徐佳靜 張建勇 梁建宏 孫麗

中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

地震三要素的自動測定主要包括地震檢測、震相拾取、震相關(guān)聯(lián)、地震定位、震級計算等步驟，一般使用長時窗與短時窗內(nèi)地震波能量的比值STA/LTA與AIC準則拾取初至P波到時(Allen，1982；王繼等，2006)，在S波信噪比較好的情況下，也會利用S波極性變化等方法拾取S波到時(Grigoli et al，2014)。震相到時關(guān)聯(lián)采用三維網(wǎng)格搜索方法或其他算法，在時空域?qū)ふ易羁赡艿陌l(fā)震時刻和震源位置，去除錯誤的或誤差較大的到時后再進行定位，并對定位結(jié)果進行評價。隨著時間的推移，使用越來越多的臺站到時持續(xù)更新定位結(jié)果。在實時仿真或濾波的基礎(chǔ)上，震級計算基于理論時間窗內(nèi)波形振幅與周期參數(shù)，計算ML、MW和MS等震級；基于初步確定的地震參數(shù)，對于大震、小震、淺源地震、中深源地震，優(yōu)選某個震級確定地震最終的震級，或基于經(jīng)驗取多種震級加權(quán)平均確定最終震級。

國內(nèi)實際運行的自動地震速報系統(tǒng)一般產(chǎn)出2次結(jié)果，首次產(chǎn)出時效優(yōu)先，第二次產(chǎn)出主要考慮震級穩(wěn)定性，兼顧時效。當觸發(fā)的臺站數(shù)大于等于6時，系統(tǒng)進行自動處理流程，產(chǎn)出地震三要素，經(jīng)評估后認定為一個真實地震事件，該地震三要素就作為首次產(chǎn)出的結(jié)果。隨著時間的推移，可使用的臺站數(shù)量和波形信息增加，當一定數(shù)量的臺站波形滿足量取震級的時間窗，進行第二次定位和震級計算，其結(jié)果作為第二次產(chǎn)出的地震三要素，此時確定的震級更穩(wěn)定。

國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)于2013年4月開始正式運行，該系統(tǒng)具有高時效性的優(yōu)勢，但發(fā)布參數(shù)的準確性、地震漏報和誤報問題一直受到關(guān)注。張會苑等(2019)對西南區(qū)域自動地震速報系統(tǒng)定位結(jié)果進行評估，狄秀玲等(2013)對西北區(qū)域自動地震速報系統(tǒng)定位結(jié)果進行評估，楊陳等(2010、2013、2014)和徐佳靜等(2021)對國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)進行了評估，但均未針對密集發(fā)生的地震序列確定的參數(shù)準確性、漏報和誤報情況進行較全面的評估。尤其是針對大震后的余震，在有可能受到較小前震或較大前震尾波影響的情況下，需要對國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)的處理結(jié)果進行深入分析研究。

2021年5月21日21時48分云南大理州漾濞縣發(fā)生6.4級地震，4小時15分鐘后，5月22日2時4分青海果洛州瑪多縣發(fā)生7.4級地震，國內(nèi)學者從地震前兆異常、應(yīng)急產(chǎn)出等方面對這2個地震序列進行了深入研究(戴丹青等，2021；鄧文澤等，2021；廖詩榮等，2021；鐘駿等，2021；岳沖等，2022；Zhou et al，2021；Jiang et al，2021；Wang et al，2021)。2個地震序列交替且頻繁，對自動地震速報系統(tǒng)是一個極大的挑戰(zhàn)。本文分別選取2個地震序列對應(yīng)的自動地震速報系統(tǒng)監(jiān)測的最小震級，統(tǒng)計國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)的產(chǎn)出情況，對其定位結(jié)果進行偏差分析，為今后自動地震速報系統(tǒng)升級、完善和產(chǎn)出結(jié)果的拓展應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 數(shù)據(jù)資料

1.1 云南漾濞地震序列數(shù)據(jù)資料

2021年云南漾濞6.4級地震為典型的前震-主震-余震型地震。根據(jù)自動地震速報系統(tǒng)對該區(qū)地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力(ML≥1.7)，選取全國統(tǒng)一編目2021年5月18—29日云南漾濞地區(qū)766個地震，其中13個地震測定的是面波震級MS，其余753個地震測定的是地方性震級ML。表1為云南漾濞地震序列不同震級段的地震數(shù)量統(tǒng)計，圖1為云南漾濞地震序列分布，其中前震107個，主震1個，余震658個。云南漾濞屬于滇西大理區(qū)域，該區(qū)地震臺站分布較密，臺站間距50～100km，臺網(wǎng)監(jiān)測能力ML≥1.2(曹舸斌等，2019)。圖2為云南漾濞6.4級地震的臺站分布，其中距主震震中100km以內(nèi)有5個臺站，震中距200km以內(nèi)有16個臺站，震中距300km以內(nèi)有32個臺站，最近的臺站為團山臺(TUS)，距主震震中36km。

表1 云南漾濞地震序列不同震級段地震數(shù)量統(tǒng)計

圖1 云南漾濞地震序列分布

圖2 云南漾濞6.4級地震臺站分布

1.2 青海瑪多地震序列數(shù)據(jù)資料

2021年青?，敹?.4級地震為典型的主震-余震型地震。根據(jù)自動地震速報系統(tǒng)對該區(qū)地震臺網(wǎng)的監(jiān)測能力(ML≥2.0)，選取全國統(tǒng)一編目中2021年5月18—29日青?，敹嗟貐^(qū)772個地震，其中1個地震測定的是矩震級MW，14個地震測定的是面波震級MS，其余757個地震測定的是地方性震級ML。表2為青?，敹嗟卣鹦蛄胁煌鸺壎蔚卣饠?shù)量統(tǒng)計，圖3為青海瑪多地震序列分布，其中主震1個，余震771個。青?，敹辔挥谇嗪Ｖ胁科?，該區(qū)地震臺站分布密度不大，臺網(wǎng)監(jiān)測能力ML≥2.0(沙成寧等，2016)。圖4為青?，敹?.4級地震臺站分布，其中距主震震中100km以內(nèi)有1個臺站，震中距200km以內(nèi)有6個臺站，震中距300km以內(nèi)有23個臺站，最近的臺站為瑪多臺(MAD)，距主震震中36km。

表2 青?，敹嗟卣鹦蛄胁煌鸺壎蔚卣饠?shù)量統(tǒng)計

圖3 青?，敹嗟卣鹦蛄蟹植?/p>

注：紫色三角形表示NMH臺陣，共10個臺站，平均臺間距2km。

2 自動速報系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果及分析

2021年5月18—29日，國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出云南漾濞地震序列321次，平均震中位置偏差3.2km，平均震級偏差0.15級，平均用時32s；第二次產(chǎn)出云南漾濞地震事件316次，平均震中位置偏差4.3km，平均震級偏差0.25級，平均用時81s。

2021年5月18—29日，自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出青?，敹嗟卣鹦蛄?87次，平均震中位置偏差12.2km，平均震級偏差0.21級，平均用時57s；第二次產(chǎn)出青海瑪多余震事件377次，平均震中位置偏差12.5km，平均震級偏差0.21級，平均用時113s。

2.1 震中位置偏差

2021年5月18—29日，國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出的云南漾濞地震序列平均震中位置偏差為3.2km，94%的地震震中位置偏差在6km以內(nèi)，震中位置偏差大于10km的事件共有9次；第二次產(chǎn)出的云南漾濞地震序列平均震中位置偏差為4.3km，90%的地震震中位置偏差在6km以內(nèi)，震中位置偏差大于10km的事件共有12次(圖5)。

圖5 云南漾濞地震序列震中位置偏差與震級的關(guān)系

2021年5月18—29日，自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出的青?，敹嗟卣鹦蛄衅骄鹬形恢闷顬?2.2km，65%的地震震中位置偏差在10km以內(nèi)，震中位置偏差大于10km的事件共有133次；第二次產(chǎn)出的青?，敹嗟卣鹦蛄衅骄鹬形恢闷顬?2.5km，63%的地震震中位置偏差在10km以內(nèi)，震中位置偏差大于10km的事件共有138次(圖6)。

圖6 青?，敹嗟卣鹦蛄姓鹬形恢闷钆c震級的關(guān)系

2個地震序列自動定位結(jié)果顯示，震中位置偏差未隨臺站的增加而改善，近臺對震中位置有更好的控制作用，遠臺的加入可能引入更多速度模型的不確定性和低信噪比的震相，導致定位的更大偏差。云南漾濞地震序列2.5級以下地震和青?，敹嗟卣鹦蛄?.0級以下地震存在部分地震震中位置偏差較大，主要源于小震觸發(fā)臺站較少以及信噪比不高，影響震相的自動拾取精度。

2.2 震級偏差

2021年5月18—29日，自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出的云南漾濞地震序列平均震級偏差為0.15，第二次產(chǎn)出的地震序列平均震級偏差為0.25。根據(jù)云南漾濞地震序列不同震級段的地震平均震級偏差統(tǒng)計結(jié)果(表3)，自動地震速報系統(tǒng)第二次產(chǎn)出的4.0級以下地震震級偏差較大，表明更多臺站的觸發(fā)并不能減小地震的震級偏差；自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出的5.0級以上地震震級偏差較大，是因為地震參數(shù)發(fā)布時，參與震級計算的臺站大多為近臺，部分遠臺數(shù)據(jù)缺失。

表3 云南漾濞地震序列不同震級段平均震級偏差統(tǒng)計

圖7為云南漾濞地震序列震級偏差與編目震級的關(guān)系(震級偏差指自動地震速報震級與地震編目震級的差)。自動地震速報系統(tǒng)第一次產(chǎn)出的云南漾濞地震序列中，震級偏差大于0.3的地震約占總數(shù)的6.5%；自動地震速報系統(tǒng)第二次產(chǎn)出的地震序列中，震級偏差大于0.3的地震約占總數(shù)的20%，主要為ML≤3.0的地震。在震級偏差大于0.3的地震中，4.5級以上地震自動速報震級偏小；4.5級以下地震自動速報震級偏大。

圖7 云南漾濞地震序列震級偏差與震級的關(guān)系

2021年5月18—29日，自動地震速報系統(tǒng)2次產(chǎn)出的青?，敹嗟卣鹦蛄衅骄鸺壠罹鶠?.21。根據(jù)青?，敹嗟卣鹦蛄胁煌鸺壎蔚牡卣鹌骄鸺壠罱y(tǒng)計結(jié)果(表4)，該地震序列自動地震速報系統(tǒng)2次產(chǎn)出結(jié)果偏差不大。

表4 青?，敹嗟卣鹦蛄胁煌鸺壎纹骄鸺壠罱y(tǒng)計

圖8為青?，敹嗟卣鹦蛄姓鸺壠钆c編目地震震級的關(guān)系。自動地震速報第一次產(chǎn)出的青海瑪多地震序列中，主震MW7.4震級偏差1.05，震級偏差大于0.3的地震約占總數(shù)的18%；自動地震速報第二次產(chǎn)出的地震序列中，主震MW7.4震級偏差0.5，震級偏差大于0.3的地震約占總數(shù)的15%。分析認為主震震級偏差大是因為地震參數(shù)發(fā)布時，參與震級計算的臺站大多為近臺，部分遠臺數(shù)據(jù)缺失。

圖8 青?，敹嗟卣鹦蛄姓鸺壠钆c震級的關(guān)系

2.3 漏報和誤報地震分析

2021年5月18—29日，根據(jù)自動地震速報系統(tǒng)的監(jiān)測能力，自動地震速報系統(tǒng)產(chǎn)出的云南漾濞地震序列共漏報445個地震(表5)，其中1.7≤ML<2.0的地震漏報率為52.3%，2.0≤ML<2.5的地震漏報率為35.0%。在此期間，自動地震速報系統(tǒng)產(chǎn)出的青?，敹嗟卣鹦蛄泄猜﹫?85個地震(表6)，其中，2.0≤ML<2.5的地震漏報率為68.3%，2.5≤ML<3.0的地震漏報率為19.5%。為了更好地展示這2個地震序列漏報地震情況，給出漏報地震震級與時間的關(guān)系(圖9)，從漏報地震震級分布可以看出，隨著地震震級的增大，2個地震序列漏報地震減少；3.0級以上漏報地震主要集中在主震后1h內(nèi)。

表5 云南漾濞地震序列不同震級段漏報地震數(shù)量統(tǒng)計

表6 青?，敹嗟卣鹦蛄胁煌鸺壎温﹫蟮卣饠?shù)量統(tǒng)計

圖9 漏報地震震級隨時間變化曲線

為了進一步探究漏報原因，我們系統(tǒng)地分析了這些地震波形，發(fā)現(xiàn)導致地震漏報的情形主要有2種：①在較短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生2個以上地震，后續(xù)地震的初至震相受到前邊地震波形影響，信噪比較低，系統(tǒng)將后續(xù)地震波形誤認為前一個地震事件波形的持續(xù)，未能識別后續(xù)地震的到時，如5月21日20時56分2秒云南漾濞ML4.3地震漏報，在19s前，20時55分43秒云南漾濞發(fā)生ML3.0地震(圖10)；5月21日21時53分云南漾濞ML3.9地震漏報，在5min前，21時48分云南漾濞發(fā)生MS6.4 地震(圖11)；②臺站稀少的地區(qū)，最大空隙角較大，如5月22日2時16分青海瑪沁ML4.3地震漏報。

圖10 2021年5月21日20時56分云南漾濞ML4.3地震波形

圖11 2021年5月21日21時48分云南漾濞 MS6.4 地震波形

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，2021年5月18—29日自動地震速報系統(tǒng)無誤報地震，這與系統(tǒng)在拾取到時時要求的信噪比高、對同一臺站連續(xù)拾取到時時要求間隔的時間較大有關(guān)，也與使用震相到時關(guān)聯(lián)地震時要求的臺站數(shù)目較多和臺站分布較好有關(guān)，這些高要求在很大程度上也導致了漏報的發(fā)生，這恰好與自動地震速報系統(tǒng)要求的“寧棄不誤”的發(fā)布原則(楊陳等，2014)相統(tǒng)一。

3 結(jié)論

根據(jù)國家臺網(wǎng)中心自動地震速報系統(tǒng)在云南漾濞和青海瑪多2個地區(qū)的臺網(wǎng)監(jiān)測能力，選取全國統(tǒng)一編目2021年5月18—29日2個地震序列事件，對自動地震速報系統(tǒng)處理密集發(fā)生的地震序列性能進行偏差分析。基于目前的地震臺網(wǎng)密度，自動地震速報系統(tǒng)初次產(chǎn)出時間均在60s內(nèi)，由于區(qū)域地震臺網(wǎng)密度的變化差別較大，最短產(chǎn)出時間在30s左右，平均震級偏差0.2。平均震中位置偏差在地震臺網(wǎng)密集地區(qū)小于5km，在地震臺網(wǎng)稀疏地區(qū)可能超過20km。

云南漾濞地震序列產(chǎn)出事件的時間較快，震中位置偏差較小，而青?，敹嗟卣鹦蛄挟a(chǎn)出事件的時間稍慢，震中位置偏差較大，主要由于青海瑪多區(qū)域臺站稀少且沒有近臺、臺站空隙角較大。2個地震序列自動定位結(jié)果顯示，震中位置偏差并未隨臺站的增加而改善，近臺對震中位置有更好的控制作用，遠臺的使用增加了速度模型不確定性對定位結(jié)果的影響。

與地震編目結(jié)果比較，國家中心自動地震速報系統(tǒng)漏報云南漾濞地震序列445個地震和青?，敹嗟卣鹦蛄?86個地震。漏報地震震級分布顯示隨著震級增大，2個地震序列漏報地震減少，3.0級以上漏報地震主要集中在主震后1h內(nèi)。導致自動速報系統(tǒng)漏報地震主要有2種原因：①在較短時間內(nèi)連續(xù)發(fā)生2個以上地震，后續(xù)地震的初至震相受到前一地震波形影響，信噪比較低，系統(tǒng)將后續(xù)地震波形誤認為前一個地震事件波形的持續(xù)，未能識別后續(xù)地震的到時；②震中區(qū)域臺站稀少且空隙角較大。