余 思 唐婷婷

（江西省地震局，南昌 330039）

引言

我國地震特點是頻度高、強度大、分布廣、災害重。2008年5月12日汶川地震、2010年4月14日玉樹地震、2014年8月3日魯甸地震等強震發(fā)生后，暴露出減災手段不足、公共服務水平較低、震后應急指揮信息缺乏等問題，對烈度速報與預警信息服務的需求更為迫切。

國家地震烈度速報與預警工程2018年6月正式獲得國家發(fā)改委批復，是由中國地震局承建的國家“十三五”重點建設項目，主要應用地震儀、強震儀和烈度計等觀測技術，合理布局觀測網絡，結合現代通信、數據處理和信息發(fā)布技術建成地震預警和烈度速報系統(tǒng)。江西省地震烈度速報與預警是其子項，項目建設臺站135個、省級中心1個、服務終端10個；總建筑面積 579.70 m2，其中新建 318.00 m2，改造261.70 m2；購置設備 1124 臺（套）。主要建設內容包括臺站觀測系統(tǒng)、通信網絡系統(tǒng)、數據處理系統(tǒng)、緊急地震信息服務系統(tǒng)、技術支持與保障系統(tǒng)。

地震預報與地震預警有本質區(qū)別，地震預報是指在地震發(fā)生前，對未來地震發(fā)生的震級、時間和地點進行預測預報，并及時公布于眾，讓預測受災區(qū)人們做好預防工作，以減少人員傷亡和財產損失。地震預警是地震發(fā)生后，對即將到來的破壞性地震動進行預測和報警。烈度速報是地震觀測數據快速測定和報送地震烈度的過程。

地震預警系統(tǒng)構想是由美國Cooper博士在1868年提出的：在當時地震活動強烈、距離舊金山100 km的Hollister地區(qū)布設地震監(jiān)測裝置，利用電磁波傳播速度遠大于地震動傳播速度的原理，在地震波到達之前敲響市政大樓上的大鐘，發(fā)出地震警報。地震預警系統(tǒng)（Earthquake Early Warning system，EEWs）基本思想是利用布設在預警目標區(qū)或潛在震源區(qū)的地震臺或強震臺網以及實時通信傳輸線路對地震進行實時監(jiān)測，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遠大于地震波波速的原理，在盡可能短的時間內確定地震基本參數（震源位置、發(fā)震時刻、地震震級）或者直接估算預警目標區(qū)地震動和破壞程度，在破壞地震動到達預警目標區(qū)之前發(fā)出地震警報并啟動地震應急控制系統(tǒng)。

目前已經有多個國家和地區(qū)建立了地震預警系統(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]，日本緊急地震速報系統(tǒng)，美國Elarms系統(tǒng)[3-5]，土耳其 IERREWS（Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning System）系統(tǒng)以及中國臺灣地區(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。

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

1 江西省測震站網規(guī)劃

江西省測震站網根據國家地震烈度速報與預警工程項目江西子項目，改建25個基準站，新、改建58個基本站，新建52個一般站，總共135個，省級終端1個，服務終端10個。江西省共計有100個區(qū)、縣行政區(qū)，其中79個區(qū)縣至少設有1個基準站或基本站。新建基本站考慮歷史地震、斷裂構造發(fā)育、潛在震源分布等因素，盡最大可能覆蓋全部區(qū)縣，由于站點的總數較少，未能達到全部區(qū)縣至少有1個基準站或基本站的要求，但是滿足每個縣/區(qū)至少有一個臺站（基準站/基本站/一般站），圖1為3類臺站分布圖。

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

基準站安裝地震儀、強震儀。建設地點：地震活動性較強的主要斷裂帶附近。主要功能：預警的核心臺站。主要特點：儀器靈敏度、儀器價格、場址要求、建設成本高。

基本站安裝強震儀。建設地點：全國縣級及以上行政單元。主要功能：烈度速報的核心臺站、輔助開展預警。主要特點：儀器靈敏度、儀器價格、場址要求、建設成本較高。

一般站，建設地點：主要布設在重點地區(qū)鄉(xiāng)級行政單元。主要功能：烈度速報的骨干臺站、輔助開展預警。主要特點：儀器靈敏度不高，儀器價格、場址要求、建設成本低。

圖2為統(tǒng)計的不同臺站之間的間距。從統(tǒng)計結果可看出，各類臺站平臺間距符合國家烈度速報與預警工程項目建議書中對臺站功能的要求，其中基準+基本臺站平均間距為29 km。

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

2 地震監(jiān)測能力評估

2.1 地震監(jiān)測能力評估方法

測震臺網監(jiān)測能力主要取決于地震臺基、觀測系統(tǒng)響應靈敏度、儀器動態(tài)范圍、臺網密度及臺站布局等因素[10]。目前計算地震臺網監(jiān)測能力較常用的方法是：依據測震臺站臺基背景振動噪聲觀測值確定可觀測地震事件振幅值，并依據近震震級計算公式，建立震級大小和震中距的對應關系，描述測震臺站對給定震級地震的有效監(jiān)測范圍。

依據近震震級計算公式：

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

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

2.2 背景噪聲

對于一定大小的地震，只有當震中距在一定范圍時，地震波到達地震臺的振幅高出臺基背景噪聲值，地震才能被臺站觀測儀器記錄下來。因此，噪聲水平決定了臺站能記錄到地震的下限，也決定了臺網的地震監(jiān)測能力。對于地震預警而言，背景噪聲影響越小，說明從記錄數據中提取的信息越可靠。

根據（GB/T 19531.4—2004《地震臺站觀測環(huán)境技術要求》）及《國家地震烈度速報與預警臺網工程基本站場址勘選技術指南》的要求，每個測點的記錄有效數據應不小于24 h，數據處理統(tǒng)一采用童汪練[13]研發(fā)的軟件Noise_psd進行噪聲計算，獲得臺站背景噪聲有效速度值（RMS）。

本文計算了25個基準站的背景噪聲，并按照噪聲級別Ⅰ—Ⅴ進行統(tǒng)計劃分（表2）?？梢钥闯觯骰鶞收究傮w噪聲水平較低，符合中國地震局關于預警地震臺站技術規(guī)范選址要求。

表2 江西臺網基準站噪聲統(tǒng)計表Table 2 Noise statistics table of reference station of Jiangxi seismic network

2.3 監(jiān)測能力評估結果

取ML依次為0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，計算各地震臺站對應每個ML取值的監(jiān)控范圍，分別按照每3個和4個臺站監(jiān)控區(qū)域的交集作為測震臺網的監(jiān)控區(qū)域。相應ML取值即為測震臺網對該區(qū)域的地震監(jiān)測能力。江西省現有25個基準站，在共享18個鄰省臺站后的江西測震臺網對全省絕大部分地區(qū)地震的監(jiān)測能力下限可達到ML2.0，局部地區(qū)可達到ML1.5（圖3 和圖4）。

圖3 江西省基準站 3 臺定位監(jiān)測能力圖Fig.3 The earthquake monitoring capacity of 3 reference stations of Jiangxi Province

圖4 江西省基準站 4 臺定位監(jiān)測能力圖Fig.4 The earthquake monitoring capacity of 4 reference stations of Jiangxi Province

3 地震預警能力

3.1 地震預警能力評估方法

地震預警的本質是在一定區(qū)域范圍內提供地震反應應急的時間，所以發(fā)生地震預警信息的時間直接影響地震預警臺網的監(jiān)測能力。選定以江西省所處（24°29′—30°04′N，113°34′—118°28′E）區(qū)域為研究范圍。首先假定P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°為間隔對該區(qū)域進行均勻網格離散化處理，假定每個網格點處都發(fā)生一次地震（震源深度選定為10 km），進而分別統(tǒng)計觸發(fā)臺站數、峰值加速度到達臺站數、峰值位移到達臺站數等與所需時間的關系[14]。第1次、第2次和第3次預警信息所需時間的地震預警能力，簡稱為地震預警第1報需要時間、第2報需要時間、第3報需要時間，其中第1報需時是地震預警的關鍵。預警信息第1次發(fā)布時至少需要有1個臺站記錄到峰值位移信息，以便于較為準確的計算地震震級，第2報發(fā)布時至少需要有2個臺站記錄到峰值位移信息，第3報發(fā)布時至少需要有3個臺站記錄到峰值位移信息。依據上述統(tǒng)計關系，即可以大致估算江西地區(qū)地震預警系統(tǒng)預警信息發(fā)布時所需的時間。

3.2 預警能力評估結果

根據模擬結果，在地震預警臺網系統(tǒng)運行時，圖5—7是得到的發(fā)布預警信息時間。由圖中可看出，在江西全市第1報需時5—10 s，第2報需時10—15 s，第 3 報需時 15—18 s。其中江西省省會南昌市的地震預警能力較強，第1報需時、第2報需時、第3 報需時約 5—10 s。

圖5 江西省地震預警第 1 報需時Fig.5 The first earthquake warning time needed in Jiangxi Province

圖6 江西省地震預警第 2 報需時Fig.6 The second earthquake warning time needed in Jiangxi Province

圖7 江西省地震預警第 3 報需時Fig.7 The third earthquake warning time needed in Jiangxi Province

4 結論

綜上所述，可知江西省地震預警基準臺網建成后，省內重點地區(qū)地震監(jiān)測能力可達1.5級，地震監(jiān)測能力明顯增強，地震預警發(fā)布信息所需時間較短，江西省防震減災能力將得到加強，未來可在一定程度上減少強烈地震造成的人員傷亡和經濟損失等。

致謝在本文撰寫過程中，感謝福建省地震局張紅才老師共享計算程序！