从概率角度看地震预报（六）——以震报震和概率预报

六、以震报震和概率预报

前文提到，“地震活动”本身是和下次地震相关性最好的前兆（这也是国际地震学界的主流观点：“The best indicator of earthquake probability is the occurrence of recent earthquakes”，注１）。在“国际地震学和地球内部物理学协会”所确定的五项前兆指标中，地震活动占三项，即发生在主震之前几个小时到几个月的前震（foreshocks）、发生在震前几个月到几年的“预震”（preshocks）和强余震之前的平静（注２）。目前一些地震预报爱好者的“预报”水平已经不再是单纯的用小震报大震，开始统计地震高发区的地震序列。比如台湾东海岸、日本本州岛东南、印尼苏门答腊岛西南，这些地区地震的基础概率本身就比较高，而且如果出现长时间的平静期，再出现５级以上地震的概率又会大大提高，要比预报中国大陆地震容易得多，所以一些妄人“成功预报”的实例经常出现在这里。

有些研究者则是从已有地震的发生时间和平静期来寻找规律。但是这些“规律”往往是根据少数一些震例得到的，而在一个随机的地震分布中的某几次地震，有可能表现得貌似很有规律。最著名的就是帕克菲尔德地区的几次6级地震，曾被地震学家误认为存在22年的周期。根据这一周期而进行的预报最终在1993年落空，加利福尼亚大学洛杉矶分校的统计地震学家Kagan指出，随机发生的地震也很有可能出现这样有规律的地震序列（注３）。国内研究也有同样性质的例子，统计少数几次某类地震或者平静期与其后大地震的关系，来求出这类地震或者平静期之后发生大地震的概率（注４）。这种做法显然需要考虑这个“概率”本身又有多大可能是随机带来的。

汶川地震漏报的反思过程中，人们想到是否可以像天气预报发布“降水概率”那样发布“地震概率预报”，用这种概率来指导有关部门权衡、决策。下面将说明，这种“地震概率”主要依赖于是否存在前震；并且即使存在前震，概率预测也经常会非常低，基本无需采取应急决策。

进行这种概率预报时，需要对比异常出现后地震概率的变化。如果不考虑任何前兆异常，那么地震发生的概率就应该是基础概率Ｐ（震）；而如果出现前兆异常，则地震发生的概率会提高到Ｐ（震｜异常），提高的倍数叫做 “概率增益”（probability gain或者predictive ratio，注５）：
　　概率增益Ｇ＝Ｐ（震｜异常）／Ｐ（震）

注意这个指标没有考虑漏报问题。当概率增益Ｇ＝1时，说明该异常和地震属于独立事件，对预报地震没有意义（“地震预测术”就属于这种情况）。而当Ｐ（震｜异常）＝1时，说明异常之后地震必然发生（虚报率为0），这时Ｇ＝１／Ｐ（震），由于基础概率Ｐ（震）极低，显然Ｇ远远大于1。

用“概率增益”这个概念回头评价第三节提到的中国地震台网监测的六项指标，可以发现，地下水位异常的概率增益最高，在年度中期预报中为2.1，在临震预报中为2.9。其它五项指标是在0.6到1.3，基本没有预报意义（那些概率增益小于1的异常，意味着无异常的时候发生地震的概率更大。原作者统计的时候就已经发现，这些指标“有震区的异常比”要小于“无震区的异常本底”）。

相比之下“前震”带来的概率增益要大得多。加州理工大学Jones的研究指出，在加利福尼亚南部，一次3级以上地震发生之后，在5天之内、10公里范围内发生更大地震的可能是6%。在圣安德烈斯断裂南段发生7.5级地震的基础概率是每小时0.000011到0.000022次，而如果当地发生一次5.5级的地震，那么其后一小时内再发生一次7.5级地震的概率是0.0008，概率增益达到300～700。如果这一小时没有发生地震，那么概率增益会下降。5.5级地震之后5天内发生7.5级地震的概率是0.7%，概率增益仍然为26到53（注６）。

尽管小地震之后发生大地震的概率增加了几十、几百倍，但是这一概率依然很低。例如，1988年6月旧金山以南100公里发生5.1级地震，美国地质调查局（USGS）警告其后5天发生更大地震的可能是1/20（旧金山地区5天发生地震的基础概率是1/3000，因此概率增益是150）。但是大地震并未发生。次年8月8日，同一地区再次发生5.4级地震，同样的警告再次发布、再次没有地震；但最后却在10月18日发生了7级地震（即1989年旧金山大地震）。

在USGS网站上有一张每天更新的地震预测图（注８），预测的是加利福尼亚州每个地点24小时内地震烈度达到5度的概率。从这张图上看，地震带多数地区这一概率都在1%以下。从存档资料中，我们还可以看到2008年7月29日11：42洛杉矶地震之前的“漏报”以及其后对余震概率的调整。

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从美国研究人员这些探索工作来看，像预报“降水概率”那样预报“地震概率”，主要目的还是让人们更了解地震是小概率事件：一次4级地震之后，大震发生的概率大大提高了，但是很快会降到比车祸的概率还低（注８）。中国地震局如果用这样的概率预报来代替现在的临震预报，倒是一个尊重科学的选择：除非出现“小震闹、大震到”这样的成簇地震（类似1975年海城地震和1995年孟连地震），其他情况下发布的概率必然很低，有关部门和公众基本无法根据这样的预报来决定避震和疏散，只能由“重预报”转为“重防范”。这就等于摆脱了现在例行的“虚报”和“漏报”之间押宝的临震预报困境，否定了违背科学规律的临震预报和发布制度。

注：
（１）A. Helmstetter, Y.Y. Kagan, D. D. Jackson, Comparison of short-term and long-term earthquake forecast models for southern California, Bulletin of the Seismological Society of America, 2006, vol. 96, p 90.
（２）M. Wyss, Second Round of Evaluations of Proposed Earthquake Precursors, Pure Appl. Geophys, 1997, vol. 149, p 3.
（３）Y.Y. Kagan, Statistical aspects of Parkfield earthquake sequence and Parkfield prediction experiment. Tectonophysics, 1997, vol. 270, p 207.
（４）张天中等，概率方法应用于地震短期预测的探索，《地震》１９９９年第１９卷第２期。
（５）Y.Y. Kagan, D.D. Jackson. Comment on “Testing earthquake prediction methods: ‘The West Pacific short-term forecast of earthquakes with magnitude MwHRV ≥ 5.8’” by V.G. Kossobokov. Tectonophysics, 2006, vol. 413, p 33.
（６）L.M. Jones, Foreshocks and time-dependent earthquake hazard assessment in southern California, Bulletin of the Seismological Society of America, 1985, vol. 75, p 1669.
（７）http://pubs.usgs.gov/fs/1995/fs242-95/
（８）http://earthquake.usgs.gov/eqcenter/step// 。