遼寧測震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站選取對地震速報(bào)定位結(jié)果的影響

李子昊，王承偉，李恩來，安祥宇，梁一婧

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，地震速報(bào)作為地震監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)，以及地震應(yīng)急工作的基礎(chǔ)，正在被越來越多的人關(guān)注，地震速報(bào)是防震減災(zāi)事業(yè)不可缺少的一部分，也決定了防震減災(zāi)事業(yè)的成果，還是一項(xiàng)帶有政府性質(zhì)的政策性工作，社會(huì)影響度也越來越大，對于震情的判斷以及社會(huì)秩序的穩(wěn)定起著重要作用。地震發(fā)生后，值班員要在最短時(shí)間內(nèi)對地震事件進(jìn)行分析，得出發(fā)震時(shí)刻、震中位置以及震級(jí)，并向有關(guān)部門通報(bào)。臺(tái)站選取、定位方法、震相標(biāo)注誤差、地殼速度模型選擇等可以影響地震定位結(jié)果，其中震相標(biāo)注誤差是一個(gè)隨機(jī)的結(jié)果，而地殼速度模型選擇根據(jù)地震性質(zhì)來決定，所以臺(tái)站選取對于速報(bào)地震來說尤為重要。

遼寧測震臺(tái)網(wǎng)現(xiàn)在可以接收51個(gè)臺(tái)站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)信息，對于ML＞2.5的地震，一般有30個(gè)左右臺(tái)站可以記錄到，但是在實(shí)際速報(bào)過程中，所有臺(tái)站都參與到定位，耗時(shí)且結(jié)果不是很理想，所以如何在盡可能短的時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確的測定處理地震數(shù)據(jù)，這是地震速報(bào)最重要的環(huán)節(jié)。近年來，諸多學(xué)者在此領(lǐng)域展開了許多研究，比如趙英萍等[1]對定位子臺(tái)站的選取對定位結(jié)果影響進(jìn)行了研究；謝靜[2]對提高天津臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)質(zhì)量進(jìn)行了研究；鄭培玲等[3]對提高區(qū)域臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)水平進(jìn)行了探討；尹戰(zhàn)軍等[4]對地震速報(bào)進(jìn)行了淺談；趙艷紅[5]等對內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站布局對地震定位的影響進(jìn)行了研究。

1 資料選取

遼寧省測震臺(tái)網(wǎng)承擔(dān)著遼寧省以及周邊省份的天然地震以及礦震、爆破等非天然事件的監(jiān)測與速報(bào)任務(wù)，采用Hyposat定位程序計(jì)算出的一維速度模型，地震參數(shù)設(shè)定采用JOPENS系統(tǒng)下的自動(dòng)定位，地震速報(bào)以及編目工作采用人機(jī)交互相結(jié)合的MSDP軟件，地震定位一般使用單純形和Hyposat兩種方法。

遼寧省測震臺(tái)網(wǎng)可以接收處理省內(nèi)37個(gè)臺(tái)站信息，包含5個(gè)國家臺(tái)，30個(gè)區(qū)域臺(tái)和2個(gè)新建背景場項(xiàng)目；通過國家臺(tái)網(wǎng)中心服務(wù)器可以接收鄰省14個(gè)臺(tái)站的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)信息。測震臺(tái)站均勻分布在全省之中，臺(tái)站間距平均在70km左右，分布方式較合理，其中臺(tái)站在中部分布比較緊湊，全部臺(tái)站分布如圖1所示。

合理的臺(tái)站選取和定位方法對于地震精度的提高尤為重要。但是在實(shí)際速報(bào)分析處理工作當(dāng)中，大部分臺(tái)站都可以參與到定位，臺(tái)站選取太多會(huì)比較耗時(shí)，臺(tái)站選取太少雖然速度可以提高，但是結(jié)果精度會(huì)比較差。所以合理的臺(tái)站數(shù)量選取有助于降低震級(jí)偏差并提高精度，是速報(bào)工作的關(guān)鍵。

圖1遼寧省測震臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖Fig.1 Distribution map of seismological network stations in Liaoning

地震臺(tái)網(wǎng)地震參數(shù)的測定精度受到很多種因素所控制，例如所選擇的定位方法、速度模型的選取、臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力、臺(tái)站數(shù)目的選取以及地震波傳播過程中介質(zhì)的不同等。本文主要分析了臺(tái)站數(shù)目的選取對于速報(bào)地震定位結(jié)果的影響，選取了2015—2018年遼寧及鄰區(qū)地震波形資料（以編目結(jié)果為基礎(chǔ)），挑選了ML＞2.5的八條網(wǎng)緣和網(wǎng)內(nèi)典型地震事件進(jìn)行分析，網(wǎng)緣地震為遼寧省行政邊界外50km到300km的地震，網(wǎng)內(nèi)地震為遼寧省及行政邊界外50km范圍內(nèi)的地震，為了得出更全面的結(jié)論，本文選取了天然和非天然的三種類型地震，包括海域地震、礦震和天然地震，其中四個(gè)海域地震屬于網(wǎng)緣地震，其他都屬于網(wǎng)內(nèi)地震。選擇3～20個(gè)臺(tái)站資料，分別重新讀取震相數(shù)據(jù)并進(jìn)行定位，得出結(jié)果與編目結(jié)果進(jìn)行比較，并計(jì)算出震中位置差，討論出網(wǎng)內(nèi)和網(wǎng)緣地震所適合速報(bào)要求的臺(tái)站數(shù)目。

2 方法

本文采用單純形法對十個(gè)事件進(jìn)行重新定位，由于網(wǎng)緣地震比較少，本文選取了四個(gè)網(wǎng)緣地震和六個(gè)網(wǎng)內(nèi)地震。此方法是在n維空間中，用n+1個(gè)頂點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)多面體。根據(jù)單純形運(yùn)算規(guī)則，計(jì)算各頂點(diǎn)的函數(shù)值，然后進(jìn)行對比，確定出頂點(diǎn)的優(yōu)劣；接著計(jì)算新點(diǎn)，用好的頂點(diǎn)代替壞的頂點(diǎn)，不斷改變頂點(diǎn)，使單純形朝著目標(biāo)函數(shù)最小方向移動(dòng)，最終獲得準(zhǔn)確解[6]。

遼寧省測震臺(tái)網(wǎng)ML＞2.5地震一般可被30多個(gè)臺(tái)記錄到，如果在速報(bào)過程中選取所有的臺(tái)都進(jìn)行定位，工作量大速報(bào)時(shí)間可能會(huì)超時(shí)。所以合理的臺(tái)站數(shù)目選取特別重要，可以實(shí)現(xiàn)既不影響速報(bào)速度又能保證速報(bào)結(jié)果穩(wěn)定性，從而達(dá)到《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定》要求。

設(shè)Δ為不同定位臺(tái)站數(shù)速報(bào)地震與編目地震的定位偏差，單位為km，計(jì)算公式如下：

其中，Φ1、λ1為選取資料的編目結(jié)果計(jì)算出的地震震中經(jīng)度、緯度，Φ2、λ2為選取資料采用不同臺(tái)站數(shù)進(jìn)行重新定位，得到的地震震中經(jīng)度、緯度。選取八個(gè)具有代表性事件，臺(tái)站定位分布圖如圖2-9所示。

圖2 2018年10月30日渤海海域ML3.1級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.2 Distribution map of the location of the ML3.1 earthquake in Bohai sea area on October 30，2018

圖3 2016年6月19日遼寧營口海域ML2.9級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.3 Distribution map of the location of the ML2.9 earthquake in Yingkou sea area，Liaoning on June 19，2016

圖4 2015年7月22日龍口海域ML4.6級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.4 Distribution map of the location of the ML4.6 earthquake in Longkou sea area on July 22，2015

圖5 2018年2月26日黃海海域ML3.3級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.5 Distribution map of the location of the ML3.3 earthquake in Huanghai sea area on February 26，2018

圖6 2018年4月29日撫順ML3.5級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.6 Distribution map of the location of the ML3.5 earthquake on Fushun on April 29，2018

圖7 2018年9月23日調(diào)兵山ML3.6級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.7 Distribution map of the location of the ML3.6 earthquake in Diaobingshan on September 23，2018

圖8 2016年10月29日喀左ML4.3級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.8 Distribution map of the location of the ML4.3 earthquakein in Kazuo on October 29，2016

圖9 2017年10月19日清原ML3.8級(jí)地震參與定位臺(tái)站分布圖Fig.9 Distribution map of the location of the ML3.8 earthquake in Qingyuan on October 19，2017

3 臺(tái)站數(shù)量分布影響

根據(jù)國家臺(tái)網(wǎng)中心規(guī)定，遼寧測震臺(tái)網(wǎng)要在8分鐘之內(nèi)完成網(wǎng)內(nèi)M≥3.0級(jí)地震的速報(bào)工作，網(wǎng)緣地震需要根據(jù)震級(jí)大小以及遼寧省界外距離遠(yuǎn)近，測定出發(fā)震時(shí)刻、震中位置以及震級(jí)大小等具體參數(shù)，并向國家臺(tái)網(wǎng)中心匯報(bào)，完成地震速報(bào)任務(wù)。地震三要素是地震速報(bào)工作的重點(diǎn)，而地震三要素又受到以下幾方面的影響：（1）監(jiān)測儀器的工作情況；（2）臺(tái)網(wǎng)的監(jiān)測能力；（3）臺(tái)站的密度與距離；（4）定位方法的選??；（5）值班員的分析處理能力[7]。

表1網(wǎng)緣地震定位臺(tái)站個(gè)數(shù)與震中差（單位：km）之間關(guān)系表

速報(bào)過程中由于選取臺(tái)站數(shù)量有限，時(shí)間緊迫加上值班員壓力大，速報(bào)出來的結(jié)果往往與編目結(jié)果存在一些差異，本文選取十個(gè)典型地震事件，包括四個(gè)網(wǎng)緣和六個(gè)網(wǎng)內(nèi)地震，由圖1可以看出遼寧省臺(tái)站分布較好，包裹比較合理，重新進(jìn)行地震波分析，標(biāo)注震相，采用單純形定位方法進(jìn)行定位，選取3～20個(gè)臺(tái)站分別進(jìn)行重新定位，并依次與編目結(jié)果進(jìn)行對比，計(jì)算出震中差，得出速報(bào)地震所適用的最佳臺(tái)站數(shù)，網(wǎng)緣和網(wǎng)內(nèi)定位臺(tái)站個(gè)數(shù)與震中差關(guān)系表格以及散點(diǎn)圖如下。

表2網(wǎng)內(nèi)地震定位臺(tái)站個(gè)數(shù)與震中差（單位：km）之間關(guān)系表

圖10 2018年10月30日渤海海域ML3.1級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.10 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML3.1 earthquake in Bohai sea area on October 30，2018

圖11 2016年6月19日遼寧營口海域ML2.9級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.11 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML2.9 earthquake in Yingkou sea area，Liaoning on June 19，2016

圖12 2015年7月22日龍口海域ML4.6級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.12 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML4.6 earthquake in Longkou sea area on July 22，2015

圖13 2014年2月26日黃海海域ML3.3級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.13 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML3.3 earthquake in Huanghai sea area on February 26，2014

圖14 2018年4月29日撫順ML3.5級(jí)礦震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.14 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML3.5 earthquake in Fushun on April 29，2018

圖15 2018年9月23日調(diào)兵山ML3.6級(jí)礦震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.15 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML3.6 earthquake in Diaobingshan on September 23，2018

圖16 2016年10月29日喀左ML4.3級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.16 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML4.3 earthquake in Kazuo on October 29，2016

圖17 2017年10月19日清原ML3.8級(jí)地震定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖Fig.17 Relationship map of the number of locating stations and Epicentral difference of the ML3.8 earthquake in Qingyuan on October 19，2017

4 定位結(jié)果分析

編目震中差結(jié)果在5km以內(nèi)屬于可以接受的范圍，而在實(shí)際速報(bào)過程中，由于時(shí)間緊迫，降低了要求，速報(bào)震中差結(jié)果在10km以內(nèi)就可以滿足速報(bào)要求。根據(jù)定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系圖可以看出，隨著定位臺(tái)站數(shù)量增加，震中差越來越小，參與定位臺(tái)站數(shù)量與震中差之間關(guān)系成反比，但是到達(dá)某一點(diǎn)會(huì)趨于平緩，其中3～5個(gè)臺(tái)站數(shù)目定位結(jié)果不理想，速報(bào)時(shí)不能選取，會(huì)影響定位結(jié)果準(zhǔn)確性。

對于網(wǎng)緣地震來說，本文選取了四條海域網(wǎng)緣地震，由于震中大部分不在省內(nèi)區(qū)域，需要比網(wǎng)內(nèi)地震選取更多的臺(tái)站數(shù)目才能保證結(jié)果準(zhǔn)確性，由定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖可以看出8～10個(gè)臺(tái)定位精度就可以滿足速報(bào)要求，而到了10臺(tái)定位之后曲線趨于平緩，可以看出隨著臺(tái)站數(shù)量增加，精度越來越高，但是在速報(bào)過程中時(shí)間會(huì)增加，不符合速報(bào)要求。所以對于網(wǎng)緣地震應(yīng)選取8～10個(gè)臺(tái)站進(jìn)行定位可以滿足速報(bào)要求。

對于網(wǎng)內(nèi)地震來說，本文選取兩種不同類型的六條網(wǎng)內(nèi)地震，包括天然地震和礦震，由定位臺(tái)站數(shù)與震中差關(guān)系分布圖可以看出，選取5～7個(gè)臺(tái)站定位的結(jié)果精度就可以滿足速報(bào)要求，而到了7臺(tái)定位之后曲線趨于平緩，可以看出隨著臺(tái)站數(shù)量增加，精度越來越高，但是在速報(bào)過程中速報(bào)時(shí)間會(huì)增加，不符合速報(bào)要求。所以對于網(wǎng)內(nèi)地震應(yīng)該選取5～7個(gè)臺(tái)站進(jìn)行定位可以滿足速報(bào)要求。

5 結(jié)語

本文選取了十條不同類型地震，利用不同的定位臺(tái)站個(gè)數(shù)進(jìn)行重新定位，將速報(bào)結(jié)果與編目結(jié)果進(jìn)行比較，在不影響速報(bào)時(shí)速的前提下，選取速報(bào)過程中最適合的臺(tái)站個(gè)數(shù)，其中對于網(wǎng)緣地震應(yīng)選取8～10個(gè)臺(tái)站進(jìn)行定位，網(wǎng)內(nèi)地震選取5～7個(gè)臺(tái)站進(jìn)行定位，結(jié)果比較穩(wěn)定，可以實(shí)現(xiàn)地震速報(bào)的快速和準(zhǔn)確。