美國地震監(jiān)測現(xiàn)狀綜述

呂帥，房立華，任華育，等.美國地震監(jiān)測現(xiàn)狀綜述［J］.地震工程學(xué)報，2024，46（2）：431448.DOI：10.20000j.10000844.20230802001

摘要：

美國的地震監(jiān)測工作起步較早，在臺網(wǎng)設(shè)計、設(shè)備研制、軟件研發(fā)、標準制定、數(shù)據(jù)管理和新技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。近年來，隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，以及強震動觀測、地震預(yù)警和大規(guī)模流動臺陣等項目的推進，美國的地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品實現(xiàn)了從單一向多元化、定制化的跨越。我國的地震監(jiān)測工作雖起步較晚，但隨著國家地震烈度速報與預(yù)警、“一帶一路”地震監(jiān)測臺網(wǎng)和中國地震科學(xué)實驗場等一系列重大項目的實施，地震站網(wǎng)密度、監(jiān)測預(yù)警能力、地震數(shù)據(jù)智能處理、服務(wù)水平和新技術(shù)應(yīng)用等方面都取得了跨越式發(fā)展。為更好地了解國際地震監(jiān)測現(xiàn)狀，文章從地震監(jiān)測架構(gòu)、地震臺網(wǎng)布局、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地震預(yù)警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品五個方面介紹了美國的地震監(jiān)測工作進展，并與我國地震監(jiān)測進行對比分析，可為我國地震監(jiān)測預(yù)警事業(yè)規(guī)劃和發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：

美國地震監(jiān)測;區(qū)域地震臺網(wǎng);地震預(yù)警;地震數(shù)據(jù)處理

中圖分類號：P315.65文獻標志碼：A文章編號：10000844（2024）02-0431-18

DOI：10.20000j.10000844.20230802001

0引言

美國地震監(jiān)測工作起源于十九世紀末［1］，早期美國國家基金委（NationalScienceFoundation，NSF）、美國地質(zhì)調(diào)查局（U.S.GeologicalSurvey，USGS）、州政府和高校等機構(gòu)基于不同觀測需求，陸續(xù)在各州建立了區(qū)域地震臺網(wǎng)（RegionalSeismicNetwork，RSN）。1980年的一項統(tǒng)計顯示，全美共有47個地方政府運營的RSN和28個學(xué)術(shù)機構(gòu)運營的RSN［2］。為緩解RSN在資金和運營方面遇到的問題，協(xié)調(diào)RSN與國家中心之間的關(guān)系，USGS在1991—1993年多次討論組建RSN聯(lián)盟，并逐漸形成了美國先進國家地震系統(tǒng)（AdvancedNationalSeismicSystem，ANSS）的雛形。2000年美國國會正式授權(quán)建立ANSS［3］，協(xié)調(diào)全美地震監(jiān)測工作。

作為當今世界第一大經(jīng)濟體和科技強國，美國在地震臺網(wǎng)建設(shè)、觀測儀器研制、地震數(shù)據(jù)處理、地震數(shù)據(jù)共享、地震預(yù)警建設(shè)等方面仍處于領(lǐng)先位置（注：本文提及的地震監(jiān)測主要是指利用不同頻帶的地震儀器監(jiān)測地震事件，確定震源參數(shù)，不包括大地測量和前兆等其他觀測手段）。加利福尼亞州1887年建設(shè)了美國第一個地震臺網(wǎng)［4］，現(xiàn)已逐漸發(fā)展成一個大型區(qū)域綜合地震系統(tǒng)。除了傳統(tǒng)的地震觀測臺網(wǎng)外，美國建立了阿拉斯加火山觀測臺網(wǎng)（AlaskaVolcanoObservatory，AVO），對該地區(qū)32座活火山進行觀測，積累了大量伴隨巖漿噴發(fā)的地震活動數(shù)據(jù)［5］。美國先進國家地震系統(tǒng)（ANSS）于2000年由美國國會批準成立，協(xié)調(diào)和加強美國各地獨立運作的RSN之間的合作，規(guī)范地震監(jiān)測結(jié)構(gòu)以及對RSN提供合法的資助［6］。2003年美國完成全球地震臺網(wǎng)（GlobalSeismicNetwork，GSN）建設(shè)，地震監(jiān)測能力覆蓋全球［7］。美國開源地震處理軟件Earthworm［8］除在美國本土RSN應(yīng)用外，還被希臘、土耳其、意大利和澳大利亞等國家使用，其附帶的絕對定位程序Hypoinverse［9］也被廣泛應(yīng)用在地震定位領(lǐng)域。美國地震學(xué)研究聯(lián)合會（IncorporatedResearchInstitutionsforSeismology，IRIS）由100多所美國大學(xué)組成，IRIS數(shù)據(jù)中心（IRISDataManagementCenter，IRISDMC）是全球最大的地震數(shù)據(jù)中心［10］。USGS從2006年開始以加利福尼亞州為試點實施地震預(yù)警項目ShakeAlert，2016年推出ShakeAlert1.0版本，2019年推出ShakeAlert2.0版本，并開始向美國西海岸地區(qū)的用戶提供地震預(yù)警服務(wù)［11］。

我國地震觀測臺網(wǎng)經(jīng)“十五”項目改造后，已全面建成數(shù)字地震觀測臺網(wǎng)。近年，隨著中國地震背景場探測項目、國家地震烈度速報與預(yù)警工程、“一帶一路”地震監(jiān)測臺網(wǎng)、中國地震科學(xué)實驗場等項目地持續(xù)推進，我國建立了更加全面高效的地震觀測網(wǎng)和數(shù)據(jù)匯集、處理、歸檔和應(yīng)用技術(shù)系統(tǒng)。中美兩國在地震業(yè)務(wù)的管理機制、地震臺網(wǎng)建設(shè)、信息處理和發(fā)布及預(yù)警項目建設(shè)等方面既有相似之處又有差別。本文從地震監(jiān)測架構(gòu)、地震臺網(wǎng)布局、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、地震預(yù)警系統(tǒng)和數(shù)據(jù)產(chǎn)品五個方面介紹了近年美國地震監(jiān)測工作進展，對于了解美國地震監(jiān)測現(xiàn)狀，升級優(yōu)化我國的地震監(jiān)測設(shè)施，研發(fā)地震數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，以及推進重大項目實施都具有重要參考意義。

1美國地震監(jiān)測架構(gòu)

美國先進國家地震系統(tǒng)（ANSS）隸屬于美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS），成立之初的目標是“組建現(xiàn)代、標準和穩(wěn)定的國家、地區(qū)及城市地震監(jiān)測系統(tǒng)”［3］。ANSS在美國國家指導(dǎo)委員會（NationalSteeringCommittee，NSC）和國家實施委員會（NationalImplementationCommittee，NIC）的指導(dǎo)下運作，地震監(jiān)測工作由國家地震信息中心（NationalEarthquakeInformationCenter，NEIC）、納入ANSS的RSN、阿爾伯克基地震實驗室（AlbuquerqueSeismologicalLaboratory，ASL）、國家強震動項目（NationalStrongMotionProject）和ShakeAlert地震預(yù)警項目五個部分配合完成。圖1展示了ANSS的機構(gòu)組成。RSN大多源自USGS、NSF、州政府、高校和州地質(zhì)調(diào)查局中的一個或幾個機構(gòu)資助建設(shè)，由本地具體機構(gòu)負責(zé)后續(xù)運維和數(shù)據(jù)傳輸。美國本土的地震速報工作由ANSS授權(quán)的RSN和NEIC共同完成，授權(quán)的RSN負責(zé)監(jiān)測各自區(qū)域，NEIC負責(zé)授權(quán)RSN監(jiān)測范圍以外的區(qū)域。不是所有加入ANSS的RSN都被授權(quán)，例如俄勒岡大學(xué)運維的臺網(wǎng)代碼為OU的RSN只為ANSS提供地震數(shù)據(jù)，不對外發(fā)布地震速報信息［12］。NEIC作為授權(quán)RSN的輔助，對美國本土RSN監(jiān)測范圍以外的區(qū)域進行監(jiān)測，也對全球范圍內(nèi)的重大地震事件進行處置。NEIC雖然接入美國國家地震臺和GSN數(shù)據(jù)，但不直接參與地震臺站建設(shè)和維護，USGS所轄地震臺站由ASL負責(zé)運維。ANSS為NEIC核心業(yè)務(wù)和USGS消息發(fā)布建設(shè)了一套物理上獨立且完整的備份機制。

1.1NEIC與RSN

15個授權(quán)RSN［1216］分別處理本區(qū)域的地震事件，產(chǎn)出地震速報信息和后續(xù)的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。速報結(jié)果傳遞到USGS地震網(wǎng)站，通過Facebook、Twitter、電子郵件或短信對外發(fā)布，事件處理結(jié)果歸檔到ANSS綜合目錄ComCat中［1718］。

NEIC是ANSS的國家中心，作為對RSN地震監(jiān)測的補充。NEIC采取近實時人工方式處理所有重大地震事件，處理結(jié)果發(fā)送到USGS和消息分發(fā)系統(tǒng)。重大地震事件定義為洛基山脈以東（EastoftheRockies）所有M3.0及以上地震、美國其他地區(qū)M4.0及以上地震和全球范圍內(nèi)M5.0及以上地震。NEIC除14名運維人員全年24h三班倒處理地震事件外，還有專門負責(zé)實時波形采集及轉(zhuǎn)發(fā)、新處理算法和實時地震處理系統(tǒng)開發(fā)的研發(fā)人員，這些研發(fā)人員由地質(zhì)災(zāi)害科學(xué)中心（GeologicalHazardsScienceCenter，GHSC）和USGS提供技術(shù)支持，開發(fā)了NEIC大部分的實時波形采集、檢測和分發(fā)系統(tǒng)，可以快速穩(wěn)健地對系統(tǒng)進行更新迭代［12］。

RSN各區(qū)域的臺站分布和人員配置各不相同，和NEIC的合作也各不相同。對于授權(quán)的RSN，NEIC主要作為備份；對于另一些RSN，NEIC與其合作生成震源區(qū)烈度圖和矩張量等地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品。圖2展示了15個ANSS授權(quán)的RSN。NEIC與RSN的數(shù)據(jù)處理過程相互獨立，大多數(shù)情況下授權(quán)RSN會提前發(fā)布地震速報信息，如果授權(quán)RSN尚未發(fā)布，則首選NEIC信息，待授權(quán)RSN發(fā)布后再做更新。授權(quán)RSN故障時會提前告知NEIC，但NEIC應(yīng)對的措施基本保持不變。此外，美國國家海洋和大氣管理局（NationalOceanicandAtmosphericAdministration，NOAA）、海嘯預(yù)警中心（TsunamiWarningCenters，TWC）和ShakeAlert預(yù)警系統(tǒng)也會向USGS提交地震數(shù)據(jù)處理結(jié)果來提供額外的支持，并快速為用戶提供相關(guān)信息，但最終的地震信息以授權(quán)RSN和NEIC為主。這種分層結(jié)構(gòu)保障了美國地震監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)健性，但增加了復(fù)雜性［12］。

RSN在區(qū)域地震監(jiān)測中具有獨特的優(yōu)勢：（1）使用本地速度模型、適合本地的算法以及豐富的經(jīng)驗生成更加完整的地震目錄；（2）通過歷史地震活動改進本區(qū)域的地震監(jiān)測工作；（3）了解當?shù)卣腿嗣裥枨螅奖闩c當?shù)貞?yīng)急部門溝通協(xié)調(diào)。RSN可能因本地區(qū)大地震而受損，因此NEIC作為授權(quán)RSN的備份并處理較大地震。NEIC整合了來自全球的臺站，定期優(yōu)化適合準確描述大地震特征的算法，例如矩張量［19］和有限斷層檢測［20］。因此，對于MW≥6.0地震，ANSS優(yōu)先使用NEIC測定的震級。

1.2NEIC與ASL

ASL成立于1961年，是美國海岸和大地測量局地震學(xué)部的一個地震觀測站和儀器實驗室，1972年ASL與NEIC一起轉(zhuǎn)移到美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS），現(xiàn)在是地震、火山和工程辦公室地震和地磁信息處的一部分。ASL負責(zé)地震臺站和臺網(wǎng)的建設(shè)運維以及地震儀器和軟件的開發(fā)［21］，管理著許多對NEIC提供數(shù)據(jù)的核心地震臺站［22］。在GSN的152個臺站中，ASL負責(zé)運維隸屬USGS的99個［23］。NEIC與ASL在數(shù)據(jù)處理和臺站運維領(lǐng)域的分工使得他們可以專注于自己擅長的領(lǐng)域，但又彼此保持緊密協(xié)調(diào)。

2區(qū)域地震臺網(wǎng)

RSN不僅在地震研究和地震災(zāi)害領(lǐng)域發(fā)揮著獨特的作用，在宣傳教育、《全面禁止核試驗條約》監(jiān)測、海嘯監(jiān)測及地震預(yù)警等方面也發(fā)揮較大作用。從美國大陸近20年M3.0及以上歷史地震分布圖（圖3）可以看出，西海岸地區(qū)和阿拉斯加地區(qū)地震活動較頻繁。本節(jié)將對西海岸地區(qū)的RSN和阿拉斯加火山觀測臺網(wǎng)進行介紹，并簡要介紹其他領(lǐng)域RSN的應(yīng)用情況。

2.1西海岸地區(qū)

美國西海岸地區(qū)毗鄰太平洋，經(jīng)濟發(fā)達，人口密集，但地震多發(fā)，地震災(zāi)害風(fēng)險較高。該區(qū)域內(nèi)太平洋西北地震臺網(wǎng)（PacificNorthwestSeismicNetwork，PNSN）、加利福尼亞綜合地震臺網(wǎng)（CaliforniaIntegratedSeismicNetwork，CISN）和內(nèi)華達臺網(wǎng)經(jīng)常跨州合作，統(tǒng)稱為西海岸區(qū)域地震臺網(wǎng)。圖4展示了西海岸地區(qū)域地震臺網(wǎng)的臺站分布。PNSN、CISN和北內(nèi)華達（NorthernNevada，NN）是ANSS成員，除了負責(zé)本區(qū)域地震監(jiān)測外，還面向公眾提供服務(wù)，三個臺網(wǎng)都搭建了自己的網(wǎng)站，發(fā)布有關(guān)當?shù)氐卣鸹顒雍偷卣馂?zāi)害情況、數(shù)據(jù)產(chǎn)品、地震應(yīng)急措施和數(shù)據(jù)資源鏈接等［4］。

CISN由北加州地震系統(tǒng)（NorthernCaliforniaSeismicSystem，NCSS）、南加州地震臺網(wǎng)（SouthernCaliforniaSeismicNetwork，SCSN）和加州地質(zhì)調(diào)查局（CaliforniaGeologicalSurvey，CGS）三部分組成。NCSS由USGS、加州政府、加州大學(xué)伯克利分校（UniversityofCalifornia，Berkeley，UCB）、NSF、能源部和其他組織資助，由北加州地震臺網(wǎng)（NorthernCaliforniaSeismicNetwork，NCSN）和伯克利數(shù)字地震臺網(wǎng)（BerkeleyDigitalSeismicNetwork，BDSN）兩部分構(gòu)成，運營臺網(wǎng)代碼為BK、BP和NC。NCSS臺站記錄的波形數(shù)據(jù)和處理的地震目錄存儲至北加州地震數(shù)據(jù)中心（theNorthernCaliforniaEarthquakeDataCenter，NCEDC）。NCSS儀器類型包括寬頻帶地震計、加速度計、檢波器和一些地球物理傳感器（應(yīng)變、形變、水位、電磁），部分加速度計升級了NetQuake模塊。含NetQuake的加速度計安裝在接入互聯(lián)網(wǎng)的私人住宅、企業(yè)、公共建筑和學(xué)校中，M3.0及以上地震發(fā)生時，NetQuake通過WIFI連接本地網(wǎng)絡(luò)，將接收的數(shù)據(jù)傳回到USGS［24］。

SCSN由華盛頓卡耐基地震實驗室和加州理工學(xué)院運維，臺網(wǎng)代碼CI。SCSN儀器類型包括加速度計和寬頻帶地震計，數(shù)采類型為QuanterraQ330、KinemetricsBasalts、Obsidians，地震計類型有Güralp、Streckeisen、KinemetricsMiniBroadband。SCSN地震數(shù)據(jù)由南加州地震數(shù)據(jù)中心（SouthernCaliforniaEarthquakeDataCenter，SCEDC）存儲和發(fā)布，地震目錄歸檔至SCEDC和USGS綜合目錄ComCat中。SCEDC運營著存儲地震臺站設(shè)備信息和儀器響應(yīng)的臺站信息系統(tǒng)（StationInformationSystem，SIS），以用戶界面的方式向西海岸和其他RSN用戶提供地震元數(shù)據(jù)管理服務(wù)［25］。SIS通過組合底層硬件響應(yīng)來計算數(shù)據(jù)通道的響應(yīng)和增益，生成StationXML和dataless等標準地震元數(shù)據(jù)文件格式［4］。

1971年圣費南多（SanFernando）MW6.6地震發(fā)生后，CGS開始從破壞性地震中收集、存檔和分發(fā)強震動觀測數(shù)據(jù)。CGS的強震動儀器項目（CaliforniaStrongMotionInstrumentationProgram，CSMIP）需要在加利福尼亞州的醫(yī)院、橋梁和水壩等建筑物內(nèi)部及周圍安裝加速度計，測量地面運動。CGS目前已完成245座建筑物、25座水壩和80座橋梁上1320多個地震計安裝。CSMIP為地震速報、預(yù)警和ShakeMap提供實時強震動數(shù)據(jù)，所有處理過的數(shù)據(jù)可以從工程強震動數(shù)據(jù)中心（CenterforEngineeringStrongMotionData，CESMD）下載。

PNSN由華盛頓大學(xué)、俄勒岡大學(xué)和USGS資助，運營臺網(wǎng)代碼為UW和UO，儀器類型包括寬頻帶、加速度計、短周期和具有模擬遙測功能的短周期地震計。除本地數(shù)據(jù)外，PNSN接入臺網(wǎng)代碼為CC、CN、NC、BK、NN、NV、US、OO和IU的其他臺網(wǎng)數(shù)據(jù)，并將其實時傳送到UW警報中心，通過AQMS軟件進行處理。

NevadaNetwork由USGS和內(nèi)華達州政府資助，由內(nèi)華達地震實驗室（NevadaSeismologicalLaboratory，NSL）運維。NevadaNetwork分為北內(nèi)華達臺網(wǎng)（臺網(wǎng)代碼NN）和南內(nèi)華達臺網(wǎng)（臺網(wǎng)代碼SN），北內(nèi)華達臺網(wǎng)已納入ANSS。北內(nèi)華達臺網(wǎng)儀器類型包括寬頻帶、短周期、加速度和模擬遙測四類，數(shù)據(jù)通過NSL的網(wǎng)際互聯(lián)微波協(xié)議系統(tǒng)（InternetProtocolMicrowaveSystem）傳輸。NSL匯總AZ、BK、CI、LB、NC、US、UU、UW等臺網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過Antelope軟件進行實時處理和歸檔，臺站數(shù)據(jù)通過亞馬遜AWS云服務(wù)器存儲，數(shù)據(jù)產(chǎn)品發(fā)送到NEIC、ComCat以及NSL訂閱用戶（表1）。

2.2阿拉斯加地區(qū)

阿拉斯加州是美國地震最活躍的州。在過去一百年里，阿拉斯加和阿留申群島共發(fā)生了10次MW≥7.9地震，包括1964年的MW9.2阿拉斯加大地震［26］。由于阿留申群島的火山非常活躍，因此需要對阿拉斯加的火山進行實時監(jiān)測和預(yù)警。阿拉斯加地區(qū)的RSN包括阿拉斯加地震中心（AlaskaEarthquakeCenter，AEC）和阿拉斯加火山觀測臺網(wǎng)（AlaskaVolcanoObservatory，AVO），臺網(wǎng)代碼分別為AK和AV。圖5展示了阿拉斯加地區(qū)的地震臺站分布。AEC負責(zé)阿拉斯加州的地震監(jiān)測和速報發(fā)布任務(wù)，AVO負責(zé)實時監(jiān)測阿拉斯加32座活火山，處理與火山相關(guān)的地震目錄［5］。

AVO由USGS、阿拉斯加大學(xué)費爾班克斯地球物理研究所（UniversityofAlaskaFairbanksGeophysicalInstitute，UAFGI）以及阿拉斯加地球物理和地質(zhì)調(diào)查局（AlaskaDivisionofGeophysicalandGeologicalSurveys，ADGGS）資助建設(shè)，納入ANSS但不對外發(fā)布地震速報信息。AVO觀測儀器包括寬頻帶三分量地震計、短周期地震計、GPS和網(wǎng)絡(luò)攝像頭等，監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)紸VO臺網(wǎng)中心。AVO使用AQMS軟件對數(shù)據(jù)進行處理，波形數(shù)據(jù)歸檔到IRISDMC，地震編目結(jié)果歸檔到ComCat。AVO的任務(wù)是監(jiān)測32座活火山，了解火山噴發(fā)前和伴隨的地震活動，發(fā)布相關(guān)災(zāi)害告警。一旦檢測到異常的火山動蕩或噴發(fā)，AVO會使用雙重警告系統(tǒng)對地面和空中的飛機發(fā)布火山噴發(fā)、火山碎屑流、熔巖流和火山灰告警［5］。

2.3其他臺網(wǎng)

除監(jiān)測天然地震的常規(guī)RSN外，還有一些特殊用途的RSN。俄克拉荷馬州地質(zhì)調(diào)查局利用該地區(qū)永久和臨時地震臺監(jiān)測該州的誘發(fā)地震活動。研究表明，隨著油氣的開采，誘發(fā)地震活動有明顯增強的情況［14］。2009年之前，該地區(qū)M3.0及以上地震活動約為每年2次，2014年和2015年分別增加到579次和903次，達到頂峰。俄克拉荷馬州公司委員會（OklahomaCorporationCommission，OCC）從2016年實施了紅綠燈協(xié)議，限制油氣開采和廢水注入。2016年、2017年和2018年俄克拉荷馬州地震活動分別降至624次、304次和194次［14］。

加利福尼亞州洛杉磯地區(qū)的校園內(nèi)部署了一個由300個加速度計組成的密集臺網(wǎng)，覆蓋范圍為20km×24km，平均臺站間距約0.5km，主要任務(wù)是提供大震后密集采樣的強震動波形，幫助研究人員確定學(xué)校和周邊社區(qū)建筑的受損情況［27］。

由NSF資助的移動臺陣（TransportableArray，TA）從美國西海岸開始，歷經(jīng)兩年觀測后向全美其他區(qū)域流動，2017年在阿拉斯加地區(qū)完成部署。Ruppert等［26］的研究表明，TA的加入使得阿拉斯加州地震檢測閾值降低到M1.5，某些地區(qū)地震檢測閾值降低了兩個震級單位。TA項目運行期間，AEC將所有TA數(shù)據(jù)納入其標準地震分析。

美國各地的地震和火山活動區(qū)部署了用于大地測量的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS）臺站，這些GNSS臺站數(shù)據(jù)的加入有利于研究人員評估地震間的應(yīng)變積累和相關(guān)的地震危險，揭示未知的無震滑動和同震滑動，監(jiān)測火山顫動和震后變形［28］。

除了監(jiān)測地震外，RSN數(shù)據(jù)也常常應(yīng)用到監(jiān)測地下核試驗和海嘯預(yù)警方面。雖然《全面禁止核試驗條約》尚未生效，但已有184個國家簽署。Koper認為RSN開發(fā)的地震定位和檢測新技術(shù)可以直接應(yīng)用于禁止核試驗條約，能解決許多參與《全面禁止核試驗條約》監(jiān)測的科學(xué)問題［29］。

太平洋海嘯預(yù)警中心（PacificTsunamiWarningCenter，PTWC）隸屬于海嘯預(yù)警中心（TsunamiWarningCenter，TWC），核心任務(wù)是發(fā)布及時有效的太平洋海嘯預(yù)警和威脅信息。VictorSardina等通過定量模擬計算的方式得出，RSN數(shù)據(jù)的加入使得PTWC對全球MW≥5.5地震的響應(yīng)時間保持在6min左右，相比僅依靠GSN臺站，響應(yīng)時間可降低2～3min［30］。

3數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)

對于現(xiàn)代數(shù)字化地震觀測數(shù)據(jù)，地震臺網(wǎng)使用半自動或自動處理系統(tǒng)處理連續(xù)波形數(shù)據(jù)，檢測出地震事件，并對其進行定位和震級測算。NEIC和RSN使用Hydra和AQMS作為各自的地震數(shù)據(jù)自動處理系統(tǒng)，本節(jié)將分別對其進行介紹。

3.1Hydra

Hydra是USGS的Patton等于2003年設(shè)計開發(fā)的一款用于取代傳統(tǒng)地震數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的地震監(jiān)測分析軟件。Hydra從NEICEdge數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收連續(xù)實時地震波形數(shù)據(jù)后自動識別震相并檢測地震。為保證7×24h連續(xù)工作，Hydra加入了大量冗余性設(shè)計，以確保系統(tǒng)在維護、高負載、設(shè)備故障等緊急情況下依然可用［31］。

Hydra系統(tǒng)分為7個模塊，分別是：事件檢測、數(shù)據(jù)插入、數(shù)據(jù)存儲、地震事件處理、地震分析、數(shù)據(jù)輸出和系統(tǒng)冗余（圖6）。

事件檢測模塊從數(shù)據(jù)采集服務(wù)器接收實時、連續(xù)的地震波形數(shù)據(jù)，采用基于STALTA改進的HydraPicker算法進行震相拾取，接入的臺站數(shù)據(jù)根據(jù)波形質(zhì)量和人工選擇確定。震相拾取后通過全球關(guān)聯(lián)算法（GlobalAssociator，GLASS）進行震相關(guān)聯(lián)，算法原理是基于走時的反投影［31］。

數(shù)據(jù)插入模塊從事件檢測模塊獲取震相拾取結(jié)果，去重后優(yōu)先選出NEIC臺站和人工標記的震相存儲到數(shù)據(jù)庫中。該模塊還從產(chǎn)品分發(fā)層（ProductDistributionLayer，PDL）接收其他臺網(wǎng)計算的地震目錄作為補充。Hydra每天一次自動從元數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取臺站元信息，如果臺站信息缺失，拾取的波形將被丟棄［31］。

數(shù)據(jù)存儲模塊將篩選后的數(shù)據(jù)以容器的方式存到數(shù)據(jù)庫，容器內(nèi)存儲單個地震所有數(shù)據(jù)：各算法計算的最新震源位置、震級和震相到時，計算矩張量的觀測和擬合波形，計算震級的波形振幅以及地震造成的影響等［31］。

地震事件處理模塊將處理流程分為不同任務(wù)。各事件處理器先讀取任務(wù)，再從數(shù)據(jù)庫中加載完成該任務(wù)所需的事件數(shù)據(jù)，并調(diào)用相應(yīng)的處理模塊來執(zhí)行任務(wù)，最后將執(zhí)行結(jié)果寫回數(shù)據(jù)庫。不同任務(wù)可采取串行（地震定位）或并行（計算ML、mb、MWp等不同類型震級）的方式執(zhí)行［31］。

地震分析模塊提供可視化的圖形界面操作窗口供NEIC分析師使用，數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過PDL分發(fā)出去，地震目錄歸檔到ComCat系統(tǒng)［32］。

Hydra在數(shù)據(jù)處理過程中允許多個處理器參與計算，任務(wù)執(zhí)行過程中Hydra會復(fù)制數(shù)據(jù)，形成快照。這些快照可以輸入到其他Hydra系統(tǒng)執(zhí)行，在確保系統(tǒng)冗余性的同時提高吞吐量。所有地震事件結(jié)果都被發(fā)送到ComCat系統(tǒng)進行存檔，Hydra在事件檢測12周后會刪除所有與該事件有關(guān)的數(shù)據(jù)［31］。

NEIC的另一個數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是全球地震響應(yīng)即時評估系統(tǒng)（PromptAssessmentofGlobalEarthquakesforResponse，PAGER）［17］。地震發(fā)生后，PAGER以地圖的方式列出附近發(fā)生過的歷史地震，展示人口分布和震動強度，估算受災(zāi)人數(shù)，評估其潛在的社會影響。PAGER的結(jié)果會合并為一份簡明的單頁報告發(fā)布到USGS網(wǎng)站、救援人員、政府機構(gòu)和媒體手中，最新的震源位置、震級、斷層幾何形狀等在地震發(fā)生后數(shù)小時內(nèi)不斷更新。

3.2AQMS

美國絕大多數(shù)RSN采用Earthworm及其衍生軟件AQMS進行地震數(shù)據(jù)處理。Earthworm［8］采用C語言編寫，由三個消息環(huán)和眾多模塊組成。消息環(huán)本質(zhì)是一片按隊列方式存儲上游模塊計算結(jié)果的內(nèi)存緩沖區(qū)，下游模塊通過訂閱的方式獲取消息環(huán)數(shù)據(jù)。Earthworm提供多個波形處理模塊、多個震相拾取算法（pick_ew、pick_FP、coda_picker、carlstatrig）、地震動參數(shù)模塊（gmew）、近震震級算法（localmag）、子網(wǎng)重合觸發(fā)器（carlsubtrig）、事件檢測器以及拾取關(guān)聯(lián)器［33］。為了獲得精確的震源位置，還可為Earthworm配置Hypoinverse［34］或NonLinLoc［35］等地震定位模塊。Earthworm不提供圖形界面，采用文件的方式存儲和歸檔地震數(shù)據(jù)。

AQMS基于Earthworm開發(fā)，不同之處在于AQMS采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫來存儲震相、振幅、波形和事件參數(shù)。AQMS利用主備數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)系統(tǒng)冗余，客戶端Jiggle提供圖形用戶界面，方便分析師檢查震相拾取結(jié)果，修正震中位置和震級。AQMS可生成烈度圖和震源機制解，發(fā)布自動告警和通知［36］。AQMS支持Linux和Solaris操作系統(tǒng)，不支持Windows，使用商業(yè)數(shù)據(jù)庫Oracle。Hartog等［36］開發(fā)了基于PostgreSQL數(shù)據(jù)庫的AQMS，該系統(tǒng)自2018年10月1日起一直在PNSN使用。圖7展示了AQMS的數(shù)據(jù)處理流程。

Johnson介紹了地震數(shù)據(jù)處理新系統(tǒng)xQuake，它由xGraph、xVR和xQuake三層組成。xGraph層是一個自組織圖數(shù)據(jù)庫，結(jié)構(gòu)上類似于MongoDB，采用模塊化編程形式，節(jié)點可以相互通信。xVR支持流水線流程架構(gòu)，提供靈活且易于配置的前端處理，增加了類似Docker的容器。xQuake提供了震相拾取、關(guān)聯(lián)、分析接口等組件，結(jié)合了許多現(xiàn)代計算機分析方法，可以無縫集成到AQMS中，開源免費，支持Windows、Linux、Mac操作系統(tǒng)［37］。

4地震預(yù)警系統(tǒng)

1868年海沃德（Hayward）M6.8地震后，Cooper首次提出了地震預(yù)警（EarthquakeEarlyWarning，EEW）的概念，將其描述為“一個簡單自動的機械設(shè)計，使用城市外傳感器，通過電報線發(fā)出特殊的地震警報”［38］。2006年以來，USGS一直與多個機構(gòu)合作，開發(fā)地震預(yù)警系統(tǒng)ShakeAlert，該系統(tǒng)的目標是在峰值地面震動到達人們所在位置的幾秒到幾分鐘之前，發(fā)布告警信息，以便其采取保護措施［39］。ShakeAlert采取漸進式實施方式，最初的目標是為地震風(fēng)險最高的三個州（加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州）建立地震預(yù)警機制。現(xiàn)在，USGS已完成將ShakeAlert推廣到其他州的可行性研究［40］。2016年初，加利福尼亞部署了ShakeAlert1.0版本，推出手機應(yīng)用MyShake。2017年初，加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州部署了ShakeAlert1.2版本。2018年，ShakeAlert對公共基礎(chǔ)設(shè)施（火車、學(xué)校和供水系統(tǒng)等）分階段推廣。2019年，MyShake2.0在整個加利福尼亞州啟動并提供公共地震警報。2021年，谷歌在全球推出Android地震警報系統(tǒng)［11］。

4.1臺站分布

ShakeAlert預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)初期計劃部署1675個預(yù)警臺站，其中1115個部署到加利福尼亞，由加利福尼亞州綜合地震臺網(wǎng)（CISN）運營；560個部署到華盛頓州和俄勒岡州，由太平洋西北地震臺網(wǎng)（PNSN）運營。截止2023年6月CISN已完成1585個預(yù)警臺站安裝［41］（圖8）。ShakeAlert預(yù)警臺站分兩種，一種位于城區(qū)，僅部署加速度計；另一種位于郊區(qū)和野外，部署寬頻帶和加速度計。城區(qū)預(yù)警臺站間距10km，震源區(qū)預(yù)警臺站間距20km，其他地區(qū)預(yù)警臺站間距40km［38］。圖9展示了部署于郊區(qū)的預(yù)警臺站結(jié)構(gòu)。

由于實時高精度的GNSS站可以詳細記錄伴隨特大地震（Mgt;7.0）產(chǎn)生的永久地面位移，更好地確定震級和斷層破裂程度，ShakeAlert系統(tǒng)將實時位置流以GeoJSON格式通過RabbitMQ接入Earthworm，使用BEFORES［42］等算法進行計算。分布在西海岸地區(qū)的GNSS臺站共有813個，其中加利福尼亞州580個，俄勒岡州和華盛頓州233個［38］。

4.2數(shù)據(jù)處理

ShakeAlert數(shù)據(jù)處理服務(wù)器部署在西雅圖、門洛帕克、伯克利和帕薩迪納等多個地方，具備一定的冗余性。為保障系統(tǒng)安全運行，ShakeAlert服務(wù)器僅允許內(nèi)部子網(wǎng)連接，不對外開放端口。系統(tǒng)采用雙重身份驗證，一家獨立公司定期對服務(wù)器進行漏洞掃描、暴力破解、端口掃描和社會工程滲透等測試，確保服務(wù)器滿足網(wǎng)絡(luò)安全標準［43］。ShakeAlert具有三層處理架構(gòu)，分別是數(shù)據(jù)層、生產(chǎn)層和告警層（圖10）。數(shù)據(jù)層在AQMS軟件內(nèi)完成，任務(wù)是匯聚預(yù)警臺站實時地面運動數(shù)據(jù)，傳遞到生產(chǎn)層。生產(chǎn)層將實時數(shù)據(jù)流作為EarthwormTraceBuf消息傳遞到ShakeAlert，通過ShakeAlert處理單元檢測地震信號，計算地震的位置和震級，并估計由此產(chǎn)生的震動的面積和強度。警報層檢查生成的這些數(shù)據(jù)，決定是否應(yīng)發(fā)出警報，并創(chuàng)建警報產(chǎn)品。進程間所有通信均使用消息中間件ActiveMQ完成［38］。

ShakeAlert系統(tǒng)目前使用兩種獨立的算法來檢測地震。第一種算法是地震點源集成算法（EarthquakePointSourceIntegratedCode，EPIC）［44］，該算法在短時窗內(nèi)測量幾個地面運動參數(shù)，將它們關(guān)聯(lián)起來做地震定位并估計震級。EPIC采用多項檢查來區(qū)分隨機噪聲和地震震動，包括使用“濾波器組”檢測和排除遠震。第二種算法是有限斷層檢測（FinitefaultDetector，F(xiàn)inDer）［45］，原理是將地面運動觀測結(jié)果與預(yù)先計算的斷層模板進行匹配，估計斷層的質(zhì)心位置、方向和長度。FinDer提供了更完整的震源特征，但是需要更多的臺站數(shù)據(jù)和更長的時間，因此對近震不太適用。兩種算法隨著地震加劇和數(shù)據(jù)增多不斷更新。EQinfo2GM模塊使用震源機制解和地面運動預(yù)測方程來估計地震將引起的震動分布和強度。Minson等為ShakeAlert開發(fā)了三套算法處理GNSS數(shù)據(jù)的算法，分別命名為BEFORES［42］、GFAST［46］和GlarmS［47］。算法由點源算法的第一個告警觸發(fā)，基于初步計算的震源參數(shù)，使用實時大地位移測量和有關(guān)斷層幾何形狀的先驗知識對震源特征進行更新，描述斷層的方向、破裂長度和滑動分布［48］。

傳統(tǒng)計算震源參數(shù)的算法會面臨大震震級低估［49］以及信號重疊等問題［50］。即使是計算出精確的震源參數(shù)和震級，也無法準確估計地面運動信息。當較小震級的地震產(chǎn)生比預(yù)期更強烈的震動時，EEW系統(tǒng)有可能漏報［51］。Hoshiba等［52］提出一種利用地面震動現(xiàn)狀和地震波物理傳播機制來預(yù)測未來短時間內(nèi)（如20s內(nèi)）地面可能發(fā)生的強度變化的算法，該算法可以避免震源參數(shù)的計算。Kodera等［53］對其進行簡化和改進，命名為PLUM算法。Jessie等［54］將PLUM算法應(yīng)用到2021年美國西海岸地震數(shù)據(jù)中，比較了PLUM算法和ShakeAlert基于震源特征算法的性能，結(jié)果表明將PLUM納入ShakeAlert將提高系統(tǒng)的穩(wěn)健性。

4.3預(yù)警發(fā)布

ShakeAlert系統(tǒng)生成一種包含發(fā)震時刻、位置（點或線）、震級、斷層滑動范圍、分布估計以及地面震動估計的XML數(shù)據(jù)流，由用戶應(yīng)用程序接收和解析。計算機版客戶端軟件叫做UserDisplay，它以圖形方式顯示預(yù)估的破壞性地震波到達時間和峰值震動［55］。手機版名為MyShake，2016年推出v1.0版本，2019年推出v2.0版本［11］。初始公眾警報的閾值為5.0級，隨著系統(tǒng)的改進以及公眾對ShakeAlert的信心和熟悉度的提高，該警報閾值可能會降低［56］。

4.4系統(tǒng)測試

為了評估EEW算法，Meier等對地面預(yù)測結(jié)果進行了分類［57］：

（1）真正例（TruePositive，TP），ShakeAlert在S波到達前告警，預(yù)測烈度準確；

（2）假正例（FalsePositive，F(xiàn)P），ShakeAlert告警烈度高于真實值，報高（誤報）；

（3）假反例（FalseNegative，F(xiàn)N），ShakeAlert在S波到達后告警，或者ShakeAlert告警烈度過低（漏報）；

（4）真反例（TrueNegative，TN），真實和ShakeAlert預(yù)測均未超過烈度閾值。

Cochran等提出了一套名為TestingandCertificationPlatform（TCP）［58］的測試認證系統(tǒng)，通過復(fù)制ShakeAlert生產(chǎn)環(huán)境進行實時和離線兩種檢測，分別對ShakeAlert系統(tǒng)進行穩(wěn)定性和準確性測試。TCP包含125個事件集：

（1）60個發(fā)生在加利福尼亞和太平洋西北部的地震事件（包含主震和余震），大部分地震發(fā)生在ShakeAlert監(jiān)測區(qū)域內(nèi)；

（2）10個發(fā)生在ShakeAlert監(jiān)測區(qū)域外的近震事件；

（3）25個地震計校準或調(diào)零事件；

（4）10個強噪聲干擾事件；

（5）20個較大遠震或深部地震事件。

Cochran等［58］定義：

TPRate=TP（TP+FN）（1）

FPRate=FP（TP+FN）（2）

式中：TPRate為真正例比例，F(xiàn)PRate為假反例比例；TP為真正例個數(shù)，F(xiàn)N為假反例個數(shù)。TPRate越高，表示準確率越高；FPRate越高，表示誤報率越高，理想結(jié)果是TPRate接近1，F(xiàn)PRate接近0。

通過計算誤差值Cg對算法效果進行量化評估，定義：

Cg=［（1-TPRate）2+（FPRate）2］（3）

Cg越小，表明算法效果越好。

2019年ShakeAlert2.0系統(tǒng)推出前，Guiwits等［43］采用TCP測試集對ShakeAlert2.0進行測試，以ComCat編目結(jié)果為參考標準，定義同時滿足：

（1）震級差在2.0個震級單位內(nèi)；

（2）位置估計在100km內(nèi)；

（3）發(fā)震時間估計在15s以內(nèi)。

即為準確告警，否則為誤報。經(jīng)多次測試，最差一次結(jié)果如表2所列。

漏報事件中有18次是余震事件，部分事件發(fā)生在海上或監(jiān)測邊界附近地區(qū)。歷史遠震震例在離線測試中也產(chǎn)生了誤報。2015年5月29日阿拉斯加半島M6.8地震，EPIC觸發(fā)了M3.8告警；2015年5月30日日本南部M7.8深源地震，EPIC觸發(fā)了M5.3告警。ShakeAlert2.0生產(chǎn)環(huán)境采用“telestifle［44］”算法減少因遠震產(chǎn)生的誤報，算法通過訪問NEIC的實時遠震數(shù)據(jù)來抑制遠震觸發(fā)。由于測試實例無法接入遠震數(shù)據(jù)，因此產(chǎn)生了遠震誤報。

ShakeAlert2.0在2018年8月3日—9月17日6周時間內(nèi)進行了實時測試。結(jié)果顯示，8個M3.5+事件，ShakeAlert2.0比ShakeAlert1.0的誤報數(shù)量明顯減少，誤報數(shù)量從22次減少到2次［43］。

Guiwits等［43］以ShakeAlert計算結(jié)果為預(yù)測值，S波到達等值線最大距離的時間和實際震動為真實值，對歷史震例進行計算，繪制了0.05°分辨率的等值線圖，測試結(jié)果顯示，ShakeAlert在發(fā)震時刻后5～9s發(fā)出第一個警報，存在大震報小，小震報大現(xiàn)象。

4.5運行情況

2019年10月至2022年12月8日期間，ShakeAlert共發(fā)布78次4.5級以上的公共警報，其中75次正常預(yù)警，3次誤報。3次誤報均是天然地震，由于地震發(fā)生在海上或加利福尼亞-內(nèi)華達邊界，ShakeAlertEPIC算法的定位結(jié)果誤差較大，因此歸類為誤報。除78次告警發(fā)布以外，三年期間還有8次漏報，漏報地震都位于預(yù)警臺網(wǎng)邊緣［11］。

5數(shù)據(jù)產(chǎn)品

1997年之前，USGS發(fā)布的地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品僅僅是震源參數(shù)（震中位置、發(fā)震時刻和震級）。經(jīng)過二十多年的發(fā)展，地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品的數(shù)量不斷增長，定制化程度不斷提高。USGS目前發(fā)布的地震產(chǎn)品包括：

（1）ENS（Earthquakenotificationservice）［18］：訂閱式的短信和郵件速報服務(wù)；

（2）ShakeMap［59］：地面運動強度圖（強震動強度、峰值地面加速度（PGA）、峰值地面速度（PGV））；

（3）“DidYouFeelIt？”［60］：在線問卷，根據(jù)公眾反饋結(jié)果提供宏觀地震烈度的估計值；

（4）ShakeCast［61］：損失評估系統(tǒng)，根據(jù)ShakeMap結(jié)果和用戶自定義的清單生成的損失估計；

（5）Finitefaultmodel[20，62]：有限斷層模型，斷層破裂位置和范圍的快速估計；

（6）PAGER（PromptAssessmentofGlobalEarthquakesforResponse，PAGER）[17]：全球地震響應(yīng)即時評估系統(tǒng)，提供近實時的破壞性地震的人員、經(jīng)濟損失評估，估計結(jié)果推送到核心機構(gòu)（包括政府、應(yīng)急救援機構(gòu)和研究機構(gòu)等）輔助決策；

（7）Tweet（TED）[63]：匯總關(guān)于地震的社交媒體活動信息，推送有關(guān)地震信息；

（8）Groundfailure[64]：計算大地震后潛在山體滑坡、液化嚴重程度和范圍估計，生成警報級別；

（9）Aftershockforecast[65]：余震預(yù)報，提供對預(yù)期余震活動的描述；

（10）PAGER2.0[66]：結(jié)合PAGER[17]和Hazus[67]的損失建模結(jié)果得出的人口和經(jīng)濟災(zāi)害損失分布；

（11）ShakeAlert[38]：地震預(yù)警系統(tǒng)，發(fā)布地震預(yù)警信息。

USGS這些地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品在2018年安克雷奇MW7.1地震中接受了檢驗，地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品因內(nèi)容準確及時廣受媒體好評。雖然上游產(chǎn)品（如震源信息等）的更新容易造成下游產(chǎn)品大尺度變化，但隨著地震關(guān)注熱度下降，上下游的連鎖反應(yīng)并未產(chǎn)生更大影響[68]。

隨著社交媒體（例如Facebook、Twitter）的流行，NEIC開發(fā)了基于社交媒體檢測潛在地震的程序，該程序通過檢測社交媒體中“地震”一詞在短時間內(nèi)的觸發(fā)頻率，推測世界各地發(fā)生的地震[63]。在全球其他洲的地震高發(fā)地區(qū)，NEIC通常在震后20～90s內(nèi)收到該程序的地震通知，比利用傳統(tǒng)地震計算方法速度更快，NEIC還使用關(guān)鍵字（例如“巨大”）來快速評估事件是否具有破壞性[69]。

6討論與展望

中美兩國作為世界兩大經(jīng)濟體，國土面積接近，人口密集，同樣面臨極大的地震災(zāi)害風(fēng)險。兩國近些年都進行了大規(guī)模的地震臺網(wǎng)改造，推進了地震預(yù)警項目建設(shè)，不斷豐富地震數(shù)據(jù)產(chǎn)品和普及防震減災(zāi)安全知識。然而兩國的地震監(jiān)測工作在管理模式、臺網(wǎng)分布、預(yù)警項目推進等方面存在一些差異，體現(xiàn)在：

（1）管理模式

美國屬于聯(lián)邦制國家，聯(lián)邦政府和州政府沒有上下級領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)系。除USGS外，各州均成立地質(zhì)調(diào)查局或類似機構(gòu)，但二者沒有上下級關(guān)系。USGS統(tǒng)籌和資助全美地震相關(guān)工作，ANSS負責(zé)協(xié)調(diào)和管理，NEIC和授權(quán)RSN對外發(fā)布全美地震速報信息，其他RSN運維本區(qū)域地震臺站、提供地震觀測數(shù)據(jù)或執(zhí)行其他監(jiān)測任務(wù)。RSN大多由USGS和當?shù)馗咝ＹY助建設(shè)，由當?shù)貦C構(gòu)對其進行運維管理。這種分散的管理模式使得不同RSN可根據(jù)本區(qū)域特點橫向發(fā)展，具備一定的多樣性。

我國地震工作由中國地震局統(tǒng)籌管理，下設(shè)省、市、縣三級地震局。省級地震局由中國地震局直接領(lǐng)導(dǎo)，市縣一級地震局由市縣政府領(lǐng)導(dǎo)，省級地震局對其進行業(yè)務(wù)指導(dǎo)。中國地震局下設(shè)11個直屬事業(yè)單位[70]，中國地震臺網(wǎng)中心（ChinaEarthquakeNetworksCenter，CENC）負責(zé)對外發(fā)布地震速報信息。我國地震部門管理方式有利于統(tǒng)籌調(diào)配資源、快速推進項目建設(shè)和大震應(yīng)急等。

（2）臺網(wǎng)分布

美國全球地震臺網(wǎng)GSN臺站（臺網(wǎng)代碼IU和II）遍布全球、全美地震監(jiān)測臺網(wǎng)（臺網(wǎng)代碼US）分布美國各州，除以上USGS臺站外，各RSN還建設(shè)和運維各自的地震臺站。美國各州地震臺站密度差異較大，總體西部較密，東部稀疏。以首都華盛頓哥倫比亞特區(qū)和加利福尼亞州為例，首都華盛頓哥倫比亞特區(qū)周圍平均臺站間距為86.97km，加利福尼亞州平均臺站間距28.42km（圖11）。

我國地震監(jiān)測臺站分為國家級地震臺、省級區(qū)域地震臺和專業(yè)地震臺三種類型，各省級臺網(wǎng)負責(zé)運維本區(qū)域所有地震臺站。我國的地震臺站主要分布在中國境內(nèi)，境外臺站數(shù)量和分布范圍遠小于美國。各省臺站密度差異較大，總體東部較密、西部稀疏。以首都圈和云南省為例，首都圈附近平均臺站間距26.57km，云南省平均臺站間距74.58km。隨著地震預(yù)警項目、地震科學(xué)實驗場等項目地持續(xù)推進，臺站覆蓋密度將持續(xù)增加。截至2023年6月，云南大部分地區(qū)臺站間距縮小至40km內(nèi)，平均臺站間距為29.59km。

（3）數(shù)據(jù)處理和發(fā)布

NEIC采用Hydra處理地震事件，絕大多數(shù)RSN則采用AQMS，也有RSN使用Antelope[71]和Seiscomp[72]。NEIC和授權(quán)的RSN將地震速報結(jié)果通過USGS網(wǎng)站對外發(fā)布，預(yù)警系統(tǒng)、海嘯預(yù)警中心也會快速生成地震速報信息，但僅作為NEIC和授權(quán)的RSN的輔助。美國地震目錄歸檔到ComCat，大部分連續(xù)波形和事件波形歸檔到IRISDMC、NCEDC和SCEDC，部分臺網(wǎng)實時數(shù)據(jù)可使用SeedLink協(xié)議從IRIS獲取。

我國測震臺網(wǎng)使用JOPENS系統(tǒng)進行地震速報工作，測震臺站數(shù)據(jù)先匯集到本地測震臺網(wǎng)，再實時轉(zhuǎn)發(fā)到CENC。各省級測震臺網(wǎng)除接入本省數(shù)據(jù)外，還通過CENC接入部分鄰省數(shù)據(jù)。檢測到地震發(fā)生后，JOPENS會自動生成速報結(jié)果，值班人員10min內(nèi)核實并上報人工速報結(jié)果，CENC統(tǒng)一對外發(fā)布。連續(xù)波形和事件波形由本省測震臺網(wǎng)歸檔，再匯總到CENC，備份到第一、第二監(jiān)測中心。全國地震目錄歸檔到EQIM編目系統(tǒng)。為緩解地震編目工作量大、人員緊缺等問題，廖詩榮等[73]開發(fā)了基于人工智能算法的自動編目系統(tǒng)RISP，在省級測震臺網(wǎng)應(yīng)用良好。后續(xù)可進一步完善升級，實現(xiàn)省級地震臺網(wǎng)地震數(shù)據(jù)的全自動處理。

（4）地震預(yù)警

美國地震預(yù)警項目ShakeAlert自2006年開始建設(shè)，截至2023年8月僅應(yīng)用于西海岸地區(qū)，臺站分布在加利福尼亞、華盛頓和俄勒岡三州。預(yù)警臺站共兩種類型，城區(qū)臺站僅部署強震動加速度計，郊區(qū)和野外部署寬頻帶和加速度計。ShakeAlert更新到2.0版本，經(jīng)過了一系列測試，預(yù)警時間為發(fā)震時刻后5～9s。除傳統(tǒng)寬頻帶和加速度計外，ShakeAlert還接入了813個GNSS臺站數(shù)據(jù)，并開發(fā)了BEFORES[42]、GFAST[46]和GlarmS[47]三種大地測量算法。

我國國家烈度速報與預(yù)警工程計劃于2023年底完成項目驗收。預(yù)警臺站分為基準站、基本站和一般站三類，基準站安裝速度計和加速度計，基本站安裝加速度計，一般站安裝烈度計。截至2023年6月，全國共建成地震預(yù)警臺站15391個[70]，臺站間距在10～15km左右。根據(jù)破壞性大震發(fā)生的不同情況，在重點區(qū)震后5～10s，具備原地報警、災(zāi)害性地震預(yù)警、警戒性地震預(yù)警和遠震大震預(yù)警能力，系統(tǒng)通過應(yīng)急廣播、手機、電視、專用終端等多種渠道發(fā)布地震預(yù)警信息。2022年，在“先行先試”區(qū)發(fā)生的45個預(yù)警首報或速報震級Mgt;4.0地震，首報平均時間為6.3s，平均定位偏差3.1km，震級平均偏差0.24，處理結(jié)果較好[74]。2022年6月1日四川蘆山M6.1地震、9月5日四川瀘定M6.8地震，地震預(yù)警系統(tǒng)分別于震后6.0s、8.0s發(fā)布第一報，震級分別為M4.6和M5.9[75]。

2007年“中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)”建設(shè)完成后，我國大陸GPS區(qū)域站增加到2000個，王巖等[76]基于GNSS數(shù)據(jù)綜合分析了汶川8.0級地震前后云南地區(qū)地殼變形動態(tài)演化特征。隨著預(yù)警項目地持續(xù)推進，我國也應(yīng)加快基于GNSS數(shù)據(jù)的地震預(yù)警數(shù)據(jù)處理和分析方法研究。

（5）結(jié)論

從近些年美國地震監(jiān)測工作發(fā)展方向可以看出：首先，美國在繼續(xù)加強地震臺站的覆蓋密度，監(jiān)測覆蓋范圍不斷向城區(qū)蔓延，不論是TA項目，ShakeAlert預(yù)警項目，還是強震動觀測項目，都獲取到更多的地震觀測數(shù)據(jù)；其次，美國近些年地震算法和數(shù)據(jù)產(chǎn)品呈多元化發(fā)展，隨著技術(shù)進步開發(fā)了不同場景下的數(shù)據(jù)應(yīng)用產(chǎn)品；最后，美國的地震預(yù)警項目是以加利福尼亞州為試點，逐步擴展到西海岸三個州，系統(tǒng)融入點源和線源等多種算法不斷迭代發(fā)展，上線前經(jīng)過TSP測試評估。

目前，我國已建成全球最大的地震監(jiān)測臺網(wǎng)，川滇地區(qū)的臺站密度已超過美國西海岸地區(qū)，但境外建設(shè)的地震臺站仍比較少，應(yīng)重點考慮建設(shè)由我國牽頭的全球地震觀測臺網(wǎng)，優(yōu)先在東南亞、中亞等國家分批次建設(shè)。我國地震監(jiān)測儀器類型復(fù)雜多樣，儀器類型包含寬頻帶、短周期、加速度、簡易烈度計；儀器安裝位置包括地表和井下，波形特征和信噪比差異較大。盡管國內(nèi)學(xué)者已研發(fā)了RISP[73]、EARTHX[77]等地震智能處理系統(tǒng)，多數(shù)自動處理系統(tǒng)目前對寬頻帶地震記錄的處理效果較好，但對加速度和簡易烈度計的實時數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究還比較少。地震檢測算法仍以長短窗為主，而智能檢測算法，尤其是可實現(xiàn)地震檢測、多震相到時拾取和初動極性拾取的多功能網(wǎng)絡(luò)還較為缺乏。因此，應(yīng)加快多種類地震觀測數(shù)據(jù)的AI數(shù)據(jù)集構(gòu)建，訓(xùn)練適合中國地區(qū)的AI檢測大模型。隨著我國地震觀測臺網(wǎng)技術(shù)和數(shù)據(jù)處理算法的逐漸成熟，可向“一帶一路”和東南亞國家輸出，境外援建更多的地震觀測臺站，進一步提升我國在地震監(jiān)測領(lǐng)域的國際影響力。

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（本文編輯：張向紅）

收稿日期：20230802

基金項目：中國地震局地球物理研究所基本科研業(yè)務(wù)專項（DQJB22X08）

第一作者簡介：呂帥（1991-），男，碩士研究生，工程師，主要從事地震監(jiān)測和地震信息化工作。Email：lv_303494@163.com。

通信作者：房立華（1981-），男，博士，研究員，主要從事地震學(xué)研究。Email：flh@ceaigp.ac.cn。