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2020-03-01提升地震災害防治與準確度─ 2020年臺灣震度分級新上路 603 期

Author 作者 潘昌志臺灣大學海洋研究所碩士,臺灣 師範大學的科系博士班二年級, 筆名阿樹,現為「震識:那些你 想知道的震事」副總編輯。
「震度」是描述地震對不同地區影響程度的指標,自今年起,交通部中央氣象局發布地震報告時所使用的震度將產生新的變革,從資料處理、計算及運用的分級字眼都作了調整。然而為什麼需要調整?背後的科學意涵是什麼?將會有什麼影響?

震度定義從何來?國內又是如何定義?

「震度」的核心概念,最初是將地震搖晃大小分等級,並使用描述性文字來區分程度。也因為震度源起於質性的描述,而有「因地而異」的現象,例如羅西─福瑞震度分級 (Rossi–Forel scale)就將震度分成10等級,而後的麥卡利震度分級(Mercalli Intensity)也是以相同概念出發, 但改分為12級,並多以羅馬數字呈現。而臺灣中央氣象局所使用的震度分級,則是源自於日治時期日本所使用的震度分級(1908年實施),分為0~6級,但在光復之後, 日本所做的計算方式調整皆未影響臺灣的震度修訂。

隨著地震儀器的演進,從最初僅能量測地表位移的地震儀,到之後能夠量測地表運動速度(微震儀)和加速度(強震儀)的儀器,多數地震學家都認為,就物理量而言,強震儀所測得的地表加速度,可作為震度的參考。然而實際運用時,並沒有一個能放諸世界皆統一的震度分級標準,各個國家與地區仍以自己的方式使用震度分級,而且有許多國家的地震儀密度不若臺灣密集,除了量測數據與震度衰減公式之外,亦會以文字敘述搭配使用。1999年之前,臺灣使用的各震度分級標準,乃由關係式I=2.00×log10(PGA)+0.70換算後四捨五入獲得,其中I為震度、PGA 為最大地表加速度(peak ground acceleration, PGA)。

過去中央氣象局也曾經在2000年1月微調過震度分級,但只是在原本的6級之後新增7級,原因是在集集地震時,由於地表加速度特高,遠遠超過6級震度的門檻(250 cm∕s2)。然而許多樓房是在更高的地表加速度下才會受損倒塌,若以6級作為最大震度,會分不出災情嚴重的差異性,救災資源將會更難分配,因此當時敲定以400 cm∕s2作為7級震度的門檻。

 

921地震各版本的震度圖。2000年以前的版本(左);2000年以後的版本(中);2020年的新版本(右)。(資料來源:中央氣象局數位科普網)


圖中分別列出震度新制分級中,不同階級的PGA和PGV值,但在4級(含)以下僅考量PGA,而5弱(含)以上僅考量PGV。而當PGA達80 cm/s2,但PGV 未達15 cm/s 時,仍會視為震度4級而非5弱。(資料來源:臺灣交通部中央氣象局)

 

再次變革:納入最大地動速度考量、增加分級

在中央氣象局將震度階新增第7級之時,瓦德(David J. Wald)等學者也針對美國使用的修正麥卡利震度階(Modified Mercalli Intensity, MMI),提出以儀器數據反應至震度階的對應關係I=2.14×log10(PGV)+1.89。瓦德指出,在 MMI震度分級中,若小於VII級,因為主要著重於人對地振動的感受,因此與PGA的關聯性較大;但如果高於VII級,則需著重於建物的破壞情形,而經由研究分析發現最大地動速度(peak ground velocity, PGV)作為標準,反而較PGA能反映震度所敘述的情況。

在過去的中大型地震中,多次驗證出高PGA 的地方未必會造成重大損壞,反而是高PGV地區中,若有「長週期速度脈衝」的現象,即地震時,地表的移動會出現高速度及長週期的瞬間高值,對建物造成極大的影響。以2016年2月6日的美濃地震為例,雖然造成大樓倒塌的主因與大樓老舊與設計瑕玭有關,但正好這些地區也遇上長期週期速度脈衝(PGV大於80 cm∕ s,週期約1~2秒),因此現象對10層左右的大樓威脅最大,也是致災的因素之一。對此,除了PGA 之外,將PGV作為震度標準之一,也將有利於地震災情的分析與防救災作為。

此外,共8級的震度分級使用上,亦有不敷使用的疑慮。舉例來說,日本在1995年阪神地震後,即在1996年於震度5、6增加了強、弱之分,可見要讓震度更貼近防災需求,細分更多的分級亦有其優點。而在中央氣象局所提供的新制分級和PGA、PGV 值的對應表中,可以發現雖然超過4級震度後改採PGV 為計算標準,但在相對可參考對應的PGA範圍中,將7級改為800 cm∕s2,而舊的7 級門檻400 cm∕s2 則為新的「6強」最低門檻。也就是說,實質上新制除了將原先的5、6級改切成三等分之外,又再上調最大震度的最低門檻,只是改成以PGV為主要計算標準。

而在新的7級震度描述中,也將「部分建築物受損嚴重或倒塌」改為「部分耐震較強建築物可能損壞或倒塌」,意味著「新制的7級震度,將真的非常嚴重」。雖然大多數的地震並不會達到如此高的地表速度與地表加速度,但各界或許都同意,集集地震的影響仍遠大於所有20年來的中大型震,因此,雖然新制震度呈現的7級狀況有些極端,但也是人們因應重大地震的重要指標。以筆者之見,未來地震分級修訂的部分也需對民眾更進一步宣導。

 

新制震度和日本一樣分了強弱,但標準會一樣嗎?

事實上,日本與臺灣的震度計算方式完全不一樣,日本於1996年修改震度分級時,瓦德還未提出將地動速度作為震度考量的概念,但日本仍以加入「搖晃歷時」來解決加速度值無法完全對應震度的問題。該方式是採用歷時0.3秒以上的最大地動加速度值才會列入計算,舉例來說,如果加速度值達500 cm∕s2,卻歷時僅0.2秒,但超過480 cm∕s2 的加速度則為0.3秒,則不會採納前者,而以後者作為計算標準,再進一步以此求得震度。

因此,中央氣象局所使用的新制震度分級,只是從日本的震度分級中借了強、弱的概念。此做法在實施上的優點在於,原先在法規、防災應變中心開設的標準,或地震相關產物的保險常以4級、5級和6級等為作業門檻,在實施上可以減少大幅修改的需要,而民眾原先認知的「最高7級」在分級上亦不變,雖然與舊制7級的概念不同,但此處即使誤讀,也不致產生過大的誤會〔註一〕。

而針對震度新制與國際間震度的比較,筆者亦聽過類似的提問:「新制與國外能對應嗎?若與日本無法完全對應又該怎麼辦呢?」實際上,各國各地區的震度分級的設定與計算應考量的是當地的地質、建築狀況及民眾習慣等在地性因素,因此不必和國外能完全對應,相關的學術性仍可以透過PGA、PGV 或是地震波的原始資料比對。不過,由於此震度分級的應用才剛起步,仍可借鏡國外的使用案例微調修正,或許在蒐集更多資料後可以修正出更適切的震度分級標準。

 

新的震度分級如何影響防災與救災?

中央氣象局提供的說明資料中,以新舊不同的震度制測試2018年2月6日花蓮地震,呈現出新舊的分級所繪製的等震度圖差異及實際受災區的位置分布。不意外的,利用新制所繪的等震度圖中,震度高區較為集中,且與災情分布較能對應。目前的災害防救法中,災害應變中心仍以震度6級做為開設標準,即新制震度表中的「6弱」應為開設標準,因此若新制的震度較能對應到災情,從災害應變中心的開設與第一時間的災區掌控,將會有明顯助益。未來或許在災情還未通報時,就能由震度分布先開啟應變機制。
 

2018年2月6日花蓮地震在新(上)、舊(下)震度分級下所繪製的等震度圖與災害位置分布圖。在新制等震圖分布中,5 級以上的分布有大幅改變,且在高震度區與災害實際分布的關聯性較大。(報地震 - 中央氣象局粉絲專頁)


(中央氣象局數位科普網)

而在前期防災上,震度分級的調整也能發揮影響力。首先,因為與災情對應性較佳,在地震的風險分布圖上理應更貼近真實情況,而地震保險的估算也將需要因應調整。另外,目前工程上在設計耐震性時主要仍考量PGA,因此在震度標準調整後勢必也需要將PGV納入考量,以貼近真實的情況。防災上震度的改制算是一個重要的「開始」,因為後續還有其他的因應需要配合調整,而新制震度分級的各級門檻值到底是否能準確對應,也有賴實際使用後的評估與滾動修正。

地震何時來襲難以事先預知,但一直以來人們從過往的地震災害學習防災,確實朝著不斷減災減損發展,期許震度分級的調整,能提升地震防救震的效率。

〔註一〕若改為0~9 級,新的7 級就會比舊制明顯影響小的多,反而造成誤讀的可能性增加。

延伸閱讀
1. Wald et al., Relationships between peak ground acceleration, peak ground velocity and Modified Mercalli Intensity in California, Earthquake Spectra 15, 1999.
2. Yen-Yu Lin et al., Source characteristics of the 2016 Meinong (ML 6.6), Taiwan, earthquake, revealed from dense seismic arrays: Double sources and pulse‐like velocity ground motion, Bulletin of the Seismological Society of America, 2018.
3.〈地牛翻身新指標—震度分級知多少〉,中央氣象局數位科普網,2020年1月7日。