:大台北地震史

幽默風趣的郭鎧紋主任擔任中央氣象局地震測報中心主任已經超過十年,每逢地震發生,國人便能在電視上看到他的詳盡解說。今天郭鎧紋主任一路從歷史文獻分析到日益發達的測震儀器,討論台北地區過去和未來可能遭遇的斷層活動、火山運動以及海嘯等災害。

從1897年到2014年的大台北地震榜

在1897年台灣裝設第一部測震儀器之前所發生的地震,地質學家僅能憑歷史文獻推估受災規模。例如1694年4月24日形成「康熙台北湖」的大地震,以及1867年12月18日引發高達8公尺大海嘯的基隆外海地震,前者即出自清朝官員郁永河的著作《裨海記遊》之記載。當時因土壤液化地層陷落,淡水河進入台北盆地,淹沒現今社子島、三重、蘆洲一帶,面積超過30平方公里,時間長達一百多年。而後者為同治六年的基隆外海大地震,基隆港內的海水急速往外海退去,甚至露出海床,基隆金山沿岸居民從700戶變成16戶,傷亡慘重。

在地震儀出現後,1909年4月15日的中和地區測出了規模 7.3 的大地震,釋放出的能量幾乎和九二一大地震相當。但這次地震為深度80公里的深源地震,因此損害較小,不過仍震斷了萬華龍山寺的石柱。有關振動方向和柱子載重能力的關係,鍾立來組長在後面的分享做了更為深入的解說。

上述三個的地震,震央都是在大台北附近;但1986年分別發生了規模 6.2 和 6.8 的兩場大地震,雖然震央在花蓮外海,仍然對台北造成災情。台北市復興南路裕台大樓傾斜、中和區華陽市場大部份一、二樓的支柱折斷,造成嚴重傷亡。鍾立來組長也一再強調低樓層對於承載整棟建築物重量的重要角色。

而1999年的九二一大地震、2003年的三三一大地震、以及2014年因大屯火山活動而在台北市士林區引起的規模4.2之有感地震,皆為近年來國人印象較為深刻的大地震。而2014年的地震因為是台灣較少發生的火山活動造成,格外引發關注。郭鎧紋主任表示大屯火山目前仍是活火山,5500年前曾經噴發,以地質學家的眼光來看其實是很近的時間。即使被稱為「休火山」,睡覺的火山仍然是活著的火山。

不過郭鎧紋主任也表示,氣象局和臺灣火山中心密切合作監測地震波的動態,目前的技術雖然無法「預測」地震,但可以利用利用電波跑的比地震波快的原理,為距離震央兩、三百公里遠的地方,爭取到十幾秒的「預警」時間。海嘯警報約可爭取到十幾分鐘,火山警報則可爭取到數天。郭鎧紋主任以菲律賓的皮納土波火山為例,從觀測、異常到噴發共歷經了「68天」,且預測噴發日和實際噴發日僅有一天的誤差。因此郭主任請大家回家安心睡覺,未來兩個月內他確定天龍人並不會一覺醒來就被火山灰活埋的。

14040292993_789afbbfaa_c

斷層之上/震波之爪──誰來搖我?

「山腳斷層」是目前北部地區最主要的活動斷層,經海底探測調查,山腳斷層從林口台地邊向東北一直延伸到海底,至少共有74公里長,如果整段一起錯動的話,可以引發規模 7.0 以上的地震。山腳斷層屬於第二類的活動斷層(註:過去1萬年內曾活動者,為第一類活動斷層;在過去10萬年至1萬年內曾活動者,為第二類活動斷層。),現在台北盆地已無造山運動,並且在張裂當中,因此就台北盆地內本身的斷層直接錯動風險來看,郭主任認為對各位天龍人暫無威脅,興建一零一大樓的計畫亦是安全的。

此外,若從版塊結構的角度來看,世界上其他各地的大地震是否有可能牽連到台灣呢?郭鎧紋主任說,由於菲律賓海版塊跟太平洋版塊中間隔著深達兩萬公尺的馬里亞納海溝,其他地方的地震和台灣是無法連動的。以2011年東日本大地震為例,餘震都集中在太平洋版塊跟北美版塊交界點,無法越過日本東京灣之後的菲律賓海版塊和歐亞大陸版塊,因此台灣完全未受影響。

談到近年來每年大小地震總數的變化,郭主任提到2011年海底監測站完工後,隔年測定到規模小於 1.0 的地震較過去多了十倍,代表地震測報中心能力大幅提昇。這些規模小於 1.0 雖然不被大家放在眼裡,不過可能提供重要的訊息在其中,例如火山的可能動向、地底下盲斷層的所在等等,可以對於提供警訊發揮貢獻。


鍾立來:建築防震補強

「為什麼建築物這麼重要呢?因為隨著都市化的擴張,大家很少待在曠野中,除非你剛好站在斷層破裂帶上囉!」國家地震工程研究中心鍾立來組長的專長為結構控制及地震工程,致力於耐震設計、評估及補強之研究與發展。他從生活中淺顯的例子和大家解釋建築結構中的重要角色,以及如何以經濟實際的作法、評估並補強現有建築中抗震不足的地方。

鍾立來組長首先提到,由於我們是住在具有重力的地球上,所以房子需要樑柱來承受重力。建築物的載重有兩種,一是靜載重 (dead load),用以承受本身的自重,如牆壁、隔牆、梁柱、樓板及屋頂等;二是活載重 (live load),承受的是建築物中各種家具、儲物、活動隔間和室內人員等可移動的重量。這些都屬於地心引力的「鉛直」力量,是一棟建築物每日每年都需要承載的重量。然而地震事件則屬「水平」力量,如果疏於考量這點,不夠力的柱子就可能彎折或傾塌。總而言之,建築結構面對地震時最大的關鍵,就在於柱子,其次才是大樑、小樑以及牆面。在台灣,為了爭取更寬闊的空間,有些房子會減少柱子的數量、或是擴大柱子間的距離,地震來臨時就可能發生危險。

14017110192_23273c3091_c

大震不倒、中震可修、小震不壞

要求房子「完全不會倒」並非實際的目標,考量地震的頻率和建造的成本,其實只要掌握「大震不倒、中震可修、小震不壞」的原則,就足以讓房子在大地震時不會完全倒塌、人員有足夠的餘裕得以逃生。

例如說,增加結構體的「剛性」就是一種抗震的方式。剛性表示材料或結構抵抗變形的能力,在建築設計上採取一種以柔克剛的哲學,把房子建成一個不易被扭曲變形的整體,使得建築在面臨地震的時候至多傾斜、位移,而不會倒塌或裂開。

其中方法有筏式基礎和 RC 牆。筏式基礎指所有的柱子地基結合為一體,房子在晃動時就像木筏一樣搖擺晃動,以減低建築體之間的結構互相「拉扯」、「撕裂」而倒塌的風險。RC 即鋼筋混凝土(reinforce concrete construction),為水泥及砂石粒加水攪拌而成,強度高且不易拆除,而其中的鋼筋數量、號數及綁紮是否確實,都會影響耐震強度。

此外,地基的重要性可謂不言而喻。鍾立來組長詳細解釋了土壤液化的原理,當土壤中的水份遇到地震的震動時,水壓增加而浮到原本承載建物的沙地之上,就會使得房子傾倒或是陷落。因此,如果房子的地基可以將地樁打到岩盤上,這樣縱使地表和岩盤之間發生土壤液化,岩盤也尚能支持地基。

鍾立來組長強調,即使在工法上採取了較為抗震的方式,但前提仍需採「小而美」原則。也就是樓層不能蓋太高、面積不能太大、單一建築優於整排連棟屋舍(後者例如校舍或街屋)。其實蓋房子原理就如同堆積木,震動時低矮型建物較不易倒塌。

傳統連棟屋舍的弱點與補強方式

回到「載重」的思考核心,一樓是整棟房子中受重最高、耐震能力最關鍵的角色,但對民間來說,一樓的商業價值高,經常把牆打掉來做店面,如此一來一樓的抗震力反而比其他樓層更弱。樓梯牆、完整牆面、開門的方向皆會影響房子的耐震能力,所以連棟房屋縱向的長面若開窗開門的多,也會減弱縱向的抗震力,這亦是許多長排型校舍設計上的問題。台灣古時城市常見的「街屋」,每戶店面相連,如果震波從同一面過來,一整排房屋連在一起搖晃重量更為增加,如果內部的牆和柱沒有適量的平均力量就容易倒塌。

鍾立來組長以甲仙地震的玉井國中和玉井商工為例,後者由於先行進行了耐震補強的工程,引此免於校舍損壞的命運。增強抗震強度的原理在於「降低建築物重量」或「增加補強構件」,考量經濟性和施工性,耐震補強通常以「增加補強構件」的方式進行,例如增加柱的尺寸、增設RC翼牆或剪力牆。

此外,鍾立來組長還補充了隔震、消能減振、骨架、懸吊線、支撐組等各種抗震原理,例如管線採用可彎曲的材質、並且預留足夠的變形長度,利用剛體運動減少建築物搖晃,以及利用消能設計來吸收能量。

從工程的角度來看待地震,鍾立來組長認為地震固然無法避免或預測,但是人可以從預防和預警的角度努力,例如郭鎧紋主任先前提到利用電波和地震波的時間差爭取十幾秒的預警時間,這段時間可以為我們生活中的許多機械設備提供緩衝時間,例如電梯可以停在最近的樓層避免有人被困在裡面無法逃生,高鐵可以提早進入煞車減速程序、減低因軌道變形而出軌的危險,核電廠也可以進入停機程序、爭取切換到緊急發電系統的反應時間。人定勝天這句話,如今也許該將「勝」轉換為「順應」的思維,天龍人以及所有地球人才能在這個美麗星球上「與災共生」。


6月26日晚上七點在台北的 Changee 還有一場「哇!災!」講座!將邀請國家災害防救科技中心的蘇文瑞組長、以及究心科技的莊國煜執行長,跟大家一起聊聊資通訊科技在防災領域中扮演的角色。想了解網路公民如何以資通系統為盾,以社群媒體為矛,進化為更強悍的防災小尖兵(嘎?),就別錯過這場「哇!災!」囉。報名詳情請密切關注 Pansci 泛科學的FB專頁公告。

14020769044_8737e630df_c

14020775924_b796833177_c

本活動由元智大學資訊社會學研究所主辦,感謝科技部補助之「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」計畫支持。

參考資料:

延伸閱讀:

文章難易度
陳妤寧
38 篇文章 ・ 0 位粉絲
熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。

0

5
2

文字

分享

0
5
2
為了讓地球科學更好,快去下載吧!氣象局把所有珍貴的地震資料都放在那裡了!——臺灣地震與地球物理資料管理系統
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/22 ・3186字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 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!

新竹站的地震儀,可以 24 小時監測並記錄地動情形。圖/地球物理資料管理系統

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)」。

舊版地球物理資料管理系統(GDMS)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

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。​

新一代地球物理資料管理系統(GDMS-2020)的網站畫面。圖/截圖自地球物理資料管理系統

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。

臺灣的地震資料,全世界都可以用!​圖/報地震 – 中央氣象局

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。

登入新版 GDMS 後可在首頁瀏覽規模 6 以上的地震所自動擷取的地震走時波形,此例為 2022-06-20 M6.0 花蓮地區地震的 TSMIP 加速度波形,橫軸為震央距,縱軸為走時。圖/地球物理資料管理系統

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。

地震目錄在 GDMS 網站上所呈現的樣貌。​圖/地球物理資料管理系統

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。

透過中研院梁文宗博士,向全球地震學界宣布新一代的 GDMS 正式啟用!​圖/截圖自 IRIS

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〉。
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
146 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

3
2

文字

分享

0
3
2
不只地震,更肩負了火山、海嘯測報的使命!推開地震中心大門後的甘苦與祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・5154字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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。

每一秒 180 天,帶你看見臺灣的地震活動頻率有多麼驚人!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

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。

1989 年 7 月 1 日,中央氣象局將原有之地球物理科,升格為地震測報中心。圖/中央氣象局

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?

1897 年 12 月 19 日,臺北測候所設置了全臺第一座地震儀:​格雷.米爾恩式(Gray Milne)地震儀,開啟了臺灣地震觀測科學化的偉大時代。圖/中央氣象局臺灣地區地震儀沿革網

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!

小小的臺灣、全世界密度最高的地震站!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統-測站介紹

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。

1935年新竹-臺中地震不僅震毀了魚藤坪橋(後改名為龍騰斷橋),也是臺灣目前史上傷亡最慘重的地震。圖/報地震 – 中央氣象局 FB 粉專

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。

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):

圖說:地球物理測站的外觀。圖/中央氣象局地震測報中心提供
  • 「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。
地球物理觀測網分布圖,包含了 163 個 GNSS、6個地下水位、12個地球磁場以及 20 個大地電場觀測站。圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

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!

大屯火山監測網分布圖,以及核電廠、總統府和臺北 101 等重要地標之相對位置(黑色三角形為地表的地震站,紅色三角形為井下地震站,YM01 到 YM12 測站由大屯火山觀測站維護)。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

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。

大屯火山地區的即時地動訊號,紅色矩形為地震訊號。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

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!

氣象局將「火山活動等級」分為 3 級,適情況召開火山專家諮詢小組會議和發布通報。圖/交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點

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。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
146 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

7
2

文字

分享

0
7
2
天氣學家看《天氣之子》:雨災不只是淹水,是極端氣候下的慢性死亡
Y.-S. Lu
・2022/03/29 ・4824字 ・閱讀時間約 10 分鐘

新海誠,對大家來說是這五年高品質動畫電影的代表,不管是《你的名字》、《天氣之子》,都讓大家耳熟能詳,而其中的災害主題則扣住了他的愛情主題,不論隕石來時的避難,或是氣候異常的降雨,都是非常值得討論的主題。

筆者做為大氣科學從業人員,本篇文章,想要從《天氣之子》來討論極端氣候,因為極端氣候不僅是聯合國《永續發展目標 (Sustainable Development Goals)》的主要議題,也在近年來深深地影響人們生活。

天氣之子的氣候狀況

這次新海誠用了一個很大膽的主題,也就是主角再也不是為了地球飛去宇宙深處作戰的女高中生(《星之聲》),也不是挽救過去將被隕石毀滅的村子的男高中生(《你的名字》),而是在犯罪邊緣的少年少女,而他們並未為了日本跟地球,而犧牲自己成為人柱。

從某個角度來說,人都有年輕不懂事過,為了愛犧牲理性也非意想不到,但是主角在「拯救世界」與「拯救戀人」之間,選擇戀人而放棄世界,也算是少有的故事情節,因此開映之後,的確造成了一些話題性。

不過,筆者比較有興趣的,是其中的降雨情節。日本降雨從 2021 年持續到 2024 年,的確是不可能的,除了要有足夠的水氣,以及足夠的對流將氣團推往較冷的高空外,還須要足夠的氣溶膠來形成足夠大的水滴,才有機會造成降雨。

如果電影中的「神」希望靠物理作用,讓日本持續下雨三年,那我想這不會是對流造成的雨:因為在連續降雨而缺乏晴天的日本,潛熱(單純的水蒸發與植物的發散作用)與顯熱(因為地表與空氣溫差造成的熱量傳播)都將成歷史。在夏天時,缺乏地面形成低氣壓的情況下,也無法產生梅雨所需要的對流作用。

所以最有可能的,就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴,但又因為氣壓帶的影響,讓此風暴持續盤旋在日本外海,替日本帶來大量的水氣。

要造成三年的連續降雨,最可能的情況就是在太平洋上,生成一個熱帶性低氣壓造成的風暴。圖/envato elements

這樣的風暴若持續一整年不停歇,即使粗估每小時不到 2mm 的降雨量,一年下來也會帶給日本超過 10000mm 的降雨。日本年均降雨約在 1500mm 到 1800mm 左右,此風暴將造成四到五倍的年降雨量,這可能會對日本造成破壞力僅次於《日本沉沒》的最大自然災害。也就是說,光是一直下雨,的確有可能淹沒整個日本的都會區。實際上,2021 年的夏天,德國西部與比利時東部大小城鎮,就在低氣壓氣旋 Bernd[1] 帶來的豪雨下,受到了重大的打擊。

但可惜的是新海誠對於日本淹沒這個概念有點誇大,在影片結尾,日本的「彩虹大橋」被淹沒,彩虹大橋塔高 126 公尺[2],動畫中大約被淹沒超過一半,這邊就先估僅 63 公尺高。

這應該是天氣之子的Bug,因為要淹到 63 公尺的高度,唯一合理的解釋只有全球氣候異常,造成冰河融解。在《自然》科學期刊中,Gregory & Oerlemans (1998) 估算在全球暖化的影響下,考量到冰河區的融化量,海平面到 2100 年將會上升「數公尺」;而美國地理調查所( USGS) 在網頁簡略提到,如果全球冰層溶解,大約會是 76 公尺高[3]

也就是說,在《天氣之子》中,全球極度暖化,導致海平面上升 63 公尺,這已經是勘比《2012》的世紀災難了。

另外一點,兩年半中經歷氣候變化(真的如主角講的:「我們改變了世界」)後的日本,在海平面上升 63 公尺的情況下,造成將近有 17.41% 的國土面積喪失,而情況最嚴重的則在大東京都地區。

左:災前日本。右:災後日本淹水地區。圖/
Y.-S. Lu. Data Source: Derived from GTOPO-30 tiles, https://lta.cr.usgs.gov/GTOPO30 by CC 4.0

豪雨造成的問題

豪雨可以說是地球上最容易觸發災難的關鍵氣象要素。相較於需要板塊交界的地震、需要大氣運動才能造成的颱風/颶風,以及只有高緯度地區才有的雪災,任何地方只要「會下雨」,就有可能豪雨成災。對土木界而言,水一直是問題也是重點防治對象之一。

所以,撇除不合理的海平面上升之外,這邊還可以再淺談一些《天氣之子》中可能會出現的豪雨災害。

在豪雨的侵害下,日本平地的地下水位應該會保持在地面,而山區的地下水水位也可能會偏高,土壤含水量偏高後,不僅會造成土壤重量上升,亦導致側向土壓上升,再加上日本與台灣一樣,是造山運動強烈的地方,所以坡沙土堆積淺,土石流、泥石流的情況將會十分強烈。

在日本持續降水期間,山區會有許多因為崩坍造成的堰塞湖,山區居民應全數徹離以保全生命安全。

山區道路除了會因為坍方造成道路中斷,高水位也會超過道路上擋土牆的設計。擋土牆原本就是根據地區水位做估算與設計,但是在連年降雨下,水位高度將超過一般設計的強度,所以道路上的擋土牆也會有坍塌的危險。

豪雨侵襲將帶來嚴重土石流、泥沙淤積與堰塞湖。圖/台灣農委會林務局網頁

而岩層區也會因為岩隙間的水壓上升、破壞岩體,導致挖穿山間的隧道開始因為水壓,而坍塌阻塞。

由於山區的降水無法被土壤吸收保留,所以大多數的水將會匯流到平地,平地的淹水狀況將比往常更嚴重,都市內的排洪系統將完全失效;而河道的防洪牆雖然阻擋了河道暴漲,但都市內的淹水也將難以排除。

都市中的高樓雖然提供了居民可用的居住環境,但是因為大多數的高樓機房都設在地下層,所以樓房機能將損失殆盡,除了電梯無法使用,污水與糞水也將漂滿都市內部,好在連年下雨,所以這些污水早已成為龐大水體的分子,所以也不是真的很「污染」(但感性上不能接受),另外從山區湧入的人口,可能會因為人口擁擠,造成更大的社會與治安問題。

除此之外,伴隨降雨而來的,還有厚重的雲層。雲層阻擋了陽光,也阻擋了植物進行光合作用,可想而知,日本的農業也會隨之被破壞,菌類養植可以繼續,也就是日本在沒有被核戰爭攻擊的情況下,卻可能必須過著有如《地鐵 (Metro2033)》的生活。

同時,在缺乏陽光的基礎下,人類無法自然產生維他命 D,兒童也將因此生長不良,更惶論因為長期陰天導至人們憂鬱症比例上升。

連日下雨缺乏陽光,容易導致人們憂鬱。圖/envato elements

在豪雨不斷的氣候異常下,原本就存在的極端天氣狀況只會更甚,日本連年降雨,就有可能是某處連年乾旱。在動畫中,日本的異常降雨,代表人類的世界可能只是將更快速地步向滅亡。畢竟現今為了減低溫室效應造成的危機,各國正在提出方法來淨零,但《天氣之子》一口氣就造成了更嚴重的氣候影響。

總而言之,《天氣之子》與其說是放棄日本拯救少女,其實更有可能是放棄全世界整救少女。

當德國遇上「天氣之子」

近年最大的洪災,便發生在 2021 年,從美洲到歐亞洲,各國都遭遇到了前所未見的洪災。

2021 年,當德國還正因為 COVID-19 感染人數下降,逐步微解封之時,七月發生的大水災,造成了人命與財物[4]的重大損失。除了高達 70 億歐元的保險賠償外,德國西部的 Ahweiler、Erftstadt、Hagen 等城鎮被淹沒、房屋被沖毀,許多河道旁的居民,也在雨災過後丟出許多被洪水泡毀的家具電器,損失慘重。

雖然部份民眾將炮火轉向預警系統的失敗[5],但預警系統並非毫無作用。在德國可以裝 NINA app 做為推播使用,某些城市也會有警報廣播系統,但即便已發出手機 app 的警報,以及俗稱 Siren 的警報,民眾不一定會意識到災難的到來並進行疏散,也有民眾忽略警報選擇不避災,甚至有民眾說從未能想像德國發生「有如第三世界」的洪災,但事實上,德國大河(如萊茵河、易北河)在近 10 年內,就有過類似洪災的紀錄。

德國7月洪災淹沒了城鎮。圖/德國之聲 新聞截圖

2016 年時,德國酒鄉之一的阿爾魏勒(Ahweiler),其周邊的阿爾河(Ahr)就氾濫過一次,當年低氣壓帶來連日的綿綿大雨,造成了小部份地區被水淹沒;但是當 2021 年的洪災再次來臨,居民還是覺得很震驚,可見該地區的居民對洪災是缺乏想像的。

2021 年的這場洪災,德國城鎮的管理層級並非沒有作為,筆者居住的小鎮,在洪峰來臨前十二小時就已封閉橋樑,許多志工開始投入疏散河提居民的工作,將居民安置在大賣場,且有志工開車接送。然而,在河水暴漲的岸邊,不僅有路人無視路障通過,有更多人在岸邊拍照,紀錄淹水狀況。受災區域亦同。

但是話說回來,居民與當地警消的這種反應可能也是非戰之罪,因為許多的測站都遭遇到破紀錄的水位高,如阿爾魏勒的測站阿爾特納爾(Altenahr)在資料中寫下了「最高紀錄」[6],但是因為測站毀損,沒有具體數字;有學者則提出,這是 200 年洪災的規模。但是防災等級的提升,也意謂著公共工程經費的支出。如何在兩者間取得共識,一直是防災工程的大哉問。

德國的氣象預警也並非無作為,但並不是所有的預告都能說服人,歐洲中期天氣預報中心 (ECMWF) 的叢集預策系統 (Ensemble Prediction System)利用了氣象模擬中的不確定性,以多重運行結果進行機率預測,來替代傳統的單一運行的單一結果。然而,即便用上機率預測方法,也只能在極端的機率 (第 99 percentile) 下預測到德國西部會有 122mm/day 的最大降雨,而德國氣象中心 (DWD) 的在當日所量測到的是 144mm/day 最大降雨。

嚴格說來 ,即便使用了叢集系統亦無法補捉到雨量的最大值,實屬可惜。所以氣象預報並非完全有效,加上只有 1% 的機率可以達到四分之一的年均雨量,這個機率很難說服一般人馬上進行避險。

ECMWF與DWD雨量比較。圖/Luis Samaniego @twitter

這樣一次性的暴雨時期,德國遭受了超過七十億歐元的保險賠償,並有將近 200 人死亡,可見當災難超過預測時,人類的應對是遠遠不足的。同時,德國因為二戰時期與冷戰的陰影,對政府集權相當的反感,也間接導致無法使用如台灣的細胞簡訊的方法,來廣範地疏導民眾。如何增強防民眾對災難的因應意識,有可能將也是德國接下來的課題了。

在極端氣候之下,要更有防災意識

天氣之子因為對治安黑暗面的描寫,以及主角的選擇,造成了不少的爭議,也造成觀影程度與《你的名字》有所相差,雖然對筆者而言,其氣象的狀況算是超現實,且對社會重建的描寫不夠深入,但是在氣候變遷下,人們必須思考並建立對防災的概念與意識,在降雨強度變強、極端溫度更高的情況下,災難是有可能會更嚴重的。

台灣的讀者可以多參考水土保持局的相關防災宣導與資料,建立與更新相關知識,更重要的,應該是隨時有防災意識,才能保護自己,以及保護別人。

參考資料

Y.-S. Lu
4 篇文章 ・ 5 位粉絲
自從來到學界後,便展開了一段從土木人到氣象人的水文之旅。主要專業是地球系統數值模擬,地下水與地表模式的耦合系統,以及大氣氣象模擬。目前是于利希研究中心(Forschungszentrum Jülich GmbH)超級電腦中心的博士後研究員。