Jordbävningsolycka uppskattning
De senaste framstegen har förbättrat hastigheten och noggrannheten för förlustuppskattningar omedelbart efter jordbävningar (inom mindre än en timme) så att skadade människor kan räddas mer effektivt. "Ossualities" definieras som dödade och skadade personer, som beror på skador på ockuperade byggnader. Efter stora och stora jordbävningar behöver räddningsorgan och civilförsvarschefer snabbt kvantitativa uppskattningar av omfattningen av den potentiella katastrofen, vid en tidpunkt då information från det drabbade området kanske ännu inte har nått omvärlden. För de skadade under spillrorna räknas varje minut. Att snabbt ge uppskattningar av omfattningen av en jordbävningskatastrof är ett mycket mindre problem i industrialiserade länder än i utvecklingsländer. Den här artikeln fokuserar på hur man kan uppskatta jordbävningsförluster i utvecklingsländer i realtid.
Behovet av att teoretiskt uppskatta mänskliga förluster i realtid
Under de första dagarna efter en jordbävning flödar praktiskt taget ingen information från mitten av det ödelagda området. Exempel på den initiala underskattningen av omfattningen av jordbävningskatastrofer i såväl utvecklingsländer som industriländer visas i figur 1. De ansvariga experterna trodde i fyra dagar att dödssiffran i jordbävningen i Wenchuan, M w 8 den 12 maj 2008 , var mindre än 10 000.
Snabba ankomster av medicinska team och andra räddningspersonal är avgörande för att rädda skadade från att dö och hjälpa andra att få vård. Teoretiska uppskattningar av antalet dödade och skadade inom mindre än en timme efter en stor jordbävning är den enda information som kan vägleda de första insatserna till var och hur stor en katastrof har inträffat. Av denna anledning upprätthåller QLARM- och PAGER-teamen kapacitet dygnet runt för att beräkna jordbävningsskador och dödsoffer inom mindre än 1 timme efter en jordbävning över hela världen. Inga andra grupper är kapabla till dessa detaljerade analyser. Den här sidan kan hjälpa medicinska och andra insatser att förstå hur snabbt och hur exakta förlustuppskattningar kan beräknas efter jordbävningar och vad som bör läggas till för att vara mer användbart.
Uppskattningarna av dödsfall som distribuerades via e-post av QLARM-teamet vid International Center for Earth Simulation Foundation (ICES) inom 100 minuter efter jordbävningen i Wenchuan var 55 000 ± 30 000, vilket inkluderar den slutliga avgiften på cirka 87 000.
För jordbävningen i L'Aquila 2009 , en jordbävning av M6.3, var QLARMs uppskattning av dödsfall 275 ±200, 22 minuter efter händelsen. Den slutliga dödssiffran var 287. I båda fallen var den officiella dödssiffran långsam för att återspegla den verkliga omfattningen av katastroferna. Således kan teoretiska uppskattningar av dödsfall i realtid vara användbara för att reagera med en lämplig katastrofhjälp, även om dessa uppskattningar har stora felmarginaler. Aktuella QLARM-varningar kan hittas på International Institute for Earth Simulation Foundations webbplats, larm från United States Geological Survey PAGER-team finns på deras webbplats.
Fastställande av hypocentrum och magnitud
Platsen för en jordbävning (dess epicentrum och djup) måste vara känd snabbt för att uppskatta förluster. Den beräknas från de tidpunkter då vågorna den genererar anländer till seismografer som omger källan. En dator flyttar epicentrumuppskattningen nära de stationer som registrerar vågorna först och långt från stationer som rapporterade vågorna senare. Detta kan göras inom några sekunder med en noggrannhet på 1 kilometer i regioner där täta seismografnätverk finns med avstånd mellan stationer på cirka 10 km. För större delen av världen är denna lyx inte tillgänglig och det världsomspännande seismografnätverket måste användas för att uppskatta platsen baserat på teleseismiska data (inspelade på avstånd på mer än 1 000 km). Det betyder att uppskattningar av platsen inte kan beräknas innan vågorna har färdats hundratals och tusentals kilometer till stationer som registrerar dem.
Kapplöpningen för att veta om en ny jordbävning
Följande byråer distribuerar uppskattningar av latitud, longitud, djup och magnitud för jordbävningar över hela världen snabbt och med hög noggrannhet. Geoforschungszentrum, Potsdam, Tyskland, levererar automatiska lösningar inom 7 minuter ( median ) för alla större jordbävningar världen över. National Earthquake Information Center of the United States Geological Survey (USGS) levererar lösningar som granskas av en seismolog inom 18 minuter (median) för alla större jordbävningar i världen. European -Mediterranean Seismological Center levererar granskade parametrar mestadels i det europeiska området inom 21 minuter (median). Pacific Tsunami Warning Center och National Tsunami Warning Center av National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) levererar granskade parametrar för jordbävningar i det bredare Stillahavsområdet inom 9 minuter (median). Dessa är uppdaterade siffror, något kortare än vad som diskuterats i detalj tidigare.
Epicentrum
Om epicentret är felaktigt kommer förlustuppskattningen att vara osäker. Fel införs i uppskattningen av positionen, främst på grund av jordens heterogenitet . Seismiska vågor färdas med olika hastigheter i olika bergarter. Osäkerheter i realtidsepicentra uppskattade med teleseismiska medel är ±25 km (median).
Djup
Djupet är viktigt, men osäkert på topp 50 km. Jordbävningarnas djup varierar från 0 till cirka 700 km. I allmänhet är det bara jordbävningarna i de översta 100 km som är tillräckligt nära bosättningar för att orsaka dödsoffer. Minskningen av vågamplituderna som en funktion av avståndet (Figur 2) visar att farliga intensiteter, I≥VII, inte existerar längre än 30 till 50 km för stora jordbävningar. Därför är djupa jordbävningar vanligtvis inte av intresse för larm.
Djupet på energiutsläppet kan uppskattas exakt (till inom 1 km) om en seismografstation precis ovanför jordbävningen (eller nära den) registrerar vågorna. Detta är vanligtvis inte fallet och man måste förlita sig på teleseismiska metoder för att uppskatta djupet.
Den teleseismiska metoden går ut på att mäta den tidsfördröjning med vilken vågen som reflekteras från jordytan ovanför jordbävningen kommer fram till en seismograf. Jordens yta fungerar som en spegel. En våg som springer mot den kan inte resa upp i luften, så den reflekteras tillbaka ner i jorden och reser till samma seismograf som registrerade den direkta vågen lite tidigare. Tidsfördröjningen för den reflekterade vågen beror naturligtvis direkt på den extra sträcka den har tillryggalagt: från hypocentret upp till ytan och tillbaka ner till hypocentrets djup.
Denna metod fungerar bra, om det hypocentrala djupet Z>50 km eftersom, i så fall, de direkta och reflekterade faserna (vågorna) är tydligt separerade på posten. För grundare djup är fördröjningen så liten att de två pulserna på seismogrammet inte lätt kan kännas igen som separata pulser; det krävs filtreringstekniker för att separera och identifiera dem.
Härav följer att djupet på de grunda jordbävningarna, de farligaste, måste antas vara 25 ±25 km, om det inte finns några andra bevis tillgängliga. Denna osäkerhet är ungefär densamma som för epicentret. Det finns en möjlighet att minska detta fel baserat på historiska data, i vissa fall. För regioner där den tektoniska stilen och de fel som orsakade jordbävningarna är välkända, kan man välja ett djup förutsatt att det är detsamma som i tidigare jordbävningar för vilka djupet hade bestämts exakt.
Magnitud
För jordbävningar med magnituder mindre än M7,5 fördelar de olika myndigheterna som nämns ovan som utfärdar platsuppskattningar vanligtvis värden på M inom 0,2 enheter från varandra. För dessa medelstora jordbävningar är medelvärdet av uppskattningarna en tillförlitlig bestämning av jordbävningens storlek. Men för stora jordbävningar som närmar sig M8 och överskrider den är den initiala uppskattningen av M ofta betydligt för liten. Detta beror på att ytvågen M, som snabbt erhålls, definieras som proportionell mot 20 sek Reighly ytvågen, och denna våg har en våglängd på cirka 100 km. Det är därför för kort för att tillförlitligt mäta M för ett jordbävningsbrott som överstiger 100 km. I dessa fall krävs en djupgående analys, som tar tid, för att komma fram till rätt M.
Som ett exempel hade jordbävningen i Wenchuan den 12 maj 2008 ursprungligen tilldelats M7.5 i realtid. Senare uppskattningar var M7,9 till M8,0. Baserat på den första uppskattningen hade dödsfallen förväntats uppgå till maximalt 4 000, baserat på den andra hade maximitalet beräknats till 100 000. Det observerade antalet dödsfall i detta fall var 87 000, fastställt efter månader (se figur i inledningen av denna sida).
Uppskattningar av skakning
Storleken på stora jordbävningar underskattas ofta till en början. Det teleseismiska standardmåttet på "storleken" på en jordbävning är ytvågens storlek , M s , som måste härledas per definition från ytvågorna med 20 sekunders period . En mer pålitlig och modernare skala är den Mw av momentstorleken .
Variationer av amplituderna som registrerats vid olika seismografstationer beror på många orsaker, men medelstorheten från rapporter från många stationer som har registrerat jordbävningen bör vara ganska stabil. Ändå skiljer sig de byråer som rapporterar källparametrar (GFZ, NEIC, TWC. EMSC) i sina uppskattningar av storleken med 0,2 enheter i genomsnitt. Detta värde tas som osäkerheten för magnituduppskattningen i realtid.
Det finns ett speciellt problem för stora jordbävningar; de med M>8. Vågorna med 20 sekunders period, som definierar M s , har våglängder på endast cirka 100 km. Det betyder att de är en för kort måttstock för att mäta storleken på bristningar som avsevärt överstiger 100 km långa. Av denna anledning introducerades M w , baserat på våglängder på cirka 1000 km. Tyvärr blir dessa långa våglängder inte tillgängliga lika snabbt som kortare, vilket resulterar i initiala underskattningar av omfattningen av stora jordbävningar. Som ett exempel, för jordbävningen i Tohoku, M9 den 11 mars 2011, var de första uppskattningarna: GFZ M8.5, NEIC M7.9, TWC M7.9 och EMSC M8.0.
Skakningens intensitet minskar från jordbävningen
Kraftiga markrörelser skadar byggnader och orsakar ibland kollaps. Skakning av marken minskar med avståndet från frigörandet av energi, hypocentret, eller, mer exakt uttryckt, från hela brottområdet. För att beräkna intensiteten av skakningar vid en given bosättning, letar datorn upp dämpningen (minskning i amplitud) för seismiska vågor som färdas avståndet till boplatsen i fråga. Sådana beräkningar liknar de som gjorts för att bedöma den seismiska faran , en del av området teknisk seismologi .
Fel introduceras återigen genom jordens heterogenitet. Förlusten av energi längs vågbanan är inte exakt densamma i alla delar av världen. Exempel visas i figur 2. För dåligt studerade regioner i utvecklingsländer kan osäkerheten för de uppskattade intensiteterna vara betydande, vilket visas av de olika kurvorna, eftersom dämpningen är dåligt känd.
En annan faktor som kan leda till variationer i observerad skakningsintensitet är tillståndet i marken under en viss struktur. Vågorna förstärks i okonsoliderad jord jämfört med hårt berg (Figur 3). I viktiga städer kartläggs markförhållanden och deras förstärkningsfaktorer för mikrozoneringsändamål . Denna typ av information är vanligtvis inte tillgänglig för bosättningar i utvecklingsländer. Man måste anta att blandningen av förhållanden resulterar i en genomsnittlig förlustuppskattning för staden totalt sett.
En intensitet, I, angiven i romerska siffror från I till XII, beräknas för varje bosättning, med hänsyn till storleken på jordbävningen och dess avstånd, och även för den lokala förstärkningen, om den är känd.
Uppbyggd omgivning
Den byggda miljön är dåligt känd för vissa länder. Byggnadernas kvalitet skiljer sig åt beroende på land och bebyggelsestorlek. För att uppskatta skador på den bebyggda miljön behöver man beräkna de skador som förväntas för varje typ av byggnad som finns i en given bebyggelse. För varje bosättning behöver man känna till fördelningen av byggnader i klasser med olika motstånd mot kraftiga skakning. En vanlig skala för att klassificera byggnadstyper är European Macroseismic Scale (EMS98)
Fördelningen av byggnadstyper är annorlunda i industri- och utvecklingsländer (Figur 4) och även i byar jämfört med städer i samma land. Många jordbävningsingenjörer arbetar med problemet med att bättre definiera världsdata om byggnadsfastigheter.
Efter att man känner till fördelningen av byggnader i klasser (histogram till vänster i båda ramarna i figur 4), behöver man uppskatta hur befolkningen är fördelad på dessa byggnadstyper (histogram till höger i båda ramarna i figur 4). Dessa fördelningar är inte identiska eftersom husen med högre kvalitet tenderar att hysa fler människor per byggnad.
Jordbävningen i Haiti , M7.3 den 12 januari 2010 visade att i detta fall var byggkvaliteten kraftigt underskattad av ingenjörssamfundet. Varje ny skadlig jordbävning fungerar som en källa till ny information om fastigheter i regionen. Omedelbart efter jordbävningen i Haiti den 12 januari 2010 genomfördes en gemensam studie för uppskattning av skador på byggnadsbeståndet baserad på flygbilder av UNITAR-UNOSAT, EC-JRC och Världsbanken/ImageCAT som stöd. av PDNA. Hancilar et al. (2013) har utvecklat empiriska bräcklighetsfunktioner baserade på fjärranalys och fältdata för de dominerande byggnadstypologierna. Det internationella projektet Global Earthquake Model (GEM) har som mål att ta fram en världskarta över jordbävningsrisk . Som en del av denna gigantiska satsning kommer datamängder att förbättras, vilket också behövs för realtidsförlustbedömningar. En av dessa är datamängden om världens bostadsfastigheter.
Dödsfall från kollapsande byggnader
Sannolikheten att en byggnad av en given typ kan kollapsa om den utsätts för en viss skakintensitet (Figur 5) är en viktig parameter för att beräkna förväntade mänskliga förluster. De svaga byggnader som finns i utvecklingsländer (Figur 4 till vänster) är de som sannolikt kommer att kollapsa med måttlig intensitet (Figur 5 till vänster).
Antalet dödade och skadade (skadade är summan av dessa två parametrar) uppskattas med hjälp av en olycksmatris, en tabell som visar procentandelen döda, skadade och oskadda bland de boende i en byggnad som kollapsar. Denna fördelning beror starkt på byggnadstypen.
En byggnad behöver inte kollapsa för att skada och döda; vid varje skadegrad finns det en sannolikhet för olyckor.
Data i olycksmatriser är så dåligt kända att vi inte kan ge osäkerheter här. Men specialister arbetar på att lära sig mer om detta och relaterade problem med att uppskatta förluster på grund av jordbävningar.
Spåra befolkning och plats
Befolkning i riskzonen i ett givet skalv
Man skulle kunna tro att man helt enkelt kan slå upp befolkningen i alla bosättningar i ett land i dess folkräkning. Det är dock inte fallet för de länder vi riktar oss till. Datakällor på webben inkluderar World Gazetteer, National Geospatial-Intelligence Agency (NGA) och GeoNames för befolkning efter bosättningar. Dessa listor är dock ofullständiga och utelämnar små bosättningar. I många länder motsvarar summan av befolkningen som listas av de ovan nämnda organisationerna endast 50% till 80% av den totala befolkningen som uppskattas i The World Factbook of CIA. Dessutom är många bosättningar listade utan koordinater, och andra med koordinater men inte befolkning.
Beläggningsgrad
Variationer av beläggningsgrad som funktion av tid på dygnet och årstid. Den värsta tiden för en jordbävning att slå till är natten eftersom större delen av befolkningen är inomhus. Tiden då konsekvenserna är mindre allvarliga är morgon- och kvällstimmarna, när bönder är ute och kontors- och fabriksarbetare pendlar. Fluktuationerna i uthyrningsgraden har uppskattats till cirka 35 %.
I områden med stark säsongsturism kan befolkningen fluktuera upp till en faktor 10. Dessa fluktuationer beror starkt på läget. För närvarande finns det ingen världsomspännande datauppsättning som kan ta hänsyn till denna effekt i förlustuppskattningar.
Förenklingar
Förenklingar behövs eftersom världen är för stor för detaljer överallt.
Medelvärde
Om man i realtid vill uppskatta vilka skador som kan förväntas för kritiska anläggningar (t.ex. ett kärnkraftverk, en hög damm av en reservoar, broar, sjukhus, skolor) skulle man behöva känna till en hel del ytterligare detaljer. Till exempel vilken typ av jord anläggningen vilar på, ritningarna av konstruktionen för att beräkna dess svar på olika frekvensvågor och frekvensspektrumet som utstrålas av jordbävningen. Det går att göra, men det är kostsamt. I utvecklingsländer är inte all denna information tillgänglig.
Vid uppskattning av förluster i realtid måste man dra fördel av det faktum att vissa byggnader är byggda för att koda, andra inte, vissa är belägna på hårt berg, andra på okonsoliderade sediment, och jordbävningen kan utstråla mer energi i en riktning än i annan. Att summera förväntade förluster under antagande av genomsnittliga förhållanden kan hamna ungefär korrekt, även om det finns lokala fluktuationer i resultaten.
Modeller för bosättningar
Fotografier tagna från rymden eller från flygplan är mycket användbara för att sammanställa en databas för den byggda miljön i en stad. Även på bilder som inte har förbättrats kan byggnadernas storlek och typ samt byggnadens användning tydligt identifieras (Figur 6). Områden till bostadshus som alla har liknande konstruktion och industriområden kan kartläggas.
Höjden på byggnader kan uppskattas utifrån de skuggor de kastar i fotografier från rymden och från luften. Baserat på höjd kan uppskattningar 3D-modeller av städer konstrueras, som visas i exemplet Central Bukarest (Figur 7). Statliga kontorsbyggnader syns i centrum, medan små bostadshus dominerar i öst.
Genom att lägga till fotografier av fasaderna tagna från gatunivå kan detaljerade, realistiska modeller av städer byggas (Figur 8). Med denna tillagda information är det möjligt att bättre klassificera konstruktionstypen för varje byggnad och att fördjupa detaljerna i modellen av den byggda miljön som är nödvändiga för korrekta uppskattningar av förluster på grund av jordbävningar.
Antalet bosättningar i världen för vilka befolkningsdata finns tillgängliga överstiger dock en miljon. För varje finns koordinater, namn och en uppskattad population tillgänglig, men det är omöjligt att analysera dem alla i detalj som visas i figurerna 6, 7 och 8. Det finns inget annat val än att placera hela populationen på ett koordinatpunkt , oavsett bebyggelsens storlek, och att tilldela varje bebyggelse en standardfördelning av byggnader i klasser med olika jordbävningsmotstånd. Den enda förfining man har råd med är att ha olika standardmodeller för olika länder och för minst tre bosättningsstorlekar för varje land.
I ett idealiskt fall skulle man vilja ha detaljerad information om varje byggnad och dess boende. Men med tusentals stora städer i fara och hundratals miljoner invånare i dem är detta för kostsamt. Ett kostnadseffektivt sätt att modellera en stor stad är att behandla varje förvaltningsdistrikt som en separat bosättning.
Förväntad dödlighet per stadsdel
I många storstäder innehåller folkräkningen uppgifter om folkmängd och byggnadsbestånd per distrikt. En modell av en stad där varje stadsdel har sin egen fördelning av byggnader i klasser och dess befolkning, är vida överlägsen den grundläggande, primitiva modellen för en koordinatpunkt. Om man har resurserna att dela upp en stor stad i stadsdelar som innehåller liknande byggnadsbestånd, kan en högkvalitativ modell konstrueras till en fortfarande måttlig kostnad. Ett exempel på dödligheten vid en framtida M8-jordbävning utanför Lima , Peru , visar att det finns betydande skillnader mellan distrikten (Figur 9). Skillnaderna beror på avståndet från den antagna källan, typen av jord och kvaliteten på byggnadsbeståndet. Utöver dödlighetsberäkningen för hela befolkningen skulle information om platser och förväntat skadeläge för skolor, sjukhus, brandstationer, polisstationer och kritiska anläggningar vara av stort värde för räddare. För att utveckla denna typ av information krävs dock en större ansträngning i länder där platsen och byggkvaliteten för dessa anläggningar inte är känd.
Att beräkna den sannolika funktionaliteten hos sjukhus efter jordbävningar kräver specialiserad expertis. I vissa städer har omfattande ansträngningar från kommersiella företag genomförts eller pågår för att katalogisera information på stadsdelsnivå, mer detaljerad än vad som visas i figur 9. I industriländer är detaljer om varje hus med gatuadress ofta kända.
Toppmodern
Osäkerheter i realtidsuppskattningar
Osäkerheter i realtidsuppskattningar av mänskliga förluster är i bästa fall en faktor av två. Man kan gruppera allvaret för att införa fel i förlustuppskattningarna på grund av osäker input, i tre klasser: allvarliga, måttliga och försumbara.
Storleken på de allvarligaste felen är en storleksordning (vilket betyder en faktor 10). De kan genereras av hypocenterfel, felaktiga data om byggnadsbestånd och magnitudfel för M>8 jordbävningar. Felaktiga antaganden om dämpningen av seismiska vågor kan introducera fel på en faktor 3.
Måttliga fel, typiskt cirka 30 %, kan införas genom variationer av storleken för M<8, markförhållanden och riktning av utstrålad energi. Andra felaktigheter i datamängder eller indata bidrar till fel som är försumbara jämfört med ovan nämnda osäkerheter.
Befintliga larmtjänster för jordbävning
Via e-post distribuerar QLARM-teamet uppskattningar av mänskliga förluster (antal dödade och skadade), förutom beräkningar av medelskada för varje bosättning i deras databas, efter jordbävningar över hela världen sedan oktober 2003. Fram till maj 2010 baserades dessa uppskattningar på ett program och datamängd som heter QUAKELOSS, sedan dess är varningarna baserade på andra generationens verktyg och datauppsättning som kallas QLARM, inklusive en karta som visar den genomsnittliga skadan som förväntas för drabbade bosättningar. De första 10 åren av jordbävningsvarningar i nästan realtid av detta team kan hittas i. Nya varningar finns på webbsidan för International Center for Earth Simulation Foundation (ICES), Genève.
USGS National Earthquake Information Center har utfärdat PAGER- varningar via e-post sedan april 2009. De innehåller en färgkod som återspeglar händelsens allvar, antalet personer som beräknas ha exponerats för de olika sannolika intensitetsnivåerna, tektonisk information om det epicentrala området och konsekvenserna av tidigare närliggande jordbävningar.
Global Disaster Alert and Coordination System (GDACS) har utfärdat färgkodade jordbävningsvarningar sedan september 2005. Dessa rapporter innehåller kommentarer om de socioekonomiska förhållandena i det epicentrala området. Som ett mått på allvarlighetsgraden använder de endast antalet personer inom fastställda avståndsradier. Denna information kan vara missvisande eftersom parametrarna, som styr omfattningen av en katastrof, ignoreras (storlek, djup, transmissionsegenskaper, byggnadsbeståndsegenskaper och tid på dygnet).
Uppskattning av förluster på grund av tsunamin
De metoder som förklaras här gäller endast förluster på grund av starka markrörelser. Skador på grund av tsunamis ingår inte. Samhället som forskar om tsunamis kämpar för närvarande med problemet att efter en jordbävning snabbt fatta ett beslut om huruvida en tsunami har genererats eller inte, hur hög den kan vara i det öppna havet och slutligen vilka lokala upplopp som kan förväntas. Metoder för att beräkna vad som händer med den byggda miljön när en våg slår är ännu inte utvecklade.
Förbättringar i noggrannhet
Mänskliga förluster kan uppskattas med tillräcklig noggrannhet för att hjälpa katastrofinsatser att mobiliseras på lämpliga sätt. Oviktiga händelser kan identifieras i 99 % av fallen, vilket gör att räddningsteam inte behöver slösa tid och energi på att mobilisera i onödan. Även om osäkerheterna vid uppskattning av mänskliga förluster i realtid är stora, tillåter de att man omedelbart kan identifiera katastrofala fall som behöver uppmärksammas. Vissa av osäkerheterna i ingångsparametrarna kan inte förbättras och kommer att finnas kvar som felkällor. Osäkerheten i andra parametrar, särskilt databaser, kan dock minskas genom forskning. Vissa av de viktiga parametrarna har knappast undersökts. Eftersom många människor arbetar med detta problem kommer realtidsuppskattningar av mänskliga förluster efter jordbävningar att bli mer exakta och mer användbara.