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我们可以更准确地预测海啸、飓风、地震等灾害性事件吗?难点是什么?

知乎精选 2022-06-05 11:55:40

自然灾害是对人类和人类赖以生存的环境造成破坏性影响的事件的总称,人类在和大自然相处过程中,既享受着其带来的好处,也同样要与其产生的灾害作抗争。

人类目前最有效的减小自然灾害损失的措施就是提前预防,而预测和预警灾害的发生便是最主要的工作。

这里对所有类型的自然灾害的预测预警简单科普说明,但是篇幅有限比较简洁,如果有需要仔细了解可以看看其他答主对单独灾害的讲解。另外如果有不专业或出错的地方可以友善指出和交流。

首先从灾害种类进行分类:气象灾害,地质灾害,生物灾害,天文灾害。

预测是指的灾害还没有发生,通过技术手段预测其发生时间和地点,预警指的是灾害已经在某地发生,我们通过技术手段推测其影响其他地方的时间并发出警告。

一、气象灾害

了解气象灾害之前,我们先了解数值天气预报这个概念:根据气象探测仪器(卫星,飞机,船舶,气象站,探空气球等)从大气中采集到的实际数据作为大气初始场,在一定的初值和边值条件下,通过超级计算机作数值计算,求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组,预测未来一定时段的大气运动状态和天气现象的方法。数值预报是以流体力学、大气动力学、热力学为理论基础的,辅以计算数学,编程等方法,是现代天气预报的基础。

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中央气象台的基本反射率数值预报产品
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ECMWF 的 STP(显著龙卷指数)预报产品
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ECMWF 的 500hpa 形势场数值预报产品

目前绝大多数天气预报都是通过数值模型外推所得。数值天气预报使用了高精度的模仿真实大气运动的模型,所有数值基于相同的物理方程,将大气初始值输入到超级计算机以后其就开始运算得出之后一段时间的大气状态,得到相应的预报图。因此,针对寒潮,台风,大范围强降雨,高温,干旱,雪灾等大尺度的致灾天气我们都能通过数值模型提前 3-5 天预测,而欧洲中值天气预报中心(ECMWF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA GFS)的模型有时候可以提前 10-15 天预测到某些天气系统。不过鉴于物理模型描述不充分,初始场观测误差,模式分辨率误差等,数值天气预报时间越长远,地点越精细的情况下误差就会越大,因此针对气象灾害里面还有致灾力更强的中小尺度天气——强对流天气:包括雷击,下击暴流,龙卷风,冰雹,短时强降水,这类天气通过大尺度的数值天气模型只能推断出在某个大区域内(比如某几个省份)可能发生,但是这类灾害性天气发生时候往往覆盖范围也就某几个地级市。这时候就只能通过大气遥感监测方式来预警:通过天气雷达,气象站,卫星云图等监测灾害性系统产生和移动情况来对下一个城市发出预警:往往气象台的雷电预警,冰雹预警等都是通过这种情况发出的。

寒潮:

高纬度地区的寒冷空气,在特定的天气形势下迅速加强并向中低纬度地区侵入,造成沿途地区大范围剧烈降温、大风和雨雪天气。这种冷空气南侵达到一定标准的就称为寒潮。

目前影响我国的寒潮通俗来讲就是大气环流将西伯利亚或极地的寒冷空气带向我国的过程。

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西风带的位置

首先要知道在 500Hpa 场(5500m 高空)上在北半球的西风带里,大气是呈波浪起伏式运动的。波浪的低谷区就是低压槽,气流作反时针方向旋转,气压分布是中间低、四周高,空气自外界向槽内流动,槽内空气辐合上升,形成阴雨天气。波浪的高峰区就是高压脊,气流作顺时针方向旋转,气压分布是中间高、四周低,空气自中心向外辐散,脊内盛行下沉气流,一般天气晴好。一对槽脊,一低一高组成一个波动。西风带里的高空槽脊系统就叫西风波。高空的槽脊系统与地面的天气变化有密切的关系。在北半球的西风带里,高空槽前一般吹西南风,这种风能把孟加拉湾和印度洋上空的暖湿空气输送到我国中纬度地区,为形成云雨创造了条件。而高空槽后(即高压脊前)一般吹西北风,地面是一个高气压区,天气由阴转晴。而在西伯利亚地区,槽后脊前的下沉运动区通常会使得较重的冷空气堆积,到堆积到一定程度后,脊崩溃或槽东移南下,冷空气就会在其引导下南下,引起寒潮爆发。

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今年 5 月中旬西伯利亚到蒙古的冷空气形势:两脊夹一槽(橙红色为脊,蓝色为槽)

所以寒潮其通常和在 500HPA 形势场的几个系统有关:极地涡旋,乌拉尔高压脊,鄂霍茨克高压脊,蒙古槽等。数值预报模型往往通过计算推测其未来的发展情况,如果出现有利于冷空气南下的槽脊形势,那么寒潮预警就有可能发出了。

其中乌拉尔高压阻塞是最明显的寒潮特征之一(有时候它在鄂毕河流域也叫巴尔喀什湖 - 鄂毕河阻塞)乌拉尔山阻塞高压的形成机制一般认为有四点:第一欧洲低压(或槽) 的强烈发展,使里海、黑海地区强大的暖平流向北输送,从而使其东部的乌拉尔高压脊强烈发展;第二西北欧有高压东移,与位于乌拉尔山附近的高压脊产生同位相叠加,从而使该地区高压脊加强;第三乌拉尔地区开始为变形场的中性点,在变形场的南北方均有暖平流加压现象,最后使该地区出现反气旋打通而形成高压脊;第四乌拉尔地区高压脊发展强大时, 300-400 N 有低压槽东移,和脊前低压槽或横槽底部做气旋式打通形成切断低压,使原高压脊被低压切断而形成阻塞高压。当乌拉尔山阻塞反气旋形成时候,下游西伯利亚到蒙古地区的冷空气会持续堆积,会在此形成一个强大的冷高压系统。等到乌拉尔高压阻塞崩溃时,都将给中国大地造成一次强大的寒潮过程。

因此在秋冬春季,对乌拉尔高压阻塞的预测便是寒潮预测的重点之一。

影响我国的寒潮的冷空气来源一般在新地岛,泰梅尔半岛,甚至北欧到北大西洋地区。一般有三条路径:西路:从西伯利亚西部进入中国新疆,经河西走廊向东南推进;中路:从西伯利亚中部和蒙古进入中国后,经河套地区和华中南下;东路:从西伯利亚东部或蒙古东部进入中国东北地区,经华北地区南下。在 500hpa 形势场上分为:小槽发展型;低槽东移型;横槽转竖型。寒潮的规模强度一般以冷高压的强度定义,冷高压越高,其堆积的冷空气一般越多。

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2016 霸王级寒潮来临前
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2016 年一月下旬霸王级寒潮时候的形势:极地涡旋亲自南下深入到我国

2016 年一月下旬造成广州下雪的超级寒潮的蒙古高压一度达到了 1094hpa,在整个寒潮史上都是最强之一。而早在寒潮来临的十天前 1 月 12 日,ECMWF 等机构就预测到了极涡南下的形势,并报出强寒潮,并且临近越来越提高寒潮强度预期,因此寒潮的预报是完全可以实现的。

和寒潮的一波流相比,连续的雨雪低温冰冻灾害也值得警惕,我国南方在 2008,2011,2018,2022 多次遭遇雨雪低温冰冻灾害。其中 2008 年南方雪灾大家记忆犹新。这里说一下今年的雨雪低温冰冻天气,

2022 年春节期间南方可能的冰雪过程的想法

 

雪中春运?白色春节?全国将迎来长时间大范围雨雪天气过程

 

08 年重现?大范围雨雪冰冻天气来临,2022 我国南方将迎来八年来最冷春节假期

这里借助于各大数值机构的预测,我们提前半个月到一个月就判断出春节的雨雪冰冻过程,也做出相应的分析,最后预测也同样实现。因为十多年来我国的基础设施增进,防灾能力提高,这次再没出现 08 年那样的灾害性影响。

台风:

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二十一世纪迄今为止最强的台风“海燕”近巅峰时候的卫星云图

台风是指的是出现在西太平洋上的热带气旋,其他地方的气旋一般都不能叫台风。热带气旋是一类能够产生灾害性暴雨,强风,风暴潮的天气系统,我国是全世界受热带气旋影响最严重的国家之一。而针对台风,我们可以通过数值预报模型和遥感监测同时进行预测和预警。首先在其还是胚胎期间:热带扰动(包括热带辐合区波动,季风低压,东风波,赤道波等),气象机构就会开始监测了,并且通过数值天气预报的方式预测其未来的行进方向和强度变化。而通过遥感(雷达,卫星,飞机实测)的方式监测其实时强度,而目前除了实测方式以外,德沃夏克分析法(Dvorak Analysis)是对热带气旋强度判断使用最广泛的方法,它是通过可见光云图、红外云图等卫星云图来系统地评估热带气旋强度的方法。

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台风灿都接近上海时候的红外云图
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德沃夏克分析法的红外云图色阶对照表

利用德法来判断热带气旋强度是一种非常主观的做法,其不需利用直接的船只或飞机进行探测及数据读取,而利用卫星探测,亦免去了雷达探测的距离限制,因此这方法可以说是全天候进行的。但是因为其主观性,不同的人来使用可能会得到一定误差的结果。

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德沃夏克分析法分析的台风“烟花”的强度变化曲线,可以看出其有加强减弱再加强的过程

当然怎么确定台风未来的行进方向和强度变化呢,除了因为角动量守恒热带气旋会分别往两极方向移动以外。影响台风行进方向的因素有副热带高压,西风带,外围引导气流,另一个热带低压系统等。一般台风会沿着副热带高压边缘移动,或者在西风带引导下转向东北移动。而影响台风强度的因素有风切变大小,水汽输送大小,海水温度,海水潜热等等。把这些条件的实测情况输入到超级计算机中,通过对台风的数学模型来计算此后台风的发展。

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计算机通过多次计算算出多种路径结果(图为台风康森的路径数值预报)

因为模型的不足和数据的一定误差还有其他产生误差的原因等,对台风的路径预测往往不是非常准确的:典型的有 2021 年台风灿都。

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台风灿都刚生成不久的路径预测(一般预测路径还有纺锤形的误差圈)
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台风灿都实际路径

台风灿都的路径预测失误便是各大机构的计算机都忽略了灿都左边的一个热带低压系统 96w 的干扰,在这个系统拉扯下,灿都最终选择从台湾近海北上并转向日本,而非预测那样进入巴士海峡登陆粤闽沿海。

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当然大多数情况下,台风路径预测都是比较准确的,我们可以在一些台风网站上查到实时台风的强度和预测路径。

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温州台风网有对台风的实时播报以及画出不同国家机构对台风路线的数值预测。

而我们根据各大机构的台风监测和云图分析,也对一些台风做了实时的直播:如台风利奇马,台风烟花,台风灿都。(见历史回答)

强对流天气:

强对流天气的短临预测:强对流天气是陆地上致灾性极端天气的主角。强对流天气的预测和预警一般是按照大尺度天气形势—小尺度环境条件—临近预警—实况观测来实现的。首先我们总结了强对流发生的一些大尺度的天气形势:如高空低槽型,高空冷涡型,西北气流型,副高边缘型,低层切边型等,这种天气形势一般通过数值预报的方式能够提前 7-15 天就能预测到,但是这种大尺度的形势只能大概的标注某个范围能够发生强对流天气,中小尺度下我们又要用到其小尺度的环境条件:一般这种通过探空气球获得,探空气球可以获得当地大气的一些环境条件:不同高度下的湿度,温度,露点,风力风向等。然后经过计算可以得到位温、湿静力温度,对流有效位能、K 指数、A 指数、全总指数(TT)、抬升指数 LI、沙氏指数 SI、理查逊数 Ri、强天气威胁指数(SWEAT)、螺旋度、能量螺旋度指数(EHI)等等相应的指数。当然这些指数看起来确实深奥难懂了,简单概括就是它们大概是描述当地大气不稳定层结、水汽条件、抬升机制等的物理量。这些物理量和强对流天气的发生有着密切关系。因为我们都知道大气越不稳定,能量越高,其发生极端天气的可能性越大,而经过长时间研究发现发生这种天气所需要的物理条件有阈值。因此判断这些指数和阈值的大小,就可以判断出当地发生强对流天气可能性大小和规模。这也是小尺度临近预报的基础。

4 月 11 日~15 日冷空气、强对流、降雨分析(主要是四川盆地)

而根据这些预报,我在 411 四川盆地强对流过程前数天就做出相应分析和预报。

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CMA 对 411 四川盆地强对流(安岳风雹灾害)的雷达回波数值模拟预测,可以和下方雷达回波图作对比
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在某点的探空图上可以查到以上所说的物理量

而强对流天气发生以后,我们要做的便是预警,一般强对流天气系统尺度不会太大,因此其生成时候,我们就可以通过多普勒雷达,卫星云图等方式观测它。雷达的工作原理我们通俗来说其工作原理是通过发射一系列脉冲电磁波,利用云雾、雨、雪等降水粒子对电磁波的散射和吸收,探测降水的空间分布和铅直结构,一般电磁波会被大雨滴,冰晶,冰雹等反射回来,这种反射回来的信号称为回波,在基本反射率雷达图上一般将回波反映为绿黄橙红紫的颜色,一般某地的回波越偏红紫色,其降水程度越强,天气越极端。而回波的形状能够帮我们了解中尺度对流系统(MCC 与 MCS)的种类:如孤立一块的单体雷暴,或线性对流系统(QLCS),或飑线等。

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今年 4 月 11 日安岳风雹灾害时候的雷达回波图,可以看出是一个准线性对流系统

特定的回波形状能够反映特殊的天气现象:如钩状强回波可能指示着龙卷风。当然还有一个雷达径向速度图,这种图看起来像八卦图一样,其主要反映风速风向等,比如可以识别超级单体(Supercell)中的中气旋。所以利用雷达图我们就可以识别强对流天气系统的规模和运动方向,从而对其路径方向的地点发出预警。在 411~412 四川盆地强对流中,这个准线性对流系统在四川重庆交界处出现弓形特征:这种回波前端往往预示着地面大风(如阵风锋),于是在凌晨(11 点到 2 点),重庆经历了罕见的大风天气。

一般的实时雷达回波拼图在中国天气网就能找到:

http://www.weather.com.cn/radar/index2021.shtml

或者通过http://www.windy.com查询实时的天气信息。

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如图的强回波区域有弓形特征
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不同单体的雷达识别
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钩状回波
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今年 4 月 25 日一个超级单体经过上海时候的雷达回波图

 

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卫星云图也能实现临近预报,如图川西高原的云系东移,接下来就应该对四川盆地发布降雨预报了

洪涝:

指因暴雨或持续降雨或冰川融化使低洼地区淹没、渍水的现象。

我国是季风气候影响明显的国家,有明显的汛期,春夏季经常发生洪涝灾害。洪涝的预测也是基于气象预测来的,可以参考强对流来看。

首先是城市洪涝的特点。城市雨水比农村多。城市容易发生“雨岛效应”(城市温度高,上升气流明显,城市下垫面复杂,容易引起水汽抬升,城市里灰尘多,凝结核丰富)因此城区的年降雨量比农村地区高 5%到 10%。而城市地表覆盖多是隔水层,不透水。雨水多了后排不掉,城市基础设施建设水平不足、排水排涝标准偏低、应急管理能力不足等因素,导致城市洪涝发生风险增加,降低了城市洪涝综合应对能力。因此近年来城市洪涝灾害越来越多。

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郑州 720 极端暴雨天气时候的雷达,郑州国家站记录到远超其他郊区站点的雨强,把城市雨岛效应发挥到极致。
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郑州 2021 年 7 月 20 日下午雷达回波叠加图
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对于城市洪涝的预警预防,显然目前只能做到先停课停工,今年五月中旬广东暴雨过程,广东部分城市就防范于未然,提早停课。

然后是山洪灾害,这是由于山区突然的强降水,导致大量雨水汇集到山谷河溪,致使水量突然暴涨的灾害,其特点是水涨得急退的急,冲击力很大。山洪的防治一般是划分危险区域,多植树造林提高吸水能力,确定特征雨量,做好疏散工作。

河流洪水则是河流自然行为的一部分,通常是由大范围长时间的系列降水事件造成的,这又回到了天气预报。

火灾:

火灾三要素和燃烧三要素相同:可燃物,氧气,热量。火灾的传播则需要可燃物,风和地形。

我们对火灾的监测也是预防和预警,森林火灾大部和气候相关,而城市火灾多于人为。

我们这里将森林大火,历史上较为严重的森林大火多与干旱和大风有关。澳大利亚的火灾多于厄尔尼诺 - 南方涛动相关。靠近澳大利亚的海水变冷时候,蒸发率下降,降雨量减少,南半球干旱,有利火灾天气便向澳大利亚移动。

厄尔尼诺、拉尼娜和南方涛动:

这其实不是气象灾害而是现象,但是其往往是一些气象异常灾害的原因,这里来说明一下。

厄尔尼诺是太平洋东部海域海水异常偏暖,而拉尼娜则是异常偏冷。

厄尔尼诺事件中,信风减弱,暖水沿赤道东流,东部海域海水温度升高。厄尔尼诺事件时候南美洲异常湿润,而澳大利亚地区异常干旱,北半球亚洲异常偏暖。而拉尼娜则相反,强大的信风驱动赤道洋流向西移动,使得西太平洋地区海水偏暖,而秘鲁沿岸冷水上翻使得海水变冷,从而澳大利亚偏暖,南美洲偏冷,西太平洋亚洲地区偏冷湿。

厄尔尼诺发生时候东太平洋气压下降,西太平洋气压上升,厄尔尼诺事件结束后气压差又反向变化,引起拉尼娜,这种东西太平洋地区的气压跷跷板效应称为南方涛动。南方涛动指数往往反映了拉尼娜或厄尔尼诺强度。

二、地质灾害地震:

我国是受到地震影响最严重国家之一,世界两大地震带喜马拉雅-地中海地震带和环太平洋地震带都经过我国,另外我国内部还有很多中小型地震带。而地震带主要就是与断裂带有关,而断裂带就是有大大小小的断层构成的。首先我们要了解地震的产生机制,地震分为构造地震,火山地震,塌陷地震和人工地震,而致灾性最强,影响最广泛,发生频率最高的是构造地震,所以这里只讲构造地震。

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我国东部地区最大的断裂带之一:郯庐断裂带

构造地震就和断层有关,断层是断层是地壳受力发生断裂,沿断裂面两侧岩块发生的显著相对位移的构造。断层分为走滑断层和倾滑断层,而在倾滑断层中又分为正断层和逆断层,上盘相对下盘发生向下错位时候为正断层,主应力向外,上盘相对下盘发生向上运动时候为逆断层。走滑断层的地震叫走滑地震,而逆断层的地震一般是逆冲地震,但是地震往往不是简单的运动,例如汶川大地震是逆冲、右旋、挤压型地震,为什么右旋呢,因为断层间也带有一定的向右走滑滑动,所以右旋了。

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上盘是断层斜面上的部分

这里简单通俗来说就是地壳有很多很多小块构成,不同小块间的分界线就是断层,不同地块间通过断层相互摩擦挤压拉扯着,而断层间的岩石或者土地宏观来看是有一定弹性的,所以在摩擦挤压过程中就会存储一定能量(可以看成弹性势能,就像两块大的橡皮挤在一起拉扯),但是当这些岩石土块受力达到极限时候,它们便会回弹或者崩裂,从而继续引发周围地块活动,能量以波的形式传达给地表,地震便产生了。

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不同的断层构造
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汶川地震震中附近断层和地质构造

了解了地震产生机理,那么对地震预测就分为长期预测、中期预测和短期预测。长期预测目前来看是可以实现的,但是其时间尺度很广:一般是通过某个断裂带的地质运动周期来判断下次地震的发生,比如日本对南海海沟大地震(四国岛以南)的预测,日本专家认为未来三十年内南海海沟大地震发生的概率高达 80%,其依据在于南海海沟海域大地震的活动周期在 100 年左右,而距离上次地震已经过了 77 年了,所以做出如此预测。

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日本南海海沟大地震预想范围

但是长期预测意味着时间跨度往往以十年计,地点跨度往往以几百千米计,所以其精度可用程度很低。而中期预测也在实行,比如针对某一断裂带的活动情况分析其下次地震时间,或者利用应力分析和位移监测来判断,这种地震预测一般是可以预测近几年内某个地区是否发生地震,但是其误差仍然很大:时间跨度往往以数个月到数年,地点也会沿着该处断裂带分布几十上百公里,而且震级更是无法预估准确:汶川大地震前,有论文指出川滇地区有 6-7 级地震可能性,然而谁也没预料到其居然达到 8.0 级。而地震的短临预测才是最有效的,但是目前来说却是最难实现的,因为要实时监测所有断裂带的情况,并且判断其下次突然达到能量承载极限而破裂(就像皮筋被拉到一定程度断裂)时间地点的这种技术对于目前的人类科技能力无法做到。目前唯一一次较为成功的短临预测是 1975 海城 7.3 级地震,这是因为海城地震是群震主震型的地震,主震震前发生了很多次小规模前震,专家根据前震情况发出预测,最终成功预测出海城地震,但是其也没有准确作出地震的发生时间和震级,只是给出两个星期之内,6 级以上的地震预测。而大地震前一天营口到海城一带小震活动骤然增多,所以当地第二天马上采取措施,傍晚大地震便发生了。所以说海城地震的预测,实属天时配上巧合,这种条件可遇不可求,而大多数破坏性地震往往是主震余震型,在没有预兆情况下直接大震开场,根本没有预测机会。所以目前人类对地震的预测注重于预警阶段。预警地震主要是地震已经发生但是根据地震波的传播速度 5~7 千米 / 秒远远小于光速,于是当先发送预警,这个预警往往先于地震波几秒甚至几十秒时间到达,给人避难时间,但是其缺陷在于越远的地方给的时间越多,然而越远地方受影响却更小,受地震影响最严重的中心地区基本上不能收到有效的预警。日本是世界上地震预警做的最好的国家,而我国四川等地也在近几年开始实验地震预警系统。

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地震预警原理
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成都高新减灾研究所的地震预警系统在宜宾地震时候的应用

火山爆发:

火山和地震类似,其也和板块构造有关。火山主要有板块俯冲带火山,大洋中脊火山和大陆内部火山。板块俯冲带火山占了火山的绝大部分,其主要是由于海洋板块向大陆板块俯冲,在俯冲带深处岩石熔融为岩浆等物质,同时海水以及含水矿物等也沿着俯冲带进入一百多公里深的地幔中,水分子会削弱岩石的晶体结构,降低其熔点,于是岩浆会顺着这些地方上升,并聚集在上方地壳板块中形成岩浆房,当岩浆房中的岩浆储存过多或压力过大时候,岩浆以及岩浆房里的气体或火山灰等物质往上冲破地壳并喷出地表,火山喷发便产生了。

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俯冲带火山剖面图

而大洋中脊的火山因为热地幔物质沿着脊的两端上升,脊处是海底扩张的中心,其形成新的洋壳,所以中脊处的热流很高,容易形成火山。大陆内部的火山通常和地幔柱有关:通常称热点。当然火山爆发的原理都差不多,往往预测火山爆发,一般就通过其喷发周期作长期预测(如对黄石超级火山的喷发预测:200 余万年以来,黄石火山发生过 3 次超大规模的爆发:220 万年前、130 万年前、64 万年前;因此认为其活跃周期为 60~80 万年,所以科学界认为黄石超级火山在未来十万年内爆发可能性很大)。通过监测其火山地震频率指标,喷气物质改变,地热情况改变,重力梯度改变,地面变形情况等种种数值来作短临预测。现在大多数能威胁到人类的火山附近都有相应的火山监测站,而且火山爆发的位置相对固定,只需要预测时间和规模即可,对于人类来说,现阶段把火山爆发的预测精确到数个星期之内应该问题不大。

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汤加火山所在的俯冲带
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环太平洋火山地震带

1991 年菲律宾皮纳图博火山爆发是 20 世纪最大的火山爆发之一,其威力达到火山爆发等级的 VEI6(今年汤加为 VEI5~6),其喷出了大量火山灰和火山碎屑流。火山喷发使山峰的高度大约降低了 300 米,并向平流层中喷射了两千万吨二氧化硫,进入平流层的二氧化硫减少了地球上的 10%的阳光,结果导致了地球进入了两年的火山冬天。在这个火山爆发前,发生了蒸汽爆发。菲律宾火山地震研究所接到报告后开始对皮纳图博火山进行地震和光学观测。监测到地震群频繁出现,蒸汽不断喷发,菲律宾火山地震研究所和美国地质调查局的火山学家对皮纳图博火山的爆发做出了预测。于是在大爆发前大约有 25000 人从离火山最近的村庄撤走,有约 14500 名家属和随从人员从火山附近的美军克拉克军事基地搬走,从而挽救了成千上万人的生命。不过最后过于猛烈的火山喷发还是造成了 1202 人死亡和 50 亿比索损失。

我们可以更准确地预测海啸、飓风、地震等灾害性事件吗?难点是什么?
位于长白山的火山监测站:我国长白山是一座大陆内部的休眠火山,其未来仍然有喷发可能性,我们科研人员正在随时随地监测其动向

块体运动:

包括山体滑坡、崩塌、泥石流、雪崩、地面沉陷:这种灾害比较小尺度,其预测主要还是找其地质灾害的隐患点来确定。块体运动内因在于其不良的地质结构。或者岩石土壤的凝聚力降低。而一般发生块体运动会有外在的诱因:如暴雨,地震,爆破等。通常,人们会在聚居区和交通线附近排查相应的地质灾害隐患点,而标记出其位置或派遣人员进行监测。

我们可以更准确地预测海啸、飓风、地震等灾害性事件吗?难点是什么?
对地质灾害隐患点的排查
我们可以更准确地预测海啸、飓风、地震等灾害性事件吗?难点是什么?
滑坡的基本斜面模型

石块沿着坡面向下运动或者整个山坡发生移动前,必然克服惯性和摩擦力的作用。石块滑动或者山体失稳时候,要一定初始能量克服惯性和摩擦力的作用。块体向下运动就有几种可能性:摩擦因数变小导致摩擦力变小;θ角变大;或者给予了一定初速度。所以滑坡监测点往往通过对以上因素的监测来判断滑坡的发生。

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512 地震后,被滑坡体掩埋的北川老县城部分,滑坡体致使北川三分之一县城被埋,造成大量人员伤亡。

我国发生的最严重的泥石流灾害莫过于舟曲泥石流灾害,2010 年 8 月 7 日晚,40 分钟 97mm 的降水致使舟曲县旁四条沟系发生特大山洪泥石流灾害,而其发生原因便总结了以上所述:地形地貌属于秦岭西部的褶皱带,山体分化、破碎严重,大部分属于是炭灰夹杂的土质,而且沟谷纵横,坡度大,容易形成地质灾害隐患点。在汶川地震后,舟曲地区的山体松动。在 8.7 之前气象较为干旱,土地收缩,裂缝暴露。而短时间强降水使得大量雨水进入岩石缝隙,减少摩擦,加重重力负担致使岩石崩塌形成泥石流。这次灾害总共造成 1800 余人死亡或失踪。

海啸:

首先我们要明白海啸区别于海浪为海啸是整个海水的运动,而海浪是海水表面的运动。海啸实际上是一种重力波,其原因是海底地震,海底火山爆发,海底滑坡使得海底地面发生整体升降而使得整个海洋里的海水发生的上下抬升,这种抬升以波的形势传达给周围,海啸波是一种波长极长的重力波,是从海面到海底整个水层的起伏,等海啸波到达浅水区时候,因为海底摩擦力,波底部变慢,而海水顶部的波速度还在保持,致使海水堆积形成大浪袭击岸边,从而引发海啸。

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海啸原理解释图

所以海啸的预警和地震预警差不多,因为海啸波的传播速度约为 700-800km/h,所以一般都是海底发生引起海啸的灾害以后对岸边发起预警。日本海啸预警中心便是按照以下步骤来进行预警:利用深海浮标监测海啸波的数据,根据数据推算海啸波的性质,包括发生位置,利用数值模式模拟海啸波,从而计算整个海区的海啸波到达时间和波高,根据数值模式发布海啸预警。

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日本海啸预警系统对外发布的预警

 

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2011 年东日本大地震后,海啸越过防波堤扑向城市

通常,引起海啸的地震至少需要 7.5 级,海底的逆断层和正断层的上下运动才能给海水注入大量能量。而火山活动也会引起巨大海啸,通常,超级普林尼式喷发才会有充足能量引起整体海水的波动,因此引起海啸的火山爆发往往达到 VEI5 级或以上(汤加火山爆发,喀拉喀托火山爆发),海底滑坡或坍塌也会引起海啸,2018 年 12 月印尼巽他海峡海啸就极有可能是因为海底滑坡造成的,海底滑坡的海啸是最难预警的,因为海底滑坡往往不会像火山爆发和地震一样容易监测到,所以这次海啸在基本没有预警情况下发生了。

世界上最大的海啸预警中心在夏威夷,其太平洋沿岸国家海啸警报系统目前承担太平洋沿岸的海啸预警职责,它于 1966 年在 IOC(政府间海洋学委员会)的促请下建立。其后,又相继建立若干区域或国家的海啸警报中心,阿拉斯加和西海岸海啸警报中心、日本海啸警报中心等。我国于 1983 年正式成为国际海啸协调组的成员国,此后国家海洋局开始了我国海啸的预警业务。目前我国国家预报中心海啸预报产品包括:海啸传播到近岸各验潮站的时间预报、海啸波高度预报,以及大洋中海啸波传播时间图。目前能够实现越洋海啸 30 分钟预警、区域海啸 20 分钟预警、局地海啸 15 分钟预警。国家预报中心在接到太平洋海啸警报中心的地震海啸消息后,将计算出的预警结果利用传真和短信下发至沿海各省有关部门。

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汤加火山爆发时候日本气象厅发布的海啸预警

 

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汤加火山爆发引发海啸传播图

三、生物灾害

生物灾害就统一说了,这种灾害基本上一般是作相应预防,如蝗灾,生物入侵等,都通过对较容易发生的地方进行防治,一般有采用物理防治:捕杀,化学防治:释放杀灭剂,生物防治:引入天敌等方式进行,而预测预警做得比较少。而针对传染病,新冠是一个很好的例子,这里也不展开说明了。

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赤潮:一种海洋中浮游生物爆发性增殖的现象,是海洋污染的预兆,能够对水产资源造成灾害性影响。

四、天文灾害天文射线:

一般来自宇宙或太阳,如伽玛射线暴,太阳风等,其中伽马射线暴的速度是光速,其是来自天空中某一方向的伽玛射线强度在短时间内突然增强,随后又迅速减弱的现象,强大的伽玛射线暴能够杀死一定范围的宇宙生命,更致命的是伽玛射线暴还有定期发生的规律,其产生原因有可能是超新星爆炸和两个致密天体(黑洞或中子星)合并。而且根据光锥原理(一个事件将产生一个未来光锥,事件以光速向我们逼近,它的物理影响在到达前是完全无法预测的)我们无法在其到达地球前知道其发生,所以无法预测,也无法预警。太阳风是是指从太阳上层大气射出的超声速等离子体带电粒子流。其速度在 200-800km/s,大部分太阳风被地球磁场规避,如极光便是其杰作,但是小部分仍然会对地球上的通讯,卫星等造成影响,其会损害电子元件,干扰电磁信号,有时候也会造成灾害性影响。因为太阳风到达地球需要数天,因此我们可以通过对太阳的观测来了解太阳风的发生,从而做出预警。

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太阳耀斑往往预示着太阳风的发生,地磁场能够偏离那些带电粒子

撞击

撞击分为小行星撞击和陨石,陨石有时候不会到达地面,如 2013 年俄罗斯车里雅宾斯克州陨石事件,其在半空爆炸解体。一般来说现在人类拥有的小行星监测系统能够监测绝大多数太空的小行星,我国最近就在筹建小行星防御系统。所有能够对地球有威胁的小行星基本上都能被标记。如果有撞击可能, 一般有下列几种处理方式:发射核武器炸毁小行星;在小行星上安放火箭发动机使其偏离轨道;利用棱镜反射太阳光照射小行星使其结构改变;在小行星上抓取岩石扔掉等。为了表现小行星对地球的威胁,理查德宾策尔提出都灵等级这个概念,都灵等级从 0~10 共 11 级,数字越高,其危险性越大。都灵等级记录中最高的天体是小行星 99942(阿波菲斯 / 毁神星),是一颗近地小行星。最初(从 2004 年 6 月 19 日发现直到 2004 年 12 月 27 日)共近 200 次观测表明,这颗小行星于 GMT+8 时间 2029 年 4 月 14 日 4 时 49 分到达距离地球东半球最近位置,于 GMT+8 时间当日 5 时 20 分左右与地球相撞概率为 1/37(2.7%),其都灵等级为 4,它的直径只有 400 米,但是如果撞击地球,将会释放出 6400 万亿千焦能量,相当于 1.53 万亿千克 (15.3 亿吨)TNT 炸药爆炸释出的能量。但根据现在观测,它的轨道已经离开地区附近,都灵等级降到了 0,对地球没有任何威胁。

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日本动漫《你的名字》中彗星分裂造成陨石撞击的画面

历史上还有著名的疑似撞击事件如通古斯大爆炸,这是 1908 年 6 月 30 日早上 7 时许爆炸发生于现俄罗斯西伯利亚通古斯河附近的爆炸事件。爆炸摧毁了该地区面积达 2000 平方公里的针叶林,推倒了约 8 千万棵树,爆炸威力相当于两千万吨 TNT 当量。这次爆炸事件大概率是由陨石撞击产生的。

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