应中国地震局地球物理研究所和中国地震台网中心的邀请,美国南加州地震中心(SCEC)主任Thomas Jordan教授于2010年3月来到中国地震局进行学术访问,期间Tom Jordan教授代表南加州地震中心与中国地震局地球物理研究所和中国地震台网中心签署了CSEP计划的合作备忘录。双方计划在未来一年的时间内在北京建立地震可预测性检验中心,鼓励科学家发展多种地震预测模型,并在统一框架下进行模型的严格统计检验与评估,提高对地震成因的物理属性和可预测性的认识。3月19日Thomas Jordan教授在中国地震台网中心做了题为“Prospects for operational earthquake forecasting(可操作的地震预报展望)”和“The collaboratory for the study of earthquake predictability (CSEP)”(地震可预报性的合作研究)的报告。
Jordan教授认为,大地震发生造成了地表破裂,摧毁建筑物并造成人员伤亡。地震还会引起诸如滑坡、土壤液化、海啸、火灾等次生灾害。因此大地震发生后人类的应对措施是早期预警、海啸预警、余震防御和灾后重建。
地震是构造加载引起应力积累、成核后形成的,在这个过程中伴随很多复杂的过程,如应力传递、动力触发、瞬态慢滑动等。大地震的孕育需要上百年或更长的时间。在震前数年至上百年的时间内,人类可以通过统计学方法建立长期地震灾害模型。长期预测是人类抗御地震灾害的有效方法,活断层分段、复发模型、泊松分布规律、概率增益等是进行地震长期预测的方法。在地震发生前数年的时间内,实施地震中期预测是有意义的。中期预测模型主要有库仑应力变化、地震图像识别等。短期预测模型主要有ETAS(传染型余震序列)模型、前震模型等。
Jordan教授认为,地震预报(earthquake prediction)与地震预测(earthquake forecast)是两个不同的概念。地震预测是指在未来一定时空域内发生目标地震的概率值是多少,而地震预报是指未来一定时空域内肯定会发生一次目标地震。1970年代以来主宰地震预测的研究思路是“毕其功于一役”的研究路线(Silver Bullet Approach),即寻求一种能够对大地震做出确定性短期预报的简单方法。经过40多年的探索,地震预报并没有取得突破性进展,现在还没有任何一种方法证明是准确和可行的,因此我们必须采取“脚踏实地、一步一个脚印”的研究路线(Brick-by-Brick approach),即进行概率性预测而不是确定性预报。
地震预测模型在进行应用前须经过严格的统计检验。现在地震预测存在的问题:科学家对自己的结果过于乐观;科学著作没有提供足够的独立检验方法;流动性的研究使其预测效果无法进行跟踪;检验标准缺乏;评估预测实验的资料不充足等。为此,2006年1月起,SCEC发起和组织了由多个国家参与的CSEP计划。
CSEP计划有如下五个工作目标:(1)建立严格的地震预报实验的工作程序;(2)树立公认的评定概率预测和确定性“警报”预测的评定标准;(3)发展任何个人和研究团体可参与地震预报实验的软硬件设备,并使得计算程序的更新成为可能;(4)提供有权使用数据和成果监控的地震预报实验;(5)在多种地质构造环境下同时开展地震预报实验。
CSEP计划采用“竞技”的办法,鼓励参与的科学家和研究小组发展多种地震预测模型,并通过对模型的严格统计检验与评估,提高对地震成因的物理属性和可预测性的认识。在CSEP计划的研究中,按照统一的检验标准、预测要素、地震目录使用的原则,并采用了模型程序代码公开、多模型同时运行的工作方式。与中国地震预测研究略有不同的是,考虑到地震危险性评估的需求,CSEP计划对地震预测的定义还包括对地震破裂的预测和强地面运动预测。
CSEP的研究目标是建立一个虚拟的、分布式的试验室,这种协作方式,能够支持在各个区域或全球性的试验室广泛地进行科学预测试验,并回答如下问题:(1)如何科学地对预测进行试验和评价?(2)地震破裂过程的内在可预测性是什么?为减少争议,CSEP计划采用几个关键原则:地震预测是准确的和可兼容性的表达;用于创建和评价预测的数据需有明确界定;对预测结果的评价需使用规范的测试程序;预测和评价是在可控的计算环境或检验中心下产生。测试的透明性和可重复性是进行CSEP实验的两个最重要的指导原则,因此,CSEP采用可选择的、可靠的开源软件包,检验中心的数据可以自由进出和分享,从而确保实验结果的可重复性。
CSEP计划目前已在统计预测模型的构建、检验中心的建设等方面取得阶段性进展。根据统计模型的预测时空尺度的要求,用于实验研究的包括美国加州、西北太平洋、日本、意大利、新西兰和全球尺度范围共7个研究区,可用于1天、1年和5年等多个时间尺度预测和统计检验的模型已超过50个。已投入运行的分布式检验中心包括南加州地震中心、新西兰(地质和能源研究协会)、瑞士(苏黎世联邦理工学院)和日本(东京大学地震研究中心)共4个,其中,南加州地震中心于2007年9月1日最早投入运行,目前正在积极筹备建设的检验分中心还包括意大利、冰岛和中国等国。CSEP计划使用的统计检验方法包括可用于概率统计预测的N(number)-test、L(likelihood)-test、likelihood R(ratio)-test、S(space)-test、ROC-test、ASS-test和M(magnitude)-test等检验方法,目前,对统计检验方法的发展仍在进行中。
作为一个受地震灾害严重危害的国家,中国从1966年邢台地震开始就进行了地震预报实践活动,积累了上百次震例,并取得了几十次具有一定减灾实效的地震预报。参加CSEP计划,不仅能使我国的地震预报工作更加科学、严格,而且能把我国地震预报经验推广到全球,促使地震预报研究更快向前发展,为减轻地震灾害做出贡献。Tom Jordan教授认为,在中国建立地震可预测性检验中心是CSEP计划中最重要的组成部分。CSEP计划合作备忘录的签署,是中国参加CSEP计划的里程碑。