地震預(yù)警系統(tǒng)的“盲區(qū)”控制問題
——以首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)為例

李佳威 吳忠良

中國地震局地球物理研究所，北京市海淀區(qū)民族大學(xué)南路5號 100081

0 引言

在與地震早期預(yù)警系統(tǒng)（EEWS，以下簡稱“地震預(yù)警系統(tǒng)”）相關(guān)的物理問題（Satriano et al，2011）中，“盲區(qū)”是一個關(guān)鍵問題。關(guān)于“盲區(qū)”，已有多方面的討論（Kanamori，2005；Wu et al，2005a、2005b；Allen，2007；Allen at al，2009；Ma et al，2012；Kuyuk et al，2013；Peng et al，2013；張晁軍等，2013a、2013b；韓渭賓等，2015；楊陳等，2015）。由于 EEW的實質(zhì)是利用P波信號對后續(xù)S波的破壞進(jìn)行預(yù)警，因此“盲區(qū)”的存在，完全是由于預(yù)警系統(tǒng)自身的原因。一個極端情況是，一些震源較深的地震，實際上并不存在預(yù)警“盲區(qū)”。

關(guān)于EEWS中“盲區(qū)”產(chǎn)生的機(jī)制，早有透徹的分析。例如，Kuyuk等（2013）以美國“加州統(tǒng)一地震臺網(wǎng)”（CISN）為例，用模擬計算的方法給出了當(dāng)平均震源深度為8km，且在臺間距大于20km時，預(yù)警“盲區(qū)”隨臺站密度的變化明顯，但在臺間距小于20km時，增加臺站的密度并不能顯著縮小盲區(qū)半徑（該半徑約20km）。楊陳等（2015）針對平均震源深度10km的情況，得到類似結(jié)果。由于長期以來的一系列研究結(jié)果，“20km盲區(qū)”和“20km臺間距”成為一個甚至不加說明而直接采用的參考值（袁志祥等，2007；韓渭賓等，2015）。

但是，上述簡單明確的結(jié)論，特別是“20km盲區(qū)”或“20km臺間距”的結(jié)果，不僅是針對平均震源深度101km數(shù)量級、4臺站觸發(fā)的情況得到的，而且是針對點(diǎn)源和不考慮臺站失效的“理想”情況得到的。實際的地震觀測解釋工作與這2個理想條件是有差距的，這幾乎是常識。本文針對這一問題，以首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)為例，討論在EEWS的設(shè)計中，如何通過“盲區(qū)控制”達(dá)到最大限度減輕地震災(zāi)害損失的目的。此處所說的“盲區(qū)控制”是指在考慮到地震觀測解釋工作和地震震源的實際情況下，盡可能地不使不可避免的“盲區(qū)”出現(xiàn)不必要的擴(kuò)大。一個與以往有所不同的結(jié)論是，如果不僅考慮走時，而且考慮地震觀測的實際情況和地震震源本身，那么在20km臺間距情況下適當(dāng)加密臺站，仍不失為提高預(yù)警系統(tǒng)效能的有效措施。

1 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)

首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)由中國地震局地球物理研究所和臺灣大學(xué)地球科學(xué)系在2007年開始合作建設(shè)并試運(yùn)行，2010年全部建設(shè)完成。主要基于首都圈地震臺網(wǎng)所屬的94個寬頻帶（BB）地震臺和68個短周期（SP）地震臺，這些地震臺分別位于首都圈西部山區(qū)和東部平原地區(qū)，平均臺間距約50km（圖1）。Peng等（2011）詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的工作狀況。

圖1 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)臺站分布

平均震源深度在預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中具有重要意義。為得到首都圈地區(qū)的平均震源深度，使用“十五”國家數(shù)字地震臺網(wǎng)建成后的地震目錄進(jìn)行分析，其中包括2009-01-01～2015-09-14共12947個地震（地震目錄來自中國地震臺網(wǎng)中心的全國地震編目系統(tǒng)，http：//10.5.202.22/bianmu/index.jsp）。首先，用統(tǒng)計地震學(xué)工具（http：//www.corssa.org/），根據(jù)Gutenberg-Richter關(guān)系對目錄進(jìn)行完整性分析。圖2（a）和 2（b）分別給出了未經(jīng)篩選的12947個地震的分布和篩選前后的震源深度的頻次統(tǒng)計，可以看出，6km可作為首都圈地區(qū)的震源“優(yōu)勢深度”，這一深度與Kuyuk等（2013）討論的加州地區(qū)有相似性，但無論是從地震分布的廣泛性和隨機(jī)性，還是從有地震記錄以來的強(qiáng)震情況看，兩地仍有較大差別。6km的“優(yōu)勢深度”結(jié)果，其精準(zhǔn)度和代表性均有明顯的局限性：首先，目前可以得到的地震目錄并未提供深度測定的不確定性范圍或測量誤差估計；其次，現(xiàn)有的地震目錄是用均勻分層地殼模型，由臺網(wǎng)常規(guī)定位得到的；其次，所用地震為近期中小地震，據(jù)此得到的分布是否能全面反映該區(qū)歷史上長期以來的地震深度分布，特別是6km能否作為中強(qiáng)震的“起始深度”，仍是今后需要關(guān)注的問題。然而，這一結(jié)果，可以像加州地區(qū)約8km的“平均深度”一樣，作為預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計的一個初始參考。中小地震的震源尺度不大，也使得簡單的頻度統(tǒng)計具有較為清楚的物理意義。也因此，在圖2（b）中，沒有進(jìn)一步考慮不同地區(qū)的深度差別，例如東部和西部的差別。

圖2（a） 2009-01-01～2015-09-14首都圈地區(qū)（范圍同圖1）12947個地震的震中分布

圖2（b） 首都圈地區(qū)地震的震源深度統(tǒng)計

2 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)的“盲區(qū)”分布

地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中，通常以一個簡單的地殼模型來估計參數(shù)。根據(jù)以往在華北特別是首都圈地區(qū)開展的地球物理探測工作（丁志峰等，1994；李強(qiáng)等，1999；嘉世旭等，2005；齊誠等，2006），結(jié)合地震臺網(wǎng)定位采用的地殼模型，此處取一個均勻地殼模型，波速分別為VP＝6km/s，VS＝3.5km/s。

按照Kuyuk等（2013）的方法，圖3給出了首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)的臺站平均間距分布?？梢钥吹绞锥既Φ卣痤A(yù)警原型系統(tǒng)的臺站密度大致相當(dāng)于美國加州和日本的中等水平，其中北京、天津與舊金山、東京的差距仍是明顯的。應(yīng)該指出，首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)是一個基于地震臺網(wǎng)（中國地震局長期以來稱為“測震”臺網(wǎng)）的實驗性的預(yù)警原型系統(tǒng)，因此與“真正的”地震預(yù)警系統(tǒng)是有差別的。但另一方面，利用這一原型系統(tǒng)的實驗結(jié)果，可以為地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計提供參考。而這也正是建設(shè)原型系統(tǒng)的目的。

圖3 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)的“平均臺間距”

“盲區(qū)”的地震學(xué)圖像簡單明了（Kuyuk et al，2013）。假定在均勻地殼中，對于深度為H的點(diǎn)源，震中距為Δ的臺站上接收到的P波走時為

再經(jīng)過時間T的處理，S波傳播的水平距離

在這個距離范圍內(nèi)，由于用P波信號做出的預(yù)警尚未發(fā)出，S波即已到達(dá)，因而無法實現(xiàn)利用P波的信號對后續(xù)S波的破壞進(jìn)行預(yù)警。相應(yīng)地，這個區(qū)域也稱為“預(yù)警盲區(qū)”。為與Kuyuk等（2013）的結(jié)果進(jìn)行直接比較，此處采用3s時間確定震級、1s時間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)摹袄硐搿鼻闆r，即T＝4s?？梢钥吹?，在這里起決定性作用的2個因素，一個是震源深度H，另一個是預(yù)警系統(tǒng)的處理時間T，因此當(dāng)震中距Δ與H相差不多，或者走時tP與T相差不多時，改變臺站的密度，無法對“盲區(qū)”半徑產(chǎn)生明顯的影響。通常，在采用n個（例如4個）臺站記錄的情況下，只需將上述震中距Δ取做P波第n個到達(dá)的地震臺的震中距即可。針對加州的“20km臺間距”的結(jié)果，正是在n＝4的情況下得到的。圖4按照上述方法和參數(shù)，給出了4臺站觸發(fā)預(yù)警情況下的“盲區(qū)”分布。為與Kuyuk等（2013）得到的加州的結(jié)果進(jìn)行直接比較，圖中采用了與之相同的色標(biāo)，將70km作為“飽和值”。

圖4 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)采用4臺站觸發(fā)、處理時間為4s的“盲區(qū)”半徑分布

Kuyuk等（2013）用1km×1km網(wǎng)格上隨機(jī)分布的模擬震源、均勻分布的臺站和一個無限半空間介質(zhì)模型，模擬計算得到一系列臺間距情況下的平均“盲區(qū)”半徑（圖5）。這里用此圖來說明考察臺間距對盲區(qū)影響的“等效方法”。由圖5可見，對于臺間距為30km的臺站分布，采用4臺站觸發(fā)時，盲區(qū)的半徑由A點(diǎn)的縱坐標(biāo)給出。在臺間距為30km不變時，使觸發(fā)臺站數(shù)量為2，則“盲區(qū)”半徑由B點(diǎn)的縱坐標(biāo)給出，此時的“盲區(qū)”等效于在4臺站觸發(fā)條件下（等效于圖上C點(diǎn)）把臺間距減少為20km時得到的結(jié)果。就是說，在圖5所示的情況下，若想考察將臺間距從30km縮小到20km時“盲區(qū)”的情況，只需在繪圖時將4個臺站觸發(fā)改為2個臺站觸發(fā)即可。

3 “盲區(qū)”控制問題

以往的研究中（如Xu et al，2008），針對首都圈地區(qū)的相似結(jié)果已有充分體現(xiàn)。本文的目的既不是將Kuyuk等（2013）的方法簡單應(yīng)用于首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)，也不是重復(fù)以往對首都圈的評估結(jié)果并與加州的結(jié)果進(jìn)行比較，而是試圖以這一結(jié)果為切入點(diǎn)，對預(yù)警系統(tǒng)的“盲區(qū)控制”問題作進(jìn)一步討論。

圖5 4個臺站及2個臺站觸發(fā)時，“盲區(qū)”半徑隨臺間距的變化

圖4中“盲區(qū)”的計算方法是，對于0.1°×0.1°網(wǎng)格上的任一點(diǎn)，假定震源深度為6km，則找到離震中最近的4個臺站，對第4個臺站，按式（1）、（2）計算“盲區(qū)”的半徑。從圖5可見，如果把4個臺站改為2個臺站，則所得結(jié)果等效于在加密臺站或縮小臺間距情況下4個臺站觸發(fā)的結(jié)果。首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)目前的平均臺間距為50km左右，圖6表明，在此基礎(chǔ)上繼續(xù)加密臺站，可以明顯改善預(yù)警能力。

圖6 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)采用2個臺站觸發(fā)、處理時間為4s時的“盲區(qū)”半徑分布

圖5所給出的“等效方法”還可以倒過來使用。在圖7中，將4個臺站觸發(fā)變成了5個臺站觸發(fā)，此時預(yù)警“盲區(qū)”明顯擴(kuò)大，相當(dāng)于降低了臺站密度。從地震觀測與解釋的角度說，地震臺站因各種原因不能完成記錄和報警的情況常常是不可避免的。考慮4臺站觸發(fā)的情況，如果在距震中最近的4個臺站中有1個臺站出現(xiàn)問題，則觀測系統(tǒng)不得不使用第5個臺站的結(jié)果才能完成相應(yīng)的預(yù)警，這等效于擴(kuò)大了臺間距，也等效于增加了“盲區(qū)”半徑。事實上，由于“漏報”的存在，在“理想”的“黑色盲區(qū)”邊界上，理論上存在“灰色盲區(qū)”，“灰色盲區(qū)”的大小，取決于臺站的工作狀況。目前對“灰色盲區(qū)”的討論，似乎并未得到足夠重視?！霸?0km臺間距情況下繼續(xù)加密臺站已無意義”的看法，與這一情況直接相關(guān)。

圖7 首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)采用5個臺站觸發(fā)、處理時間為4s時的“盲區(qū)”半徑分布

首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)的實驗性運(yùn)轉(zhuǎn)表明（Peng et al，2011），5個臺站觸發(fā)，或更多臺站觸發(fā)，可以得到比較好的預(yù)警震級估計；對于4個臺站觸發(fā)，預(yù)警震級估計的誤差可達(dá)1個震級單位。這樣，在一定的觸發(fā)震級閾值的情況下，出現(xiàn)“漏報”，以致必須等待更多臺站觸發(fā)，這種情況不可避免，4個臺站觸發(fā)是其可容忍的下限。針對這種情況的一個直接結(jié)論就是，在“飽和值”（20km）之內(nèi)繼續(xù)增加臺站的密度，固然不能使預(yù)警“盲區(qū)”繼續(xù)減小，卻可以通過上述“增臺觸發(fā)”的機(jī)制，控制已有的不可避免的“盲區(qū)”不再擴(kuò)大，或者將上述“灰色盲區(qū)”控制在最?。ㄉ踔潦橇悖┓秶?/p>

4 “盲區(qū)控制”對減輕地震災(zāi)害的重要性：強(qiáng)震的假定情境

預(yù)警系統(tǒng)的目的，是最大限度減輕地震災(zāi)害損失（郭凱等，2016）。越是對極震區(qū)，對這一效用的要求就越迫切。圖8（a）給出了1976年7月28日唐山地震的震中位置和烈度分布。可以看出，由于這次7.8級地震的震源尺度的有限性，地震烈度呈橢圓狀分布。一個值得注意的情況是，如果把“20km盲區(qū)”也同時畫在這一圖上的話，那么Ⅹ度區(qū)北端約10%的面積，處在“預(yù)警盲區(qū)”之外。假定此時有預(yù)警系統(tǒng)發(fā)揮作用的話，那么這一10%面積的Ⅹ度區(qū)的損失，將明顯減輕。在這一假定情境（EEWS scenario）下，如果“20km盲區(qū)”得不到有效控制，那么全部的Ⅹ度區(qū)都將“淪陷”于“盲區(qū)”之中，從而使EEWS的作用將受到嚴(yán)重影響。

事實上，傳統(tǒng)上“越是需要預(yù)警的地方，EEWS越不能發(fā)揮作用”的并不全面的概念，是建立在“前現(xiàn)代地震學(xué)時代”的“點(diǎn)源”概念的基礎(chǔ)上的。應(yīng)該說，由于唐山地震的“雙側(cè)破裂”的震源性質(zhì)，這里的假定情境，并不特別有利于說明這個問題。對于單側(cè)破裂性質(zhì)的2008年5月12日汶川地震，預(yù)警“盲區(qū)”甚至可以顯著地小于震源區(qū)本身（Ma et al，2012）。而如果把大華北地區(qū)一些重要的歷史地震的Ⅹ度區(qū)長軸與“20km盲區(qū)”進(jìn)行比較（如圖8（b）所示），則對預(yù)警系統(tǒng)的作用會得到更清晰的認(rèn)識。而即使在這種情況下，通過適當(dāng)加密臺站來限制“盲區(qū)”的措施，也有助于顯著提升預(yù)警系統(tǒng)的減災(zāi)能力。

圖8（a） 1976年唐山地震等震線、震中（陳非比等，1979；馬宗晉等，1982）與“20km盲區(qū)”示意圖

圖8（b） 華北地區(qū)歷史強(qiáng)震Ⅹ度區(qū)長軸與震級的關(guān)系

5 結(jié)論和討論

“盲區(qū)”問題是地震預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計中的一個關(guān)鍵問題。本文以首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)為例，討論了地震預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中如何通過“盲區(qū)控制”達(dá)到最大限度減輕地震災(zāi)害損失的目的。我們試圖指出，如果不僅考慮走時，而且考慮震源尺度的有限性和記錄臺站的實際工作狀況，那么在20km臺間距情況下繼續(xù)加密臺站，固然不能顯著減小“盲區(qū)”，卻可以對控制“盲區(qū)”、提高預(yù)警系統(tǒng)的減災(zāi)效能發(fā)揮重要作用。一個可能是較為現(xiàn)實的建議是，針對活動地塊邊界帶、地震重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)、年度危險區(qū)等，可以適度加密預(yù)警系統(tǒng)的臺站。

本文主要針對“盲區(qū)”的空間分布進(jìn)行了討論，重點(diǎn)是“盲區(qū)”這一空間概念。另一方面也不能不注意到，即首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)與真正的預(yù)警系統(tǒng)的差距，不僅是臺站的空間分布。在前面的討論中，為與其他地區(qū)（例如美國加州、日本）進(jìn)行比較，采用了理想條件下T＝4s的延遲時間。在目前該原型系統(tǒng)的實驗性運(yùn)行中，用的是3s時間用于數(shù)據(jù)打包、3s時間確定震級、1s時間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)姆桨?，因此T＝7s。這樣，如圖9所示，目前實際運(yùn)轉(zhuǎn)的原型系統(tǒng)，其“盲區(qū)”的半徑比“理想的”情況大得多。在從原型系統(tǒng)向真正的預(yù)警系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變中，將這一時間延遲縮小為4s，也是一項重要的工作。

圖9 使用首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)實際的時間延遲（T＝7s），采用4個臺站觸發(fā)時的“盲區(qū)”半徑分布

從時間上看，與其他地區(qū)例如美國加州、日本等地區(qū)的情況相比，首都圈地震預(yù)警系統(tǒng)還面臨著一個獨(dú)特的挑戰(zhàn)，就是該地的大地震復(fù)發(fā)周期，遠(yuǎn)大于美國加州、日本等地區(qū)，因此在預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計中，必須認(rèn)真考慮系統(tǒng)本身的壽命和大地震復(fù)發(fā)周期之間的關(guān)系。在地震觀測與解釋領(lǐng)域，從地震定位、震源參數(shù)測定、臺網(wǎng)安全性和可持續(xù)性等角度對地震臺網(wǎng)布局進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的理論早已有之（例如，Rabinowitz et al，1990；Doufexopoulou et al，1992；Rawlinson et al，2012；Stabile et al，2013；Kraft et al，2013）。相比這些工作而言，針對地震預(yù)警的臺網(wǎng)優(yōu)化理論，還有很多工作要做。甚至對一些基本概念也要認(rèn)真研究。

致謝：北京數(shù)字遙測地震臺網(wǎng)李珀任博士提供了首都圈地震預(yù)警原型系統(tǒng)臺站坐標(biāo)、并與作者進(jìn)行了關(guān)于該預(yù)警原型系統(tǒng)實際運(yùn)行情況的討論；蔣長勝研究員提供了繪制背景地形和活動斷裂的程序；房立華副研究員與作者進(jìn)行了華北地區(qū)地下速度結(jié)構(gòu)的討論；碩士研究生宋瀟瀟和博士研究生蔡妍在本文成圖過程中給予了有益的幫助，作者在此一并致謝。作者同時感謝匿名審稿專家提出的寶貴意見。