楊 陳 郭 凱 張素靈 黃志斌

1）中國北京 100081 中國地震局地球物理研究所

2）中國北京 100045 中國地震臺網(wǎng)中心

引言

地震預警的構(gòu)想最早由美國科學家Cooper（1868）提出，他設(shè)想在距舊金山100km外地震活動性很強的霍利斯特地區(qū)布設(shè)地震觀測臺站，一旦地震發(fā)生就可以利用電磁波與地震波傳播的時間差，在震后很短時間內(nèi)及時敲響市議政廳的警鐘，使人們能夠采取一些緊急逃生避險措施，以減少地震造成的人員傷亡．由于當時技術(shù)水平的局限，這一構(gòu)想并未實現(xiàn)．而隨著計算機技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸處理技術(shù)、地震監(jiān)測儀器以及觀測方法的不斷發(fā)展和成熟，這一設(shè)想正逐漸變?yōu)楝F(xiàn)實．目前，日本、墨西哥、土耳其、羅馬尼亞等國家和我國臺灣地區(qū)已經(jīng)建成了各自的地震預警系統(tǒng)（Espinosa-Arandaetal，1995；Erdiketal，2003；Hoshibaetal，2008；Allenetal，2009；Hsiaoetal，2009；Kamigaichietal，2009）．包括我國在內(nèi)，美國、瑞士和意大利等國家也在開展地震預警實時測試（Wurmanetal，2007；Zolloetal，2009；Pengetal，2011）．

汶川大地震之后，地震預警作為目前地震災害防御的重要手段之一正逐步走向我國公眾的視野．與此同時，根據(jù)國務院發(fā)布的《國家防震減災規(guī)劃（2006—2020年）》提出的目標（國務院辦公廳，2007），地震預警系統(tǒng)的建設(shè)作為目前我國防震減災的一項重點任務即將全面展開．2013年6月驗收的國家科技支撐計劃“地震預警與烈度速報系統(tǒng)的研究與示范應用”標志著中國地震預警的研究與建設(shè)邁出了堅實的一步；已經(jīng)完成立項的“國家地震烈度速報與預警工程”標志著中國地震預警系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)擺上了地震監(jiān)測的日程表．在該系統(tǒng)開始建設(shè)之前，對中國地震臺網(wǎng)現(xiàn)狀進行分析和評估意義重大，只有這樣才能找出相應的不足，明確改進的方向．本文以此為切入點，對中國地震臺網(wǎng)現(xiàn)狀能否滿足地震預警需求進行分析，并提出改進的方向和建議，希望對我國地震預警系統(tǒng)的建設(shè)能有一些參考意義．

1 中國地震臺網(wǎng)現(xiàn)狀

1．1 測震及強震動臺站分布

目前，我國有1個國家測震臺網(wǎng)和32個省級測震臺網(wǎng)組成的覆蓋全國的地震監(jiān)測臺網(wǎng)及1 014個正式運行的測震臺站（圖1）．其中包括148個國家臺站（含境外臺站4個）、814個區(qū)域臺站、33個火山臺站以及2個臺陣的19個臺站點．所有正式運行的測震臺站均以實時數(shù)據(jù)流的方式進行全國數(shù)據(jù)交換．

與測震臺站平均分布在各省不同，我國的強震動臺站根據(jù)地震危險性的不同主要分布在21個地震重點監(jiān)視防御區(qū)內(nèi)，其中固定強震動臺站共計1 152個（圖2），另外還有北京、天津、蘭州、昆明和烏魯木齊五大城市烈度速報臺網(wǎng)共計烈度速報臺站300個．除了部分重點區(qū)域正在改造和部分新建的臺站具有數(shù)據(jù)實時傳輸功能之外，其它強震動臺站均以事件觸發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)回傳．

1．2 臺站儀器及運行現(xiàn)狀

目前，我國測震臺站所使用的傳感器主要有BBVS-60、BBVS-120、CMG-3ESPC、KS-2000、CTS-1系列、JCZ-1、FSS-3DBH、CMG-3TB 等，數(shù)據(jù)采集器以 EDAS-24系列、CMG-DM24、TDE-324、SMART-24為主；我國強震動臺站所使用的傳感器以SLJ-100加速度計和ENTA數(shù)采內(nèi)置的Epsensor加速度計為主，數(shù)據(jù)采集器主要有ENTA、MR2002、GDQJ、GSMA、K2等，其中ENTA占55%左右，MR2002占30%左右．

圖1 中國大陸測震臺站分布圖Fig．1 Distribution of seismic stations in Chinese mainland

圖2 中國大陸強震動臺站分布圖Fig．2 Distribution of strong motion stations in Chinese mainland

由于目前我國大部分強震動臺站并不具備實時傳輸功能，本文僅以測震臺站實時運行率來反映中國地震臺網(wǎng)運行情況．根據(jù)中國測震臺網(wǎng)運行年報數(shù)據(jù)①中國地震臺網(wǎng)中心．2010—2014．中國地震臺網(wǎng)運行年報（2009－2013）．，2009—2013年的測震臺網(wǎng)全網(wǎng)實時運行率分別為93．74%，94．89%，95．46%，95．22%和95．23%，近幾年的總體運行率基本保持在95%左右，繼續(xù)提高的空間有限且難度不?。?/p>

2 地震預警關(guān)鍵技術(shù)指標

2．1 預警盲區(qū)

通常情況下，接收到地震預警信號之后，在破壞性地震波到達之前的這段時間為地震預警反應時間，該時間段的長度反映了地震預警的效能．其長短與震源的相對位置（決定破壞性地震波到達所需要的時間）和地震預警信號發(fā)布的時間直接相關(guān)，而破壞性地震波通常情況下定義為S波及其之后到達的面波．本文定義預警盲區(qū)為在地震預警警報發(fā)出時所對應的S波傳播區(qū)域．很顯然，對于盲區(qū)之內(nèi)的區(qū)域，我們是無法提供預警信息的．同樣，預警盲區(qū)范圍的大小也直接反映了地震預警系統(tǒng)的效能，預警盲區(qū)越小，預警系統(tǒng)的效能越高，反之亦然．

2．2 影響地震預警系統(tǒng)能力的關(guān)鍵因素

在不考慮地震危險性等外部因素的情況下，決定地震預警系統(tǒng)效能的關(guān)鍵因素為預警盲區(qū)的大?。A警盲區(qū)的大小由發(fā)出地震預警時所花費的時間決定．該時間包括以下幾個方面：P波傳播到臺站的時間、數(shù)據(jù)傳輸延時、地震參數(shù)確定的時間、計算機處理及發(fā)布時間以及系統(tǒng)反應時間．其中，P波傳播到臺站的時間與震源深度、臺網(wǎng)密度以及地震發(fā)生地點有關(guān)；數(shù)據(jù)傳輸延時與儀器和網(wǎng)絡相關(guān)；地震參數(shù)確定的時間與選取的定位方法和震級確定方法有關(guān)；計算機處理及發(fā)布時間與計算機性能及網(wǎng)絡狀況相關(guān)；系統(tǒng)反應時間與系統(tǒng)本身相關(guān)，不同的系統(tǒng)反應時間不完全相同．出于對中國地震臺網(wǎng)現(xiàn)狀討論因素的考慮，本文主要從數(shù)據(jù)傳輸延時和臺網(wǎng)密度及臺間距這兩方面進行分析．

3 我國地震臺網(wǎng)的地震預警關(guān)鍵技術(shù)指標分析

3．1 數(shù)據(jù)傳輸延時

以數(shù)據(jù)從臺站傳輸?shù)街袊卣鹋_網(wǎng)中心地震預警處理系統(tǒng)為例，對數(shù)據(jù)傳輸延時進行討論．數(shù)據(jù)傳輸流程如圖3所示．可以看出，數(shù)據(jù)傳輸延時主要包括5個部分：數(shù)據(jù)采集器打包延時1，數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡延時2，儀器適配器打包延時3，省級臺網(wǎng)流服務器到臺網(wǎng)中心流服務器網(wǎng)絡延時4，以及臺網(wǎng)中心流服務器到地震預警處理系統(tǒng)網(wǎng)絡延時5．

圖3 地震數(shù)據(jù)傳輸流程圖Fig．3 Flow chart of seismic data transmission

延時1由數(shù)據(jù)采集器決定．此部分延時分為兩個部分：數(shù)據(jù)本身長度和數(shù)據(jù)打包時間．現(xiàn)階段中國地震臺網(wǎng)大部分數(shù)采所采用的打包方式為總數(shù)據(jù)量達到512字節(jié)時，再整體進行傳輸．由于采用STEIM壓縮算法，所以512字節(jié)所包含的采樣點數(shù)變化較大，平時的地面噪聲因臺基差距，512字節(jié)的采樣點數(shù)多為350—450之間，而地震時則壓縮率大大降低，甚至完全不能壓縮．現(xiàn)有臺網(wǎng)設(shè)置的采樣率為100點，大部分情況下，數(shù)據(jù)長度大約為3—4s，而在地震發(fā)生時會稍短些．為了適應預警的需求，中國地震局“中國地震背景場探測項目”開始使用新一代數(shù)采，如港震公司的EDAS-24GN和REFTEK公司的130－REN-3數(shù)采可以采用0．2s打包的方式，此部分最小延時為0．2s．數(shù)采打包時間與數(shù)采本身的性能和打包方式有關(guān)，在目前的情況下，大部分數(shù)采打包時間都能控制在1s以內(nèi)．

延時2由地震臺站到省級臺網(wǎng)的網(wǎng)絡決定．現(xiàn)階段地震臺站到省級臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡主要有SDH、MSTP、3G和衛(wèi)星等．其中，有線專網(wǎng)（SDH、MSTP等）傳輸延時一般在10ms左右，3G一般在100ms以內(nèi)，衛(wèi)星一般在300ms以內(nèi)．總體來說，此部分延時大部分在10—300ms之間，一般不會超過1s．

延時3由儀器適配器的打包方式?jīng)Q定．與目前數(shù)采的打包方式相同，現(xiàn)階段使用的儀器適配器采用的打包方式為512字節(jié)一個包進行對外服務．如果接收到的數(shù)采發(fā)過來的數(shù)據(jù)包為512字節(jié)，則立即對外發(fā)送，此時的延時僅為計算機處理時間，單位為ms級；如果數(shù)據(jù)包不滿512字節(jié)，則要等到滿512字節(jié)再對外服務．在目前的情況下，即使采用最新的數(shù)采進行0．2s打包，在此環(huán)節(jié)仍要以512字節(jié)的方式進行對外服務．

延時4由省級臺網(wǎng)到臺網(wǎng)中心的網(wǎng)絡決定．目前此部分網(wǎng)絡主要為行業(yè)專線，大部分延時在30ms左右或者更少，少數(shù)延時較長的一般也不會超過60ms．

延時5由臺網(wǎng)中心內(nèi)部網(wǎng)絡決定．由于是局域網(wǎng)內(nèi)部，此部分延時一般在5ms以內(nèi)．

總體來說，延時2、延時4和延時5為網(wǎng)絡延時，總數(shù)一般不會超過1s；而延時1和延時3為儀器及適配器的系統(tǒng)延時，由于存在瓶頸效應，一般在3—4s之間；再加上計算機處理時間，目前臺站數(shù)據(jù)到處理系統(tǒng)的延時一般為5s左右．另外，由于通訊鏈路堵塞等因素的影響，目前在臺網(wǎng)中心實測的數(shù)據(jù)延時一般在5—10s之間．

3．2 臺網(wǎng)密度及臺間距

臺網(wǎng)布局決定了P波傳播到臺站所需的時間，反映臺網(wǎng)布局的一個重要指標是臺網(wǎng)密度．由于通常情況下地震發(fā)生的概率并非完全相同，而臺網(wǎng)布局也并不均勻，為了簡化分析問題的指標，我們以一個簡單的模型來計算臺間距對預警盲區(qū)的影響（楊陳，2013）．

假設(shè)采用雙臺預警模式，地震發(fā)生在兩個臺站連線的中間，臺間距為L，目前地震預警中通常使用的震級測定方法中P波截取記錄時間長度為3s（Wu，Zhao，2006）．假設(shè)理想狀況下的數(shù)據(jù)傳輸延時及處理、發(fā)布等用時累計為2s，系統(tǒng)反應時間暫不考慮，取vP＝6．0km／s，vS＝3．5km／s，則此時盲區(qū)半徑R0為

式中：t1為初至P波走時，公式中為／vP；t2為P波截取時間長度，取為3s；t3為數(shù)據(jù)傳輸延時及處理、發(fā)布等用時，取為2s．

臺站間距L與盲區(qū)半徑R0的關(guān)系如圖4所示．由式（1）和圖4可以看出，盲區(qū)半徑是存在極限值的．即當L＝0時，臺網(wǎng)密度達到極限，地震發(fā)生在雙臺的下方；當震源深度為10km時，此時對應的最小盲區(qū)半徑R0為21km．

在采取雙臺預警的理想狀況下，當震源深度為10km時，由于極值的存在，即使無限縮小臺間距（加密臺站），盲區(qū)半徑也不會小于21km．由圖4可以看出，當臺間距小于10km時，加密臺站對于減小預警盲區(qū)的效果并不明顯（盲區(qū)半徑隨臺站密度的增加而減小得非常慢）；當臺間距大于20km時，此時增加臺間距，預警盲區(qū)半徑基本隨之線性增加．由此可見，當臺間距小到一定程度之后，繼續(xù)加密臺站對于縮小預警盲區(qū)并不能取得與投入相符的效果．只有以斷層分布為基礎(chǔ)，根據(jù)合理的臺間距進行臺站布設(shè)，綜合考慮建設(shè)成本和預警的實際需求，才能建成實用高效的地震預警系統(tǒng)．

圖4 臺間距L與盲區(qū)半徑R0的關(guān)系Fig．4 Relationship between station interval Land radius R0of blind area

3．3 我國地震臺網(wǎng)密度及數(shù)據(jù)延時

在不包括臺陣、火山臺站和烈度速報臺站的前提下，目前我國正式運行的測震臺站有966個，強震動臺站有1 152個．假設(shè)這些臺站都能參與預警，我們對各地區(qū)的臺網(wǎng)密度和平均臺間距作了一個簡單的統(tǒng)計，如表1所示．

表1 各地區(qū)臺網(wǎng)密度及平均臺間距Table 1 Network density and average station distance of each region

續(xù)表1

由前面3．2節(jié)的初步分析可以得出，在目前的狀況下，實現(xiàn)地震預警的合理臺間距為10—20km．由表1可以看出，即使目前運行的測震臺站和強震動臺站都能參與地震預警，但也只有北京、天津和上海地區(qū)能滿足這個基本條件．而由于強震動臺站的分布并不均勻（圖2），其中只有河北、云南、四川等地的部分臺站密集地區(qū)的平均臺間距在20km之內(nèi)，能夠滿足地震預警的基本條件．

對于數(shù)據(jù)延時，我們在位于中國地震臺網(wǎng)中心的一臺服務器上作了一個簡單的測算．具體方法如下：將該臺服務器的時間進行網(wǎng)絡授時，盡可能保證其時間的準確性，對實時數(shù)據(jù)流進行簡單的解析，用當前時間減去數(shù)據(jù)頭的時間，每隔一分鐘統(tǒng)計一次，并持續(xù)統(tǒng)計一段時間，得出各臺站延時的平均值．對于統(tǒng)計數(shù)據(jù)，我們?nèi)サ袅艘恍┯捎贕PS錯誤和網(wǎng)絡堵塞續(xù)傳等原因造成較大延時的不合理結(jié)果，使用一天的平均延時得到臺站數(shù)據(jù)傳輸延時分布圖，如圖5所示．可以看出，去除個別異常點，大部分臺站的數(shù)據(jù)傳輸延時都在4—10s之間，其中以6—8s居多（約占55%）．延時較大的原因可能跟數(shù)采與流服務器的設(shè)置有關(guān)，也有部分原因是由于網(wǎng)絡堵塞后進行斷點續(xù)傳造成的，基本符合3．1節(jié)的分析．而對于數(shù)據(jù)異常點（負值或平均延時大于200s的），經(jīng)過逐一排查，其原因都是由于臺站GPS故障造成的．

圖5 臺站數(shù)據(jù)傳輸延時分布Fig．5 Distribution of station data transmission delay

4 討論與結(jié)論

根據(jù)前面的分析和數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果可以得出，我國地震臺網(wǎng)的現(xiàn)狀并不能滿足地震預警的需求，主要表現(xiàn)為大部分地區(qū)臺站密度不足和整體數(shù)據(jù)延時較大．對于前者，除了根據(jù)需要對現(xiàn)有強震動臺站進行改造和新建之外，還應充分發(fā)揮各方面的力量，盡可能地將已經(jīng)布設(shè)的地方臺和企業(yè)臺等納入地震預警系統(tǒng)中，為地震預警提供良好的臺站基礎(chǔ)條件．對于后者，需要從兩方面進行升級或者改造：首先要對現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集器進行升級或改造，改變其打包和傳輸模式，將此部分的延時降到合理水平．由于目前的實時數(shù)據(jù)傳輸軟件是針對現(xiàn)有的數(shù)采打包和傳輸模式編寫而成，在數(shù)采打包和傳輸模式改變后，實時數(shù)據(jù)傳輸軟件也應相應地進行升級，只有這樣才能保證傳輸?shù)捻槙?，不至于在某個環(huán)節(jié)產(chǎn)生瓶頸．至于網(wǎng)絡傳輸部分的延時，目前已經(jīng)達到較為合理的水平，為了滿足地震預警的需求，則需要從穩(wěn)定性等方面進行加強，盡量避免網(wǎng)絡堵塞及故障的出現(xiàn)．

中國地震局“中國地震背景場探測項目”設(shè)置了首都圈和蘭州圈預警中心，目前正在試運行中．隨著“國家地震烈度速報與預警工程”立項的完成，后續(xù)工作即將全面展開．這一切均表明，在我國建設(shè)地震預警系統(tǒng)已經(jīng)逐步擺上了日程．除了對重點區(qū)域進行布防和新建臺站之外，還應對現(xiàn)有系統(tǒng)進行改造和升級．只有這樣，才能在有限的成本下，合理、有效地利用現(xiàn)有基礎(chǔ)，實現(xiàn)資源利用的最大化．而建成后的地震預警系統(tǒng)，也必將成為重要的支柱力量，為我國的防震減災事業(yè)做出應有的貢獻．

在本文撰寫過程中，吳忠良研究員和楊大克研究員給予了耐心指導，審稿專家對本文提出了寶貴意見，在此一并表示感謝！

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