2016年4月16日 星期六

我們的震度分級和日本一樣?等等,你是不是誤會了什麼…

【本篇為關於臺灣使用的震度階與日本震度階的比較,以及日本震度計算方式介紹】
寫在前頭…
  
由於我的日文&地震知識尚算粗淺,關於日本的震度估計方式的內容若有誤,還請地震領域的先進老師們指教,本篇亦會即時修正。

寫這篇的用意如下:
1.如何計算震度看似與一般人無關,但實際上許多的防救災作為皆以震度當作參考準則,故了解與分析震度是件頗為重要的事。

2.從了解日本如何計算震度、背後的科學與防災意義的討論,或許可以了解震度和防災間更直接的關係。

3.常會有媒體或是朋友直接拿我們與日本的震度表來直接比較,其實當中的差異不少,本篇也嘗試分析中央氣象局震度分級和日本氣象廳計測震度的異同,提供參考比較。

4.這篇不會討論震度的定義和規模的差異,屬於比較進一步的討論。

部分圖片直接取自氣象廳公告資訊,若有侵權問題也煩請告知,謝謝。


先談談目前中央氣象局的震度分級

震度定義是「表示地震時地面上的人所感受到振動的激烈程度,或物體因受振動所遭受的破壞程度」,故最早作地震分級時都是以質性的描述為主,隨著科技進步,我們可以用量化的方式來決定震度,運用經驗法則找出量測數據與實際災情或感受的關係,現今地震分級的方式主要考量地表最大地動加速度(gal),如下表所示:
中央氣象局地震分級表,摘自地震百問
為什麼用加速度?理由很簡單,力量與加速度有最直接的關係,也是大家熟知的F=ma,房子或人的質量是受力的參數之一,而另一個更重要的參數就是所謂的加速度值,而現今的強震儀所記錄到的資訊就是地表加速度。


一般而言,「加速度最大值」,指的是地震波加速度最大的極值,若以時間軸波形圖表示就會是波峰或波谷的位置。早期的類比地震儀是用畫下波形的方式,極值自然是峰值,不過現今地震儀多採數位方式記錄,只要取最大的那個點,加上氣象局的加速度值與震度對應表,就可以得到震度值。


再來看看日本的做法
至於關於日本氣象廳對震度計算方式的說明:


先針對上述網頁簡單翻譯


1.將加速度的地震紀錄三分量(東西、南北、垂直)(圖1)進行傅立葉轉換計算(圖2)。
2.考量地震波周期的影響,修正圖2的轉換結果,方式如圖3所示(註1)
3.再將經過上述修正的三分量用反傅立葉轉換轉回成三分量波形。
4.再把三分量的波形疊加(猜想應該是取合向量的概念)
5.疊加後的波形取絕對值(把負的加速度值轉正)。只取歷時大於0.3秒的最大加速度值(這邊我沒有看很懂不太知道怎麼翻比較好,見註2),以此例而言是127.85gal
6.最後再將求得的a代入I = 2 log a + 0.94公式算,求出計測震度值到小數點第3位四捨五入。再把它套入震度階去找對應的表(表1)


註1和註2寫在最後面


圖1:原始加速度坡形


圖2:原始波形的頻率分析(傅立葉轉換)


圖3:計算震度時各種濾波方式的特性
圖4:經過濾波修正的加速度坡形


圖5:濾波後的三分量合成加速度。


表1 気象庁震度階級表
震度階級
 計 測 震 度 
震度階級
 計 測 震 度 
0.5未満
5弱
4.5以上5.0未満
0.5以上1.5未満
5強
5.0以上5.5未満
1.5以上2.5未満
6弱
5.5以上6.0未満
2.5以上3.5未満
6強
6.0以上6.5未満
3.5以上4.5未満
6.5以上


註解部分的原文參考此檔的最後一頁


註1
濾波的方式與順序如下所示


濾波方式
算式
考量地震波周期的修正
(1/f)1/2
high-cut濾波
(1+0.694y2 +0.241y4 +0.0557y 6 +0.009664y8 + 0.00134y10+0.000155y12)- 1/2
low-cut濾波
(1-exp(-(f/0.5)3 ))1/2


註2
不太知道怎麼解釋這件事,附上原文好了:
我的理解是,這部分不知道是不是考量到過於高頻的搖晃對於體感或建物的影響較小,所以只取0.3秒以上,不知道有沒有理解錯誤?但因為微積分忘光光所以不太清楚算式的意義,還請先進們指教。


所以比較後的結果呢?

1.利用傅立葉轉換的方式過濾修正、還有最後面只考量歷時長於0.3秒的部分,應是考量不同頻率震波對於體感震度或是建物方面的影響,放大主頻的部分、並且去除太過高頻的資訊。



這部分在另一個頁面有討論到:

http://www.data.jma.go.jp/svd/eqev/data/kyoshin/kaisetsu/index.htm

主要是說同樣震度6弱的震度計,有提到1995年阪神地震時的震度計算方式是舊的,以現在的計算方式相當於震度6強(加速度值是818gal,應指的是未修正的值)。以2003年宮城地震大船渡測站測到1105gal(亦是未修正的東西分量),但實際上的破壞不及阪神地震。

在此我們可以思考一個問題:如果我們單考量gal值,高估震度的可能性是有的,因為以數位資料的特性來說(地震儀取樣率為100Hz的話,代表1秒鐘可以取100個值),要是加速度的極值若在高頻段,可能對房屋不會有共振的效果(房屋的共振相對低頻),但為了完整記錄地震波的資料,取樣率高是必要的,因此使用高頻波記錄波形,並再濾波也是一種好方式。



2.考量地震搖晃是三維的,或許將三分量的結果變成合向量更符合實際結果。



3.因為震度是經過複雜運算出來的,所以JMA官方公告震度階的時候,不會直接給一個對應區間,而是「參考區間」,因為儀器測量原始加速度gal值再經過計算又會跑掉了。

4.目前臺灣使用的震度分階方式較為單純,直接取某一分量的最大加速度值(東西或南北向),若要嘗試研究或調整方向,或許先將水平分量合併的方式作為考量,不知道是不是會比較符合房屋在地震來臨時受剪力的情形?

對於目前震度的制定與應用的反思
震度的初衷是用來了解地震災害程度、防災的用途,因此務求接近實際災情是必須的,近來隨著儀器的進步,雖然對地震科學的研究有很多貢獻,但我們也不知道震度的估算是不是會因而受到影響。雖然沒有完整的資訊,但就目前日本氣象廳公布的情報中,可以發現他們考量了實際災情與震度的關聯,而調整出目前計測震度的算法與震度分級。而從USGS的麥卡利震度階的對照表中也可以發現加入了最大地動「速度」值的考量,這也意味著雖然 「加速度」可以對應到受力情況,但在某些情況振動的週期較長時,即使沒有很高的加速度,搖晃仍然有機會很大,或許可試著從近年的中大型地震的災害與震度落差的分析著手,找適合我們使用的震度階,是未來地震與防災研究的重要課題之一。

畢竟如果震度和災情的連結若是不明確,對於大家的防災認知會有影響,要是高估的次數多了,我們會對防災的敏感度下降,如果是低估,那會更可怕,不得不謹慎啊!

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