GEOFON數(shù)據(jù)中心*

范曉勇

(中國地震局地球物理研究所,北京100081)

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GEOFON數(shù)據(jù)中心*

范曉勇※

(中國地震局地球物理研究所,北京100081)

應中國全球地震臺網(wǎng)建設預研項目的要求,對德國主導的GEOFON地震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)中心進行了調(diào)研。研究表明,GEOFON數(shù)據(jù)中心應用自己的軟件包SeisComP3,實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集、 自動地震定位、 信息發(fā)布、 數(shù)據(jù)存儲、 數(shù)據(jù)共享、 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、 數(shù)據(jù)產(chǎn)品等一系列功能。為中國全球地震臺網(wǎng)建設提供了重要的信息。

GEOFON； SeisComP3； 中國全球地震臺網(wǎng)預研； 數(shù)據(jù)質(zhì)量； 數(shù)據(jù)存儲

引言

中國屬于地震多發(fā)國家,多年來一直致力于全國地震監(jiān)測。目前,全國測震臺站1000多個,受地區(qū)所限,對國外地震監(jiān)測能力較弱。由于國際公共臺網(wǎng)為我所用方面存在諸多問題,使得我國對全球地震監(jiān)測的工作急需更進一步。這就是確立中國全球地震臺網(wǎng)建設預研項目的原因。該項目需要對世界各大地震臺網(wǎng)進行調(diào)研,在此對GEOFON地震臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心進行了調(diào)查研究。

1　數(shù)據(jù)中心使用的軟件

目前, GEOFON有SeisComP3、 Arclink Nagios插件、 aiUtils軟件包和WebDC3 四個軟件計劃,最主要的計劃是SeisComP3(圖1),其他3個都與這個有關。欲了解其他相關信息請登陸http:∥www.seiscomp.com/。

GEOFON臺網(wǎng)的日常運行和數(shù)據(jù)中心(包括數(shù)據(jù)存儲與服務)幾乎全部依賴于自開發(fā)軟件SeisComP包,這個軟件開發(fā)了近10年,是一個被廣泛應用的集數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 數(shù)據(jù)交換為一身的軟件包。它的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議SeedLink已經(jīng)變成一個實際意義上的世界標準,數(shù)據(jù)存儲協(xié)議ArcLink也逐漸與SeedLink一樣被人們所接受。最近歐洲地震學中類似實際歐洲寬頻帶地震臺網(wǎng)(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)和歐洲綜合數(shù)據(jù)存儲中心(European Integrated Data Archive,EIDA)之類的大型基礎設施的發(fā)展將完成,它們主要通過在歐洲繼續(xù)發(fā)展和傳播SeisComP的一系列計劃[地中海-歐洲快速地震數(shù)據(jù)信息和存儲中心(Mediterranean-European Rapid Earthquake Data Information and Archiving Network,MEREDIAN), 歐洲地震研究的基礎設施網(wǎng)絡(Network of Research Infrastructures for European Seismology,NERIES),歐洲地震風險評估和減災研究基礎設施網(wǎng)絡(Network of European Research Infrastructures for Earthquake Risk Assessment and Mitigation,NERA),歐洲地震觀測和研究實驗室(Observatories and Research Facilities for European Seismology,ORFEUS)協(xié)調(diào)]而完成。以德國印度洋海嘯預警系統(tǒng)(German Indian Ocean Tsunami Early Warning System,GIOTEWS)項目為背景,在2014年12月印度洋破壞性海嘯之后,啟動實施了附加功能,用以實現(xiàn)預警控制中心的需求。這需要在軟件架構上有大的改變,許多新的需求需要完全重新設計SeisComP,從而促進了新的高性能的軟件包SeisComP3(SC3)的產(chǎn)生。

1.1SeisComP3目前能提供以下功能

(1) 實時數(shù)據(jù)采集,用SeedLink直接從大多數(shù)數(shù)采中獲??；

(2) 通過SeedLink或者其他普通的數(shù)據(jù)交換協(xié)議與其他數(shù)據(jù)中心進行實時數(shù)據(jù)交換；

(3) 網(wǎng)絡狀態(tài)監(jiān)測；

(4) 波形數(shù)據(jù)質(zhì)量控制評估；

(5) 波形數(shù)據(jù)存儲,長期存檔管理,通到遠程ArcLink節(jié)點；

(6) 元數(shù)據(jù)控制(清單、 路由、 QC、 事件參數(shù)/QuakeML)；

(7) 存儲波形的數(shù)據(jù)分布(ArcLink),實際ArcLink存儲的管理；

(8) 元數(shù)據(jù)分布( 資料 SEED,XML)；

(9) 自動拾取、 地震定位、 振幅和震級的計算；

(10) 交互事件定位和定量化；

(11) 當?shù)鼗蜻h程連接SC3模塊信息系統(tǒng)和中心數(shù)據(jù)庫；

(12) 從/往SC3系統(tǒng)輸入/輸出檢測事件起始信息；

(13) 在展示房間快速處理預覽應用的特殊圖像設計。

2008年,GFZ外包的一個小軟件公司,叫做GEMPA GmbH,它的主要開發(fā)人員圍繞SeisComP3提供了各種各樣的服務軟件。GEOFON仍然主持與協(xié)調(diào)SeisComP3的開發(fā),但同時,幾個其他的主辦方也已經(jīng)對該開發(fā)貢獻力量。SeisComP3軟件不能直接從該網(wǎng)頁上下載,但是你可以從http:∥www.seiscomp3.org/(由GEOFON、 GEMPA軟件公司和SeisComP3委員會維護)獲得,連帶另外一些信息和文件。

1.2Arclink Nagios插件

在GEOFON,開發(fā)了一個監(jiān)測SeedLink和ArcLink服務器的插件,雖然帶一點試驗性,但是歡迎大家來進行實驗。可以發(fā)評論、 建議以及簡介請求等。

1.3aiUtils軟件包

aiUtils軟件包提供一系列工具,可使由ArcLink服務器產(chǎn)生的XML格式的地震元數(shù)據(jù)信息能夠生效,并對該數(shù)據(jù)進行操作。這些工具被ai2Table和aiValidate支持。

1.4WebDC3

WebDC工具能夠探索地震事件、 臺站或更多信息。

圖1　SeisComP3.0 的基礎結構

2　數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)

圖2a為GEOFON 數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理流程。GEOFON臺站、 GEOFON擴充實際地震臺網(wǎng)(GEOFON Extended Virtual Network,GEVN)臺站、 其他地震和預警中心的實時數(shù)據(jù)通過SeedLink傳輸協(xié)議傳輸?shù)紾EOFON的SeedLink服務器； SeedLink服務器再把數(shù)據(jù)傳送到SeisComP3服務器進行軟件分析,同時把數(shù)據(jù)送到波形存儲裝置。軟件分析后,進行信息發(fā)布形成地震數(shù)據(jù)庫,并通過ArcLink協(xié)議進行數(shù)據(jù)存儲。波形數(shù)據(jù)在通過ArcLink協(xié)議進行存儲后,

圖2　(a) GEOFON數(shù)據(jù)中心工作流程圖; (b) GEOFON數(shù)據(jù)中心

可提供波形和元數(shù)據(jù),并與歐洲綜合數(shù)據(jù)存儲中心(European Integrated Data Archive, EIDA)和德國綜合數(shù)據(jù)存儲中心(German Integrated Data Archive,GIDA)進行數(shù)據(jù)交換。在波形存儲階段,負責網(wǎng)絡管理運行的工作人員可進行數(shù)據(jù)質(zhì)量分析。

GEOFON是歐洲最大的地震數(shù)據(jù)中心。它主要存儲來自GEOFON永久地震臺網(wǎng)的VBB數(shù)據(jù)。對于其他一些合作臺網(wǎng),GEOFON相當于數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)發(fā)布中心。另外,一些臨時數(shù)據(jù)也被GEOFON永久存儲。尤其是GFZ的波茨坦地球物理儀器庫(Geophysical Instrument Pool Potsdam,GIPP)和德國特別地震工作組進行的試驗數(shù)據(jù)。來自永久臺站的實時數(shù)據(jù)流可主要通過互聯(lián)網(wǎng)獲取,通過SeedLink實時數(shù)據(jù)反饋也可獲得實時數(shù)據(jù)流,或者通過直接申請獲取實時數(shù)據(jù)。大部分歐洲臺網(wǎng)屬于實際歐洲寬頻帶地震臺網(wǎng)(Virtual European Broadband Seismic Network,VEBSN)。雖然數(shù)據(jù)主要來自寬頻帶臺站,但是還包括大量的短周期數(shù)據(jù)和一些強震數(shù)據(jù)以及OBS數(shù)據(jù)。

GEOFON數(shù)據(jù)存儲中心是通過GFZ的Arclink協(xié)議與GIDA和EIDA數(shù)據(jù)中心聯(lián)絡。這個數(shù)據(jù)中心的基礎設施通過一個簡單的前端式數(shù)據(jù)入口允許暫時訪問所有數(shù)據(jù)存儲中心的數(shù)據(jù)。所有數(shù)據(jù)通過統(tǒng)一的方式,用ArcLink、 SeedLink、 網(wǎng)頁或郵件獲取。

2.1數(shù)據(jù)獲取

2.1.1數(shù)據(jù)獲取方法

(1) 通過ArcLink直接獲取,即利用Arclink 獲取命令行客戶端；

(2) 通過網(wǎng)絡端口的基于網(wǎng)絡的請求,尤其適合小用戶；

(3) 對于在GFZ存儲的2014年的新數(shù)據(jù),可利用FDSN網(wǎng)絡服務；

(4) 通過郵件,向breq_fast@gfz-potsdam.de或者req_fast@webdc.eu發(fā)送 BREQ-FAST5請求字樣；

(5) 通過HTTP(門戶網(wǎng)站或直接Arclink請求)或者FTP(BREQ-FAST請求)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.1.2受限數(shù)據(jù)

(1) 數(shù)據(jù)來自近期臨時布設；

(2) 數(shù)據(jù)來自一些永久的第三方臺網(wǎng)或臺站,GEOFON也同樣可以存儲數(shù)據(jù)；

(3) 使用這些數(shù)據(jù)必須經(jīng)過授權,即數(shù)據(jù)使用者必須提供數(shù)據(jù)生產(chǎn)者允許使用的授權書,也就是運行該臺網(wǎng)的研究所的代表或者該試驗的PI。數(shù)據(jù)必須傳送到GEOFON,包括批準書。數(shù)據(jù)在傳送之前必須加密,在使用前必須解密。

2.1.3實時數(shù)據(jù)

(1) GEOFON/GEVN數(shù)據(jù)可以通過SeedLink協(xié)議從SeedLink服務器(geofon.gfz-potsdam.de:18000)實時供給,不需要特別批準；

(2) GEOFON實時臺站的數(shù)據(jù)以“活的”地震圖形式供給；

(3) 遙測狀態(tài)可由SeedLink監(jiān)控器顯示出來；

(4) GEOFON對GFZ臺網(wǎng)的SeedLink監(jiān)控器；

(5) GEVN對GEOFON合作臺網(wǎng)的SeedLink監(jiān)控器。

2.2數(shù)據(jù)格式

SeedLink 實時數(shù)據(jù)為512字節(jié),Mini-SEED格式； 存檔數(shù)據(jù)傳輸為512字節(jié)或者4096字節(jié),SEED 格式。

作為SEED卷的儀器響應信息和ArcLink XML響應文件可通過ArcLink和WebDC3數(shù)據(jù)請求界面(http:∥eida.gfz-potsdam.de/webdc3)請求。

受限數(shù)據(jù)通過OpenSSL加密。

2.3數(shù)據(jù)存儲信息

GEOFON具有超過100 TB的地震數(shù)據(jù)容量,誠摯邀請各研究所加入存儲。要想可靠地存儲長期SEED格式的地震波形數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)最少要有兩份拷貝。

通過ArcLink,網(wǎng)頁服務和其他方式傳遞數(shù)據(jù)到客戶端。

如果有需要可進入EIDA。

假如需要,為自己的臺網(wǎng)幫助準備或鑄造數(shù)字目標指針(Digital Object Identify, DOI)。

連同GFZ圖書館的工作人員,協(xié)助準備數(shù)據(jù)報告以描述你的數(shù)據(jù)集,包括臺站信息、 數(shù)據(jù)可用率、 譜信息以及其他。這可以形成報告(如GFZ的科學技術報告Science Technique Report, STR)的基礎。

2.4數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)控

SeisComP3軟件具有質(zhì)量控制模塊,它可以實時統(tǒng)計數(shù)據(jù)的質(zhì)量,主要包括斷點數(shù)、 數(shù)據(jù)間隔和數(shù)據(jù)可用率等(圖3)。

GEOFON數(shù)據(jù)中心會有固定的分析人員進行日常分析(一般1～2人),當數(shù)據(jù)質(zhì)量不達標時,會與當?shù)睾献髡呗?lián)系,查找并解決問題,以達到規(guī)定的數(shù)據(jù)可用率和質(zhì)量。必要時,還要去當?shù)貒鼡Q配件并進行技術指導。當?shù)貒暮献鞑块T也安裝了質(zhì)量控制軟件,并有專人進行分析,并對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控。如發(fā)現(xiàn)問題,與GEOFON溝通并著力解決。

GEOFON的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制軟件(Seis-ComP3)可進行實時/離線基本質(zhì)量控制,在所在中心完成,只在GFZ有實時質(zhì)量控制(Quality Control,QC)網(wǎng)頁?；谫|(zhì)量控制的數(shù)據(jù)選擇功能,目前尚不可行。

圖3　SeisComP3質(zhì)量控制圖

質(zhì)量控制主要包括(圖3)： 時間延遲、 時間質(zhì)量、 偏移量、 rms(均方根)、 Gap間隔、 Gaps長度、 Spikes間隔和Spikes振幅。

3　數(shù)據(jù)應用與服務

3.1數(shù)據(jù)應用

快速發(fā)布大地震信息是GEOFON的一個重要工作。作為歐洲地中海地震中心(European Mediterranean Seismological Centre,EMSC)的一個主要節(jié)點,GFZ有責任發(fā)布最快的全球大地震信息。GEOFON 目前逐步變成一個地中海、 東北大西洋和印度洋海嘯監(jiān)測的主要力量。GEOFON是世界范圍內(nèi)發(fā)布地震信息最快的組織之一(圖4)。利用實時數(shù)據(jù)流,GEOFON快速確定所有能夠記錄到的全球大地震和大部分區(qū)域地震(圖5),并在幾分鐘延遲后為大地震提供人為修正結果。這項服務為世界范圍內(nèi)的地震和海嘯預警中心、 政府機關、 災害協(xié)調(diào)組、 新聞媒體、 GFZ以及任何地方的科學家提供最基本的快速地震信息。GEOFON的地震信息在地震發(fā)生后的3～10分鐘內(nèi)發(fā)布,采用自動波形處理,按需人工修正。

GEOFON的信息服務最開始是全自動結果(A類結果),會出現(xiàn)錯誤； 而后被GEOFON地震學家在特定的基礎上確認為M類或者C類(確認過的自動信息)結果； 以GEVN(大于700個地震臺)和其他地震臺網(wǎng)(在歐洲,絕大部分臺站來自VEBSN)合作臺站為基礎,發(fā)布通知郵件和RSS反饋系統(tǒng)。

綜上所述,GEOFON的信息服務包括： 波形自動處理； 按需求進行人工修正； 地震發(fā)生后3～10分鐘內(nèi)公布,是最快的全球地震信息。

圖4　GEOFON地震信息服務

圖5　SeisComP3軟件的自動檢測和自動定位

全球地震監(jiān)測是一張利用全球可視地震臺網(wǎng)自動定位的全球地震活動性地圖,詳細信息包括最近大地震的震中經(jīng)緯度與位置圖。還有一張圖適于在1280×1024的屏幕上展示,通過網(wǎng)頁瀏覽器以全屏模式實現(xiàn)。

3.2數(shù)據(jù)服務

GEOFON提供數(shù)據(jù)服務,數(shù)據(jù)格式為MiniSEED,數(shù)據(jù)獲取方法請參照2.1.1。

事件分級標準：

(1) 標準地震： 由足夠數(shù)量的臺站(≥25個)自動定位的所有地震事件或經(jīng)過人工修正過的地震。

(2) 大地震： 在中歐所有M≥4.5的地震或者在更寬泛范圍內(nèi)的歐洲和地中海范圍內(nèi)M≥5.0的地震或者世界其他地區(qū)M≥5.5的地震。

(3) 超大地震： 在中歐所有M≥5.0的地震或者在更寬泛范圍內(nèi)的歐洲和地中海范圍內(nèi)M≥5.5的地震或者世界其他地區(qū)M≥6.5的地震。

GEOFON數(shù)據(jù)中心提供自動地震提醒e-mail訂閱服務,用GEOFON提供的表格進行申請。GEOFON公報最近的地震也可以通過RSS反饋獲得。

GEOFON產(chǎn)出實時地震目錄(圖6)和矩張量地震目錄(圖7),實時地震目錄是GEVN的一個產(chǎn)品,屬于所有相關的研究所。另外, 還可以在目錄里查詢歷史地震目錄(圖8)。圖8顯示,可以選擇必要的參數(shù),然后產(chǎn)生實時地震信息網(wǎng)頁,或者是標準的HTML表,或者是RSS反饋。按照經(jīng)緯度范圍輸入感興趣的區(qū)域、 或者給出一個震級最小值、 或者最大地震數(shù)。只有符合條件的地震才會顯示出來。

3.3對地震學研究的貢獻

GEOFON地震數(shù)據(jù)中心對地震學研究產(chǎn)生了巨大的影響,做出了很大的貢獻。它發(fā)展和改善了實時數(shù)據(jù)快速分析方法,工作在軟件開發(fā)的最前沿,把任何地方方法學的發(fā)展并入它的分析流,并與其他國家和國際數(shù)據(jù)中心合作制定地震數(shù)據(jù)交換標準。

GEOFON數(shù)據(jù)和地震參數(shù)的獲取,為地球結構和地球動力學[1-2],主要是固體地球物理的研究做出了很大貢獻； 其次是對水圈、 大氣層、 相關大地震和海嘯的應用研究[3-5]； 再次是由國家和跨國公司組織的以減災為目的的地震監(jiān)測； 最后是針對公眾的快速信息發(fā)布。

圖9顯示了Krüger[6]的研究成果,2014年12月26日蘇門答臘9.3級地震的破裂追蹤。另外,自GEOFON產(chǎn)出數(shù)據(jù)以來,地

圖6　GEOFON 2015年5月25～27日發(fā)布的地震目錄

圖8　GEOFON 地震目錄查詢

圖9　遠震監(jiān)測-破裂追蹤： 2014年12月26日蘇門答臘MW9.3地震的破裂追蹤[6]

震學家利用GEOFON數(shù)據(jù)或產(chǎn)品進行研究發(fā)表文章近300篇。

致謝： 感謝河北省地震局李小軍同志在相關資料上的幫助。

[1] Bozdag E,Trampert J. Assessment of tomographic mantle models using spectral element seismograms. Geophys.J. Int.,2010,180(3): 1187-1199

[2] Sodoudi F,Yuan X,Asch G,et al. High-resolution image of the geometry and thickness of the subducting Nazca lithosphere beneath northern Chile. J. Geophys. Res.,2011,116(B4): 257-265

[3] Blaser L,Ohrnberger M,Krüger F,et al. Probabilistic tsunami threat assessment of 10 recent earthquakes offshore Sumatra. Geophys. J. Int.,2012,188(3): 1273-1284

[4] Kumar T S,Nayak S,Kumar C P,et al. Successful monitoring of the 11 April 2012 tsunami off the coast of Sumatra by Indian Tsunami Early Warning Centre. Current Science,2012,102(11): 1519-1526

[5] Custodio S,Cesca S,Heimann S. Fast kinematic waveform inversion and robustness analysis: Application to the 2007MW5.9 Horseshoe abyssal plain earthquake offshore Southwest Iberia. Bull. Seismol. Soc. Amer.,2012,102(1): 361-376

[6] Krüger F,Ohrnberger M. Tracking the rupture of theMW=9.3 Sumatra earthquake over 1,150 km at teleseismic distance. Nature,2005,435(7044): 937-939. doi:10.1038/nature03696

GEOFON data center

Fan Xiaoyong

(Institute of Geophysics, China Earthquake Administration,Beijing 100081, China)

For the project of preparatory research of China global seismic network, we studied the data center of GEOFON supported by Germany. The results of research show that GEOFON data center used SeisComP3 software developed by itself,which had realized the functions of real-time data digitizing, automatic earthquake location, information distribution, data storage, data sharing, data quality control, data products etc. All these results provided important information for the project of preparatory research of China global seismic network.

GEOFON； SeisComP3； preparatory research of China global seismic network； data quality; archive data

2016-05-13； 采用日期： 2016-06-05。

范曉勇,e-mail: fxy@cea-igp.ac.cn。

地震行業(yè)科研專項： 中國全球地震臺網(wǎng)建設預研(201508007)資助。

P315.78；

A；

10.3969/j.issn.0235-4975.2016.08.009