天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)建設(shè)1

許 可 郭 巍 高 也 柳艷麗 劉瑞瑞

天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)建設(shè)1

許 可 郭 巍 高 也 柳艷麗 劉瑞瑞

（天津市地震局，天津 300201）

通過建設(shè)80個簡易烈度計觀測點，與天津行政區(qū)內(nèi)具備實時傳輸能力的測震臺站和強震動臺站共同組建了天津地震預警觀測網(wǎng)絡(luò)，初步實現(xiàn)了地震預警功能，提升了天津行政區(qū)的防震減災能力，同時開展地震預警信息服務(wù)試驗，為政府和社會提供地震預警信息。本文介紹了天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)的建設(shè)情況、臺站分布情況、儀器性能指標、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)記錄情況，并探討了簡易烈度計在預警臺網(wǎng)中的應(yīng)用，獲得了初步認識。

簡易烈度計 地震預警 試驗區(qū) 噪聲

引言

地震預警是利用電磁波傳播速度遠大于地震動傳播速度以及破壞性地震波（S波或面波）的傳播速度小于破壞性較小的P波速度的原理，在地震發(fā)生后盡可能短的時間內(nèi)，確定地震基本參數(shù)或直接估計預警目標區(qū)的地震動和破壞程度，在破壞性地震波到來前，對可能破壞區(qū)發(fā)出地震警報。地震預警系統(tǒng)可以快速地進行地震定位并根據(jù)震中距不同，提供幾秒、十幾秒、甚至幾十秒的時間，將預警信息在破壞性地震波到達之前發(fā)送至用戶，以幫助用戶采取應(yīng)急措施，達到減災的目的（馬強，2008；殷海濤等，2012；張紅才等，2013）。目前，日本、墨西哥、羅馬和中國臺灣地區(qū)已經(jīng)建立了地震預警系統(tǒng)并提供預警服務(wù)，美國、瑞士、意大利和中國大陸則已建立了試驗性質(zhì)的地震預警系統(tǒng)（Allen等，2009；趙兵，2011）。

天津是中國北方最大的港口城市和環(huán)渤海經(jīng)濟中心，是國家防震減災的重點設(shè)防城市，具有發(fā)生強烈地震的背景和條件，歷史上曾多次遭遇特別重大的地震災害。1679年9月2日三河-平谷8級地震和1976年7月28日唐山7.8級地震都使天津市遭受了嚴重的破壞。其中，唐山7.8級地震使寧河和漢沽的地震烈度達到Ⅸ度，塘沽及市區(qū)大部分地區(qū)地震烈度達到Ⅷ度，從而使天津成為中國唯一遭受Ⅷ度地震災害的特大型城市。因此，建設(shè)天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)，能夠建立完善有效的地震預警機制，進一步提高天津地區(qū)的地震災害防御能力，盡可能地避免未來強震造成的人員傷亡和經(jīng)濟損失。

1 試驗區(qū)建設(shè)概況

天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)的建設(shè)目標是在天津地區(qū)新建80個簡易烈度計觀測點，與天津行政區(qū)內(nèi)具備實時傳輸能力的測震臺站和強震動臺站共同組建天津地震預警觀測網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模如圖1所示。觀測網(wǎng)絡(luò)東西孔徑約127km，南北孔徑約160km，平均臺站間距約10km。結(jié)合天津地震觀測臺網(wǎng)現(xiàn)有布局特征，選擇觀測條件較好的中小學校內(nèi)平房或二層樓房的一層作為簡易烈度儀觀測場址。儀器固定在觀測室不高于30cm的承重墻上，采用錨固方式安裝，如圖2所示。數(shù)據(jù)傳輸采用移動4G無線VPDN方式，VPDN為虛擬專用撥號網(wǎng)絡(luò)，是建立在VPN基礎(chǔ)上且隸屬與于VPN的1種業(yè)務(wù)。根據(jù)天津市遠程網(wǎng)絡(luò)傳輸需求，烈度計端路由設(shè)備首先通過4G無線網(wǎng)絡(luò)接入附近移動運營商的無線網(wǎng)，再通過移動運營商VPDN專用網(wǎng)接入地震行業(yè)網(wǎng)，實現(xiàn)節(jié)點端與地震系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)的互聯(lián)互通。移動4G無線VPDN組網(wǎng)流程如圖3所示。

圖1 天津地震預警觀測網(wǎng)絡(luò)臺站分布

圖2 壁掛式觀測臺站

圖3 移動4G無線VPDN組網(wǎng)流程

2 簡易烈度計性能

綜合考慮儀器的安裝方式、性能指標以及京津冀地震烈度速報與預警示范區(qū)的整體規(guī)劃，天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)的臺站觀測儀器選用GL-P2B型和MI3000型三分向型簡易烈度計，均具備16位以上分辨率，水平向測量范圍-2—2g，垂直向測量范圍-1—3g，動態(tài)范圍大于80dB。傳感器采用微機械加速度傳感器（MEMS），MEMS加速度傳感器為微電子技術(shù)與微機械工程結(jié)合發(fā)展的1種慣性器件，與傳統(tǒng)力加速度傳感器相比，具有體積小、成本低等特點。將MEMS傳感器應(yīng)用于地震儀器中，可以較低的成本提高臺網(wǎng)密度，并可實現(xiàn)烈度速報與地震預警功能（Chung等，2011；Wu，2013；D'Alessandro等，2014）。2種儀器的性能指標見表1，儀器的幅頻特性曲線見圖4。

表1 簡易烈度計性能指標

圖4 簡易烈度計幅頻特性曲線

3 地震預警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

首先，簡易烈度計臺站、強震臺站和測震臺站的數(shù)據(jù)實時匯集到地震數(shù)據(jù)匯集系統(tǒng)，再通過行業(yè)內(nèi)網(wǎng)將數(shù)據(jù)實時傳輸至地震預警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)傳輸流程如圖5所示。當?shù)卣鸢l(fā)生時，地震預警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)利用多個臺站收到的地震初至波信號，使用STA/LTA算法檢查震相觸發(fā)，使用AIC算法精確拾取震相到時，使用“著未著”算法快速分析多個臺站震相到時數(shù)據(jù)，確定地震發(fā)生的時刻和位置，使用P波最大振幅和臺站震中距估算地震震級，從而獲得地震基本參數(shù)，并向地震波尚未到達的地區(qū)發(fā)布準確的地震預警信號。

2018年8月16日13時50分20.97秒，天津市薊州區(qū)發(fā)生2.2級地震，距離震中較近的簡易烈度計臺站、強震實時臺站和測震臺站均監(jiān)測到了P波信號。地震預警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用256字節(jié)的數(shù)據(jù)打包模式進行數(shù)據(jù)傳輸，地震發(fā)生后8s發(fā)出第一報，發(fā)震時刻為2018年8月16日13時50分20.7秒，震中地點為天津薊州區(qū)，震級為2.0級（轉(zhuǎn)換震級），震中地點距天津市中心約94km，橫波預計到達時間為12s，觸發(fā)臺站39個（圖6）。由于此次地震的震級較小，尚需經(jīng)歷更大的地震對天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)的效能進行檢驗。

圖5 地震預警試驗區(qū)數(shù)據(jù)傳輸流程

4 簡易烈度計數(shù)據(jù)記錄

簡易烈度計觀測的數(shù)據(jù)存儲在地震數(shù)據(jù)處理中心服務(wù)器上，采用定長512字節(jié)MiniSeed格式，對于任一時段的數(shù)據(jù)，可利用JOPENS6.0數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為SEED、ASCII等多種數(shù)據(jù)文件。在數(shù)據(jù)處理過程中，采用python語言編寫相關(guān)的計算程序，主要使用了python中的Numpy、Matplotlib、Basemap、Obspy等擴展包，有效提高了系統(tǒng)的開發(fā)效率和數(shù)據(jù)處理的工作效率。

圖6 天津地震預警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

在2018年8月16日天津薊州2.2級地震中，位于天津薊州附近的簡易烈度計臺站A0055、A0056、A0058、A0063均獲取了觀測數(shù)據(jù)。根據(jù)《儀器地震烈度計算（征求意見稿）》[1]的要求，對0.1—10Hz頻率范圍內(nèi)的觀測數(shù)據(jù)進行帶通濾波處理，然后三分向合成計算最大峰值加速度。計算得到距離震中4km的A0058臺站的最大峰值加速度為7.4gal；距離震中10km的A0055臺站的最大峰值加速度為6.46gal；距離震中10km的A0063臺站的最大峰值加速度為6.78gal；距離震中15km的A0056臺站的最大峰值加速度為6.27gal。

由于簡易烈度計臺站沒有同址的測震或強震臺站，故選擇臺站距離相鄰、方位相差較小的強震臺站BAJ與簡易烈度計臺站A0056進行波形數(shù)據(jù)對比。BAJ臺距離震中12km，三分向合成的最大峰值加速度為6.89gal，使用的地震計為SLJ-100型加速度計，測量的頻帶范圍為0.1—30Hz，采樣率為100Hz。簡易烈度計臺站A0056使用GL-P2B型MEMES加速度計，測量頻帶范圍為0.1—30Hz，采樣率為100Hz。觀測臺站分布如圖7所示。

由于觀測頻帶不同，采用4階巴特沃斯（Buttorworth）帶通濾波器對強震臺BAJ與簡易烈度計臺A0056的0.1—20Hz觀測數(shù)據(jù)進行濾波，結(jié)果如圖8所示。強震臺BAJ三分向記錄的波形峰值加速度（PGA）分別為3.99gal、3.88gal和1.43gal，簡易烈度計臺A0056三分向記錄的波形峰值加速度（PGA）分別為1.23gal、1.28gal和0.78gal。2個臺站的峰值加速度和波形數(shù)據(jù)時程均不相同，這是由于臺站位置不同造成的，其中強震臺BAJ距離震中12km，簡易烈度計臺A0056距離震中15km，二者直線距離相差3km，且相對震中的方位有差異，但二者NS向與EW向波形存在一定的相似性。

觀測儀器的記錄噪聲水平在一定程度上能夠直接反應(yīng)儀器的記錄能力，尤其是記錄中小地震事件的能力。為此，截取了簡易烈度計臺站A0056無明顯干擾的10分鐘的數(shù)據(jù)記錄，利用Welch算法計算加速度噪聲功率譜（Peterson，1993），結(jié)果如圖9所示。由圖可以看出，簡易烈度計臺A0056的加速度噪聲功率譜處于高噪聲模型（New High Noise Model）和低噪聲模型（New Low Noise Model）之上，且遠高于高噪聲模型。由此可知，相對于測震臺站對地脈動噪聲的完整記錄（在NHNM和NLNM之間），簡易烈度計臺站記錄的噪聲數(shù)據(jù)完全是儀器的自噪聲，天然噪聲則淹沒在儀器的自噪聲中無法分辨。由于簡易烈度計的儀器自噪聲已經(jīng)超出地脈動水平，無法觀測記錄到有效地脈動，且儀器通常布設(shè)在人員比較密集的建筑物內(nèi)，因此，簡易烈度計臺站的記錄數(shù)據(jù)信噪比較低，地震數(shù)據(jù)初至震相會淹沒在背景噪聲中。

圖7 薊州2.2級地震震中附近的地震觀測臺站

圖8 強震臺站BAJ（a）與烈度計臺站A0056（b）原始記錄波形對比

各類地震觀測儀器的觀測特點不同，測震臺站主要服務(wù)于地球物理學的研究，旨在了解地球內(nèi)部的構(gòu)造和地震活動性，為此提供各種地震參數(shù)，包括地震基本參數(shù)、地震活動性、地震波傳播、地震趨勢等，地震觀測的場地條件要求為基巖、深井且背景噪聲應(yīng)盡量小。強震觀測主要為地震工程學研究和結(jié)構(gòu)抗震提供資料，旨在測定地面和建筑物在地震作用下的運動過程，包括地震影響場、地面及結(jié)構(gòu)的地震動特征，主要針對的是近場強震，儀器頻帶范圍為-2—2g，通常要求背景噪聲小于1cm/s2，城區(qū)或鄉(xiāng)村均可布設(shè)觀測儀器。而簡易烈度計是以MEMS傳感器為主的非專業(yè)強震儀，主要針對的是近場強震，要求背景噪聲小于2cm/s2，記錄質(zhì)量較低，一般布設(shè)在自由地表或2層以下低矮結(jié)構(gòu)建筑物內(nèi)[2]。簡易烈度計具有成本低、安裝要求不高、維護簡單等特點，適于高密度布設(shè)，以提高區(qū)域地震預警和烈度速報能力。

圖9 簡易烈度計臺站的噪聲功率譜密度

5 討論與結(jié)論

本文對天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)的建設(shè)、臺站分布情況、儀器性能指標、數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)記錄情況進行了介紹，探討了簡易烈度計在預警臺網(wǎng)中的應(yīng)用，獲得了以下初步認識：

（1）通過建設(shè)天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)，加密了天津強震臺網(wǎng)的密度，初步實現(xiàn)了天津及鄰區(qū)的地震預警功能。

（2）由測震臺站、強震動實時傳輸臺站及簡易烈度計臺站組成的天津地震預警觀測網(wǎng)絡(luò)，拓寬了各臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)應(yīng)用范圍，不僅可應(yīng)用于地震應(yīng)急快速響應(yīng)，還可應(yīng)用于地震工程和科學研究。

（3）簡易烈度計臺站造價低、建設(shè)周期短，易于大面積布設(shè)或規(guī)?；瘧?yīng)用，可用較少的投資實現(xiàn)更好的應(yīng)用（姚會琴等，2012），是現(xiàn)有測震臺站和強震臺站的有益補充。

（4）簡易烈度計記錄的噪聲數(shù)據(jù)完全是儀器的自噪聲，高于高噪聲模型，但對于震中附近滿足一定信噪比條件的臺站，可獲得較準確的初至震相到時信息，對于地震預警信息的準確產(chǎn)出具有意義。

（5）今后還需進一步積累地震數(shù)據(jù)，結(jié)合天津及鄰區(qū)的地震分布特點優(yōu)化地震預警參數(shù)模型，以期提升該地區(qū)的防震減災能力以及公共服務(wù)水平。

馬強，2008．地震預警技術(shù)研究及應(yīng)用．哈爾濱：中國地震局工程力學研究所．

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Development of Simple Intensity Meter in Tianjin Early Warn Experimental Site

Xu Ke, Guo Wei, Gao Ye, Liu Yanli and Liu Ruirui

(Tianjin Earthquake Agency, Tianjin 300201, China)

In this project, 80 simple seismic intensity meter observation sites were built in Tianjin. These observation sites composed with the observation network with earthquake monitoring stations and strong ground motion stations together in Tianjin, and these stations are of real-time transmission capabilities. The observation network has preliminarily realized the earthquake warning function. After the completion of the project, it will greatly improve the earthquake prevention and disaster reduction capacity of Tianjin, provide earthquake warning information to the government and society, and carry out earthquake warning information service test. This paper discussed construction situation of the test site, station distribution, instrument performance index, data processing and data recording. The preliminary understanding of the application of simple intensity meter in early warning network is also discussed.

Simple intensity meter; Earthquake early warning; Experimental site; Seismic noise

10.11899/zzfy20190219

中國地震局地震監(jiān)測、預測、科研三結(jié)合課題（20170302），天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)建設(shè)項目（2015DZLDY002）

2018-09-10

許可，男，生于1982年。工程師。主要從事測震臺網(wǎng)數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)維護與地震編目工作。E-mail：rbbgrace@ 163.com

許可，郭巍，高也，柳艷麗，劉瑞瑞，2019．天津簡易烈度計地震預警試驗區(qū)建設(shè)．震災防御技術(shù)，14（2）：456—463．

[1] 中國地震局，2015. 儀器地震烈度計算暫行規(guī)程.

[2] 馬強，2017．地震預警與烈度速報系統(tǒng)的試驗示范．浙江省地震局內(nèi)部報告．