地震预测与概率

http://bbs.sxcm.net/viewthread.php?tid=57652 众所周知，大气环流是个混沌系统，而混沌是这个宇宙的常态。这是因为，按照量子力学 的说法，自然界处于混沌状态时的能级最低，于是它总是自发的趋于混沌。地质运动也是 混沌系统，对初值极端敏感，一个微小的扰动有可能使本来几十数百年后的地震提前到下 周甚至今晚。仿照蝴蝶效应的格式，如果说南美洲雨林里一只蝴蝶挥动翅膀导致了下个月 万里之外的缅甸强热带风暴，那我们同样可以假说5月1号某个青年在北京家乐福跺了一脚 从而引发了5月12号两千公里以外的的四川大地震。 洛伦兹通过研究，得出了一个令人齿冷的结论：长期准确的天气预报根本无法实现。这对 于人类好容易树立起来的自信心是个残酷的打击，颠覆了牛逼顿爵士一手缔造后来又被科 学巨擘拉普拉斯推上极致的机械决定论思想。我们曾幻想凭借自身努力就能得到与大自然 平等对话的权利，我们甚至一度自诩能战天斗地，“敢教日月换新天”。伟大的人类之光 牛顿拨开了科学的迷雾，大家以为从此就一片光明了，岂料造物主他老人家正在更深更黑 的迷雾中狞笑，人类只能看到他冰冷的白牙在黑暗中若隐若现。 长期的天气预报为何不能实现？事实上，自然界的研究对象可分为两类：线性系统和非线 性系统。后者占压倒性的比例，而且可以说线性系统不过是非线性系统的近似。线性系统 可以预测，通过解微分方程可以得到全部解析解并且不存在奇点；非线性系统情况复杂， 列出的非线性微分方程只能借助计算机用数值解法近似求解，发展下去将会引发混沌。李 雅普诺夫定量分析后发现，两次只是初值不同的混沌运动，它们以后的差别将随时间按指 数规律增大，根本无法预测。而且它的形成条件极其简单。比如，两体问题很容易，用简 单的引力知识就能解决，但是只增加了一个体变成“三体问题”就立刻复杂无比，以至于 触发混沌。由此可想而知影响因素极端庞杂的天气系统和地理系统。 可见，地理系统是非线性系统；地质活动是混沌活动，所以，我要提出一个说法：地震不 可能预测！ 不仅现在不能预测，再过多少年也一样。研究只能让我们更多的了解地震和地质活动，准 确的预测却永远办不到。这并非科学家无能，也不是人类智力不够发达，实在是因为自然 规律如此，谁也无可奈何。科学的威力仅仅限于发现未知的规律，然后更好的认识世界而 不是改变世界。何况上天容易入地难，人类对月球和火星表面的了解比地壳和南极冰盖多 得多。我国能发射无数神舟飞船，也能送上无数宇航员，却依然对地下几公里的深度无可 奈何。天气预报的技术如今非常成熟，有遍布全球的气象卫星和地面观测站，还有世界上 最快的超级计算机分析数据。即便是这样，也只对48小时内的预报有一定把握，在这之后 的预报基本等同瞎蒙。两眼一抹黑的地震预测是个什么德性也就可想而知了。 如果非要说地震能够预测，也只是建立在概率基础上的预测。而预测准确的概率极端低下 ，可能永远不准。这就如同中彩票只具有理论上的可能性，许多人几辈子也中不上大奖。 中国境内每年要经历数千次大小地震，对四川一地来说可能只有几次。这几次地震的发生 在数学上有个说法，叫做“泊松流”，属于随机过程的研究领域。而且由于地震的偶发性 ，它只是个强度很弱的泊松流。泊松流的数学意义是“随着时间推移迟早会重复出现的事 件”。从字面上就能看出，这个叙述充满了不确定性：“随着时间推移”、“迟早”，没 有一句有谱的。事实也的确如此，泊松分布是个无法预测的分布，只在海量数据面前才具 有统计学上的意义。 历史上应用泊松分布最著名的例子发生在二战：美军发动“王八计划”在诺曼底强行登陆 ，作战部队在加莱滩头遭到德军炮弹如同外科手术般的精准狙击。加之希特勒宣称研制出 了导弹，美军统帅部陷入了深深的忧虑，害怕德军真的掌握了导弹技术，部队将面临重大 伤亡，甚至导致诺曼底登陆夭折。科学，是科学在这个关键时刻发挥了关键作用，几个数 学家研究了德军弹着点后一拍大腿“我操，这他妈不是泊松分布么！”（当然他们是用英 语说的）。然后对美军司令拍胸脯打包票说你们尽管登陆，德国要是再打中你们我就去抽 丫泊松。果不其然，随后的行动证明了德军根本没有导弹技术，之前的命中只是运气好。 几个书呆子用一点知识就缩短了战争进程，避免了至少几百万军人和平民的无谓牺牲。 这是个说明泊松流不能预测的经典例子，地震预报的问题与之类似。不过我也能料到，一 定还有人要跟我扳杠，非得说地震可以预测。他们会用几个预测成功的例子反驳我，并摆 出一副“事实胜于雄辩”的操性样儿。其中最有力的一个证据发生在唐山：青龙镇采纳了 地震预报并迅速做出反应，成功避免了伤亡。这件事最近被翻出来老调重弹，意在说明地 震局的无能和政府的不作为，甚至凤凰卫视都作了一期人物专访。你们都知道我对政府没 什么好感，但就这件事而言我觉得政府被冤枉了。我也知道很多人因为恨透了CCTV丧尽天 良而走向另一个极端，无比迷信凤凰卫视的客观公正和权威。多说无益，我决定用数字来 说话，请看一道数学题： 假设当6级以上破坏性地震（小地震有益无害，所以我们只考虑大地震）确实发生时预报有 地震的概率为0.8（即80%，我们姑且把这个概率定高些以示预报的准确，实际上根本没这 么准）；设当地震未发生时预报没有地震的概率也为0.8（理由同上）。现在利用这个预报 手段对某个地区进行观测，根据历史资料知道该地区一年内发生有震感地震的概率为百分 之一（这符合我国的平均水平，许多大地震都至少是百年一遇的）。现在来求当预报将要 地震时，地震确实发生的概率。 解：用A表示事件“预报有地震”，用B表示事件“地震确实发生了”。已知有 P (A|B)=0.8，P (A|B)=0.8（表示“取反”。本应用上划线，由于数学公式显示的问题， 此处用下划线代替），P(B)=0.01。要求P(B|A) 这个问题很简单，利用贝耶斯公式直接可得： P(B|A)= 0.8×0.01/(0.8×0.01+0.2×0.99)=0.039 可见，地震预报的准确率只有不到4%，这还是建立在80%这样高精度假设的基础上，实际情 况更加悲观。估计有许多人会对这个结果产生恐惧并因此觉得难以置信，这可以理解，因 为不少人都没有起码的概率知识，宁肯彻夜不眠的画双色球号码分布图，也不会看一本基 础的概率论教材。我只对这个结果作简要的说明：这实际上是个“先验概率”和“后验概 率”的问题，那些预报成功的例子属于“后验概率”，等地震发生了再来炫耀预测的准确 性，却不说那些大量预测错误的例子。民间管这个叫做“马后炮”、“事后诸葛亮”。 但是还有人会不服，说你算个什么东西，国家地震局在20号之前发布了地震预报，这又是 为什么？难道地震局专家的水平还不如你么？对于这个问题，我觉得其中的政治意味远大 于科学意味。512惨案发生后，大量不明真相的群众愤怒了，说麻痹的地震局是干嘛吃的， 癞蛤蟆都比地震专家管用！养专家还不如养条狗！地震局顿时被千夫所指，成了一切矛盾 的核心，可想而知那些书呆子承受了多么大的压力，百口莫辩，勉力发出一点辩护的声音 立刻就被更大的谩骂覆盖：麻痹的还敢反驳！加之汶川周边余震不断，绵延1周多，大有没 结没完的架势。神经过敏的地震局专家们决定亡羊补牢，预测一个给老百姓看看，以示自 己并非不作为。所以这次的预报很有些宁肯错杀一千不能放过一个的意思，稍微有点怀疑 就赶紧报了。老百姓口耳相传，结果20号当晚的四川“今夜无人入睡”。坏就坏在预期的 地震并没有发生，这本没有什么奇怪，预报准了才是怪事。但是人民们又受不了了，开始 新一轮的口诛笔伐，有诗为证： 比地震可怕的是余震 比余震可怕的是预报余震 比预报余震更可怕的是预报了余震却一直不震 近期成都人民生活状况：震不死人晃死人，晃不死人吓死人，吓不死人困死人，困不死人 累死人，累不死人跑死人。 上联：早也跑晚也跑 一天到黑都在跑， 下联：跑得脱跑不脱 跑来跑去命耍脱？ 横批：安心睡觉 …… 天底下真是再也没有比地震局更倒霉的了。 既然是研究性文章，我就要考虑到最坏的情况，有人肯定会抛出最后的杀手锏来反驳我： 就算你说的有道理，但是人不能预测，动物却可以预测地震！可爱的狗狗猫猫们比人厉害 多了！宠物就是比人管用！看你丫还敢说我们宠物主人的不好！！ 对于这个问题，美国地质调查局早就注意到了，他们做了长期不懈的观察和研究，囊括了 各种各样的动物。结论是，没有证据表明动物能够预测地震。事实上，稍微分析一下就能 做出正确的判断：动物没有必要进化出预测地震的机制。首先，地震对动物的威胁远没有 对人类的严重，绝大部分伤亡人群都是因为建筑物的坍塌，而动物是无房户，地震对露天 的它们威胁不大。即便是穴居动物比如老鼠，它们的身体都很细小，但凡有一点微小空间 就能逃生；四肢短促，体格浑圆光滑，很难被直接压到肢体。而且它们的地穴大多是土壤 类而甚少岩层，松软的土壤对于擅长挖掘的它们能有多大阻碍呢？其次，地震是个小概率 事件，几百年也难得发生一次，何况动物的寿命普遍短促，在短暂的生命历程中遇到大地 震的机会微乎其微。它们没有必要为了这么不靠谱的事情有备无患的进化出本能。这也不 符合进化论自然选择的理论。大自然的精巧就在于处处发展的恰到好处，坚决避免无谓的 浪费。 我说地震不能预测，并非说不要预测，要不然日本美国成天都在干嘛。对于地震的研究还 是极有必要的，但是这种预测只局限于监测板块活动，推测出某地日后若干年内有无地震 的风险，以便政府决策。但是准确的预测出某时某刻在某地会有多大的地震，这是永远也 办不到的！外星人也没戏。