江蘇預警站網試運行質量評估

[摘要]" " 通過對江蘇預警站網系統運行連續率、臺基噪聲水平、事件波形質量分析，并計算江蘇預警網監測能力后認為：江蘇地震預警網系統運行穩定，記錄數據質量良好，全省地震監測能力大部分地區達M_L1.5，局部地區可達M_L1.0，江蘇預警網已初步具備全省地震烈度速報與區域地震預警能力。

[關鍵詞] 預警站網; 運行質量; 臺基噪聲; 監測能力

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-035

基金項目： 江蘇省地震局青年科學基金（202308），江蘇省地震局科技創新團隊（202201）和測震學科業務管理平臺功能完善與試用（CEA-ZX/CZ-251109）聯合資助。

0" 引言

地震預警系統（Earthquake Early Warning System，EEWS）的構想最早是由美國科學家庫珀（Cooper）1868年提出，其原理是利用電磁波與地震波傳播的時間差，應用在地震活躍區域臺站安裝地震監測設備，一旦地震發生后能在較短時間內通過敲響警鐘進而預警[1]，由于受到當時的科學技術水平的限制而沒有實現。隨著世界科技的發展，這一構想正在變為現實，在地震風險性較高的國家和地區（如日本、美國、墨西哥、中國臺灣等）已開始建設或投入使用地震預警系統，以最大限度地減輕地震帶來的風險。其中較為突出的是美國西海岸地區的Shake Alert系統，該系統自2006年投入建設，其研發與應用已日趨成熟，于2017年正式在美國西海岸地區投入運營[2]。

國家地震烈度速報與預警工程江蘇子項目，建設162個觀測站點，其中升級改建54個基準站 、新建54個基本站、新建54個一般站；升級改造1個省級預警中心（含1個Ⅱ類省級數據處理中心、1個Ⅱ類省級技術保障中心和省級中心通信網絡系統）；建設31個（包括改擴建21個）預警終端，2023年6月1日—8月31日完成試運行。本文從江蘇預警網系統試運行情況、臺基噪聲水平和事件波形質量等方面對系統運行質量進行評估，并計算評估江蘇預警網監測能力。

1" 江蘇預警站網

1.1" 站網建設

根據《地震臺站建設規范 地震烈度速報與預警臺站》（DB/T 60—2015）和江蘇預警網建設設計方案，升級改造54個測震臺為基準站；新建54個基本站（其中9個新建在屬地氣象站院內、18個新建在屬地中小學校院內、另外27個通過租用場地新建基本站）；新建54個一般站，一般站全部建在中國鐵塔基站內。江蘇預警網站點分布情況見圖1。

通過對江蘇子項目中基準站、基本站、一般站地理位置信息檢查校核，計算得出江蘇預警網162個站點的平均臺間距約15.2 km，預警網站點空間布局、臺間距等主要指標符合行業預警網建設規范要求。江蘇預警網臺間距分布見圖2。

1.2" 臺站觀測系統構成

江蘇預警網基準站是在臺站原有三分向寬頻帶地震計基礎上，增加了三分向加速度計（如TDA-33M，JS-A2，QA-2g）與 升級6通道數據采集器（如EDAS-24GN-EEW，HG-D6，TED-324FI）。臺站系統由三分向寬頻帶地震計、三分向加速度計與6通道24位數據采集器專業設備組成，輔助設備有臺站交流供電、智能電源及蓄電池、避雷設施及接地網、臺站監控與通信網絡鏈路設備?；鶞收居^測系統構成見圖3。

新建基本站配置三分向加速度計（TDA-33M，JS-A2，QA-2g）、3通道數據采集器（EDAS-24GN-EEW，HG-D3，TED-324CI）專業設備；輔助設備有交流供電、智能電源及蓄電池、避雷設備與接地網、臺站監控與通信網絡鏈路設備。基本站觀測系統構成見圖4。

一般站依托中國鐵塔江蘇分公司基站，基站提供穩定的供電、通信網絡、避雷設施及安全防護條件。一般站配置基于MEMS傳感器烈度儀（REOMOS-SIT4，MI3000）。一般站觀測系統構成見圖5。

1.3" 預警網中心系統

江蘇預警網中心系統構成除了若干服務器、計算機、終端設備外，使用國家地震烈度速報與預警工程開發的專業軟件與相應數據庫、操作系統。專業軟件部署了波形交換管理、地震預警處理、烈度速報、地震參數速報、地震波形綜合分析、緊急地震信息服務、監控與運維及技術支撐等8個業務模塊。

根據江蘇預警工程項目建設設計要求，建設國家地震烈度速報與預警工程江蘇子項目，使江蘇預警網能夠達到區域地震烈度速報與預警能力。江蘇預警網中心系統構成如圖6所示。

2" 質量評估

2.1" 預警站網運行

選取2023年6月1日—8月31日連續3個月試運行實時記錄波形數據，統計運行率與數據延時。江蘇預警站網站點共計162個，但前山島臺（海島臺）網段仍在測震網段，尚未切換至預警網段，導致觀測數據無法接入預警網數據運行率統計，這里僅統計接入預警網的161個站點實時數據。

2.1.1" 運行率統計

按月統計江蘇子項目3種類型臺站運行率和數據延時?；鶞收尽⒒菊?、一般站月平均運行率與延時數據統計結果見表1。

從表1可知，江蘇子項目基準站、基本站月平均運行率均高于98%，在線53個基準站月平均運行率99.67%，54個基本站月平均運行率99.10%。一般站月平均運行率遠高于95%的考核指標，達99.57%。試運行期江蘇站網3個月平均總運行率達99.58%，符合行業規定的地震預警網考核運行指標要求。

由于試運行的6月初，站點網段割接、臺站儀器調試及其他原因，部分基本站運行率低于98%；但隨著預警網站點網絡運行趨于穩定，各站點試運行后期運行率均在98%以上，甚至達到100%。

2.1.2" 數據延時統計

江蘇子項目建設的3種類型站點，實時數據傳輸各平均延時占比如圖7所示。統計數據是去除打包時間的數據平均延時統計（打包時間0.25 s）。53個基準站平均延時0～1 s占比100%；54個基本站平均延時0～2 s占比100%，其中，延時0～1 s臺站51個，占比95%，延時1～2 s臺站3個，占比5%；54個一般站平均延時0～1 s占比100%。江蘇預警網站點試運行數據傳輸延時指標滿足項目設計要求。

2.2" 臺基噪聲

對于一定大小的地震，當震中距在一定范圍時，地震波到達臺站記錄振幅高出臺基噪聲背景值，才能被臺站儀器清晰記錄下來。臺基噪聲決定了臺站記錄最小地震的下限，也決定了臺網地震監測能力。對于地震預警而言，臺基背景噪聲影響越小，從記錄數據中提取的信息越可靠[3]。

采用噪聲功率譜密度（PSD）的概率密度函數（PDF）方法評估站點臺基噪聲水平。計算53個基準站1～20 Hz頻段時域臺基噪聲的速度均方根值（RMS），具體見公式（1），再依據臺基地動噪聲分類標準GB/T195351.1—2004《地震臺站觀測環境技術要求》對基準站臺基噪聲水平分級。

計算RMS值公式如下：

RMS=√（1/（n-1） ∑_（i=1）^n 〖（v_i-v┴-）〗^2 ） （1）

式中，v_i為采樣點臺基噪聲速度（m/s）；n為實際測量點數；ˉv=1/n ∑_（i=1）^n v_i為計算觀測地動速度數據時序均值（m/s）[4]。

噪聲功率譜密度（PSD）頻域法主要是傅里葉變換（FFT）計算，給定觀測數據的FFT，取其絕對值的平方[5]。計算公式如下：

F（w）=∫^∞?〖-∞〗┬ f（t_n）e^iwt dt→1/N ∑_n^N f（t_n）e^iwt （2）

式中，函數f（t）表示為復指數函數的積分及級數形式，函數F（w）表示為時間域的函數f（t）的積分形式。式中，N的取值為2k，即2，4，8，16，32，64……

根據公式（1）計算，得到江蘇預警站網基準站臺基地動速度噪聲均方根值（RMS），根據臺基地動噪聲標準進行分級，53個基準站臺基噪聲水平見表2。依據臺基地動噪聲分類標準GB/T195351.1—2004《地震臺站觀測環境技術要求》，江蘇子項目53個基準站中，Ⅰ類臺基17個，Ⅱ類臺基27個，Ⅲ類臺基6個，Ⅳ類臺基3個。

除采取RMS值計算評估臺基噪聲水平外，還根據公式（2）對基準站、基本站、一般站臺基噪聲功率譜（PSD）形態進行掃描，發現有6個基本站高頻環境噪聲偏大，其余臺站噪聲PSD形態均在合理范圍之內，2個基準站大豐、泰興因井下地震計故障除外，其余站點波形噪聲水平表現形態正常，未發現有明顯異常站點?；鶞收尽⒒菊?、一般站PSD形態分布如圖8所示。圖8中紫色與綠色粗實線為全球高噪聲NHM模型和低噪聲NLM模型曲線。

2.3" 記錄地震波形質量

選取了試運行期，站網記錄的2個近震事件波形：2023年6月15日上海青浦M_L3.7地震和2023年6月19日江蘇江都M_L2.9地震，分別進行波形分析與震相甄別，地震定位、測定震級（圖9）。

分析情況，預警網基準站、基本站都清晰記錄到初至震相，計算定位結果并驗證各臺站記錄數據到時殘差大小、震中距偏差等，均未發現存在明顯鐘差和儀器靈敏度參數異常問題。

3" 監測能力計算

監測能力測定依據臺站記錄事件波形振幅比，應用近震公式和量規函數計算臺網給定震級的最小監控范圍。

近震震級計算公式：

M_\"L\" =lg?A_μ+R（Δ）+S（Δ） （3）

式中，M_L為S波最大振幅震級；A_μ為最大地動位移，單位為μm；Δ為震中距；R（Δ）為與震中距有關的近震震級量規函數；S（Δ）為臺站校正值[6]。

根據公式（3）與測定精度要求，采用 4個及以上臺站同時控制區域為有效觀測區域[7]，計算江蘇預警網給定震級最小監控范圍，江蘇預警站網監測能力見圖10。

經分析計算，由圖10可知，江蘇預警網對全省境內地震監測能力大部分地區可達M_L1.5，局部可達M_L1.0。

4" 結論

通過對江蘇子項目建設預警臺站與預警中心系統試運行情況、站點臺基噪聲和記錄地震波形數據分析與監測能力估算，得到以下幾點認識：

（1）江蘇預警網試運行統計數據表明：基準站和基本站平均運行率優于98%，數據傳輸平均延時不大于1 s；一般站平均運行率優于95%，數據平均延時不大于1 s，達到江蘇子項目建設設計目標與行業地震預警網運行有關技術要求。

（2）使用臺基噪聲時域RMS值與頻域噪聲功率譜密度（PSD）的概率密度函數（PDF）計算，53個基準站臺基噪聲達到Ⅰ類臺基17個，Ⅱ類臺基27個，Ⅱ類以上臺站噪聲水平占83%以上。

（3）經分析試運行期記錄的上海青浦M_L3.7地震和江蘇江都M_L2.9地震波形，結果表明：初動清晰，波形流暢，震相易識別；計算也未發現臺站存在明顯鐘差和靈敏度參數異常等問題。

（4）江蘇預警網初步具備了區域地震烈度速報與預警能力，全省地震監測能力大部分地區可達M_L1.5，局部達M_L1.0。

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Quality evaluation of trial operation of the Jiangsu early warning network

Zhu Feng*， Li Tingting， Du Hang， Li Zhengkai， Yang Chi

Jiangsu Earthquake Agency， Jiangsu Nanjing 210014， China

[Abstract]" " "This article evaluates the continuous operation rate， station noise levels and event waveform quality within the Jiangsu early warning station network system. It also assesses the monitoring capacity of this network， concluding that the Jiangsu earthquake early warning system operates stably with high-quality data recording. The provincial monitoring capacity can achieve M_L1.0 in local areas and M_L1.5 in most areas. The Jiangsu early warning network has preliminarily developed the capability to quickly report earthquake intensity and provide regional earthquake early warnings across the province.

[Keywords] early warning station network; operation quality; pedestal noise; monitoring capability