基于震例類比的震后趨勢早期判定技術系統(tǒng)建設

劉珠妹 蔣海昆 李盛樂 黎明曉 汪園園 劉堅

1)湖北省地震局，地震預警湖北省重點實驗室，武漢 430071 2)中國地震臺網(wǎng)中心，北京 100045

0 引言

震后趨勢早期判定對震后應急部署決策有重要的參考意義。震后趨勢判定的時效性和科學性是其關鍵。根據(jù)中國地震局監(jiān)測預報司震后緊急會商工作流程(1)中國地震局辦公室,2019，《震后趨勢會商業(yè)務規(guī)定(試行)》(中震辦函[2019]23號).規(guī)定，顯著地震發(fā)生后半小時內(nèi)需上報震后趨勢快速研判意見。在極短時間內(nèi)，大量歷史地震、構造背景等資料的清理、計算、分析以至于產(chǎn)出產(chǎn)品，離不開技術系統(tǒng)的支持。

美國國家現(xiàn)代地震監(jiān)測系統(tǒng)(ANSS)自2000年創(chuàng)立以來，依賴地震與大地測量數(shù)據(jù)的匯集和分析，向政府應急管理人員、社會公眾以及地震研究人員發(fā)布地震發(fā)生及其影響的多類信息，包括地震速報、ShakeMap相關產(chǎn)品、測震波形資料、震源機制解等。值得注意的是，自2018年8月開始，ANSS開始采用Page等(2016)改進的Reasenberg-Jones模型(Reasenberg et al，1994、1989),對美國境內(nèi)顯著地震進行余震概率預測，并計劃于2019年實現(xiàn)自動化產(chǎn)出。目前,人工參與的余震概率預測第一次產(chǎn)出在震后30min后，之后將隨著序列的不斷發(fā)育更新預測結(jié)果(Barall et al，2019)。

我國應用震后趨勢判定技術始于1990年，北京亞運會期間發(fā)生昌平4.0級地震，原國家地震局迅速應對，判斷后續(xù)不會發(fā)生影響性地震，保障了亞運會的順利舉辦。武安緒等(1999)在國家地震局預測預防司支持下，于1998年推出了SSRA地震現(xiàn)場震情分析軟件，在地震現(xiàn)場和日常預報工作中取得了一定效益。蔣海昆等于2007年組織研制了基于GIS的華東南地區(qū)震后趨勢判定軟件(董曼，2008)，在地震類型分區(qū)的基礎上，一鍵產(chǎn)出震中所在區(qū)域的構造背景、歷史地震活動空間分布和區(qū)域特征，為分析預報人員提供會商基礎材料。2014年，張永仙等參與組織了華北地區(qū)強化跟蹤項目，將華北地區(qū)進一步細化為14個首都圈分區(qū)與50個外圍分區(qū)，并建立了華北震后快速響應及計算機查詢系統(tǒng)，在多次地震應急響應工作中發(fā)揮了效用。隨后該系統(tǒng)被統(tǒng)一集成到MapSIS地震分析預報軟件中，在全國的震情分析會商工作中得到應用(劉堅等，2018)。

除此之外，還有應用于局部區(qū)域震后趨勢判定的軟件，如廣西震后趨勢快速研判系統(tǒng)(張華等，2014)、基于地震序列研究的震后快速判定系統(tǒng)(許昭平，2012)、震后趨勢決策支持系統(tǒng)PTDSS(莊昆元等，2001)、基于震例的測震學異常輔助判定系統(tǒng)(黃金剛等，2017)等。上述系統(tǒng)在序列統(tǒng)計分析、震后地震活動趨勢判定工作中發(fā)揮了作用，但也存在許多不足，影響著序列早期趨勢判斷的時效性和規(guī)范性。隨著我國地震應急管理體制的逐步建立，針對新的需求，各類問題日益凸顯：

(1)服務于震后趨勢判定的基礎知識庫不夠完備。例如在地震序列類型判定中最重要的地震序列目錄，目前均由各省級地震局自行收集或以一定算法提取，缺乏完整、權威的全國范圍內(nèi)的地震序列知識庫。此外，以往使用的全國行政區(qū)劃數(shù)據(jù)、全國斷層構造數(shù)據(jù)大部分為2000年左右版本，需要及時更新以提高產(chǎn)品準確性以及滿足規(guī)范化地圖生產(chǎn)的要求。目前由于各類基礎數(shù)據(jù)的差異，國家層面與區(qū)域?qū)用娈a(chǎn)出結(jié)果之間不一致的現(xiàn)象時有發(fā)生，這在當前政府部門上下聯(lián)動緊密、資訊快速傳遞的應急管理體制下，不能滿足地震工作服務政府部門的相關要求。

(2)現(xiàn)有震后趨勢判定系統(tǒng)流程規(guī)范性不足。現(xiàn)有的大部分趨勢判定系統(tǒng)均為按需定制的工具型軟件，需要人機交互操作完成資料下載、序列時空分析、趨勢會商意見產(chǎn)出等工作，尚未完成流程化作業(yè)。部分軟件(如MapSIS)在趨勢判定自動產(chǎn)出方面開展了初步的嘗試，但由于觸發(fā)機制不夠完善，趨勢判定規(guī)則及流程尚未統(tǒng)一規(guī)范，也未實現(xiàn)權限控制下的資料多平臺推送，尚不能滿足新時代地震工作服務社會的需要。

(3)判定規(guī)則簡單，未充分體現(xiàn)目前對震后趨勢判定的科學認知。此外，目前的震后趨勢快速判定大多根據(jù)特定區(qū)域內(nèi)不同震級檔的先驗模板產(chǎn)出，不能在震情發(fā)展過程中及時更新資料，也未能結(jié)合專家知識和其它輔助條件靈活調(diào)整判定規(guī)則、動態(tài)參與到震后趨勢判定中來。

針對上述問題和新形勢下地震應急工作的需求，震后趨勢判定技術系統(tǒng)(CENC Automatic Aftershock Forecasting, 簡稱CAAF)于2018年投入研發(fā)。其中震后趨勢早期判定技術系統(tǒng)作為CAAF中最重要的子系統(tǒng)，將最新的區(qū)域地質(zhì)背景、行政地理和人口經(jīng)濟要素、歷史及現(xiàn)代地震活動、震源機制解、水庫或人類工業(yè)活動等多源異構數(shù)據(jù)結(jié)合起來，根據(jù)中國地震局地震應急處置和工作流程要求，以歷史地震活動類比為基礎，基于專家規(guī)則和動態(tài)震情數(shù)據(jù)，初步實現(xiàn)自動觸發(fā)的震后早期趨勢研判及相關報告的流程化產(chǎn)出，并在權限規(guī)定內(nèi)通過多平臺快速推送給用戶。

1 震后趨勢判定相關知識庫建立

1.1 知識庫組成

服務于本系統(tǒng)的知識庫包括多方面的數(shù)據(jù)集，可大致分為地理地質(zhì)、測震兩大類。這些數(shù)據(jù)集部分來源于已有研究成果或最新行業(yè)共享資料，部分由本文重新整理所得。各數(shù)據(jù)集來源、更新版本和更新頻率見表1。

表1 震后趨勢背景知識庫數(shù)據(jù)集

地理地質(zhì)類數(shù)據(jù)集包括全國行政區(qū)劃邊界(分為省、市、縣、鄉(xiāng)鎮(zhèn)四級)、縣級人口統(tǒng)計數(shù)據(jù)、中國及鄰區(qū)構造斷層矢量數(shù)據(jù)(徐錫偉等，2016)、全國30s分辨率地形數(shù)據(jù)、全國大型水庫數(shù)據(jù)(1億m3庫容以上)、工業(yè)活動區(qū)范圍等。

測震類數(shù)據(jù)集包括中國及鄰區(qū)1970年以來現(xiàn)代小震目錄、1900年以來歷史強震目錄(5級以上)、地震序列目錄、1900年以來“西6東5”(2)“西6東5”指以107°E為界，我國西部M≥6、東部M≥5地震事件。后文“西5東4”同理。強震破裂區(qū)、1900年以來震源機制解(4級以上)以及區(qū)域地震活動資料。其中，歷史地震序列目錄采用了《中國大陸地震序列目錄整理》項目的“西5東4”序列目錄成果(3)中國地震臺網(wǎng)中心等，2018，《中國大陸地震序列目錄整理》。，此外還補充本系統(tǒng)計算的其它小震地震序列類型。區(qū)域地震活動資料采用了《中小地震(序列)類型及區(qū)域特征》項目成果(4)中國地震臺網(wǎng)中心等，2007、2008，《中小地震(序列)類型及區(qū)域特征》。，包括全國176個地震分區(qū)的地震構造概況、歷史與現(xiàn)代地震活動特征等大量的基礎數(shù)據(jù)和圖文資料。

1.2 歷史地震序列數(shù)據(jù)集創(chuàng)建

1.2.1 序列分類規(guī)則

根據(jù)震后趨勢判定工作需要，我國一般將序列類型分為主-余型(包含前-主-余型)、孤立型和多震型3種類型(Utsu，2002;吳開統(tǒng)，1990)。依據(jù)《震后趨勢判定參考指南》(蔣海昆等，2015)，本系統(tǒng)采用ΔT時間內(nèi)序列主震與最大余震震級差ΔM劃分序列類型

(1)

參考蔣海昆等(2006)對中國大陸中強地震序列的統(tǒng)計結(jié)果，93%的序列1年內(nèi)的最大余震發(fā)生在90天內(nèi)，因此ΔT取3個月。

1.2.2 序列目錄及類型確定

1970年以來“西5東4”以上的序列目錄及相關資料由《中國大陸地震序列目錄整理》課題組整理得到。該數(shù)據(jù)集依據(jù)最大曲率方法(Wiemer et al，2000)，選擇使G-R關系偏離線性時的震級作為最小完備震級。序列持續(xù)時間根據(jù)震源區(qū)當前地震活動率與背景地震發(fā)生率相比較的方法確定(盛菊琴等，2007)。余震區(qū)范圍則是考慮主震發(fā)生區(qū)域地震監(jiān)測能力，以主震后48h或72h(余震較少時適當延長)內(nèi)余震分布外包絡并外擴一定范圍得到的。余震后期擴展較為豐富的序列則依靠人工判斷勾畫合適的區(qū)域邊界。

為彌補人工整理的地震序列不足，排除已整理的“西5東4”序列后，系統(tǒng)對剩余目錄中所有M≥3地震，利用上述規(guī)則自動檢測小震序列。

2 系統(tǒng)設計及實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)框架設計

為實現(xiàn)震后快速資料準備、參數(shù)計算、趨勢判定以及多平臺發(fā)布要求，系統(tǒng)采用穩(wěn)定性強的C/S架構(圖1)，部署在中國地震臺網(wǎng)中心云服務平臺，分為數(shù)據(jù)資源、核心計算、業(yè)務模型、接口服務以及表現(xiàn)層5部分。

圖 1 系統(tǒng)框架設計

數(shù)據(jù)資源層包括震后趨勢判定相關背景知識庫、全國統(tǒng)一地震編目數(shù)據(jù)庫、地震速報信息以及系統(tǒng)產(chǎn)品的本地備份。其中震后趨勢判定背景知識庫以文件數(shù)據(jù)集的形式列裝于服務器；全國統(tǒng)一地震編目數(shù)據(jù)通過Oracle數(shù)據(jù)庫接口調(diào)用；地震速報信息包括發(fā)震時間、震中經(jīng)緯度、震級、深度、發(fā)震地名，通過web接口向“地震信息播報機器人”高速拉取。

核心計算層包括震情基礎資料、會商輔助信息以及震后趨勢快速研判過程中涉及到的數(shù)據(jù)清洗、資料時空統(tǒng)計以及模型運算，如行政人口統(tǒng)計、發(fā)震斷層判斷、強震余震區(qū)計算等。業(yè)務模型層中預先設置了繪圖模板和Word、PPT產(chǎn)品模板，核心計算的結(jié)果將在該層生成對應的圖件，并通過Office API接口生成《震情專報》簡報或詳報以及會商輔助信息PPT產(chǎn)品。

最后，產(chǎn)品分別推送到臺網(wǎng)中心值班服務器以及“地震信息播報機器人”企業(yè)公眾號。前者采用web Socket實現(xiàn)局域網(wǎng)點對點的文件傳輸，相較于FTP文件傳輸方式更為簡易方便；后者在“地震信息播報機器人”主體上建立“震后趨勢”應用程序，設定用戶審核通過機制，通過企業(yè)微信API發(fā)送http消息請求，將產(chǎn)出的震后趨勢判定相關信息發(fā)送至“震后趨勢”應用，再推送至特定權限的行業(yè)用戶。

以上流程除自動觸發(fā)啟動以外，系統(tǒng)還支持斷網(wǎng)、斷庫情況下的手動操作模式。值班員可通過客戶端界面輸入地震參數(shù)，調(diào)用本地存儲資料進行手工流程觸發(fā)，以避免應急時網(wǎng)絡堵塞等狀況，但手工操作的數(shù)據(jù)無法實時自動更新。

2.2 系統(tǒng)產(chǎn)品設計

系統(tǒng)產(chǎn)出的最終產(chǎn)品為《震情專報(詳版)》、《震情專報(簡版)》、會商輔助信息PPT以及相關圖件和原始數(shù)據(jù)資料。

《震情專報(詳版)》是協(xié)助預報人員在會商后撰寫趨勢研判報告提供的草擬稿，共包含12類震情相關信息，分別為：①地震三要素，②與歷史強震的時空關系，③震中附近歷史及現(xiàn)代地震活動概況，④歷史地震序列類型統(tǒng)計特征，⑤震情早期趨勢判定意見，⑥Ⅲ度以上烈度影響范圍及人口數(shù)量，⑦震中附近主要斷層及斷層性質(zhì)，⑧與年度地震危險區(qū)的空間位置關系，⑨震前15天內(nèi)“前震”活動概況，⑩震中附近水庫、工業(yè)活動等人類活動區(qū)域分布，震中附近歷史震源機制及優(yōu)勢空間分布，震中所在地震分區(qū)的構造背景和地震活動特征等?！墩鹎閷?簡版)》是預報人員震后半小時內(nèi)上報研判意見的基礎，是《震情專報(詳版)》的凝縮，包括上述前5類震情信息。以上基本信息根據(jù)不同場景要求、實際的數(shù)據(jù)完備程度，靈活組裝為通順連貫的報告。

會商輔助信息PPT則將上述信息以文字、表格、構造和震中分布圖、不同時間尺度M-T圖、震源機制沙灘球及玫瑰花圖等可視化的形式進行展示，作為預報人員會商匯報的基礎素材。

2.3 系統(tǒng)技術實現(xiàn)

2.3.1 系統(tǒng)啟動閾值

在服務器運行期間，系統(tǒng)高頻拉取“地震信息播報機器人”提供的地震速報參數(shù)。一旦檢測到新發(fā)生的地震且符合啟動閾值時，將自動觸發(fā)震后趨勢判定工作流程。

結(jié)合中國地震局震后趨勢會商工作流程①要求，目前系統(tǒng)啟動閾值為：

(1)大陸西部(107°E以西，含)M≥3.8地震；

(2)大陸東部(107°E以東，不含)M≥2.8地震；

(3)北京、天津、上海、唐山、保定、張家口、承德、廊坊行政區(qū)域M≥2.0地震；

(4)中國臺灣地區(qū)M≥4.5地震；

(5)其他省會城市與計劃單列市M≥3.0地震。

本系統(tǒng)原則上只針對“主震”開展早期趨勢判定工作。為避免大震后強余震頻發(fā)觸發(fā)系統(tǒng)，降低對用戶的“打擾”，系統(tǒng)根據(jù)動態(tài)震情數(shù)據(jù)，采用預定義規(guī)則對啟動閾值進行動態(tài)調(diào)整。通過該機制，目前對強震發(fā)生后24h內(nèi)的4級以下余震做“靜默”處理，預判并提醒用戶當前地震是否與近期已發(fā)生強震構成“多震型”序列或?qū)儆谄洹坝嗾稹薄?/p>

2.3.2 震后趨勢早期判定技術

由于時間緊迫，震后第一時間內(nèi)序列尚未充分發(fā)育，無法滿足序列參數(shù)計算的樣本要求。但由于中強地震破裂特征主要受制于區(qū)域應力場與局部構造的相互作用，中國大陸中強地震破裂特征具有一定的區(qū)域差異性(張曉東，2004)，相應的序列類型也有一定的區(qū)域特征(蔣海昆等，2006)，因此實際工作中常常根據(jù)區(qū)域歷史地震活動特征和歷史地震序列特點，通過相似性類比方法(中國地震局，1998)，初步判定震后早期趨勢意見。本系統(tǒng)充分利用專家規(guī)則，建立的震后趨勢早期判定模型，如圖2 所示。

圖 2 震后趨勢早期判定模型

其中，震后趨勢判定意見的專家規(guī)則Rule，可表示為如下形式：

在該規(guī)則中，只要輸入?yún)?shù)滿足一定的預置條件，即將得出唯一對應的結(jié)論。

〈條件變量〉包括5種，分別為當前震級M，區(qū)域統(tǒng)計半徑R，歷史地震序列比例P，歷史序列樣本量N以及預判震型T。根據(jù)《震后趨勢會商業(yè)務規(guī)定》(中國地震局辦公室,2019)，R(單位：km)與M的關系為

(2)

預判震型T={主震，余震，多震}，表示當前地震是否為獨立主震事件，或者與前次地震構成余震或多震型序列。

〈運算符〉表示條件變量間的關系，通常為“且(and)”、“或(or)”和“非(not)”?！礂l件值〉表示條件變量的取值，如R=200，P=65%，N>10?！礄嘀亍当硎靖髯兞吭谝?guī)則判定中的重要程度。在本模型中，當T取值為“余震”或“多震”時，各變量權值將自動調(diào)整，以輸入震級M和預判類型T為主進行早期趨勢判定。

〈結(jié)論變量〉包括2種，分別為“后續(xù)是否有強震”、“強震震級”。〈結(jié)論值〉經(jīng)自然語言處理為{“有可能發(fā)生”、“發(fā)生的可能性不大”}、{“有感地震”、“類似大小地震”、“m(m|4，4.5，5，5.5，6)級地震”、“更大地震”}等多種表述方式。

通過以上設定，當輸入地震事件的震級、預判類型時，該模型將自動統(tǒng)計規(guī)定范圍內(nèi)的歷史序列類型，并經(jīng)過專家判定規(guī)則與自然語言表述規(guī)則，最終輸出該地震的震后早期趨勢判定意見。

2.3.3 不同場景下信息模板篩選技術

根據(jù)資料的完整度以及震級下限設定，系統(tǒng)可采用不同的優(yōu)化算法，選取不同信息模板統(tǒng)計不同范圍的資料，從而產(chǎn)出不同詳細程度、不同信息組合的產(chǎn)品。具體的實現(xiàn)過程為：根據(jù)輸入的地震速報基本參數(shù)和預置的模板選用規(guī)則，在模板庫中檢索和篩選候選模板；利用預置的各模板組合順序，最終確定完整的產(chǎn)品模板；最后過濾不同模板中“冗余”信息，使報告簡潔、精煉，更貼近于自然語言輸出。部分候選模板及篩選條件見表2。

表2 部分候選模板及篩選條件

注：“—”表示沒有該約束條件。

圖 3 系統(tǒng)試運行期間響應震例的空間分布(a)，震級(灰色柱圖)及產(chǎn)出時間(黑色點線)(b)

3 系統(tǒng)應用

震后趨勢早期判定技術系統(tǒng)于2018年10月開始試運行，直接與中國地震臺網(wǎng)中心預報部業(yè)務掛鉤，同時向中國地震局監(jiān)測預報管理部門、全國各省地震局分析預報部門提供服務，初步實現(xiàn)震情會商分析資料、社會地理資料、地質(zhì)構造資料、歷史地震活動資料以及震后趨勢快速研判意見等產(chǎn)品的快速產(chǎn)出。截至2019年5月31日，正式產(chǎn)出147個地震事件的震后早期研判震情專報及會商PPT等產(chǎn)品，地震事件分布見圖3。

3.1 產(chǎn)品產(chǎn)出時間

系統(tǒng)部署在Windows server 2008虛擬主機上，配置Intel E5雙核CPU及32G服務器處理內(nèi)存、2TB硬盤，安裝Office2013及GMT6.0制圖軟件。

自系統(tǒng)檢測到符合觸發(fā)條件的震例開始，至產(chǎn)品推送到指定用戶，計算產(chǎn)品產(chǎn)出時間。該時間與產(chǎn)品的豐富程度、類型格式以及具體的可視化呈現(xiàn)形式有關，不同的產(chǎn)出條件消耗時間不同。如MapSIS軟件一鍵產(chǎn)出會商PPT報告約耗時3～5min；廣西震后趨勢快速研判系統(tǒng)基于ArcGIS平臺，可在5min內(nèi)產(chǎn)出Word或PPT形式的震后研判結(jié)果；美國ANSS系統(tǒng)的余震預測意見在震后30min內(nèi)產(chǎn)出至地震專題網(wǎng)頁。雖然不同系統(tǒng)具體產(chǎn)出內(nèi)容不同，無法做絕對時間消耗的對比，但在本系統(tǒng)試運行階段，約90%的震例(132個)產(chǎn)品產(chǎn)出在5min以內(nèi)，說明系統(tǒng)運行效率較高，能高效完成資料準備、計算、繪圖、分析、產(chǎn)品推送整個流程。所有147個震例的產(chǎn)品產(chǎn)出平均消耗2.9min(圖3(b))，時間效率優(yōu)于同類系統(tǒng)或與同類系統(tǒng)持平(3～30min不等)。

另外，約10%震例(15個)的產(chǎn)品產(chǎn)出時間在5min以上，主要分布在唐山老震區(qū)、中國臺灣東部、新疆塔什庫爾干至烏什等區(qū)域(圖3(a))。這些區(qū)域地震活躍、歷史地震資料多，因此需要繪制的圖片較多，耗時較長。其中耗時最長的為2019年4月4日中國臺灣臺東縣5.1級地震，約6分37秒，但仍滿足早期震后趨勢快速判定的要求。同時，由圖3(b)可知，產(chǎn)品產(chǎn)出時間與地震震級大小關系不明顯。雖然主震震級越大、統(tǒng)計區(qū)域半徑越大，但參與統(tǒng)計的歷史地震震級下限也隨之提高，加之不同區(qū)域的地震活動有差異，實際檢索到的歷史震例豐富程度并不隨之增大。

3.2 震例自動產(chǎn)出與人工研判結(jié)果的對比

系統(tǒng)研發(fā)目的是為預報人員在震后快速產(chǎn)出、意見快速上報階段提供輔助支持。除基礎信息的提供、參數(shù)的計算、基本圖件的制作外，其核心是快速產(chǎn)出震后趨勢研判意見。該意見與人工參與研判結(jié)果的一致性程度，是衡量系統(tǒng)能否在一定程度上“替代”人工的關鍵。

系統(tǒng)被震情觸發(fā)后，自動產(chǎn)出的震后趨勢研判意見(以下簡稱為“自動產(chǎn)出”)，經(jīng)中國地震臺網(wǎng)中心預報人員快速研判修訂為“《震情專報》快速研判意見”(以下簡稱“人工修訂”)，并在半小時內(nèi)上報。若震級達到規(guī)定的應急響應級別，各學科專家、片區(qū)相關分析預報人員將召開震情緊急會商，在3h內(nèi)產(chǎn)出并上報“《震情專報》會商研判意見”(以下簡稱“會商意見”)?！叭斯ば抻啞焙汀皶桃庖姟苯y(tǒng)稱為“專家研判”。在上述的趨勢研判意見中，核心內(nèi)容是原震區(qū)近幾日后續(xù)地震活動水平上限估計，針對部分地震還包括可能的余震震級預測。

從“自動產(chǎn)出”與“人工修訂”、“會商意見”結(jié)果的定性對比來看(圖4)，主震震級在5級以下時，“人工修訂”和“會商意見”震級略高于“自動產(chǎn)出”。例如2018年11月6日廣東雷州3.1級地震，系統(tǒng)判定后續(xù)不會發(fā)生更大地震，而專家研判認為后續(xù)地震上限應為5.0級(實際上，震后數(shù)月雷州地區(qū)未發(fā)生3.1級以上地震)。主震震級在5級以上時，“人工修訂”和“會商意見”震級略低于“自動產(chǎn)出”。如2019年4月4日中國臺灣海峽5.1級地震，系統(tǒng)判定后續(xù)地震不會超過6.0級，而專家研判認為后續(xù)震級應在5.0級以內(nèi)(實際震后數(shù)月原震區(qū)確實未發(fā)生5.0級以上地震)。

圖 4 “自動產(chǎn)出”與“人工修訂”、“會商意見”結(jié)果對比當自動產(chǎn)出震級與人工及會商意見一致時，標記點將落在斜率為1的目標線上

此外，主震震級在4.0～5.5之間時，“人工修訂”和“會商意見”以5級居多。這實際上是人工更多地考慮到地震的影響程度(5級以下一般不會造成明顯破壞或人員傷亡)，從而給出了1個“比較安全”的震級上限估計，并不是嚴格按照序列判定規(guī)則給出的結(jié)果。

圖 5 震級偏差與主震震級分段的關系

此外，分析震級偏差與主震震級分檔的關系(圖5)可知，就震后0.5h內(nèi)必須上報的“人工修訂”意見而言(圖5 藍色柱)，3.0級以下震級段的“人工修訂”直接采用了“自動產(chǎn)出”結(jié)果，因此圖5 中該檔震級“人工-自動”平均震級差為0；而3.0級以上震級段的“人工修訂”結(jié)果一般與“自動產(chǎn)出”相差0.2～0.4個震級單位。就震后3h內(nèi)要求上報的會商意見而言(圖5 橙色柱)，5級以下震級段的“會商意見”與“自動產(chǎn)出”相差0.3～0.4個震級單位，5級以上震級段的“會商意見”與“自動產(chǎn)出”相差0.1～0.2個震級單位。

綜上，大多數(shù)情況下“自動產(chǎn)出”與“人工修訂”以及“會商意見”其結(jié)果差別不大(許多情況下“人工修訂”直接采用了“自動產(chǎn)出”結(jié)果)，但經(jīng)過人工參與的專家研判震級上限一般會高于自動產(chǎn)出結(jié)果，平均提高0～0.4個震級單位。

3.3 自動產(chǎn)出及專家研判結(jié)果與地震實況的對比

系統(tǒng)試運行期間響應的147次震例中，有39次在震后7天內(nèi)發(fā)生了后續(xù)余震。對比“自動產(chǎn)出”以及“專家研判”結(jié)果與實際地震情況的吻合程度，“專家研判”結(jié)果以“會商意見”為主，若未會商則采用半小時之內(nèi)上報的“人工修訂”結(jié)果。

從39次震例的預測情況來看(圖6)，“自動產(chǎn)出”震級上限(橙色曲線)隨不同震級有較明顯的起伏波動，與主震震級(灰色柱)有一定的正相關關系；“專家研判”震級上限(藍色曲線)起伏趨勢與“自動產(chǎn)出”基本一致，但有明顯的“趨穩(wěn)”特點，許多震例震級上限估計趨于5.0級，即一般表述為“發(fā)生5級以上地震的可能性不大”或“不會發(fā)生5級以上地震”，這與前述考慮破壞影響的預測思路有關，并不是嚴格基于序列數(shù)據(jù)得到的結(jié)果。具體來看，4次震例(約10%，表3)震后7日內(nèi)原震區(qū)地震震級突破了“自動產(chǎn)出”的震級上限，但僅有1次(2019年5月11日吉林松原5.1級地震)突破了“專家研判”的震級上限。說明僅就預期震級上限估計而言，“專家研判”結(jié)果相對更為保險。除震級上限估計外，“自動產(chǎn)出”還對其中21個震例給出具體的預測震級范圍(圖6 中紫色圓點及±0.5級誤差棒)。21次震例的預測震級與地震實況平均相差0.8級，其中約43%(9次)震例震級偏差在0.5以內(nèi)。

圖 6 自動產(chǎn)出以及專家研判與地震實況的關系

表3 突破自動產(chǎn)出震級上限的震例

以0.5個震級單位為間隔統(tǒng)計與“地震實況”的震級偏差(圖7)，可見“自動產(chǎn)出”震級偏差在±0.5較小范圍內(nèi)的震例數(shù)多于“人工研判”結(jié)果(圖7 藍框范圍及藍色箭頭所指)；對于大于1.0的較大震級偏差范圍，“專家研判”結(jié)果的震例數(shù)多于“自動產(chǎn)出”(圖7 紅框范圍及紅色箭頭所指)。這意味著，若僅就與地震實況的吻合程度對比來看，“自動產(chǎn)出”結(jié)果略好于“人工研判”結(jié)果。由全部39次震例預測的后續(xù)地震震級與7日內(nèi)實際最大余震震級的對比來看，“自動產(chǎn)出”和“專家研判”結(jié)果的平均偏差分別為1.04和1.19，盡管總體差異不大，但“自動產(chǎn)出”仍略好于“專家研判”結(jié)果。

圖 7 “自動產(chǎn)出”、“專家研判”與“地震實況”之間震級偏差統(tǒng)計

4 討論與結(jié)論

(1)基于震例類比原則，開發(fā)了震后早期趨勢判定技術系統(tǒng)。該系統(tǒng)為預報人員起草會商意見及《震情專報》初稿以及震后首次會商提供基礎素材(各類檢索統(tǒng)計結(jié)果、基礎圖件制作、PPT)。經(jīng)過8個月的試運行，系統(tǒng)顯著提升了中國地震臺網(wǎng)中心對震后趨勢快速研判的時效性，成為不可或缺的技術系統(tǒng)。在科學性方面，多數(shù)情況下自動產(chǎn)出與人工結(jié)果差異不大，自動產(chǎn)出與地震實況吻合程度略好于人工結(jié)果。

(2)針對震群型地震序列中的后續(xù)主震、中強地震序列中的較強余震，系統(tǒng)在自動產(chǎn)出意見以及文字表述上，仍存在較多問題。針對這些問題，一是必須收集更新資料，根據(jù)我國大陸地震序列特點，尤其是后續(xù)最大余震震級的認識，修正、完善震后早期趨勢判定模型；二是繼續(xù)充實、完善自然語言表述規(guī)則，尤其是針對震群型序列后續(xù)地震以及中強地震強余震的自動產(chǎn)出專報編寫規(guī)則。

(3)由于目前地震序列類型自動檢測算法尚在不斷改進，序列資料的實時更新機制尚未建立。后續(xù)將繼續(xù)深入研究地震序列特征，改進完善地震序列自動檢測算法，實現(xiàn)地震序列基礎數(shù)據(jù)庫的自動更新。

(4)由于樣本的限制，本系統(tǒng)無法窮盡所有的應用場景，目前基于專家經(jīng)驗的研判規(guī)則尚未完善，加之科技和技術的進步，實踐要求也隨之變化，因而本系統(tǒng)需要持續(xù)地修改和完善。更重要的是，能否引入機器學習等新技術，用于系統(tǒng)知識的自學習及判定規(guī)則的自我優(yōu)化，是在現(xiàn)有理論認識基礎上并基于現(xiàn)有數(shù)據(jù)信息條件下，系統(tǒng)能夠發(fā)揮更大作用的關鍵一步。

致謝：《中國大陸地震序列目錄整理》課題組為本文提供1970年以來“西5東4”序列數(shù)據(jù)集，主要完成人及所承擔的區(qū)域數(shù)據(jù)的整理分別為：蔣海昆(負責人)，趙小艷(云南)，祁玉萍、龍峰(四川)，聶曉紅(新疆)，王培玲(青海)，馮建剛(甘肅)，賈若(吉林)，張帆(內(nèi)蒙)，孫業(yè)君(江蘇)，袁麗文(福建及中國臺灣)，黎明曉、薛艷、張小濤(大陸東部)，徐長朋(山東)，李玉鉸(山西)，鮑子文、倪玉紅(安徽)，郭蕾(河北)，董非非(江西)，王亮(遼寧)，周晨(黑龍江)；李盛樂、汪園園對全部序列數(shù)據(jù)進行了錯誤檢測及格式校驗；杜方、蘇有錦以及以上大部分專家參與了判定規(guī)則的討論；中國地震局地質(zhì)研究所“活動斷層探測數(shù)據(jù)匯交與共享管理中心”為本研究提供數(shù)據(jù)支持，在此一并感謝。