Шкала сейсмической интенсивности Японского метеорологического агентства

Шкала сейсмической интенсивности Японского метеорологического агентства (JMA) [ ^a] (в Японии известная как сейсмическая шкала Синдо ) ^{[1] [2]} — это шкала сейсмической интенсивности, используемая в Японии для классификации интенсивности локальных сотрясений грунта, вызванных землетрясениями .

Шкала интенсивности JMA отличается от измерений магнитуды, таких как моментная магнитуда (Mw) и более ранних шкал Рихтера , которые показывают, сколько энергии высвобождается землетрясением. Подобно шкале Меркалли , шкала JMA измеряет интенсивность сотрясений земли в различных точках наблюдения в пределах пострадавшей области . Интенсивности выражаются в виде числовых значений, называемых шиндо (震度, «сейсмическая интенсивность») ; чем выше значение, тем интенсивнее сотрясение. Значения выводятся из ускорения грунта и продолжительности сотрясений, которые сами по себе зависят от таких факторов, как расстояние до гипоцентра (фокуса) и его глубина , местные почвенные условия и характер геологии между ними, а также магнитуда события; таким образом, каждое землетрясение влечет за собой многочисленные интенсивности.

Данные об интенсивности собираются с 4400 станций наблюдения, оборудованных «измерителями сейсмической интенсивности модели 95», которые измеряют сильные колебания грунта . Агентство предоставляет властям и общественности отчеты в режиме реального времени через СМИ и Интернет, в которых указывается время события, эпицентр (местоположение) , магнитуда и глубина, а также показания интенсивности в пострадавших районах.

Шкала JMA выражается в уровнях сейсмической интенсивности от 0 до 7 способом, аналогичным шкале интенсивности Меркалли , которая обычно не используется в Японии. JMA использует измерители сейсмической интенсивности для автоматического расчета ускорения грунта в реальном времени, сообщая интенсивности на основе измерений с точек наблюдения.

Сейсмические наблюдения в Японии начались в 1872 году. В 1884 году Сэкия Сэйкэй , директор отдела землетрясений при Министерстве внутренних дел , составил «Руководство по отчетам о землетрясениях» из 18 статей и инициировал сбор данных из 600 уездных управлений по всей стране. Это была первая в Японии унифицированная шкала сейсмической интенсивности. В то время шкала имела четыре уровня: бисин (微震, слабое дрожание) , джакусин (弱震, слабое дрожание) , кёсин (強震, сильное дрожание) и рецусин (烈震, сильное дрожание) . Например, слабое дрожание описывалось с кратким пояснением, таким как «Слегка ощущается теми, кто испытал землетрясения». ^{[5] [6] [7]}

В 1898 году шкала была расширена, включив «слабый тремор (нет ощущений)» и промежуточные уровни, такие как «слабый тремор (немного слабее интенсивность)» и «сильный тремор (немного слабее интенсивность)». Шкала расширилась до 7 уровней, пронумерованных от 0 до 6, но на этом этапе пояснительный текст был опущен. В 1908 году пояснительный текст был восстановлен для каждого уровня. В 1936 году был установлен «Закон о наблюдении за землетрясениями», который является текущим руководством для сейсмических наблюдений, и термины для слабого тремора (нет ощущений), слабого тремора (немного слабее интенсивность) и сильного тремора (немного слабее интенсивность) были переименованы в «нет ощущений», «легкий тремор» и «умеренный тремор». ^[8] За это время количество точек наблюдения еще больше увеличилось. По материалам JMA, в 1904 году насчитывалось 1437 пунктов наблюдения, включая как официальные станции, так и частные контрактные станции (например, местные наблюдательные пункты), и это число оставалось стабильным до 1950-х годов (около 1955-1964 гг.) ^{[6] .}

В январе 1949 года «Закон о наблюдении за землетрясениями» был пересмотрен, чтобы установить интенсивность 7, а шкала была расширена до 8 уровней, от 0 до 7; это было связано с тем, что возникли опасения, что ущерб, нанесенный землетрясением Фукуи 1948 года , в результате которого в некоторых районах обрушилось более 90% домов, не мог быть точно выражен интенсивностью 6. ^{[9] [10] [11]} Кроме того, оценка интенсивности 7 основывалась на полевом обследовании, проведенном позже мобильной группой наблюдения JMA, с конкретными критериями, такими как «степень обрушения домов 30% или более». ^[12] Во время этого пересмотра термины «никаких ощущений», «незначительный», «слабый», «довольно сильный», «сильный», «очень сильный», «катастрофический» и «крайне катастрофический» были присвоены каждому уровню интенсивности. ^{[10] [11]} Сейсмическая интенсивность также стала фактором прогнозирования цунами, и описания ощущения интенсивности 4 и 6 были добавлены в пояснительный текст для более быстрого суждения. Позже, в 1978 году, было добавлено ощущение всех уровней интенсивности. ^[13]

Ранее сотрудники JMA определяли сейсмическую интенсивность, наблюдая за сотрясениями земли и повреждениями зданий, сопоставляя свои наблюдения с инструктивной таблицей. Хотя инструкции существовали, оценки интенсивности были субъективными и не имели единообразия. В первые годы эпохи Хэйсэй каждой метеорологической станции требовалось около 10 минут или больше, чтобы собрать сейсмическую информацию и выпустить отчет вместе с оценочной шкалой. ^[14]

В период с 1958 по 1969 год количество точек сейсмического наблюдения сократилось с более чем 1000 до примерно 150 из-за объединения и закрытия станций. ^[14] В результате возникли такие проблемы, как нехватка точек сейсмического наблюдения, субъективные суждения наблюдателей, изменчивость ущерба от интенсивности выше 5 баллов и задержки в выпуске отчетов об интенсивности. Эти проблемы привели к рассмотрению использования автоматических приборов для измерения сейсмической интенсивности, и в 1985 году в JMA был создан комитет для изучения использования приборов. В 1988 году на основе отчета комитета начались экспериментальные измерения с использованием сейсмометров, и к марту 1994 года сейсмометры были установлены во всех точках наблюдения. За этот период количество точек наблюдения увеличилось до 300 в 1993 году и 600 в 1996 году. ^[14]

Между тем, крупные землетрясения, такие как землетрясение Санрику 1994 года и Великое землетрясение Хансин 1995 года, выявили такие проблемы, как широкая изменчивость повреждений в районах с интенсивностью 5 и 6 баллов, а также задержки в определении интенсивности 7 баллов (что требовало полевых исследований мобильной группой наблюдения JMA). Эти проблемы подчеркнули необходимость более быстрой и подробной оценки ущерба. ^[15]

1 апреля 1996 года шкала была пересмотрена, исключив сенсорные наблюдения и полностью перейдя к инструментальным измерениям. Это поместило шкалу JMA среди макросейсмических шкал, не относящихся к шкале Канкани, отличая ее от тех, которые относятся к 12-градусному семейству Канкани, таких как модифицированная шкала интенсивности Меркалли или европейская макросейсмическая шкала . ^[16] Уровни 5 и 6 были подразделены на «нижние» и «верхние», создав 10-уровневую шкалу. В результате такие термины, как «слабый тремор» и «легкий тремор», были упразднены, и была создана новая «соответствующая пояснительная таблица» для предоставления объяснений, ранее содержавшихся в старых описаниях. Кроме того, уровень сейсмической интенсивности 7, который определялся по показателям повреждений, был стандартизирован с помощью инструментальных наблюдений, при этом уровень 6,5 или выше по инструментальной шкале классифицировался как интенсивность 7 по 10-уровневой шкале. ^{[17] [18]} Кроме того, в дополнение к приблизительно 600 пунктам наблюдения JMA, для отчетов JMA также использовались данные с около 800 участков, находящихся в ведении Национального исследовательского института наук о Земле и устойчивости к стихийным бедствиям (NIED), и около 2800 участков местных органов власти, что увеличило общее количество пунктов наблюдения до около 4200, что является значительным увеличением по сравнению с предыдущими уровнями. ^[19]

Интенсивность 7 (震度7 , Shindo-nana ) — наивысший уровень по шкале сейсмической интенсивности JMA. При интенсивности 7 движение по желанию практически невозможно, и людей может подбросить в воздух. ^[3] Интенсивность возникла после землетрясения в Фукуи 1948 года . Впервые она наблюдалась во время Великого землетрясения Хансин 1995 года .

С апреля 1997 года Япония использует специализированные и автоматизированные акселерометры для измерения сильных движений грунта , известные как «измерители сейсмической интенсивности», для измерения и сообщения о силе землетрясений на основе шкалы JMA. Это заменяет старую систему, которая полагалась на человеческие наблюдения и оценку ущерба.

Установка этих счетчиков началась в 1988 году с «измерителя сейсмической интенсивности модели 87», который не мог хранить данные и мог наблюдать только умеренный диапазон ускорения. Позже был представлен «измеритель сейсмической интенсивности модели 95», который имел несколько усовершенствований, включая возможность наблюдать ускорение выше предыдущих пределов, более высокую частоту дискретизации и лучшее разрешение, а также возможность записывать наблюдаемые данные на карты флэш-памяти. По состоянию на март 1997 года все измерители сейсмической интенсивности JMA были заменены этим типом «модели 95». ^[22]

К концу 2009 года около 4200 из этих счетчиков использовались для «информации о сейсмической интенсивности» JMA, а к январю 2023 года это число выросло до примерно 4400. Из этих счетчиков около 700 находятся в ведении JMA, а примерно 3700 — в ведении Национального исследовательского института наук о Земле и устойчивости к стихийным бедствиям (NIED) и местных органов власти. Счетчики JMA оснащены механизмами спутниковой связи, которые позволяют им передавать данные в случае сбоев наземной связи; в случае сильного землетрясения JMA оценивает целостность своих счетчиков и/или устанавливает временные станции наблюдения, где это необходимо. ^[23]

Помимо измерителей сейсмической интенсивности, используемых JMA, местные органы власти установили много других измерителей, которые не используются JMA. Государственные учреждения и транспортные агентства установили свои собственные измерители для мониторинга критически важной инфраструктуры, такой как плотины , реки и железные дороги . ^[24]

Для обеспечения точных измерений интенсивности землетрясений существуют специальные рекомендации по правильной установке измерителей сейсмической интенсивности. JMA исключает данные из измерителей, размещенных в неподходящих местах, при оценке интенсивности землетрясений.

Счетчики должны быть установлены на прочных, специально спроектированных подставках. Поскольку насыпи и скалы могут усиливать сотрясение почвы, крайне важно размещать счетчики на ровной, устойчивой поверхности вдали от ступенек. По крайней мере две трети подставки должны быть надежно зарыты в землю. Кроме того, счетчики должны быть расположены достаточно далеко от близлежащих сооружений, таких как деревья или заборы, чтобы избежать потенциального воздействия падающих предметов. ^[25]

Для внутренних установок счетчики должны быть размещены на первом этаже около столбов, приемлемые места расположения — от подвала до второго этажа. Здания с сейсмоизоляцией или системами контроля вибрации не подходят для размещения счетчиков. ^[25]

JMA оценивает качество установки измерителей сейсмической интенсивности, используемых для официальной информации об интенсивности землетрясений. Каждая установка оценивается на основе ее условий окружающей среды, а общим баллам присваивается оценка от A до E. Установки с оценками от A до C считаются приемлемыми. Измерители с рейтингом D могут использоваться после тщательной оценки, в то время как измерители с рейтингом E исключаются из использования.

Были случаи, когда данные об интенсивности землетрясений использовались, несмотря на то, что счетчики были установлены в неподходящих местах, что привело к вопросам о точности информации и последующим исправлениям. Один из примечательных примеров произошел во время землетрясения в Иватэ в июле 2008 года , когда интенсивность 6+ была зарегистрирована в Оно, городе Хироно, префектуре Иватэ. Это значение было значительно выше, чем сообщалось в соседних муниципалитетах, что побудило провести расследование. 29 октября того же года Японское метеорологическое агентство (JMA) пришло к выводу, что счетчик в Оно был неправильно установлен для наблюдения за землетрясениями. В результате он был удален из данных об интенсивности землетрясений, а зарегистрированная максимальная интенсивность была пересмотрена с 6+ на 6−. ^[26]

Сейсмические измерители интенсивности, используемые JMA и другими, наблюдают за тряской с помощью акселерометров . Сначала они измеряют три компонента ускорения — вертикальный, север-юг и восток-запад — как сигналы во временной области. Затем они преобразуются в сигналы в частотной области с помощью преобразования Фурье , фильтруются, затем преобразуются обратно в сигналы во временной области для окончательных расчетов. Конкретный процесс заключается в следующем: ^{[18] [27]}

1. Примените преобразование Фурье к сигналам временной области, чтобы преобразовать их в сигналы частотной области.
2. Применить фильтр , который является произведением нескольких фильтров, к сигналам в частотной области, где — фильтр эффекта периода; — фильтр верхних частот, где , , , , , , ; — фильтр нижних частот.${\textstyle \lambda _{a}(f)=F_{a1}(f)F_{a2}(f)F_{a3}(f)}$${\displaystyle F_{a1}(f)={\sqrt {\frac {1}{f}}}}$${\displaystyle F_{a2}(f)=(1+\альфа x^{2}+\бета x^{4}+\гамма x^{6}+\дельта x^{8}+\эпсилон x^{10}+\дзета x^{12})^{-1/2}}$${\displaystyle \альфа =0,694}$${\displaystyle \бета =0,241}$${\displaystyle \gamma =0,0557}$${\displaystyle \delta =0,009664}$${\displaystyle \epsilon =0,00134}$${\displaystyle \zeta =0,000155}$${\displaystyle x=f/10}$${\displaystyle F_{a3}(f)={\sqrt {1-\exp(-(f/0,5)^{3})}}}$
3. Преобразуйте отфильтрованные сигналы частотной области обратно в сигналы временной области с помощью обратного преобразования Фурье . Суммируйте компоненты ускорения в единое составное ускорение с помощью векторного суммирования.
4. Найдите такое значение , чтобы в течение ровно 0,3 секунды норма вектора ускорения была не меньше .${\displaystyle а}$${\displaystyle а}$
5. Рассчитайте .${\displaystyle I=2\log _{10}a+0,94}$
6. Округлите до двух знаков после запятой, затем отбросьте второй знак после запятой, чтобы определить инструментальную сейсмическую интенсивность . Затем округлите инструментальную сейсмическую интенсивность до ближайшего целого числа, чтобы определить сейсмическую интенсивность. Если инструментальная сейсмическая интенсивность отрицательная, сейсмическая интенсивность считается равной 0; если ≥8, сейсмическая интенсивность считается равной 7. В случае Интенсивности 5 и 6 она далее делится на нижнюю и верхнюю в зависимости от того, округляется ли она вверх или вниз (см. таблицу справа).${\displaystyle Я}$

Когда происходит землетрясение, JMA объявляет наблюдаемую сейсмическую интенсивность, эпицентр землетрясения и наличие или отсутствие цунами в виде бюллетеней «Информация о землетрясении». Среди них те, которые связаны с сейсмической интенсивностью, перечислены ниже. ^[28]

• Информация об интенсивности сейсмической активности: Примерно через полторы минуты после землетрясения JMA объявляет названия субпрефектурных регионов, где наблюдается интенсивность сейсмической активности 3 балла или выше.
• Информация о землетрясениях и сейсмической интенсивности: если наблюдается интенсивность 1 балл или выше, JMA объявляет гипоцентр и магнитуду события, пункты наблюдения за сейсмической интенсивностью, где наблюдается интенсивность 1 балл или выше, и населенные пункты, где наблюдается интенсивность 3 балла или выше.
• Карта распределения предполагаемой сейсмической интенсивности: Если наблюдается интенсивность 5− или выше, JMA выпускает карту распределения предполагаемой сейсмической интенсивности, показывающую ожидаемую сейсмическую интенсивность на основе данных наблюдений с учетом эффектов усиления участка. Карта содержит распределение сейсмической интенсивности областей, где наблюдается интенсивность 4 или выше. Распределение сейсмической интенсивности оценивалось на квадратной сетке 1 км до 31 января 2023 года и на квадратной сетке 250 м с 1 февраля 2023 года. ^[29]

Когда начальные сейсмические волны наблюдаются в нескольких местах, а максимальная интенсивность оценивается как минимум в 5 баллов, выдается раннее предупреждение о землетрясении для областей с предполагаемой интенсивностью 4 балла или выше. Это оповещение о сильных толчках землетрясений, а не о наблюдаемой сейсмической интенсивности. ^[30]

Информация о сейсмической интенсивности распространяется среди многочисленных сторон, включая операторов мобильной связи, компании, имеющие лицензию на прогнозирование землетрясений или распространение информации, средства массовой информации, Агентство по борьбе с пожарами и стихийными бедствиями , правительства префектур, полицию, Береговую охрану Японии и другие уполномоченные государственные органы, которые затем распространяют информацию среди широкой общественности. ^[31]

JMA распространяет информацию о землетрясениях на своем веб-сайте, включая информацию о времени возникновения, местоположении гипоцентра, глубине и интенсивности землетрясений в различных регионах. ^[32]

7 марта 2013 года JMA обновила цветовую схему своего веб-сайта для информации о землетрясениях, чтобы унифицировать отображение погоды и улучшить доступность для слабовидящих и пожилых пользователей. ^{[33] [34]} Все индикаторы сейсмической интенсивности теперь отображаются разными цветами. Интенсивность 7 обозначена темно-фиолетовым ( ⬤ ), 6+ обозначено темно-красным ( ⬤ ), 6− обозначено красным ( ⬤ ), 5+ обозначено оранжевым ( ⬤ ), 5− обозначено желтым ( ⬤ ), 4 обозначено кремовым ( ⬤ ), 3 обозначено синим ( ⬤ ), 2 обозначено светло-голубым ( ⬤ ) и 1 обозначено белым ( ⬤ ). ^{[33] [32]}

Отображение эпицентра также было изменено. Ранее использовалась красная отметка «×» ( × ); после обновления теперь используется красная отметка «×» с желтой рамкой. ^[32]

Многие японские новостные агентства также имеют специальные страницы на своих веб-сайтах, распространяющие информацию о землетрясениях, включая информацию о сейсмической интенсивности, от JMA. ^{[35] [36] [37] [38]} Другие крупные платформы также распространяют информацию о сейсмической интенсивности либо через веб, либо через мобильные приложения, либо и то, и другое, например Yahoo Japan , ^[39] Weathernews , ^[40] и мобильное приложение NERV Disaster Prevention. ^[41]

Национальный научно-исследовательский институт наук о Земле и устойчивости к стихийным бедствиям распространяет данные об инструментальной сейсмической интенсивности в реальном времени, пиковом ускорении грунта, скорости, смещении и скоростном отклике на разных частотах (0,125 Гц - 4,0 Гц) по станциям своей сети через веб-сервис под названием Strong-motion Monitor (強震モニタ). ^{[42] [43]}

Веб-сервис отображает информацию о текущих бюллетенях раннего предупреждения о землетрясениях , интенсивность в реальном времени во всех точках наблюдения в виде изображения, предполагаемое местоположение эпицентра и ожидаемое распространение волн P и S , а также прогнозируемое распределение сейсмической интенсивности, представленное в виде квадратной сетки размером 5 км. ^{[42] [43]}

Различные другие компании также предоставляют доступ к Strong-motion Monitor через свои собственные платформы, например Yahoo Japan через веб-приложение ^[44] и Gehirn Inc через свое мобильное приложение «NERV Disaster Prevention». ^[45]

Административные органы получают информацию о сейсмической интенсивности от JMA и других источников и используют эту информацию в качестве критерия для принятия решения о первоначальных действиях, которые необходимо предпринять сразу после землетрясения. Как правило, при интенсивности от 4 до 5 баллов или выше Национальное полицейское агентство и Агентство по борьбе со стихийными бедствиями и пожарами (через линию префектурных полицейских управлений с полицейскими участками и префектурных пожарных и отделов по борьбе со стихийными бедствиями с пожарными управлениями) начинают расследование. Если интенсивность достигает 5 баллов или выше, Береговая охрана Японии и Министерство обороны проводят оценку ущерба. ^[46] В частности, отправляются вертолеты из региональных отделений Береговой охраны, которые зафиксировали максимальную интенсивность, истребители, поднятые по тревоге эскадрильями Воздушных сил самообороны ^[b] , и морские патрульные самолеты, развернутые Морскими силами самообороны , и экипажи проводят визуальные осмотры. Кроме того, если интенсивность достигает 4 баллов или выше, Кабинет министров оценивает ущерб от землетрясения. Когда в 23 округах Токио регистрируется интенсивность 5+ или 6− или выше в других районах, Группа экстренного реагирования канцелярии премьер-министра созывает экстренное совещание. ^[46]

С октября 2007 года JMA внедрила систему раннего оповещения о землетрясениях для широкой общественности. Эта система выдает предупреждения, когда предполагаемая максимальная интенсивность составляет 5− или больше, нацеливаясь на регионы, где ожидается интенсивность 4 или больше. Для продвинутых пользователей критерии включают наблюдения ускорений грунта более 100 галлонов, предполагаемую магнитуду 3,5 или больше и предполагаемую максимальную интенсивность 3 или больше. ^{[30] [48]}

В то время как текущая шкала интенсивности подчеркивается для очень коротких периодов (от 0,1 до 1 секунды), которые соответствуют человеческому восприятию, повреждение зданий часто связано с периодами от 1 до 2 секунд. Было высказано предположение, что для более высоких уровней интенсивности расчет интенсивности на основе упругой реакции скорости в течение 1–2 секунд более тесно коррелирует с повреждением здания и сохраняет преемственность со шкалой сейсмической интенсивности до 1996 года, полученной из наблюдаемых повреждений. ^[49]

Кроме того, в отличие от традиционных макросейсмических шкал, современная шкала JMA определяет интенсивность с использованием инструментальных данных о движении грунта, а не наблюдаемых эффектов. В статье Муссона и др. утверждается, что эта зависимость отдалила шкалу от первоначальной цели макросейсмологии: описывать человеческие и структурные воздействия землетрясений. ^[16] Зависимость шкалы JMA от японских параметров движения грунта и ее уникальных подразделений также делает ее менее подходящей для международных сравнений с другими шкалами, что создает проблемы при использовании за пределами Японии. ^[50]

На Тайване используется шкала сейсмической интенсивности, похожая на японскую, известную как шкала сейсмической интенсивности Центрального метеорологического управления . ^[51] До этого на Тайване была принята шкала, идентичная японской системе до сентября 1996 года, которая была введена 1 августа 2000 года. Однако эта более ранняя шкала не включала подразделение уровней интенсивности 5 и 6 на «верхние» и «нижние» категории, которые были введены позже в Японии. ^[52]

В Южной Корее в прошлом использовалась шкала сейсмической интенсивности, смоделированная по образцу Японии, но с 2001 года страна перешла на модифицированную шкалу интенсивности Меркалли . ^[53]

• Сейсмостойкое строительство
• Японский координационный комитет по прогнозированию землетрясений
• Список землетрясений в Японии
• Атомная энергетика в Японии (раздел сейсмичности)
• Шкалы сейсмической интенсивности
• Шкалы сейсмической магнитуды

• 震度の活用と震度階級の変遷等に関する参考資料 [ Справочные материалы по использованию сейсмической интенсивности и переходу классов сейсмической интенсивности ] (PDF) (на японском языке), Японское метеорологическое агентство , 2009 г., заархивировано (PDF) из оригинала 17 декабря 2024 г. , получено 20 декабря 2024 г.
• Musson, Roger MW; Grünthal, Gottfried; Stucchi, Max (2010-04-01). "Сравнение шкал макросейсмической интенсивности". Journal of Seismology . 14 (2): 413– 428. doi :10.1007/s10950-009-9172-0. ISSN  1573-157X . Получено 21 декабря 2024 г. – через HAL.
• Ишибаши, К. (2004-12-25). «Состояние исторической сейсмологии в Японии». Annals of Geophysics . 47 ( 2–3 ). doi : 10.4401/ag-3305 . ISSN  2037-416X.
• 福井地震50周年特集 震度の歴史と福井地震 [ Специальный выпуск к 50-летию землетрясения Фукуи: История масштабов сейсмической интенсивности и землетрясения Фукуи ] (PDF) (на японском языке), Сейсмологическое общество Японии , стр.  4–5 , получено 19 декабря 2024 г.
• Землетрясения и цунами — наблюдение и смягчение последствий стихийных бедствий (PDF) , Японское метеорологическое агентство , март 2023 г. , получено 28.12.2024

• Недавние землетрясения в Японии, перечисленные по времени возникновения с указанием мест, магнитуды и максимальной интенсивности. Щелкните по времени возникновения, чтобы увидеть карту, показывающую пострадавшие районы; щелкните по пострадавшему району на карте, чтобы увидеть более локализованную карту толчков, показывающую распределение интенсивности (на английском языке).
• Шкала сейсмической интенсивности JMA с подробным описанием (на английском языке).