梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蔣　越， 李　瑩

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

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技術(shù)交流

遼寧省烈度速報(bào)算法研究及其在燈塔地震中的檢驗(yàn)①

梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蔣越， 李瑩

(遼寧省地震局，遼寧 沈陽(yáng) 110034)

摘要：立足于遼寧省烈度速報(bào)的實(shí)際需求，在多種地震烈度算法的研究基礎(chǔ)上，結(jié)合震害實(shí)際，從濾波、場(chǎng)地校正、網(wǎng)格計(jì)算、烈度計(jì)算、已知震源計(jì)算等方面進(jìn)行探索和試驗(yàn)，提出一種新的實(shí)時(shí)地震烈度計(jì)算的方法，并在遼陽(yáng)燈塔5.1級(jí)地震中得到實(shí)際檢驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：烈度速報(bào)； 烈度算法； 燈塔5.1級(jí)地震

0引言

為了實(shí)施迅速、有效的地震應(yīng)急措施，最大限度地減輕地震災(zāi)害，首先必須了解地震的影響大小和范圍。目前，借助于分布廣泛的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)，在震后幾分鐘內(nèi)獲知地震的震中位置及震級(jí)已不再是問(wèn)題。但是地震產(chǎn)生的破壞并非這兩個(gè)參數(shù)的簡(jiǎn)單函數(shù)，且過(guò)于粗略的地震影響估計(jì)也不能滿(mǎn)足地震應(yīng)急反應(yīng)的需要[1-2]。烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)是架構(gòu)在數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)基礎(chǔ)上，通過(guò)強(qiáng)震動(dòng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)以實(shí)現(xiàn)地震烈度速報(bào)，為政府地震應(yīng)急反應(yīng)決策、震害快速評(píng)估和震后重建提供科學(xué)依據(jù)，對(duì)建立有效的震災(zāi)預(yù)防體系、減輕災(zāi)害損失具有重要的作用。

地震烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)的速報(bào)結(jié)果只是速度和加速度的記錄，利用相應(yīng)的公式計(jì)算得到該點(diǎn)所對(duì)應(yīng)地震烈度，即儀器烈度，其反映的并不完全是現(xiàn)行國(guó)內(nèi)烈度評(píng)定表所對(duì)應(yīng)的烈度。但為了實(shí)現(xiàn)地震烈度速報(bào)，決策部門(mén)希望在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)考察前，實(shí)時(shí)地或近實(shí)時(shí)地通過(guò)儀器響應(yīng)得到基本準(zhǔn)確的地震烈度分布結(jié)果，以實(shí)現(xiàn)震后救災(zāi)決策。地震烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)首要解決的問(wèn)題是實(shí)現(xiàn)地震烈度的實(shí)時(shí)和準(zhǔn)實(shí)時(shí)計(jì)算，因此地震烈度速報(bào)算法成為關(guān)鍵問(wèn)題。

近年來(lái)，隨著強(qiáng)震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，利用實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的強(qiáng)震臺(tái)站實(shí)測(cè)的地震動(dòng)記錄進(jìn)行地震動(dòng)強(qiáng)度(烈度)速報(bào)，越來(lái)越受到世界各國(guó)的高度重視。目前美國(guó)、日本、中國(guó)臺(tái)灣、中國(guó)地震局工力所[3]、福建地震局等[4]國(guó)家、地區(qū)和部門(mén)進(jìn)行了地震烈度計(jì)算方法研究，但國(guó)外、中國(guó)臺(tái)灣的地震烈度體系與中國(guó)大陸不完全相同，且其地震烈度算法又各有不同。遼寧省“十二五”期間購(gòu)置了廣東珠海泰德公司Smart烈度速報(bào)系統(tǒng)軟件，其采用的烈度算法延用了美國(guó)Shakemap的思路和方法，由于受臺(tái)網(wǎng)密度、場(chǎng)地條件限制，該算法并不完全適合遼寧省烈度速報(bào)烈度計(jì)算要求。因此在參考其他研究成果的基礎(chǔ)上，擬探究一套能滿(mǎn)足遼寧省地震烈度速報(bào)實(shí)時(shí)算法，并嵌入Smart烈度速報(bào)系統(tǒng)，進(jìn)而完善烈度速報(bào)系統(tǒng)，提高地震災(zāi)害快速評(píng)估水平。

1烈度計(jì)算方法

1.1烈度速報(bào)算法確定原則

(1) 地震儀器烈度應(yīng)與宏觀烈度有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系

地震儀器烈度作為反映地震動(dòng)強(qiáng)度的定量物理標(biāo)準(zhǔn)，首先必須能夠比較合理地反映地震的影響程度，與震害后果有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系[5]。為了使地震儀器烈度與由中國(guó)地震烈度表評(píng)定的烈度相聯(lián)系，保持烈度評(píng)定的連續(xù)性，本研究繼續(xù)沿用中國(guó)地震烈度表所規(guī)定的烈度等級(jí)。換言之，地震儀器烈度標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與中國(guó)地震烈度表有一定的繼承性和連貫性。

(2) 地震儀器烈度物理參數(shù)應(yīng)與引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)破壞的因素有較好的因果關(guān)系

在選擇地震動(dòng)物理參數(shù)時(shí)應(yīng)充分考慮我國(guó)房屋結(jié)構(gòu)物的主要頻帶范圍(0.3～3.0 Hz)[6]。但很多研究結(jié)果都表明，相對(duì)于強(qiáng)度而言，地震動(dòng)頻譜參數(shù)和持時(shí)對(duì)烈度的影響是次一級(jí)的因素，它們只在一定強(qiáng)度(幅度)下才會(huì)對(duì)烈度結(jié)果產(chǎn)生影響，因此地震本身的主要頻率對(duì)建筑的破壞，尤其是近場(chǎng)建筑物破壞不可忽視。綜合考慮遼寧地區(qū)地震主周期頻率為0.3～10 Hz，因此本文選取0.3～10 Hz帶通濾波，既考慮到地震主周期頻率成分對(duì)烈度的影響，又使烈度結(jié)果不過(guò)多受突兀尖峰值影響，更趨近合理和穩(wěn)定。

(3) 地震動(dòng)參數(shù)選擇中應(yīng)充分考慮三分量地震動(dòng)的影響

目前很多研究結(jié)果表明，相比水平向地震動(dòng)，豎向地震動(dòng)的幅值普遍偏小，豎向地震的幅值只在震中附近很小區(qū)域內(nèi)比較顯著。因此，通常情況下都只是以?xún)伤较虻卣饎?dòng)的峰值評(píng)定烈度，我國(guó)現(xiàn)行地震烈度表中也是以?xún)伤较虻卣饎?dòng)的峰值為標(biāo)準(zhǔn)列出了Ⅴ～Ⅹ度時(shí)的參考物理指標(biāo)。但從近幾年發(fā)生的一系列大地震的強(qiáng)震觀測(cè)記錄中可以明顯看到，在震中附近豎向地震動(dòng)的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的還要大，所以在選擇儀器烈度計(jì)算的地震動(dòng)參數(shù)時(shí)應(yīng)綜合考慮三分向地震動(dòng)時(shí)程對(duì)儀器烈度的影響。

(4) 儀器烈度計(jì)算方法簡(jiǎn)潔并具有一定的通用性，計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定可靠

本研究只考慮地震動(dòng)參數(shù)的主要因素，計(jì)算方法應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，便于實(shí)際操作運(yùn)用?？紤]到遼寧省實(shí)際震害水平，依然延用中國(guó)烈度計(jì)算公式[7]。

1.2采用的烈度計(jì)算方法

綜合各種烈度算法思路(圖1)，遼寧地區(qū)地震烈度的計(jì)算按以下幾步實(shí)施：

圖1　烈度速報(bào)技術(shù)思路Fig.1　Technical ideas of intensity rapid report

(1) 場(chǎng)地校正

根據(jù)臺(tái)站的安裝位置(基巖、土層等)初步確定臺(tái)站的場(chǎng)地放大系數(shù)[8](場(chǎng)地放大系數(shù)為該臺(tái)站相對(duì)基巖臺(tái)的運(yùn)動(dòng)幅度比值，當(dāng)臺(tái)站在土層或基巖上時(shí)，ShakeMap給出了根據(jù)基巖的年代和波速來(lái)初步確定其系數(shù)的表格)，但最終的場(chǎng)地放大系數(shù)應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的擬合公式和現(xiàn)場(chǎng)考察的結(jié)果來(lái)最終擬合確定(中國(guó)臺(tái)灣也是采用類(lèi)似的方式確定場(chǎng)地放大系數(shù))。

ShakeMap中對(duì)場(chǎng)地效應(yīng)作出了非常明確的評(píng)判，即要求所有臺(tái)站在進(jìn)行正式烈度計(jì)算前，必須根據(jù)臺(tái)站的實(shí)際安裝位置(ShakeMap 要求將所有臺(tái)站的記錄修正到基巖臺(tái)站)進(jìn)行場(chǎng)地效應(yīng)的修正。

對(duì)于遼寧省烈度速報(bào)臺(tái)網(wǎng)而言，由于強(qiáng)震臺(tái)的安裝環(huán)境各不相同，有的安裝在基巖臺(tái)站上，有的安裝在土層臺(tái)上。從實(shí)際觀測(cè)的效果來(lái)看，幾乎所有臺(tái)站在每次地震中均呈現(xiàn)一致性地偏移(即在所有地震中單個(gè)臺(tái)站的相對(duì)加速度記錄值偏大或者偏小)，即臺(tái)站存在場(chǎng)地效應(yīng)。最終，場(chǎng)地效應(yīng)參照ShakeMap Small Regression的擬合公式實(shí)現(xiàn)修正[9]。

(2) 網(wǎng)格計(jì)算

參照ShakeMap的思路，繪制地震烈度圖需要進(jìn)行網(wǎng)格的計(jì)算。網(wǎng)格的計(jì)算對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)而言能減少系統(tǒng)的計(jì)算量，但通過(guò)插值方式繪制地震烈度分布圖可能降低其精度。

(3) 濾波及烈度值計(jì)算

①采用帶通濾波器，在0.3～10 Hz頻率域內(nèi)對(duì)三分向地震動(dòng)加速度時(shí)程分別濾波；

②由濾波后的三分向地震動(dòng)加速度時(shí)程計(jì)算合成加速度時(shí)程：

(1)

③利用中國(guó)烈度表示方法計(jì)算烈度值。

(2)

(3)

(4) 烈度圖繪制

①利用已有的臺(tái)站加速度值大小構(gòu)造一個(gè)粗略的、間隔統(tǒng)一的仿真臺(tái)站網(wǎng)格；

②根據(jù)臺(tái)站的加速度值或速度值確定臺(tái)站的烈度值；

③利用等距離插值法構(gòu)建仿真臺(tái)站的烈度網(wǎng)格；

④根據(jù)烈度網(wǎng)格點(diǎn)繪制整個(gè)區(qū)域內(nèi)的地震烈度分布等值線(xiàn)。

(5) 已知震源的計(jì)算

實(shí)際地震定位中，尤其是大地震定位中，宏觀震中與地震定位軟件得到的理論計(jì)算震中不一定完全吻合，所以采用未知震源的烈度計(jì)算很有必要，但在本系統(tǒng)的烈度速報(bào)中存在一定的難度和不確定性。因此，結(jié)合實(shí)際震害結(jié)果和臺(tái)網(wǎng)密度等情況，烈度分布圖采用已知地震震源為斷裂帶震源時(shí)的結(jié)果。

2燈塔5.1級(jí)地震實(shí)際檢驗(yàn)

據(jù)遼寧省地震臺(tái)網(wǎng)測(cè)定，2013年1月23日12時(shí)18分在遼寧省燈塔市附近(41.5° N，123.2° E)發(fā)生5.1級(jí)地震。該次地震發(fā)生在營(yíng)口—佟二堡斷裂附近，屬于郯廬斷裂帶北段的地震活動(dòng)。地震震中距沈陽(yáng)市主城區(qū)37 km、距燈塔市13 km、距遼陽(yáng)市26 km、距鞍山市38 km。據(jù)了解，震中及上述區(qū)域強(qiáng)烈有感，遼寧全省有感。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，該次地震從遼寧省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站獲取22組三分量加速度記錄,總計(jì)66條，獲取記錄震中距范圍從16～370 km不等，距離震中最近的遼陽(yáng)臺(tái)的強(qiáng)震記錄經(jīng)校正后，三分向合成加速度值為24.5 cm/s2。

震后10分鐘由烈度速報(bào)數(shù)據(jù)處理Samrt系統(tǒng)自動(dòng)繪制出烈度分布圖，震后30分鐘即繪制出較詳細(xì)的加速度分布圖及烈度分布圖(圖2)，為震后救災(zāi)和應(yīng)急震后快速評(píng)估提供了客觀依據(jù)，充分顯示了烈度速報(bào)系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

圖2　燈塔5.1級(jí)地震儀器烈度Fig.2　Instrumental seismic intensity of the Dengta M5.1 earthquake

獲取燈塔5.1級(jí)地震的數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)儀主要有GDQJ-Ⅱ型、GSMA-2400IP型2種，使用SLJ-100型、BBAS-2型力平衡式加速度計(jì)，采樣率一般為200 sps，事前存儲(chǔ)時(shí)間為30 s，事后存儲(chǔ)時(shí)間為30 s，頻率范圍在0～80 Hz之間。

表1列出了獲取此次地震記錄的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站基本參數(shù)。圖2為根據(jù)獲取記錄臺(tái)站計(jì)算的烈度分布圖。從圖2中可以看出，震中區(qū)烈度為Ⅵ度，其范圍約40 km2。

3認(rèn)識(shí)與討論

泰德公司烈度算法基本延用了美國(guó)Shakemap的方法，由于該方法烈度值計(jì)算和衰減關(guān)系方面適用于美國(guó)地區(qū)，如果進(jìn)行系數(shù)校正需要大量震例數(shù)據(jù)支撐，顯然遼寧省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)由于運(yùn)行時(shí)間較短，且中強(qiáng)震例相對(duì)較少，很難做到這一點(diǎn)。因此，適當(dāng)?shù)母倪M(jìn)烈度算法將有利于提高烈度速報(bào)系統(tǒng)的速報(bào)精度。

改進(jìn)的烈度算法相對(duì)原泰德公司烈度算法更適合遼寧地區(qū)的地域特點(diǎn)(表2)，其具備5點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1)在濾波方法上考慮了中國(guó)建筑物的周期性(0.3～3 Hz)和遼寧地區(qū)地震的卓越周期(8～12 Hz)對(duì)峰值的影響。既考慮到地震主周期頻率成分對(duì)烈度的影響，又使烈度結(jié)果不過(guò)多受突兀尖峰值影響，更趨近合理和穩(wěn)定；(2)從近幾年來(lái)遼寧地區(qū)發(fā)生的M≥3.0地震中獲得的強(qiáng)震觀測(cè)記錄中統(tǒng)計(jì)得到，在震中附近豎向地震動(dòng)的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的還要大,因此在峰值計(jì)算方面考慮了垂直向的影響；(3)在衰減關(guān)系選用方面，考慮到遼寧省中強(qiáng)震活動(dòng)水平較低，不利于修正Shakemap的衰減關(guān)系系數(shù)，所以延用了東北地區(qū)的衰減關(guān)系；(4)考慮到烈度計(jì)算方法應(yīng)盡量簡(jiǎn)潔，便于實(shí)際操作運(yùn)用，故在烈度值計(jì)算時(shí)繼續(xù)應(yīng)用適合中國(guó)大陸地區(qū)的中國(guó)烈度表算法；(5)在烈度圖繪制時(shí)綜合考慮了遼寧省強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)密度較低及該地區(qū)地震主要以中強(qiáng)地震活動(dòng)為主，采用了震源參與烈度圖繪制計(jì)算的思路。實(shí)際表明，燈塔5.1級(jí)地震震中區(qū)附近并沒(méi)有強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站觸發(fā)，但由于采用了震源參與計(jì)算烈度的方法，極震區(qū)烈度計(jì)算仍為Ⅵ度，與實(shí)際調(diào)查結(jié)果吻合(圖2)。由圖3可見(jiàn)，本文烈度算法計(jì)算得到的數(shù)據(jù)更趨于穩(wěn)定，而原泰德烈度計(jì)算方法直接得到的地震烈度值離散度較高。

表 1　獲取記錄臺(tái)站基本參數(shù)

表 2　烈度算法對(duì)比

圖3　烈度算法結(jié)果對(duì)比圖Fig.3　Comparison of results by two intensity algorithm

4結(jié)論

2012年初開(kāi)始，遼寧省試運(yùn)行泰德公司提供的烈度速報(bào)Smart系統(tǒng)，經(jīng)實(shí)際震例檢驗(yàn)，該軟件明顯存在“水土不服”問(wèn)題，主要為烈度算法與本省震害實(shí)際不符。因此技術(shù)人員與泰德公司軟件開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行技術(shù)合作，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了技術(shù)相互融合，提出一種新的實(shí)時(shí)地震烈度計(jì)算方法，并經(jīng)過(guò)遼寧燈塔5.1級(jí)地震檢驗(yàn)，取得了良好效果，提升了烈度速報(bào)水平。

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Research and Testing of an Intensity Rapid Report Algorithm

for the DengtaMS5.1 Earthquake in Liaoning

LIANG Yong-duo, JIANG Jin-zheng, DAI Ying-lei, JIANG Yue, LI Ying

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,LiaoningChina)

Abstract：When making strategic disaster relief decisions, rapid and effective intensity assessment and distribution results are of utmost importance. For this process, an intensity rapid report algorithm is necessary, especially in areas such as Liaoning. In the study process, following principles must be followed: (1) The intensity grade must adhere to the Chinese Seismic Intensity Scale to communicate the instrumental intensity and maintain continuity of the intensity assessment. (2) With respect to the physical ground motion parameter, a 0.3～10 Hz band-pass filter must be selected because the main frequency bands of housing structures in China fall into this range. (3) When selecting the ground motion parameters of the instrumental intensity, the effect of three ground motion component histories for this intensity must be considered. (4) The method must be simple and general for overall use, and the results should be stable and reliable. We calculated the seismic intensity in Liaoning by the following steps: (1) Modification of the correction of the field effect using ShakeMap Small Regression. (2) Grid computation for real-time systems, which reduces the amount of computation but may also reduce the accuracy of the intensity map. (3) Filtration and intensity calculation. We use a band-pass filter in the 0.3～10 Hz frequency domain, filter the three-component ground motion histories, and then synthesize the acceleration time history. Finally, we calculate intensity values using the Chinese intensity method. (4) Plotting intensity distribution. We constructed a rough and uniform simulation station grid using an existing station acceleration value and determined the intensity value of the station by its acceleration or velocity. The intensity of the simulation station is constructed using the equal-distance interpolation method. We then plot the distribution of the equivalent seismic intensity in the entire region from the intensity of grid points. Combined with the actual seismic damage results and network density, we draw the intensity distribution map using the source of a fault zone. Finally, considering the DengtaMS5.1 earthquake in Liaoning as a test case, the intensity distribution map was automatically produced by the intensity quick report data processing system called Samrt in 10 min, which also produced a detailed acceleration distribution diagram and intensity distribution map in 30 min. These results prove that the proposed method is feasible.

Key words：intensity rapid report; intensity algorithm; DengtaMS5.1 earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1136

中圖分類(lèi)號(hào):P315.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào):1000-0844(2015)04-1136-05

作者簡(jiǎn)介：梁永朵，女，高級(jí)工程師,主要從事強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)技術(shù)研究。E-mail:liangyongduo1437@163.com。

基金項(xiàng)目：遼寧省地震局研究生基金(LNDZBSJJ002)

收稿日期：①2015-02-12