李丹寧 張國權(quán) 繆素秋 高洋 秦敏 馬紅虎 崔慶谷

摘要：2021年5月21日云南漾濞發(fā)生MS6.4地震，云南地震預(yù)警處理系統(tǒng)對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了有效處理并產(chǎn)出預(yù)警信息。首先分析了觀測記錄的走時—震中距關(guān)系以及不同類型臺站的信噪比，說明該系統(tǒng)震相拾取正確，確保了震中位置和發(fā)震時刻測定的高準(zhǔn)確度;鑒于此次地震預(yù)警震級整體偏小，對比了不同類型臺站的震級偏差，其中一般臺震級偏差最小、測震臺次之、基準(zhǔn)臺第三、基本臺最大。云南地震預(yù)警處理系統(tǒng)在2021年5月接入基準(zhǔn)臺和基本臺后，對于漾濞地震的震中位置和發(fā)震時刻測定的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性均有提高，震級偏差變化不明顯，仍然整體偏小。這說明了云南地震預(yù)警處理系統(tǒng)臺站布局合理，系統(tǒng)具備一定的預(yù)警能力，但震級算法還有待改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：地震預(yù)警;臺站類別;震級偏差;漾濞MS6.4地震

中圖分類號：P315.6?? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?? 文章編號：1000-0666（2021）03-0399-08

0 引言

地震預(yù)警作為有效減輕地震災(zāi)害的措施之一，最早是在 1868 年美國舊金山大地震后由Cooper提出的，其主要原理是利用電磁波傳播速度大于地震波的傳播速度，根據(jù)震中附近的地震臺所記錄到的最早到達(dá)的地震波信息快速計算地震三要素、影響范圍及其破壞程度，并搶在破壞性地震波到達(dá)之前發(fā)布預(yù)警信息（張紅才等，2012）。公眾可以利用地震預(yù)警系統(tǒng)提供的幾秒至幾十秒的預(yù)警時間逃生避險，重大基礎(chǔ)設(shè)施及生命線工程可以實施緊急處置，從而達(dá)到減輕地震次生災(zāi)害的目的。因此積極推進(jìn)地震預(yù)警工程，在減少地震人員傷亡與減輕重大工程災(zāi)害損失上意義重大（于培青等，2019;高峰等，2014）。日本是地震災(zāi)害較多的國家，也是世界上最早建設(shè)地震預(yù)警系統(tǒng)的國家之一，于20世紀(jì)50年代與80年代分別建立了鐵路預(yù)警系統(tǒng)與緊急地震速報系統(tǒng)，2007 年日本氣象廳正式對全國公眾發(fā)布預(yù)警的警報信息，稱為“緊急地震速報”（Horiuchi et al，2005;Kamigaichi et al，2009;馬強(qiáng)，2008;袁志祥等，2007;楊陳等，2018）。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，日本的預(yù)警系統(tǒng)已取得了較好的應(yīng)用成果。美國于1994年開始研究地震預(yù)警，最初使用的是Elarm系統(tǒng)（Allen，Kanamori，2003），經(jīng)過不斷技術(shù)更新，在 ElarmS3 的基礎(chǔ)上建成了ShakeAlert系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了ElarmS3和Finder兩種算法（Given et al，2014）。墨西哥于1991年建成了墨西哥市地震預(yù)警系統(tǒng)SAS（Espinosa-Aranda et al，1995）。還有很多國家和地區(qū)都建立了預(yù)警系統(tǒng)，如土耳其（Erdik et al，2003）、意大利（Zollo et al，2009）、歐盟（Parolai et al，2015）、中國（Zhang，et al，2016）等。

2008年汶川地震之后，地震預(yù)警作為地震災(zāi)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)《國家防震減災(zāi)規(guī)劃（2006—2020年）》提出的目標(biāo)（國務(wù)院辦公廳，2007），地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)作為目前我國防震減災(zāi)的一項重點任務(wù)全面展開。2013年6月通過驗收的國家科技支撐計劃“地震預(yù)警與烈度速報系統(tǒng)的研究與示范應(yīng)用”標(biāo)志著中國地震預(yù)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(yù)警工程”標(biāo)志著中國地震預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)已經(jīng)擺上了地震監(jiān)測的日程表（楊陳等，2015）。

中國地震局于 2018 年正式實施國家地震烈度速報與預(yù)警工程，云南作為“先行先試”單位于2019年4月開始接入一般站數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警系統(tǒng)試運(yùn)行。在2021年云南漾濞MS6.4地震中云南地震預(yù)警處理系統(tǒng)有效產(chǎn)出數(shù)據(jù)，本文擬針對此產(chǎn)出結(jié)果，通過分析臺站信噪比、地震“三要素”的偏差情況等，對云南地震預(yù)警處理系統(tǒng)在漾濞地震中的表現(xiàn)進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 云南預(yù)警臺網(wǎng)現(xiàn)狀

目前，云南地震預(yù)警臺網(wǎng)建設(shè)了203個基準(zhǔn)臺（測震儀）、233個基本臺（強(qiáng)震儀）和1 110個一般臺（烈度儀），另外還有120個示范臺（烈度儀），建成后臺站的總數(shù)超過1 600個（圖1），構(gòu)建了“測震、強(qiáng)震動、地震烈度”三網(wǎng)融合的云南地震預(yù)警臺網(wǎng)。傳統(tǒng)的測震觀測主要服務(wù)于地震學(xué)，其記錄的數(shù)據(jù)為地動速度，可為地球內(nèi)部構(gòu)造和地震活動性的研究提供各種地震參數(shù)，也可用于研究地震波的傳播規(guī)律;傳統(tǒng)的強(qiáng)震觀測主要記錄近場強(qiáng)震，記錄的物理量為加速度，旨在測定地面和建筑物在地震作用下的運(yùn)動過程（金星等，2004;付萍等，2020）;烈度儀是基于低成本的MEMS傳感器的加速度計，其體積小、能耗低，靈敏度高、價格低廉，便于鋪設(shè)高密度臺網(wǎng)，利用高密度的MEMS傳感器可以在震后最短幾秒內(nèi)提供強(qiáng)地面運(yùn)動圖，在提供關(guān)鍵性地震信息、減小預(yù)警盲區(qū)、縮短預(yù)警時間等地震預(yù)警研究中具有很大的應(yīng)用前景（康濤，2018）。

2021年5月15日，云南地震預(yù)警臺網(wǎng)接入基準(zhǔn)臺與基本臺，實現(xiàn)了三網(wǎng)融合。全省平均臺間距從原來的50 km左右，發(fā)展到現(xiàn)在的10 km左右。

從有測震觀測的203個基準(zhǔn)臺來看，臺間距也提升到了25 km左右，臺網(wǎng)的監(jiān)測能力也得到明顯提升。

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 預(yù)警處理結(jié)果總體情況

2021年5月21日21時48分，云南漾濞發(fā)生MS6.4地震后，云南預(yù)警系統(tǒng)共使用330個臺站進(jìn)行預(yù)警，其中一般臺217個、基本臺18個、基準(zhǔn)臺66個、測震臺29個、共進(jìn)行了31次處理，詳細(xì)結(jié)果見表1。系統(tǒng)首次處理時共使用3個臺站的數(shù)據(jù)，預(yù)警用時6.6 s（預(yù)警用時指預(yù)警信息提供時刻與人工編目發(fā)震時刻的時間差），系統(tǒng)耗時（預(yù)警信息提供時刻與地震波檢知時刻的時間差為4.8 s），震級偏差為-1級，震中位置偏差為1.2 km，發(fā)震時刻誤差為-0.1 s。由以上分析可看出，首次處理的震中位置和發(fā)震時刻的誤差均很小，能滿足預(yù)警需求，但震級誤差較大。隨著時間推移，觸發(fā)臺站的數(shù)量不斷增加，后續(xù)處理結(jié)果基本穩(wěn)定，但震級一直偏小，31次處理的震級平均偏差為-1，最大偏差為-1.4（第4次的處理結(jié)果），最小偏差為-0.8（第18、19次的處理結(jié)果）。

2.2 臺站初至?xí)r間

較遠(yuǎn)臺站的時效性無法滿足地震預(yù)警需求，因此，根據(jù)人工編目結(jié)果中的發(fā)震時刻，結(jié)合預(yù)警系統(tǒng)處理結(jié)果，本文計算了震中距在300 km范圍內(nèi)各預(yù)警臺站P波震相以及測震臺站編目結(jié)果中Pg或Pn波震相的走時，繪制震中距與走時的擬合曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，在漾濞地震的預(yù)警處理中，預(yù)警系統(tǒng)所用臺站的震相與走時曲線吻合較好，沒有明顯偏離曲線的臺站，即預(yù)警系統(tǒng)臺站到時拾取準(zhǔn)確，不存在錯誤拾取初動時間的情況，這也是該系統(tǒng)能精確確定震中位置和發(fā)震時刻的原因。從圖2還可以看到，在震中距180 km左右，編目結(jié)果中出現(xiàn)Pn波震相前，預(yù)警系統(tǒng)拾取的P與Pg波震相走時曲線吻合度較高，這是由于預(yù)警臺站中多為一般臺，只有烈度儀，不能清晰記錄Pn波，通常拾取到的都是Pg波;震中距大于180 km后，少數(shù)與編目結(jié)果中Pn波震相吻合的預(yù)警臺初動為基準(zhǔn)臺或測震臺的速度儀記錄。

2.3 信噪比

云南地震預(yù)警臺網(wǎng)的一般臺占比最大，超過2/3，因此對于預(yù)警的結(jié)果最具影響力。而一般臺使用的是烈度儀，其信噪比是預(yù)警臺網(wǎng)所有臺站類型中最低的，因此，本文主要針對一般臺的信噪比進(jìn)行分析。在上述初動到時拾取準(zhǔn)確的基礎(chǔ)上，預(yù)警系統(tǒng)在漾濞地震預(yù)警處理中主要使用了震中距200 km內(nèi)的一般臺，計算信噪比，如圖3所示，一般臺的信噪比隨震中距增大而逐漸降低，震中距50 km內(nèi)的臺站信噪比最高，均值達(dá)50以上，震中距200 km內(nèi)的一般臺信噪比均值為14，滿足預(yù)警系統(tǒng)對波形信噪比的要求。此外，基本臺和基準(zhǔn)臺的信噪比均值達(dá)100以上。測震臺有2個臺站S波段限幅，但由于預(yù)警系統(tǒng)主要采用P波段計算震級，所以限幅問題影響不大。

2.4 “三要素”偏差分析

通常評價地震定位準(zhǔn)確度主要通過地震發(fā)震時刻、震中位置和震級來進(jìn)行，簡稱“三要素”。本文通過對漾濞地震“三要素”進(jìn)行分析，來判斷預(yù)警系統(tǒng)處理結(jié)果的準(zhǔn)確性。

2.4.1 震級偏差分析

震級測定是地震預(yù)警中的難點之一。從根本上來說，震級是反映地震大小的物理量，傳統(tǒng)的地震震級包括里氏震級（地方震級）ML、面波震級MS、矩震級MW、地幔震級MM、能量震級ME等，這些震級的確定過程往往十分復(fù)雜，而且標(biāo)準(zhǔn)不一，有些甚至依據(jù)不明，還有些學(xué)者提出在某些情況下地震震級與地震的大小并沒有一個嚴(yán)格的相關(guān)關(guān)系（王勇勝，韋永祥，2018）。由于地震預(yù)警時間極短，預(yù)警震級的確定除了準(zhǔn)確性要求，還有時效性要求，這就更增加了地震預(yù)警震級確定的難度。地震預(yù)警實時震級的確定往往只根據(jù)幾個臺站初至P波的信息與震級的經(jīng)驗統(tǒng)計規(guī)律來計算，而破壞性地震的成核和發(fā)展非常復(fù)雜，僅利用有限臺站的初始記錄信息進(jìn)行計算，有可能因為地震破裂過程尚未完成，波形還未完全發(fā)育而造成較大的不確定性。目前地震預(yù)警震級計算的方法還不具有普適性（馬強(qiáng)，2008），對某一區(qū)域，需要更多的震例樣本積累，才能為預(yù)警信息的可靠性、時效性、穩(wěn)定性提供支撐。

為更全面地分析云南地震預(yù)警系統(tǒng)確定震級的表現(xiàn)，本文對31次系統(tǒng)處理結(jié)果進(jìn)行分析。由于本文參照的編目結(jié)果中，關(guān)于震級的確定主要是使用原有的測震臺記錄進(jìn)行計算，雖然基準(zhǔn)臺也采用測震儀進(jìn)行記錄，但由于是新架設(shè)的臺站，出于對穩(wěn)定性的考慮，我們把基準(zhǔn)臺和原有的測震臺分開進(jìn)行對比，得到使用測震臺、一般臺、基本臺、基準(zhǔn)臺測定的震級偏差概率密度分布曲線，如圖4所示。

從圖4可以看到，一般臺震級偏差在均值和峰值上的分布都有明顯優(yōu)勢，呈現(xiàn)單峰分布特征，28%的一般臺的震級偏差集中在-0.5附近，震級偏差峰值最小，僅為-0.5，均值為-0.8;測震臺次之，呈現(xiàn)雙峰分布特征，分別有24%的測震臺的震級偏差集中在-0.8附近，18%集中在-0.3附近，震級偏差峰值為-0.8，均值偏差為-0.9;基準(zhǔn)臺的震級偏差呈現(xiàn)雙峰分布特征，有21%的基準(zhǔn)臺的震級偏差集中在-0.8附近，10%集中在-1.8附近，震級偏差峰值與測震臺相當(dāng)，為-0.8，均值偏差為-1.1;震級偏差最大的為基本臺，呈現(xiàn)雙峰分布特征，有近30%的基本臺的震級偏差集中在-1.2附近，18%集中在-1.8附近，震級偏差峰值為-1.2，均值偏差為-1.4。

理論上概率密度分布應(yīng)呈對稱型，而圖4表現(xiàn)出來的是偏態(tài)分布，除測震臺的震級偏差均值比峰值大外，其它3類臺站的震級偏差均值都比峰值小。這很可能是預(yù)警系統(tǒng)計算震級時，因時效性的要求，遠(yuǎn)臺臺站波形還未發(fā)育完全（未達(dá)到最大振幅）就參與計算，拉低了均值，而峰值體現(xiàn)的是波形發(fā)育完全的臺站的計算結(jié)果，因此表現(xiàn)出震級偏差均值比峰值大的特征，而測震臺站因為臺間距較大（50 km左右），波形是否發(fā)育完全對其影響相對較小，其震級偏差峰值和均值較接近，峰值還略小于均值。綜合不同類型臺站的震級偏差概率密度分布情況，我們發(fā)現(xiàn)在漾濞地震預(yù)警處理中，采用峰值來表示預(yù)警震級，比均值更為接近編目結(jié)果。但在震級算法方面還有待改善。

為了更系統(tǒng)地分析震級隨預(yù)警系統(tǒng)處理進(jìn)程的變化，對上述4類臺站每一次處理的均值進(jìn)行計算，如圖5a所示。首次處理時僅有3個一般臺觸發(fā)，這與一般臺數(shù)量最多、平均臺間距僅為10 km左右有關(guān);從第二次處理開始，基本臺、基準(zhǔn)臺陸續(xù)有觸發(fā)，參與預(yù)警處理計算。總體來看，圖5a與圖4情況吻合。一般臺的震級偏差最為穩(wěn)定，幅值變化在0.4以內(nèi)，這與一般臺數(shù)量最多且整體偏差最小有關(guān)，在第19次處理時達(dá)到最優(yōu)，震級偏小0.7;其次測震臺的震級偏差也較為穩(wěn)定，變化幅度在0.5以內(nèi)，這與多年來測震臺的維護(hù)情況良好有關(guān);基準(zhǔn)臺與基本臺震級偏差整體較大，均偏小1級以上。從系統(tǒng)預(yù)警處理進(jìn)程來看，對于基準(zhǔn)臺和基本臺，第16次處理是一個分界點，此次處理結(jié)果在震后32.1 s給出。前15次處理結(jié)果總體表現(xiàn)為使用基本臺計算的震級偏差較小，基準(zhǔn)臺較大;但從第16次處理開始，情況反轉(zhuǎn)，使用基準(zhǔn)臺測定的震級偏差明顯減小，優(yōu)于基本臺，從偏小1.5逐漸變小，在隨后的16次處理中逐漸穩(wěn)定到偏小1.1左右。理論上，震級通常是采用最大振幅值進(jìn)行計算，對于預(yù)警系統(tǒng)，同一地震震級的表現(xiàn)應(yīng)是隨預(yù)警進(jìn)程的推移，越來越多的臺站記錄的波形發(fā)育完全，震級逐漸增大至穩(wěn)定。漾濞地震中，基準(zhǔn)臺、測震臺、基本臺的記錄都體現(xiàn)了這一特征，但一般臺在第19次處理中震級達(dá)到最優(yōu)之后偏差值沒有穩(wěn)定，還有所下降，這可能與預(yù)警后期大量一般臺的遠(yuǎn)臺增多有關(guān)系。

2.4.2 震中位置偏差分析

為了更直觀地分析自5月15日起增加基準(zhǔn)臺、基本臺后云南地震預(yù)警系統(tǒng)的處理能力，我們把預(yù)警處理系統(tǒng)應(yīng)用于漾濞地震時，只有一般臺和增加基準(zhǔn)臺、基本臺后參與計算震中位置偏差的結(jié)果進(jìn)行了對比。如圖5b所示，這兩種情況對于震中位置的測定都比較準(zhǔn)確，相對而言，僅使用一般臺測定的震中位置偏差較大，最大偏差約為1.5 km，加入了基準(zhǔn)臺、基本臺的所有臺站測定的震中位置最大偏差約1.2 km，且總體比僅有一般臺的結(jié)果更為穩(wěn)定。

2.4.3 發(fā)震時刻偏差分析

由圖5c可見，只有一般臺和增加基準(zhǔn)臺、基本臺后對于發(fā)震時刻的計算都比較準(zhǔn)確，僅使用一般臺時計算的發(fā)震時刻偏差較大，最大偏差為0.3 s，加入了基準(zhǔn)臺、基本臺的所有臺站計算的發(fā)震時刻最大偏差為0.1 s，且總體也比僅有一般臺時計算的結(jié)果更為穩(wěn)定。

3 結(jié)論

云南地震預(yù)警系統(tǒng)在漾濞MS6.4地震中有效產(chǎn)出，首次處理使用3個臺站數(shù)據(jù)，預(yù)警用時6.6 s，系統(tǒng)耗時4.8 s;震級偏差為-1，震中位置偏差為-1.2 km，發(fā)震時刻誤差為-0.1 s，這體現(xiàn)了預(yù)警系統(tǒng)在本次地震中的實效性和定位準(zhǔn)確性。整體來看，臺站到時讀取準(zhǔn)確，無錯誤拾取P波到時的情況;從31次處理情況看，該系統(tǒng)對震中位置和發(fā)震時刻的計算準(zhǔn)確度高，震中位置最大偏差為1.3 km，均值偏差為1 km，發(fā)震時刻最大偏差為0.1 s，均值偏差為0.01 s;但預(yù)警震級整體偏小，且偏差較大，最大偏差為-1.4，均值偏差為-1。

從3種類型臺站的震級偏差表現(xiàn)來看，一般臺較有優(yōu)勢，震級偏差最小且呈單峰分布，從輻射花樣上看最符合震級分布特征。其次是測震臺和基準(zhǔn)臺，基本臺震級偏差最大。整體上，預(yù)警處理系統(tǒng)目前的震級算法有待改善。

對比增加基準(zhǔn)臺和基本臺后的系統(tǒng)處理能力與僅有一般臺時的差別，發(fā)現(xiàn)增加臺站后，系統(tǒng)計算的震中位置和發(fā)震時刻穩(wěn)定性均有提升。

綜上所述，云南地震預(yù)警系統(tǒng)臺網(wǎng)的臺站布局合理，對于震中位置和發(fā)震時刻的計算準(zhǔn)確度高，預(yù)警震級整體偏小，說明該系統(tǒng)具備一定的預(yù)警能力，但震級算法還有待改進(jìn)。目前人工智能地震預(yù)警震級估算方法正進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)，下一步我們將云南地震預(yù)警系統(tǒng)使用人工智能方法進(jìn)行震級測算。

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Analysis of Early Warning Processing Results from the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake

LI Danning，ZHANG Guoquan，MIAO Suqiu，GAO Yang，QIN Min，MA Honghu，CUI Qinggu

（Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

On May 21，2021，the Yunnan Earthquake Early Warning Processing System effectively processed the Yangbi MS6.4 earthquake and produced kinds of early warning information.This paper analyzed the relationship between the arrival time and the epicentral distance.It is found that for the Yangbi earthquake，the Early Warning System picked up seismic phases without mistake，ensuring high accuracy of the epicenter location and the origin time.The magnitude given by the system is generally underestimated.We compared the magnitude error of different types of stations，and found that the stations deployed with seismic-intensity meters have the smallest error，followed by the old seismometer stations and the newly-built seismometer stations.The accelerometer stations have the largest error.The Early Warning Processing System was connected to the newly-built seismometer stations and the accelerometer stations in May 2021，which in favor of improving the accuracy and stability of early warning results like the epicenter location and the original time of the Yangbi earthquake given by the system.But the magnitude error has not changed significantly，and the magnitude is still generally underestimated.This proves that the stations layout of the Yunnan Earthquake Early Warning Processing System is reasonable;the epicenter and the origin time produced by the system are of high accuracy.The system has a certain early warning capability，but its magnitude algorithm needs to be improved.

Keywords：earthquake early warning;stations type;magnitude error;the Yangbi MS6.4 earthquake