東北地區地震大形勢預測回溯性檢驗①

曹鳳娟，王 亮，李 君，殷軼娜，楊牧萍

（1.遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110031；2.沈陽地震臺，遼寧 沈陽 110161）

0 引言

通過長期的地震預報實踐與研究，我國逐步形成了中國特色的長、中、短、臨漸進式地震預報科學思路。地震孕育具有階段性發展的特點，不同階段顯示不同特征的異常，因而有可能依據觀測到的具有階段性特征的前兆異常進行階段性預報［1］。其中應用最廣、工作最系統、積累資料最完善的是年度中期預測［2］。地震大形勢預測是我國地震工作者開創的地震預測研究中的一個重要環節，成為年度地震趨勢會商的重要組成。所謂地震大形勢，就是以大的背景概況來預測未來強震發展趨勢，即選用全區域、全國、或者全球的地震和大板塊之間的相互影響、大構造的相互作用、GPS資料等方面信息對研究區域或周邊區域進行未來1～3年的強震預測分析，為各省的年度趨勢預測提供背景依據和參考［3］。東北地震大形勢研究基于東北深淺震相關和淺震大約11年的活躍—平靜期，為東北三省的中短期地震預報提供了積極的指導作用［4－6］。然而東北地震大形勢判定也面臨許多的困難和問題，如震級估計偏高、虛報率較大等等。為了推進東北地震大形勢預測的科技進步和提高預測水平，對東北地震大形勢預測工作進行全面系統的科學總結十分必要。

本文通過回顧1998年以來東北地震大形勢研究工作的科學思路和主要內容，對支撐地震大形勢預測的方法、技術，地震大形勢預測效果和預測依據進行客觀的總結和評估分析，從而提煉有一定映震效能的判據，作為今后東北地震大形勢研究工作的參考和依據。

1 預測情況回顧

1998年以來地震大形勢預測報告在東北地區共圈定地震重點危險區8個，地震應注意地區10個（表1）。1998－2003年圈定的地震重點危險區主要集中在渤海海峽及鄰近地區；2004－2005年主要集中在遼蒙交界及其以西地區（巴林左旗—彰武）；2007－2008年主要集中在黑吉蒙交界地區；2009年以來未劃地震重點危險區，只提及了一些地震應注意地區，預測震級強度大部分在M5～6左右。預測的主要依據有地震條帶和空區、中等地震活動增強、東北淺源地震活躍期，深淺震相關、地質構造背景、地震活動性參數掃描和前兆異常等。

2 預測結果分析

2.1 預測結果

由表1可見，在1998年以來的14份東北地震大形勢預測報告中，有8個年份（1998、1999、2000、2001、2004、2005、2007和2008年）圈定了地震危險區，其余年份未圈定危險區。預測年度中第一年度的地震實況檢驗結果顯示：預測結果正確的年度報告有8份（1999、2000、2002、2004、2008、2009、2010和2011年）；不正確的有6份。其中虛報的有1998年、2001年、2005年和2007年4份，盡管這4份報告中預測的第一年度沒有發生5級以上中強震，但在接下來的一年，其中的2個年度（1999和2008年）在預測危險區附近發生了M≥5.0地震，即在1998年報告中預測渤海海峽地區有發生5～6級地震的危險，而1998年該地區沒有發生5級以上地震，但第二年在渤海海峽地震危險區附近發生了1999年11月29日岫巖5.4級地震；2007年報告中預測黑吉蒙交界地區有5～6級地震的危險，但預期的地震并沒有在2007年發生，而是在2008年6月10日即預測年度的第二年發生了阿榮旗北5.2級地震。具體情況見表2。

表1 1998年以來東北地震大形勢預測報告主要結論及依據Table 1 The main conclusion and the bases on the large scale earthquake situation forecast reports since 1998in the northeast China

表2 1998年以來東北地震大形勢預測結果檢驗Table 2 The inspection results of the large scale earthquake situation since 1998in the northeast China

2.2 結果分析

由表2可以看出，若考慮東北地震大形勢對未來1～2年的預測結果，則14個年度報告中正確的有10個，正確率為10／14≈71%。漏報的年份有2003年、2005年和2006年，占預測年份的21%，漏報的地震為2003年8月16日巴林左5.9級、2005年7月25日黑龍江林甸5.1級和2006年3月31日前郭5.0級三次地震。虛報的年度有1998年、2001年、2005年和2007年，占預測年份的29%。2001年度報告預測的震級為5～6級，但預測的1～2年度內實際發生的最大震級為ML5.1（2002年7月23日北黃海ML5.1）。2005年地震大形勢預測遼蒙交界地區未來1～3年有發生5～6級地震的危險，預測年度內遼蒙交界地區并沒有發生5級以上地震，而2006年3月31日在吉林前郭發生5.0級地震，與預測地點偏差較大。綜觀14年的東北地震大形勢研究報告，預測結果準確、虛報和漏報時的主要依據如下：

（1）預測正確時的主要判據

●東北淺源地震活躍—平靜期（地震活動周期）

●東北地區深淺震相關性

●中等地震活動集中增強

●中小地震活動圖像（空區和條帶）

（2）預測不正確（虛報）時的主要判據

●地質構造背景和歷史地震活動

●地震活動性參數掃描

●前兆異常集中

（3）預測不正確（漏報）時的主要判據

●東北淺源地震活躍—平靜期（地震活動周期）

●中小地震平靜

可見，通過以上的總結和提煉，歷年東北地震大形勢報告中經常采用的分析方法和指標主要有東北淺源地震活躍—平靜期（地震活動周期）、東北地區深淺震相關性、中等地震活動集中增強、中小地震活動圖像（空區和條帶）、地震活動性參數掃描、地質構造背景和歷史地震活動、前兆異常集中及中小地震平靜等8項。統計發現，預測報告中每年給出的異常指標數量與次年最大震級沒有明顯的關聯（圖1）。分析其原因可能是：（1）不同的人分析前兆異常的方法和提取的指標不同，造成異常的使用沒有可比性［7］；（2）每年報告里給出的異常并不是全年出現過的異常僅僅是年底寫報告時存在的依然有預報時效的異常，因此這些異?？坍嫷牟皇侨珪r空的，而是局限在某個時段的異常特征。因此地震大形勢季度跟蹤研究報告在很大程度上可充分體現前兆異常的動態時空演化，這項工作更有應用價值。此外各項指標的映震能力也不盡相同（表3）。

中小震增強與平靜由1990年以來東北地區ML≥2.0地震年頻次的均值線界定，上下浮動范圍≤20次／年（圖2）。

從表3中可直觀地看出，東北淺震活躍—平靜期和深淺震相關（即東北淺源地震活躍—平靜周期約為11年、深淺震有一定的相關性，通常淺震滯后深震1～12個月（圖3）、構造背景與歷史地震、空區和條帶以及地震活動性參數掃描在歷次M≥5.0地震前都有很好的異常顯示，直觀看映震能力都超過50%，但虛報率和漏報率體現不出來。尤其是東北淺震活躍—平靜期以及構造背景和歷史地震，這種背景性的長趨勢的異常在無震年份也依然存在，虛報率很高。另一方面，盡管中小震活動增強在7次地震中只有3次震前有異常顯示（1999年岫巖5.4級、2003年巴林左5.9級和2008年阿榮旗北5.2級），但在無震年份該項指標都很少出現異常顯示，也就是虛報率小?？梢姡卣痤A報方法的有效性顯然不能單純以一次預報的成功與否來評價，需要應用統計學理論進行檢驗和評分。當前地震系統使用較多的是許紹燮1989年提出的R值評分，其后又經許多地震學者完善［8－14］，現已成為常規的地震效能評價方法。

表3 東北地區5級地震前各指標的映震情況Table 3 The reflect earthquake situation of each indicator before M＞5earthquakes in northeast China

圖1 年度報告異常指標數量與次年最大震級Fig.1 The abnormal numbers of annual reports and maximum magnitudes in next year

圖2 1998年以來東北地區ML≥2.0地震頻次Fig.2 The seismic frequency（ML≥2.0）in northeast China since 1998

3 預報效能評價

為了更好地評估各指標的映震效能，本文采用地震系統常用的地震預報效能評估方法－R值評分和概率數理統計中的貝葉斯點估計方法［15－16］，進一步給出了各指標的報準率、虛報率和漏報率，見表4。

圖3 東北地區深震和淺震M－T圖Fig.3 The M－Tdiagrams of deep and shallow earthquakes in northeast China

表4 東北地震大形勢報告中各指標預測能力評估Table 4 Prediction capability assessment for each index in the large scale earthquake situation in northeast China

所謂貝葉斯點估計方法，就是在給定分布參數θ的先驗分布ζ（θ）的條件下的最大風險最小估計，實際上就是數理統計學中由小樣本抽樣母體分布參數的估計問題。本文只引用以下簡單公式：

其中，p為該指標有異常顯示后續有M≥5.0地震發生的概率（報準率）；q為該指標有異常顯示但后續無M≥5.0地震發生的概率（虛報率）；r為該指標無異常顯示，但后續有5級以上地震發生的概率（漏報率）。n為有震年份，m為震前有異常顯示的年份，s為有異常顯示但后續沒有地震發生的年份，t為震前無異常顯示的年份，y為無震年份。

由表4可以看出，在歷年的東北地震大形勢預測依據中，中小地震活動增強、空區和條帶以及地震活動掃數掃描等對危險區預測結果貢獻較大，特別是中等地震活動的增強是東北地區M≥5.0地震前的主要震兆之一［17－18］。進一步研究發現，這幾項指標所代表的都是與地點有關的信息。事實上，在1～3年尺度的地震大形勢預測中，時間是確定的，需要回答的問題只是地點和強度，由東北地區地震地質和歷史地震可知，東北地區的地震強度大部分在M5～6的水平，可見在地震預測三要素中，地點預測是最困難的［19］。而對地點預測有某種指示意義的上述三項指標恰恰映震能力較好，R值評分均超過0.22。

活躍—平靜期、前兆異常、構造背景以及歷史地震活動等在預測時，虛報的概率較大，二者或許對長趨勢的預測起一定的借鑒作用。分析原因主要有：（1）東北地區活躍期與平靜期二者轉換期沒有明顯的界定指標，由圖3可知東北5級以上淺震活躍期平均是11年，見表5。但1999年岫巖5.4級地震開始的第五活躍期，若按11年計算，應該到2010年結束，其實從2008年6月10日阿榮旗北5.2級地震后，東北地區再未發生5級以上地震。因此正確判斷某一地區地震活動目前所處的狀態（活躍狀態還是平靜狀態）以及活動的水平，可適當提高危險區預測的準確性，減少虛報率。比較容易的是不要將某一地區已經進入平靜狀態誤認為還是活躍狀態，此時不劃或盡可能少劃地震危險區，對應率就能提高，如2009年以來東北地區開始沒劃危險區，地震實況表明近三年東北地震大形勢無震的預測結果是正確的。（2）有些前兆異常對應的不是危險區而是鄰區或外區的地震，如遼西地區的前兆異常（朝陽傾斜等）在華北一些5級以上地震前也可能有部分異常顯示［20］。（3）不同的人分析前兆異常的方法和提取的指標不同。

表5 東北M≥5.0地震平靜—活躍期Table 5 The quiet periods and active periods of M≥5.0 earthquakes in northeast China

4 認識與討論

（1）1998年以來東北地震大形勢所劃的8個地震危險區主要集中在渤海海峽及鄰近地區（4次）、遼蒙交界地區（2次）、黑吉林蒙交界地區（2次）。地質構造背景和地震活動實況也表明上述三個地區及鄰區為東北中強震的主體活動地區，歷年報告對東北危險區的把握較好，東北地震大形勢第一年度趨勢預測準確率為57%，1～2年度預測準確率為71%。

（2）東北地震大形勢預測判據主要有8項，其中中小地震活動增強、空區和條帶以及地震活動性參數掃描等3項地震學指標可靠性較高，R值評分均大于0.22。統計結果顯示預測報告中每年給出的異常指標數量與次年最大震級沒有明顯關聯，但中強震前中小地震活動增強是東北地區地震活動的主要特征之一?；钴S—平靜期、構造背景以及歷史地震活動等在預測時，虛報的概率較大，二者或許對長趨勢的預測起一定的借鑒作用。正確判斷東北地區地震活動目前所處的狀態（活躍狀態還是平靜狀態）以及活躍—平靜期轉換的界定指標，可適當提高危險區預測的準確性，減少虛報率。

（3）報告中缺乏基于地球物理場動態觀測資料的大震中期預測判據，歷年來判定地震趨勢的判據仍然主要是對地震活動統計分析和類比，歸納的多，演繹的少。少量地球物理動態觀測資料例如GPS等資料積累時間較短，時空分辨率、覆蓋面都不足。

（4）通過對1998年以來東北地震大形勢的回顧與總結，從中發現目前1～3年地震形勢的預測分析以統計性、定性判定依據為主，主要基于震例資料的統計和定性對比分析，反映大地震孕育和發生物理過程的資料非常有限。地震大形勢的分析與研究是地震短臨預測的基礎，它主要依靠地震本身，也就是在一定地域范圍內地震括動在時問進程上所處的狀態—平靜或活躍，因此預測意見主要針對處于平均地震活動水平的趨勢的判定，對偏離平均水平情況時的把握很低。

總之，基于現有資料基礎和認識水平，難以根本改變目前地震大形勢預測的分析方法和水平，今后應在努力提高統計分析嚴謹性的同時，盡可能多地獲得并采用多學科觀測資料，在不斷總結經驗的基礎上，加強基礎觀測的研究，從地球物理場動態變化的角度來分析地震趨勢的發展。

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