何 斌，朱景寶，李山有，宋晉東

（1.中國地震局工程力學(xué)研究所地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080；2.地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江哈爾濱 150080）

引言

地震預(yù)警是近幾年發(fā)展起來的最有效的防震減災(zāi)手段之一［1］。目前各式各樣的地震預(yù)警系統(tǒng)已經(jīng)在世界上的多個(gè)國家和地區(qū)得到了快速的發(fā)展和應(yīng)用，如日本、墨西哥、美國、意大利、中國等［2-7］。

從當(dāng)前的預(yù)警方式來看，可以大致將地震預(yù)警劃分為現(xiàn)地預(yù)警和區(qū)域預(yù)警2 種方式［1］?，F(xiàn)地地震預(yù)警技術(shù)是利用臺(tái)站記錄到地震波初期的信息對(duì)后續(xù)即將到來的地震動(dòng)峰值進(jìn)行預(yù)測，因此該方法利用近場的幾個(gè)臺(tái)站可以實(shí)現(xiàn)在震源參數(shù)未知的情況下對(duì)臺(tái)站附近地區(qū)的地震破壞情況做出判斷，并快速的發(fā)出警報(bào)；然而該方法的一個(gè)顯著缺點(diǎn)是提供的預(yù)警信息較為有限，并且不能對(duì)離臺(tái)站較遠(yuǎn)的地區(qū)做出判斷［8-9］。在現(xiàn)地地震預(yù)警中WU 等在其原來利用Pd預(yù)測PGV的研究基礎(chǔ)之上引入一個(gè)新的特征周期參數(shù)τc，并將其與幅值參數(shù)Pd聯(lián)合，通過與預(yù)先設(shè)定閾值進(jìn)行比較從而實(shí)現(xiàn)對(duì)臺(tái)站附近的地震破壞情況進(jìn)行判斷［10-11］。

區(qū)域預(yù)警技術(shù)首先利用臺(tái)站檢測到地震波初期的信息快速估算出震源參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)利用地震動(dòng)衰減關(guān)系來預(yù)測出地震動(dòng)的影響范圍［12］，故該方法能夠?yàn)檫h(yuǎn)場地區(qū)提供更多的預(yù)警信息和時(shí)間，但由于震源參數(shù)的誤差、地震動(dòng)衰減關(guān)系和場地的不確定性等因素的影響可能會(huì)造成最終的地震動(dòng)預(yù)測結(jié)果與真實(shí)結(jié)果之間出現(xiàn)較大的偏差，并且在近場地區(qū)存在一定的預(yù)警盲區(qū)［13-16］。ZOLLO 等［12］延續(xù)WU等的研究，提出了一種“基于閾值的地震預(yù)警方法”，即：通過事先確定好臺(tái)站在觸發(fā)后3 s時(shí)間窗內(nèi)τc和Pd這2個(gè)參數(shù)的閾值，并以此建立起只針對(duì)臺(tái)站端的地震破壞情況判別模型，然后又融合區(qū)域預(yù)警的優(yōu)勢提出了一種類似于衰減關(guān)系的Pd預(yù)測方程來預(yù)測目標(biāo)場點(diǎn)處的Pd值，并將預(yù)測出Pd=0.2 cm 的等值圈內(nèi)的區(qū)域定義為潛在破壞區(qū)，經(jīng)過多次地震的離線模擬顯示，預(yù)測出的潛在破壞區(qū)范圍與MMI（修正的麥卡利烈度）對(duì)應(yīng)在Ⅶ度以上的區(qū)域有很好的吻合程度。CARRANZA 等［18］、PICOZZI 等［19］、PENG 等［20］、宋晉東等［21］、汪源等［22］也多次驗(yàn)證了該方法在地震預(yù)警中應(yīng)用的可行性，通過現(xiàn)有的多次離線驗(yàn)證結(jié)果來看，該方法能夠在臺(tái)站觸發(fā)3 s后，在震源參數(shù)未知的情況下快速對(duì)臺(tái)站附近地區(qū)的地震破壞情況進(jìn)行判斷，并根據(jù)已觸發(fā)臺(tái)站的信息利用預(yù)測方程實(shí)現(xiàn)對(duì)潛在破壞區(qū)范圍的實(shí)時(shí)估計(jì)，體現(xiàn)了2種預(yù)警方式相結(jié)合的優(yōu)勢。

北京時(shí)間2022 年1 月8 日1 時(shí)45 分，根據(jù)中國地震臺(tái)網(wǎng)中心的測定在青海省門源縣發(fā)生了Ms6.9 級(jí)地震，此次地震的震中位置大約在北緯37.77°、東經(jīng)101.26°，震源深度約為10 km。事后從當(dāng)?shù)氐牡卣鹦侣劙l(fā)布會(huì)上得知，截至1 月11 日22 時(shí)，此次地震造成海北州門源、祁連、剛察和海晏等4 個(gè)縣27 個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共17 069人受災(zāi)，10 人受傷。除此之外經(jīng)初步排查，此次地震還造成大量的房屋倒塌，部分非住宅用房、農(nóng)牧業(yè)、工業(yè)、服務(wù)業(yè)和公共基礎(chǔ)設(shè)施等也都受到了不同程度的損傷。

此次地震由于在震中附近的強(qiáng)震記錄儀只有1臺(tái)，而烈度計(jì)數(shù)量較多，故為了防止由于儀器原因引起的誤報(bào)，因此文中根據(jù)ZOLLO 等人提出的基于閾值的地震預(yù)警方法采用由烈度計(jì)記錄的加速度數(shù)據(jù)，通過離線模擬的方式估計(jì)了此次地震的潛在破壞區(qū)范圍，旨在分析該方法應(yīng)用于此次地震預(yù)警中的表現(xiàn)，并初步探索將烈度計(jì)應(yīng)用于地震預(yù)警中的可行性。

1 數(shù)據(jù)

中國地震臺(tái)網(wǎng)在2022年1月8日青海門源Ms6.9級(jí)地震中共獲取了496組（1 488條）加速度記錄，其中烈度計(jì)臺(tái)站495組（1 485條）、強(qiáng)震儀臺(tái)站1組（3條），震中和臺(tái)站分布位置如圖1所示。

圖1 震中和臺(tái)站分布Fig.1 Distribution of epicenter and stations

由于強(qiáng)震儀的數(shù)量只有1臺(tái)，為了方便文中接下來的研究工作，我們選取全部由烈度計(jì)記錄的豎向加速度記錄，并進(jìn)行如下處理：

（1）采用馬強(qiáng)等［23］提出的STA/LTA 和AIC 算法結(jié)合的方式對(duì)P 波到時(shí)進(jìn)行自動(dòng)撿拾，并采用人工復(fù)核的方式對(duì)P波到時(shí)點(diǎn)不準(zhǔn)確的記錄進(jìn)行重新校正以確保到時(shí)的準(zhǔn)確性；對(duì)于記錄不完全或無法識(shí)別到時(shí)的記錄直接進(jìn)行剔除文中不再使用。

（2）對(duì)到時(shí)點(diǎn)準(zhǔn)確的加速度記錄進(jìn)行積分得到速度記錄，再對(duì)速度記錄進(jìn)行積分得到位移記錄，然后對(duì)2 次積分后的數(shù)據(jù)采用頻率為0.075 Hz 的高通濾波器進(jìn)行濾波來進(jìn)行基線校正。

（3）為保證參與計(jì)算的數(shù)據(jù)信噪比滿足需要，我們參考ZOLLO等（2010）的研究，選取Pv（P波觸發(fā)后3 s內(nèi)的速度峰值）＞0.05 cm/s的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。為此我們對(duì)此次地震數(shù)據(jù)的Pv值和震源距做如圖2所示的統(tǒng)計(jì)分析。通過分析可知：在此次地震中被觸發(fā)臺(tái)站的Pv值隨震源距的增加而快速減小，當(dāng)烈度計(jì)臺(tái)站的震源距增加到54 km 時(shí)其Pv值首次降低到0.05 cm/s以下。因此我們挑選了震源距在54 km 以內(nèi)、記錄完全且到時(shí)準(zhǔn)確并由烈度計(jì)記錄的數(shù)據(jù)用于本次研究，共計(jì)有20組，其具體分布情況如圖3所示。

圖2 Pv值隨震源距的衰減關(guān)系Fig.2 Attenuation relationship between Pv and hypocentral distance

圖3 震中和選用臺(tái)站分布Fig.3 Distribution of epicenter and selected stations

2 方法

基于閾值的地震預(yù)警方法在僅使用臺(tái)站觸發(fā)后3 s時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)時(shí)，就可以根據(jù)各觸發(fā)臺(tái)站對(duì)應(yīng)的警報(bào)級(jí)別及其分布情況并利用由Pd預(yù)測方程預(yù)測出Pd=0.2 cm的等值圈范圍，2個(gè)方面同時(shí)對(duì)地震的潛在破壞區(qū)進(jìn)行估計(jì)，融合了現(xiàn)地預(yù)警和區(qū)域預(yù)警2種方式的優(yōu)勢。

2.1 現(xiàn)地臺(tái)站的參數(shù)、閾值及警報(bào)級(jí)別確定

（1）參數(shù)及閾值的確定

特征周期參數(shù)τc是KANAMORI（2005）在NAKAMURI（1998）的研究基礎(chǔ)之上發(fā)展出的一種在P 波初始階段的特征周期參數(shù)［24-25］，其具體的計(jì)算公式如下：

式中：

式中：u(t)和分別為豎向的位移和速度時(shí)程；τ0為從P波到時(shí)點(diǎn)開始的時(shí)間窗長度，一般取3 s。

由于特征周期參數(shù)τc和震級(jí)M之間存在明顯的線性相關(guān)性，故采用ZOLLO 等（2010）利用意大利、日本等地的強(qiáng)震數(shù)據(jù)建立起來的τc和M之間的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

確定，當(dāng)震級(jí)M為6時(shí)所對(duì)應(yīng)的τc值為0.6 s。

參數(shù)Pd為臺(tái)站觸發(fā)后3 s內(nèi)豎向的最大位移幅值，其計(jì)算公式如下：

由于參數(shù)Pd與震級(jí)、震源距和PGV之間都有良好的線性相關(guān)性［15，26］，而地震烈度又與PGV密切相關(guān)，因此可以用參數(shù)Pd來表示地震造成的破壞程度。ZOLLO等（2010）參考WALD等（1999）的研究，確定當(dāng)MMI＞Ⅶ度時(shí)，地震會(huì)造成破壞［27］，而此時(shí)所對(duì)應(yīng)的PGV=16 cm/s，故根據(jù)建立的Pd與PGV的統(tǒng)計(jì)關(guān)系：

確定，當(dāng)MMI=Ⅶ度時(shí)，對(duì)應(yīng)的Pd閾值為0.2 cm。

（2）警報(bào)級(jí)別的劃分

警報(bào)級(jí)別的劃分是通過臺(tái)站在觸發(fā)后，前3 s 時(shí)間窗內(nèi)Pd與τc的計(jì)算值是否超過上述閾值來確定的，根據(jù)Pd=0.2 cm 與τc=0.6 s 的閾值組合可以將地震的破壞情況劃分為4個(gè)等級(jí)，如圖4 所示，并由此可以判斷出地震的類型及其破壞情況。表1 顯示了不同警報(bào)級(jí)別對(duì)應(yīng)的Pd和τc閾值及其對(duì)應(yīng)的地震類型和破壞情況。

表1 警報(bào)級(jí)別對(duì)應(yīng)的閾值及其影響Table 1 Threshold corresponding to alarm level and impact

圖4 警報(bào)級(jí)別與閾值的關(guān)系Fig.4 Relationship between alert level and threshold

2.2 潛在破壞區(qū)的估計(jì)

為了得到更多有關(guān)于潛在破壞區(qū)的信息，ZOLLO 等（2010）利用周期參數(shù)τc與震級(jí)M相關(guān)但與距離不相關(guān)的特性，將τc、Pd和震源距R這3 個(gè)參數(shù)聯(lián)合提出了一種類似于Pd衰減關(guān)系的潛在破壞區(qū)預(yù)測方程，如下：

根據(jù)式（6）便可由已觸發(fā)臺(tái)站的實(shí)時(shí)τc平均值來確定任意震源距R處的Pd值或任意Pd值所對(duì)應(yīng)的震源距，如：當(dāng)式（6）中的Pd值為0.2 cm時(shí)，計(jì)算得到的R值即為潛在破壞區(qū)等值圈的震源距半徑［28］。

3 結(jié)果

利用篩選處理后的烈度計(jì)數(shù)據(jù)，按照上述方法對(duì)2022 年1 月8 日青海門源Ms6.9 級(jí)地震進(jìn)行離線模擬，得到此次地震潛在破壞區(qū)的估計(jì)結(jié)果如圖5所示。

從圖5 中可以看出參與此次計(jì)算的20 個(gè)臺(tái)站各自對(duì)應(yīng)的τc和Pd值及其對(duì)應(yīng)的警報(bào)判定結(jié)果。在地震發(fā)生后約6 s左右，距離震中最近的3 個(gè)臺(tái)站分別被觸發(fā)并依次獲得3 s的地震加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算3 個(gè)臺(tái)站的Pd和τc值均超過預(yù)先設(shè)定的閾值，因此這3個(gè)臺(tái)站的警報(bào)級(jí)別均被判定為3，這表明此次地震的類型為大震近震，對(duì)這幾個(gè)臺(tái)站及其附近的區(qū)域都會(huì)造成破壞?？v向?qū)Ρ葧r(shí)間軸和震源距發(fā)現(xiàn)，由于這幾個(gè)臺(tái)站距離震中位置太近，所能提供的預(yù)警時(shí)間有限，大約只有0.5 s 左右。隨著時(shí)間的增加獲取到的信息增多，我們發(fā)現(xiàn)在整體上參數(shù)Pd隨著震源距的增大而減小，而τc值與震源距之間無明顯的線性關(guān)系存在較大的離散性，這與ZOLLO 等（2010）的研究結(jié)果相符。根據(jù)τc與Pd值的計(jì)算結(jié)果確定各臺(tái)站的警報(bào)級(jí)別，最終有13個(gè)臺(tái)站達(dá)到了3級(jí)，7個(gè)臺(tái)站達(dá)到了1 級(jí)，沒有2 級(jí)和0 級(jí)的情況，且所有的1 級(jí)警報(bào)都是由于Pd小于0.2 cm 的閾值造成。此外，至于τc=0.6 s 和Pd=0.2 cm的閾值設(shè)定是否合理還需結(jié)合圖6進(jìn)一步分析。

圖5 各臺(tái)站的警報(bào)級(jí)別及相關(guān)參數(shù)Fig.5 Alarm level and relevant parameters of each station

圖6 離線模擬結(jié)果Fig.6 Offline simulation results

為了評(píng)估用烈度計(jì)記錄的地震數(shù)據(jù)使用基于閾值的地震預(yù)警方法在此次地震中估計(jì)潛在破壞區(qū)的表現(xiàn)，我們選取由中國地震局針對(duì)此次地震發(fā)布的震后烈度圖作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。然而考慮到文中使用的所有閾值均是以MMI烈度為基礎(chǔ)建立的，因此參照《中國地震烈度表》中推薦的PGV和烈度的關(guān)系：

確定當(dāng)MMI 烈度為Ⅶ度（即：PGV=16 cm/s）時(shí)，對(duì)應(yīng)的中國地震烈度為I=7.37，因此我們選擇在本次地震中對(duì)應(yīng)烈度在Ⅶ度及其以上的區(qū)域作為評(píng)價(jià)此次地震的潛在破壞區(qū)預(yù)測結(jié)果的對(duì)照組。

圖6顯示了在2022年1月8日青海門源Ms6.9級(jí)地震中使用基于閾值的地震預(yù)警方法離線模擬的結(jié)果。從圖6中可以看出各時(shí)間段所觸發(fā)臺(tái)站的數(shù)量及其對(duì)應(yīng)的警報(bào)級(jí)別在各烈度區(qū)內(nèi)的分布情況以及潛在破壞區(qū)的范圍。圖6（a）顯示了首臺(tái)觸發(fā)3 s后，共有8個(gè)臺(tái)站被觸發(fā)，警報(bào)級(jí)別均被判定為3；從圖6（a）～（c）顯示了隨著觸發(fā)臺(tái)站的增多，逐漸出現(xiàn)警報(bào)級(jí)別為1的現(xiàn)象；從圖6（d）來看，當(dāng)所有選用的臺(tái)站都被觸發(fā)后，警報(bào)級(jí)別為3的臺(tái)站全部都分布在Ⅶ區(qū)以內(nèi)，并且在該區(qū)域內(nèi)僅有2個(gè)警報(bào)級(jí)別為1的臺(tái)站，這表明由烈度計(jì)記錄的地震數(shù)據(jù)使用基于閾值的地震預(yù)警方法判定警報(bào)級(jí)別為3的臺(tái)站分布范圍與烈度在Ⅶ度以上的區(qū)域有很好的重合度。

對(duì)于臺(tái)站外的區(qū)域我們利用式（6）根據(jù)已觸發(fā)臺(tái)站的實(shí)時(shí)τc平均值預(yù)測出Pd=0.2 cm的潛在破壞區(qū)范圍（如圖6中黑色的虛線圓圈所示）。圖6（a）顯示了首臺(tái)觸發(fā)3 s后，基于閾值的地震預(yù)警方法預(yù)測出潛在破壞區(qū)的范圍，通過與震后烈度圖對(duì)比發(fā)現(xiàn)烈度在Ⅶ度以上的區(qū)域全部位于潛在破壞區(qū)內(nèi)；從圖6（a）～（d）顯示隨著觸發(fā)的臺(tái)站增多一直到所選用的臺(tái)站全部觸發(fā)，由預(yù)測公式估計(jì)的潛在破壞區(qū)范圍在逐步縮小，逐漸與Ⅶ度以上的區(qū)域出現(xiàn)較好的重合效果，這表明當(dāng)所有烈度計(jì)臺(tái)站接收到3 s地震波信息時(shí)，通過閾值確定的警報(bào)級(jí)別和計(jì)算得到的潛在破壞區(qū)范圍逐漸趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)出較好的結(jié)果，但從圖6（d）的結(jié)果來看預(yù)測出的潛在破壞區(qū)范圍并沒有完全與實(shí)際的Ⅶ度以上的區(qū)域重合，仍存在一些被高估和低估的區(qū)域。

4 結(jié)論與討論

文中利用從中國地震臺(tái)網(wǎng)中心獲取到的地震記錄，采用基于閾值的地震預(yù)警方法，對(duì)2022年1月8日青海門源Ms6.9級(jí)地震進(jìn)行離線模擬，最終得出如下結(jié)論：

（1）在地震發(fā)生后約6 s 左右，距離震中最近的3 個(gè)臺(tái)站被觸發(fā)后給出的警報(bào)級(jí)別均為3，但由于距離震中位置太近，大約為臺(tái)站附近的地區(qū)提供的預(yù)警時(shí)間只有0.5 s。

（2）在首個(gè)臺(tái)站觸發(fā)后3 s后，基于閾值的地震預(yù)警方法可以大致的判斷出潛在破壞區(qū)的范圍，并且隨著時(shí)間的增加一直到所有選用的臺(tái)站被全部觸發(fā)，預(yù)測出的潛在破壞區(qū)范圍在逐漸縮小、穩(wěn)定，最終與中國地震局發(fā)布的震后烈度圖中Ⅶ度以上的區(qū)域基本重合。

（3）由于本次離線模擬所使用的地震數(shù)據(jù)均由烈度計(jì)記錄，所以通過以上的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)在此次地震中，烈度計(jì)可以在地震預(yù)警的應(yīng)用中，但是否擁有普適性還需更多的案例去驗(yàn)證。

（4）在對(duì)本次地震的離線模擬結(jié)果中發(fā)現(xiàn)基于閾值的地震預(yù)警方法雖然可以在臺(tái)站僅接受到P 波觸發(fā)臺(tái)站后3 s時(shí)間窗內(nèi)的地震波數(shù)據(jù)時(shí)，通過預(yù)先設(shè)定的2個(gè)參數(shù)閾值和潛在破壞區(qū)預(yù)測方程對(duì)地震的破壞情況進(jìn)行判斷，且最終結(jié)果也與烈度圖中Ⅶ度以上的區(qū)域比較吻合。但是在該區(qū)域內(nèi)仍然存在2 個(gè)警報(bào)級(jí)別為1的臺(tái)站，并且在沿著斷層破裂的方向上也存在著低估的現(xiàn)象。造成以上2個(gè)情況的原因可能是：首先對(duì)于大震而言通常具有復(fù)雜而又漫長的破裂過程，而使用的P波觸發(fā)臺(tái)站后前3 s時(shí)間窗內(nèi)的數(shù)據(jù)很可能未包含地震破裂的全部信息，從而造成在預(yù)測PGV時(shí)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的低估，進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)測出的潛在破壞區(qū)范圍偏小和警報(bào)級(jí)別偏低；其次由于大震破裂時(shí)的方向性效應(yīng)，在沿?cái)鄬悠屏训姆较蛏弦矔?huì)造成PGV的低估；最后我們需要注意到的是文中所使用的基于閾值的地震預(yù)警方法是ZOLLO 等人利用意大利和日本的強(qiáng)震數(shù)據(jù)并以MMI 烈度為基礎(chǔ)建立的，然而本次地震所使用的數(shù)據(jù)均由我國烈度計(jì)記錄，因此考慮到數(shù)據(jù)質(zhì)量和場地等方面的因素，在應(yīng)用到此次地震中時(shí)可能還需對(duì)幾個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式和閾值進(jìn)行重新校正。

致謝：感謝中國地震臺(tái)網(wǎng)中心測震臺(tái)網(wǎng)部為本研究提供數(shù)據(jù)支持。