江西省測(cè)震站網(wǎng)地震預(yù)警能力評(píng)估初步研究＊

余 思 唐婷婷

（江西省地震局，南昌 330039）

引言

我國(guó)地震特點(diǎn)是頻度高、強(qiáng)度大、分布廣、災(zāi)害重。2008年5月12日汶川地震、2010年4月14日玉樹(shù)地震、2014年8月3日魯?shù)榈卣鸬葟?qiáng)震發(fā)生后，暴露出減災(zāi)手段不足、公共服務(wù)水平較低、震后應(yīng)急指揮信息缺乏等問(wèn)題，對(duì)烈度速報(bào)與預(yù)警信息服務(wù)的需求更為迫切。

國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程2018年6月正式獲得國(guó)家發(fā)改委批復(fù)，是由中國(guó)地震局承建的國(guó)家“十三五”重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，主要應(yīng)用地震儀、強(qiáng)震儀和烈度計(jì)等觀測(cè)技術(shù)，合理布局觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合現(xiàn)代通信、數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布技術(shù)建成地震預(yù)警和烈度速報(bào)系統(tǒng)。江西省地震烈度速報(bào)與預(yù)警是其子項(xiàng)，項(xiàng)目建設(shè)臺(tái)站135個(gè)、省級(jí)中心1個(gè)、服務(wù)終端10個(gè)；總建筑面積 579.70 m2，其中新建 318.00 m2，改造261.70 m2；購(gòu)置設(shè)備 1124 臺(tái)（套）。主要建設(shè)內(nèi)容包括臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)、技術(shù)支持與保障系統(tǒng)。

地震預(yù)報(bào)與地震預(yù)警有本質(zhì)區(qū)別，地震預(yù)報(bào)是指在地震發(fā)生前，對(duì)未來(lái)地震發(fā)生的震級(jí)、時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)，并及時(shí)公布于眾，讓預(yù)測(cè)受災(zāi)區(qū)人們做好預(yù)防工作，以減少人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失。地震預(yù)警是地震發(fā)生后，對(duì)即將到來(lái)的破壞性地震動(dòng)進(jìn)行預(yù)測(cè)和報(bào)警。烈度速報(bào)是地震觀測(cè)數(shù)據(jù)快速測(cè)定和報(bào)送地震烈度的過(guò)程。

地震預(yù)警系統(tǒng)構(gòu)想是由美國(guó)Cooper博士在1868年提出的：在當(dāng)時(shí)地震活動(dòng)強(qiáng)烈、距離舊金山100 km的Hollister地區(qū)布設(shè)地震監(jiān)測(cè)裝置，利用電磁波傳播速度遠(yuǎn)大于地震動(dòng)傳播速度的原理，在地震波到達(dá)之前敲響市政大樓上的大鐘，發(fā)出地震警報(bào)。地震預(yù)警系統(tǒng)（Earthquake Early Warning system，EEWs）基本思想是利用布設(shè)在預(yù)警目標(biāo)區(qū)或潛在震源區(qū)的地震臺(tái)或強(qiáng)震臺(tái)網(wǎng)以及實(shí)時(shí)通信傳輸線路對(duì)地震進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，利用地震P波傳播速度大于破壞性S波和面波，以及電磁波傳播速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于地震波波速的原理，在盡可能短的時(shí)間內(nèi)確定地震基本參數(shù)（震源位置、發(fā)震時(shí)刻、地震震級(jí)）或者直接估算預(yù)警目標(biāo)區(qū)地震動(dòng)和破壞程度，在破壞地震動(dòng)到達(dá)預(yù)警目標(biāo)區(qū)之前發(fā)出地震警報(bào)并啟動(dòng)地震應(yīng)急控制系統(tǒng)。

目前已經(jīng)有多個(gè)國(guó)家和地區(qū)建立了地震預(yù)警系統(tǒng)，如墨西哥 SAS（Seismic Alarm System）系統(tǒng)[1]，日本鐵路 UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）系統(tǒng)[2]，日本緊急地震速報(bào)系統(tǒng)，美國(guó)Elarms系統(tǒng)[3-5]，土耳其 IERREWS（Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning System）系統(tǒng)以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的地震信息快速發(fā)布（Taiwan Rapid Earthquake Information Release System，TREIRS 或 RTD）系統(tǒng)[6-7]等，均取得明顯成效。

我國(guó)大陸在地震預(yù)警方面也不斷的進(jìn)行探索，也有不少收獲，如1994年廣東大亞灣核電地震預(yù)警系統(tǒng)，2001年石化企業(yè)地震預(yù)警系統(tǒng)[8]，高速鐵路也開(kāi)展了相關(guān)研究[9]。

1 江西省測(cè)震站網(wǎng)規(guī)劃

江西省測(cè)震站網(wǎng)根據(jù)國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目江西子項(xiàng)目，改建25個(gè)基準(zhǔn)站，新、改建58個(gè)基本站，新建52個(gè)一般站，總共135個(gè)，省級(jí)終端1個(gè)，服務(wù)終端10個(gè)。江西省共計(jì)有100個(gè)區(qū)、縣行政區(qū)，其中79個(gè)區(qū)縣至少設(shè)有1個(gè)基準(zhǔn)站或基本站。新建基本站考慮歷史地震、斷裂構(gòu)造發(fā)育、潛在震源分布等因素，盡最大可能覆蓋全部區(qū)縣，由于站點(diǎn)的總數(shù)較少，未能達(dá)到全部區(qū)縣至少有1個(gè)基準(zhǔn)站或基本站的要求，但是滿足每個(gè)縣/區(qū)至少有一個(gè)臺(tái)站（基準(zhǔn)站/基本站/一般站），圖1為3類(lèi)臺(tái)站分布圖。

圖1 江西省測(cè)震站網(wǎng)規(guī)劃分布圖Fig.1 Distribution of seismic stations in Jiangxi Province

基準(zhǔn)站安裝地震儀、強(qiáng)震儀。建設(shè)地點(diǎn)：地震活動(dòng)性較強(qiáng)的主要斷裂帶附近。主要功能：預(yù)警的核心臺(tái)站。主要特點(diǎn)：儀器靈敏度、儀器價(jià)格、場(chǎng)址要求、建設(shè)成本高。

基本站安裝強(qiáng)震儀。建設(shè)地點(diǎn)：全國(guó)縣級(jí)及以上行政單元。主要功能：烈度速報(bào)的核心臺(tái)站、輔助開(kāi)展預(yù)警。主要特點(diǎn)：儀器靈敏度、儀器價(jià)格、場(chǎng)址要求、建設(shè)成本較高。

一般站，建設(shè)地點(diǎn)：主要布設(shè)在重點(diǎn)地區(qū)鄉(xiāng)級(jí)行政單元。主要功能：烈度速報(bào)的骨干臺(tái)站、輔助開(kāi)展預(yù)警。主要特點(diǎn)：儀器靈敏度不高，儀器價(jià)格、場(chǎng)址要求、建設(shè)成本低。

圖2為統(tǒng)計(jì)的不同臺(tái)站之間的間距。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果可看出，各類(lèi)臺(tái)站平臺(tái)間距符合國(guó)家烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目建議書(shū)中對(duì)臺(tái)站功能的要求，其中基準(zhǔn)+基本臺(tái)站平均間距為29 km。

圖2 江西省不同臺(tái)站臺(tái)間距臺(tái)站數(shù)統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics on the stations with different station spacing in Jiangxi Province

2 地震監(jiān)測(cè)能力評(píng)估

2.1 地震監(jiān)測(cè)能力評(píng)估方法

測(cè)震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力主要取決于地震臺(tái)基、觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)靈敏度、儀器動(dòng)態(tài)范圍、臺(tái)網(wǎng)密度及臺(tái)站布局等因素[10]。目前計(jì)算地震臺(tái)網(wǎng)監(jiān)測(cè)能力較常用的方法是：依據(jù)測(cè)震臺(tái)站臺(tái)基背景振動(dòng)噪聲觀測(cè)值確定可觀測(cè)地震事件振幅值，并依據(jù)近震震級(jí)計(jì)算公式，建立震級(jí)大小和震中距的對(duì)應(yīng)關(guān)系，描述測(cè)震臺(tái)站對(duì)給定震級(jí)地震的有效監(jiān)測(cè)范圍。

依據(jù)近震震級(jí)計(jì)算公式：

式中，ML為用S波最大振幅計(jì)算的震級(jí)；Aμ為最大地動(dòng)位移，單位為 μ m ；R(?)為量規(guī)函數(shù)；S(?)為臺(tái)站校正值。Aμ取值為前述S波峰值振幅的估計(jì)值?；鶐r臺(tái)S(?)取值為0，松軟土層S(?)取值為0.3—0.6[11]，量規(guī)函數(shù)R(?)與震中距的關(guān)系見(jiàn)表1[12]。

表1 量規(guī)函數(shù)與震中距關(guān)系Table 1 Relationship between scale function R( ? )and epicenter distance

2.2 背景噪聲

對(duì)于一定大小的地震，只有當(dāng)震中距在一定范圍時(shí)，地震波到達(dá)地震臺(tái)的振幅高出臺(tái)基背景噪聲值，地震才能被臺(tái)站觀測(cè)儀器記錄下來(lái)。因此，噪聲水平?jīng)Q定了臺(tái)站能記錄到地震的下限，也決定了臺(tái)網(wǎng)的地震監(jiān)測(cè)能力。對(duì)于地震預(yù)警而言，背景噪聲影響越小，說(shuō)明從記錄數(shù)據(jù)中提取的信息越可靠。

根據(jù)（GB/T 19531.4—2004《地震臺(tái)站觀測(cè)環(huán)境技術(shù)要求》）及《國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警臺(tái)網(wǎng)工程基本站場(chǎng)址勘選技術(shù)指南》的要求，每個(gè)測(cè)點(diǎn)的記錄有效數(shù)據(jù)應(yīng)不小于24 h，數(shù)據(jù)處理統(tǒng)一采用童汪練[13]研發(fā)的軟件Noise_psd進(jìn)行噪聲計(jì)算，獲得臺(tái)站背景噪聲有效速度值（RMS）。

本文計(jì)算了25個(gè)基準(zhǔn)站的背景噪聲，并按照噪聲級(jí)別Ⅰ—Ⅴ進(jìn)行統(tǒng)計(jì)劃分（表2）?？梢钥闯?，江西基準(zhǔn)站總體噪聲水平較低，符合中國(guó)地震局關(guān)于預(yù)警地震臺(tái)站技術(shù)規(guī)范選址要求。

表2 江西臺(tái)網(wǎng)基準(zhǔn)站噪聲統(tǒng)計(jì)表Table 2 Noise statistics table of reference station of Jiangxi seismic network

2.3 監(jiān)測(cè)能力評(píng)估結(jié)果

取ML依次為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，計(jì)算各地震臺(tái)站對(duì)應(yīng)每個(gè)ML取值的監(jiān)控范圍，分別按照每3個(gè)和4個(gè)臺(tái)站監(jiān)控區(qū)域的交集作為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)控區(qū)域。相應(yīng)ML取值即為測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)該區(qū)域的地震監(jiān)測(cè)能力。江西省現(xiàn)有25個(gè)基準(zhǔn)站，在共享18個(gè)鄰省臺(tái)站后的江西測(cè)震臺(tái)網(wǎng)對(duì)全省絕大部分地區(qū)地震的監(jiān)測(cè)能力下限可達(dá)到ML2.0，局部地區(qū)可達(dá)到ML1.5（圖3 和圖4）。

圖3 江西省基準(zhǔn)站 3 臺(tái)定位監(jiān)測(cè)能力圖Fig.3 The earthquake monitoring capacity of 3 reference stations of Jiangxi Province

圖4 江西省基準(zhǔn)站 4 臺(tái)定位監(jiān)測(cè)能力圖Fig.4 The earthquake monitoring capacity of 4 reference stations of Jiangxi Province

3 地震預(yù)警能力

3.1 地震預(yù)警能力評(píng)估方法

地震預(yù)警的本質(zhì)是在一定區(qū)域范圍內(nèi)提供地震反應(yīng)應(yīng)急的時(shí)間，所以發(fā)生地震預(yù)警信息的時(shí)間直接影響地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測(cè)能力。選定以江西省所處（24°29′—30°04′N(xiāo)，113°34′—118°28′E）區(qū)域?yàn)檠芯糠秶Ｊ紫燃俣≒波速度為6.0 km/s，峰值加速度（PGA）傳播速度為 3.3 km/s，峰值位移（PGD）傳播速度為3.0 km/s；隨后以0.02°為間隔對(duì)該區(qū)域進(jìn)行均勻網(wǎng)格離散化處理，假定每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)處都發(fā)生一次地震（震源深度選定為10 km），進(jìn)而分別統(tǒng)計(jì)觸發(fā)臺(tái)站數(shù)、峰值加速度到達(dá)臺(tái)站數(shù)、峰值位移到達(dá)臺(tái)站數(shù)等與所需時(shí)間的關(guān)系[14]。第1次、第2次和第3次預(yù)警信息所需時(shí)間的地震預(yù)警能力，簡(jiǎn)稱(chēng)為地震預(yù)警第1報(bào)需要時(shí)間、第2報(bào)需要時(shí)間、第3報(bào)需要時(shí)間，其中第1報(bào)需時(shí)是地震預(yù)警的關(guān)鍵。預(yù)警信息第1次發(fā)布時(shí)至少需要有1個(gè)臺(tái)站記錄到峰值位移信息，以便于較為準(zhǔn)確的計(jì)算地震震級(jí)，第2報(bào)發(fā)布時(shí)至少需要有2個(gè)臺(tái)站記錄到峰值位移信息，第3報(bào)發(fā)布時(shí)至少需要有3個(gè)臺(tái)站記錄到峰值位移信息。依據(jù)上述統(tǒng)計(jì)關(guān)系，即可以大致估算江西地區(qū)地震預(yù)警系統(tǒng)預(yù)警信息發(fā)布時(shí)所需的時(shí)間。

3.2 預(yù)警能力評(píng)估結(jié)果

根據(jù)模擬結(jié)果，在地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，圖5—7是得到的發(fā)布預(yù)警信息時(shí)間。由圖中可看出，在江西全市第1報(bào)需時(shí)5—10 s，第2報(bào)需時(shí)10—15 s，第 3 報(bào)需時(shí) 15—18 s。其中江西省省會(huì)南昌市的地震預(yù)警能力較強(qiáng)，第1報(bào)需時(shí)、第2報(bào)需時(shí)、第3 報(bào)需時(shí)約 5—10 s。

圖5 江西省地震預(yù)警第 1 報(bào)需時(shí)Fig.5 The first earthquake warning time needed in Jiangxi Province

圖6 江西省地震預(yù)警第 2 報(bào)需時(shí)Fig.6 The second earthquake warning time needed in Jiangxi Province

圖7 江西省地震預(yù)警第 3 報(bào)需時(shí)Fig.7 The third earthquake warning time needed in Jiangxi Province

4 結(jié)論

綜上所述，可知江西省地震預(yù)警基準(zhǔn)臺(tái)網(wǎng)建成后，省內(nèi)重點(diǎn)地區(qū)地震監(jiān)測(cè)能力可達(dá)1.5級(jí)，地震監(jiān)測(cè)能力明顯增強(qiáng)，地震預(yù)警發(fā)布信息所需時(shí)間較短，江西省防震減災(zāi)能力將得到加強(qiáng)，未來(lái)可在一定程度上減少?gòu)?qiáng)烈地震造成的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失等。

致謝在本文撰寫(xiě)過(guò)程中，感謝福建省地震局張紅才老師共享計(jì)算程序！