地震自動速報中常用震級測定方法的適用性研究

支明 梁建宏 孫麗 徐泰然 梁皓 劉敬光

中國地震臺網(wǎng)中心, 北京 100045

0 引言

地震自動速報是通過計算機(jī)軟件對地震臺網(wǎng)記錄的地震觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行實時自動處理,實現(xiàn)地震參數(shù)的快速測定與發(fā)布,其已成為全球地震臺網(wǎng)的普遍做法,中國地震局于2013年4月1日開始正式對外發(fā)布自動速報地震信息(楊陳等,2010; 黃文輝,2016)。我國地震自動速報信息的發(fā)布基于“多路綜合觸發(fā)策略”,即對國家地震臺網(wǎng)中心、國家地震速報備份中心、區(qū)域地震臺網(wǎng)中心不同系統(tǒng)產(chǎn)出的結(jié)果進(jìn)行合成發(fā)布(中國地震局監(jiān)測預(yù)報司,2013)。2019年,我國地震自動速報平均用時111s,較正式速報平均用時快約8min,地震自動速報提升了地震速報時效,實現(xiàn)了中國地震信息的準(zhǔn)實時服務(wù),產(chǎn)生了良好的社會反響和效益,同時也提升了大震應(yīng)急響應(yīng)的效率。

在地震參數(shù)的自動測定中,震級的測定具有重要價值,震級的大小反映了地震釋放能量的大小,其與地震災(zāi)害的嚴(yán)重程度密切相關(guān),快速準(zhǔn)確的震級測定能更有效地服務(wù)于震情研判、應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后救援等工作。為滿足地震預(yù)警與地震自動速報的需求,近年來,國內(nèi)外學(xué)者發(fā)展了一系列快速測定震級的方法,能夠基于實時數(shù)據(jù)在數(shù)秒至數(shù)十秒的時間內(nèi)測定震級(Tsuboi et al,1995、1999;Wu et al,2002;Kanamori,2005;Lancieri et al,2008;Allen et al,2003;Katsumata et al,2013)。目前,我國地震自動速報系統(tǒng)主要采用ML、MWP和mB三種震級測定方法。盡管不同學(xué)者對自動速報震級進(jìn)行了評估(楊陳等,2013; 支明等,2023),但其僅分析了自動速報綜合發(fā)布的震級M的偏差,并未針對具體使用的震級測定方法進(jìn)行研究。梁建宏等(2015)以蘆山MS7.0 地震為例,對ML、MWP震級測定方法進(jìn)行研究,提出了自動速報測定震級的改進(jìn)措施,但其使用單個地震,存在樣本覆蓋面不足的問題。一般而言,震級越大,造成的災(zāi)害越大,社會關(guān)注度越高,因此中強(qiáng)地震的震級偏差尤其值得研究。

在2020年1月18日新疆伽師5.4級、1月19日新疆伽師6.4級以及2月3日四川青白江5.1級地震3次具有較大影響力的地震事件中,自動速報震級偏差分別達(dá)到0.7級、0.7級與0.6級。此外,中國地震臺網(wǎng)地震編目正式目錄中測定震級多采用面波震級MS,但由于地震面波傳播速度較慢,面波波列持續(xù)時間較長,使用面波波列測定震級無法滿足地震自動速報的時效性。不同震級標(biāo)度測定的地震震級偏差難以避免,但過大的震級偏差會降低地震信息在公眾心中的可信度,影響準(zhǔn)實時地震信息的社會效益。因此,減小地震自動速報的震級偏差,充分發(fā)揮準(zhǔn)實時地震信息服務(wù)的效益具有現(xiàn)實需求。

本文以2020年1月19日新疆伽師6.4級地震和2021年5月21日云南漾濞中強(qiáng)震震群為例,模擬自動速報震級測定過程,分別利用ML、MWP和mB震級測定方法重新測定了這些地震的震級,分析產(chǎn)生震級偏差的原因,評估不同震級測定方法在中強(qiáng)震震級測定中的穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上,收集2020年1月1日—2022年7月31日中國大陸發(fā)生的M4.5以上地震共計63個事件的地震波形,采用上述3種方法進(jìn)行重新測定,對比測定結(jié)果與正式目錄結(jié)果,分析不同測定方法在不同震級段的優(yōu)劣,為自動速報震級測定方法的改進(jìn)提供參考。

1 測定方法

地震自動速報軟件實時完成震相檢測、地震定位、實時仿真、震級測定等工作,快速產(chǎn)出地震參數(shù)。目前,我國各種自動速報軟件主要使用的測定震級方法之一為ML測定方法,為滿足實時性要求,一般使用金星等(2004)提出的利用時域遞推方法將原始的寬頻帶速度記錄通過實時仿真技術(shù)仿真到DD-1儀器位移記錄,仿真公式為

(1)

(2)

其中,v為原始速度記錄;x為仿真位移記錄;j為采樣點(j=1,2,3…,N);Δt為采樣間隔;ξ為DD-1儀器阻尼比,取值為0.707;T0為DD-1儀器自振周期,取值為1s;δ取值為0.0913(馬強(qiáng)等,2003; 金星等,2007)。自動速報系統(tǒng)得到仿真的位移記錄后,量取S波或lg波的水平向分量最大振幅,通過地方性震級計算公式測定ML,即

(3)

其中,AN與AE分別為SN向、EW向S波或lg波最大振幅,R(Δ)為量規(guī)函數(shù)(Richter,1935)。再將測定的地方性震級結(jié)果根據(jù)震級轉(zhuǎn)換公式轉(zhuǎn)換為MS震級進(jìn)行發(fā)布(國家地震局震害防御司,1990),即

MS=1.13ML-1.08

(4)

式(4)通過回歸方法獲得,在1990年后常用于我國地震監(jiān)測工作中,但隨著震級標(biāo)度研究工作的深入,地震學(xué)家發(fā)現(xiàn)由于使用波列及測定方法的不同,ML與MS間實測值離散度大,兩者沒有簡單的一一對應(yīng)關(guān)系,并認(rèn)為不同波列和周期所攜帶的震源信息不同,不同的震級標(biāo)度不應(yīng)轉(zhuǎn)換(Bormann et al,2007、2009; 劉瑞豐等,2018)。然而,目前正式速報發(fā)布使用的國標(biāo)震級并未將震級標(biāo)度與對應(yīng)數(shù)值同時發(fā)布,仍將測定的ML轉(zhuǎn)換后發(fā)布。本文旨在減小現(xiàn)行方法下地震自動速報與正式速報發(fā)布震級間的偏差,并結(jié)合目前工作中的實際情況,分析探討轉(zhuǎn)換公式對于發(fā)布震級數(shù)值的影響。

量規(guī)函數(shù)是ML震級測定中的重要參數(shù)之一,其描述了地震波隨震中距衰減的特性,與傳播區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)。我國地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,區(qū)域間構(gòu)造差異明顯,因此目前被廣泛用于震級測量中的全國性的量規(guī)函數(shù)R1(Δ)可能造成不同區(qū)域測定為相同震級值的地震并不等同。隨著社會對地震速報準(zhǔn)確性的要求越來越高,全國性的量規(guī)函數(shù)已不適應(yīng)當(dāng)今社會對震級測定要求(陳培善等,1983; 嚴(yán)尊國等,1995; 呂作勇等,2015)。2017年發(fā)布的新的震級國家標(biāo)準(zhǔn)GB17740—2017《地震震級的規(guī)定》對ML震級測定中涉及地方性震級的量規(guī)函數(shù)進(jìn)行了修訂,規(guī)范了我國ML震級的測定(王麗艷等,2016; 中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等,2017)。對比新、舊量規(guī)函數(shù),其差別主要表現(xiàn)為對100km以內(nèi)的近臺進(jìn)行了正修正,對200～600km的較遠(yuǎn)臺整體上多為負(fù)修正(圖1)。目前我國地震自動速報發(fā)布工作所使用的各套測定系統(tǒng)均使用全國性量規(guī)函數(shù)R1(Δ),在此基礎(chǔ)上,本文分別采用全國性量規(guī)函數(shù)R1(Δ)與分區(qū)性量規(guī)函數(shù)R11(Δ)、R12(Δ)、R13(Δ)、R14(Δ)、R15(Δ)完成震級的測定。

圖1 分區(qū)性量規(guī)函數(shù)與全國性量規(guī)函數(shù)數(shù)值對比

2013年蘆山M7.0地震后,中國地震臺網(wǎng)中心地震自動速報系統(tǒng)對算法進(jìn)行了改進(jìn),引入MWP震級作為中強(qiáng)地震的主要產(chǎn)出震級。MWP震級的原理是將寬頻帶垂直向P波位移視為近似的震源時間函數(shù),將P波位移的積分視為地震矩,其計算方法是利用寬頻帶地震記錄的P波初始部分計算標(biāo)量地震矩,進(jìn)而快速得出矩震級。計算出的地震矩為

(5)

利用標(biāo)準(zhǔn)矩震級計算公式,由地震矩計算出地震矩震級(Kanamori,1977),即

(6)

體波震級mB具有只使用P波測定、不需要仿真等數(shù)據(jù)處理過程、便于計算機(jī)自動處理等優(yōu)點,測定方法快捷方便,目前也常用于各國臺網(wǎng)自動速報中,我國地震自動速報系統(tǒng)也通常對深震和國外遠(yuǎn)震測定mB震級,測定公式為

(7)

式中,Vmax為垂直向速度型寬頻帶地震記錄中P波質(zhì)點運(yùn)動速度的最大值,我國一般采用P波到時后20s時窗內(nèi)的最大振幅,Q(Δ,h)為與震中距及震源深度相關(guān)的P波體波震級量規(guī)函數(shù)(劉瑞豐等,2005; 任克新等,2009)。

本研究通過理論到時確定初步時窗,使用STA/LTA法在時窗內(nèi)獲取較精確的P波初至到時,自動拾取測定ML、MWP和mB所選用的對應(yīng)地震波列最大振幅值,測定震級。為模擬自動速報系統(tǒng)震級測量過程,本文獲得的震級均為自動量取,相比目前運(yùn)行的自動速報系統(tǒng),在初至拾取方法上存在一定差異,但震級測量僅使用最大振幅值,初至到時差異對測量結(jié)果影響較小,測量結(jié)果能夠真實反映自動速報系統(tǒng)的處理效能。

2 新疆伽師地震算例回溯

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定,2020年1月19日21時27分新疆喀什地區(qū)伽師縣(39.83°N,77.21°E)發(fā)生6.4級地震,震源深度16km。地震自動速報系統(tǒng)于震后123s發(fā)布地震參數(shù),發(fā)布震級為5.7級,震后7日內(nèi),省級地震臺網(wǎng)中心與國家地震臺網(wǎng)中心編目人員通過震相組合、地震定位、震級測定,產(chǎn)出國家臺網(wǎng)地震目錄和觀測報告(代光輝等,2019),最終該地震編目面波震級為6.5級。

對于該地震事件,本文選用中國地震臺網(wǎng)震中距小于800km的34個臺站,并通過IRIS數(shù)據(jù)中心申請獲得全球臺網(wǎng)震中距小于800km的16個臺站數(shù)據(jù),共計50個臺站(圖2)的數(shù)據(jù)資料進(jìn)行回溯,其中震中距最小的臺站為八盤水磨臺(BPM),震中距為32km。地震自動速報系統(tǒng)發(fā)布震級需至少對15個臺站進(jìn)行測定,本文選用的第15個觸發(fā)臺站為阿克蘇臺(AKS),震中距為285km。

注: 黃色五角星表示震中,藍(lán)色三角形表示前15個觸發(fā)臺站,黃色三角形表示555(約5°)～800km范圍選用臺站,紅色三角形表示600km內(nèi)選用的其他臺站。

通過上述臺站測定ML震級,量規(guī)函數(shù)選用全國性量規(guī)函數(shù)R1(Δ)。其中最近的BPM臺站記錄出現(xiàn)限幅情況,其寬頻帶地震計NS分量原始速度記錄、NS分量仿真后DD-1位移記錄、DD-1位移記錄峰值和ML震級隨時間的變化關(guān)系見圖3。

圖3 BPM臺ML震級測定過程

由于BPM臺站的地震記錄出現(xiàn)S波限幅,使震后37s左右測定的ML震級達(dá)到峰值,峰值僅為5.4,與該地震事件正式目錄震級6.5級偏差較大。與震中距為134km的巴楚臺(BCH)進(jìn)行對比,BCH臺震中距稍遠(yuǎn),記錄未出現(xiàn)限幅情況(圖4)。震后60s左右BCH臺站測定的ML震級達(dá)到峰值,峰值為6.1。由此可見記錄限幅使BPM臺對震級的估算嚴(yán)重偏低。

圖4 BCH臺ML震級測定過程

圖5(a)、5(b)分別給出了前15個觸發(fā)臺站和600km以內(nèi)全部臺站使用全國性量規(guī)函數(shù)計算的ML震級隨時間變化曲線。對于前15個觸發(fā)臺站,測定震級在100s處達(dá)到峰值,計算得到的ML震級為6.0,通過式(4)得到M震級值為5.7,較正式目錄震級MS偏低0.8,與自動速報產(chǎn)出一致,因此,使用這15個臺站計算震級基本還原了自動速報震級測定過程。將使用的臺站拓展到600km以內(nèi)全部臺站,測定震級在170s處達(dá)到峰值,ML震級為6.3,由式(4)得到M震級值為6.0。

圖5 測定過程中ML震級與時間變化關(guān)系

使用地方性量規(guī)函數(shù)測定的ML震級,只是在量規(guī)函數(shù)值的選用上存在差別,例如BPM臺站的震中距為32km,全國性量規(guī)函數(shù)R1(Δ)值為2.7,計算可得ML值為5.4,新疆地區(qū)地方性量規(guī)函數(shù)R15(Δ)值為2.8,計算可得ML值為5.5;BCH臺站的震中距為134km,R1(Δ)與R15(Δ)均為3.5,計算可得ML值為6.2。對各臺站分別使用分區(qū)性量規(guī)函數(shù)與全國性量規(guī)函數(shù)進(jìn)行計算,多臺平均后獲得的地震事件回溯震級結(jié)果相同,部分臺站結(jié)果存在差異,其中使用R1(Δ)獲得的各臺站標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.25,使用R15(Δ)獲得的各臺站標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.22,使用新量規(guī)函數(shù)后獲得的近臺震級偏差減小,各臺站震級平均標(biāo)準(zhǔn)誤差降低,提升了單臺震級精度(圖6)。

圖6 ML單臺震級與震中距關(guān)系

不同臺站測定的震級具有不確定性,隨著使用臺站的增多會減小不確定性對震級的影響,但用時也會相應(yīng)增加。以該震例為例,前15個觸發(fā)臺站的測定震級在0～60s之間快速上升,在60～100s震級上升速度變緩,并達(dá)到最大值,因此對于中強(qiáng)地震,自動速報系統(tǒng)計算震級時應(yīng)避免在100s前產(chǎn)出結(jié)果。隨著使用臺站的增加,600km以內(nèi)全部臺站的測定震級在0～100s之間快速上升,在100～170s震級上升速度變緩,并達(dá)到最大值,測定結(jié)果偏差較小,因此為減小強(qiáng)震產(chǎn)出結(jié)果的震級誤差,目前自動速報系統(tǒng)將強(qiáng)震的產(chǎn)出結(jié)果延緩至180s發(fā)布,較為合理。

從上述計算結(jié)果可以看出,測定的ML震級低于正式目錄使用的面波震級,經(jīng)過震級轉(zhuǎn)換后,產(chǎn)出的震級更小。近年來,研究人員結(jié)合中國地震臺網(wǎng)觀測資料對測定的震級進(jìn)行對比,認(rèn)為對于地方性震級ML與區(qū)域面波震級MS的經(jīng)驗關(guān)系,總體上表現(xiàn)為ML=MS,在使用過程中不需要其進(jìn)行換算(劉瑞豐等,2007; 汪素云等,2010)。結(jié)合震例回溯結(jié)果,認(rèn)為對于該地震,自動速報系統(tǒng)在測定ML后不再進(jìn)行震級換算可以減小自動速報的震級偏差。

同樣以BPM和BCH臺站為例,使用MWP震級測定方法進(jìn)行計算。其中,BPM臺站震中距32km,初至P波與初至S波理論到時差約6s,選用6s的時窗長度進(jìn)行計算。BPM臺站的地震記錄出現(xiàn)S波限幅情況,而MWP震級僅利用P波的波形記錄進(jìn)行測定,不涉及S波,所取時窗內(nèi)P波未限幅,因此該臺的MWP震級結(jié)果不受地震記錄限幅影響。圖7展示了時窗內(nèi)的寬頻帶地震計垂直分量原始速度記錄、積分得到的位移記錄、位移記錄積分的絕對值及MWP震級隨時間的變化關(guān)系。BPM臺站的震級測定結(jié)果為MWP6.0,較之前受限幅影響的ML震級偏大0.6,與正式目錄震級的偏差由1.1縮小至0.5。BCH臺站震中距134km,P波與S波理論到時差約17s,選用窗長17s的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行計算,測定結(jié)果為MWP6.3,與正式編目的MS震級基本一致(圖8)。

圖7 BPM臺MWP震級測定過程

圖8 BCH臺MWP震級測定過程

圖9(a)、9(b)分別給出了前15個觸發(fā)臺站和600km以內(nèi)全部臺站計算的MWP震級隨時間變化曲線。由圖可見前15個觸發(fā)臺站的測定震級于78s達(dá)到峰值,此時MWP震級為6.3,與正式目錄震級相差0.2;600km以內(nèi)全部臺站的測定震級于138s達(dá)到峰值,得到的結(jié)果為MWP6.4,與正式目錄震級相差0.1,測定結(jié)果均在偏差允許范圍內(nèi)。在該震例測試中,使用MWP震級測定方法在時效性和精確性上均優(yōu)于ML震級。

圖9 測定過程中MWP震級隨時間的變化

在地震自動速報中mB震級常用于測定深震和遠(yuǎn)震的震級,GB17740—2017《地震震級的規(guī)定》中規(guī)定mB震級應(yīng)使用震中距不小于5°的臺站測定(中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局等,2017),本文選用震中距555(約5°)～800km共計15個臺站測定mB震級。mB震級只使用P波且不需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,選用臺站的震中距相對較遠(yuǎn),對于大震不受臺站限幅影響。mB震級于120s達(dá)到峰值,此時mB震級為6.4,與正式目錄震級相差0.1(圖10),測定結(jié)果在偏差允許范圍內(nèi)。結(jié)合使用臺站數(shù)目、測定時間與震級結(jié)果,表明mB震級測定方法在地震自動速報中不僅適用于深震和遠(yuǎn)震,也可用于測定區(qū)域淺源地震的震級,發(fā)揮輔助作用。

圖10 測定過程中mB震級隨時間的變化

3 云南漾濞震群算例回溯

據(jù)中國地震臺網(wǎng)正式測定,2021年5月21日21時48分云南大理漾濞縣(25.67°N,99.87°E)發(fā)生6.4級地震,震源深度8km。緊隨主震發(fā)生了豐富的余震,據(jù)地震編目結(jié)果,主震震級為面波震級6.5級,震前1h內(nèi)發(fā)生4.5級以上地震1次,震后2h內(nèi)發(fā)生4.5級以上地震4次。該震群主震后短時間內(nèi)發(fā)生多次中強(qiáng)震,震級的測定受到主震地震尾波的干擾,例如圖11所示的祿勸臺(LUQ)21時45分至22時15分記錄的連續(xù)波形,多個事件在短時間內(nèi)密集發(fā)生,波形記錄混疊,且受大震尾波干擾明顯,通過該震群可評估震級快速測定方法在地震密集發(fā)生時的穩(wěn)定性。

圖11 漾濞震群連續(xù)波形

表1 展示了使用震中600km范圍內(nèi)全部臺站測定ML、MWP和mB震級的結(jié)果。對于中強(qiáng)地震,ML震級的測定結(jié)果總體上小于地震編目結(jié)果,經(jīng)過震級轉(zhuǎn)換后得到的M震級一般較轉(zhuǎn)換前偏小0.3～0.5級,易導(dǎo)致震級偏差較大?；诒疚臏y定結(jié)果,認(rèn)為地震自動速報對中強(qiáng)地震測定ML后,不再進(jìn)行換算可以減小發(fā)布震級偏差,在本文后續(xù)工作中不再分析震級轉(zhuǎn)換后的結(jié)果,只分析測定的原始ML震級。使用新、舊量規(guī)函數(shù)分別測算,該震群600km內(nèi)共72個臺站,55個臺站量規(guī)函數(shù)值相同,其余臺站差異值均為±0.1,該震群各事件使用不同量規(guī)函數(shù)測量ML結(jié)果均相同,單臺震級標(biāo)準(zhǔn)偏差均為0.21,整體上量規(guī)函數(shù)的差異對結(jié)果影響較小。其中,150km內(nèi)臺站7個,使用舊量規(guī)函數(shù)單臺震級標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.23,使用新量規(guī)函數(shù)則減小至0.20,結(jié)果表明使用舊量規(guī)函數(shù)時近臺震級不確定性更高,單臺偏差較平均值大,使用新量規(guī)函數(shù)能夠減小其單臺偏差。

表1 云南漾濞震群回溯震級比較

對于主震和主震前的MS5.6 地震,使用MWP震級方法測定結(jié)果最優(yōu),偏差分別偏小0.1級和0.3級,體波震級mB結(jié)果略優(yōu)于ML震級。對于主震后的4次MS4.5 以上地震,ML震級結(jié)果最優(yōu),平均偏差0.1級,而使用MWP震級方法得到的測定結(jié)果偏差較大,4次地震中最小偏差0.3級,最大偏差0.8級,平均偏差約0.55級; 在主震后10min內(nèi)的2次余震測定中,mB震級出現(xiàn)測定值異常偏離,最大偏差達(dá)到1.6級,而對于間隔時間較長的另2次地震,其測定值回歸正常,但相較編目震級仍存在明顯偏大的情況。

在本次震例回溯中,引入MWP與mB震級反而增大了測定震級的偏差,其主要原因是這2種震級在測定過程中很難避免大震后中長周期地震波的干擾。MWP震級的計算方法是將一定時窗內(nèi)的原始速度記錄進(jìn)行2次積分,積分的過程去除了部分高頻干擾,但低頻噪聲仍被保留,大震后持續(xù)時間較長的中長周期地震波的存在會使測定的MWP震級出現(xiàn)較大程度的失準(zhǔn),且計算中采用的時間窗長度與震中距有關(guān),尤其對震中距較遠(yuǎn)、選用時間窗長度更長的臺站更加明顯。而mB震級測定選用的臺站震中距較遠(yuǎn),地震記錄中大震的面波振幅遠(yuǎn)大于P波振幅,測定選用的最大振幅并非余震P波的真實振幅,因此對于主震后10min內(nèi)的地震出現(xiàn)了震級失準(zhǔn)的現(xiàn)象。基于MWP與mB震級方法的特性與回溯結(jié)果,認(rèn)為其尚不能適用于密集發(fā)生的震群,無論前震與待測定地震是否位于同一區(qū)域,前震所引發(fā)的中長周期地震波都會使測定結(jié)果產(chǎn)生較大偏差。此外,對于上述震例,MWP與mB震級測定結(jié)果偏差較大的地震事件震級均在4.5～5.5級,考慮部分偏差可能是由測定ML震級、MWP震級與mB震級的優(yōu)勢區(qū)間差異引起的,并在下文中進(jìn)行了詳細(xì)驗證。

4 不同震級算法的優(yōu)勢區(qū)間分析

本文收集了2020年1月1日—2021年7月31日中國大陸發(fā)生的63個M≥4.5地震事件波形,考慮到上文所提及的大震尾波對于MWP、mB震級測定干擾較大,去除在震前2h內(nèi)發(fā)生過更大級別或相近量級地震的事件,獲得56個地震事件,其中4.5～4.9級地震27個,5.0～5.4級地震17個,5.5～5.9級地震6個,6.0級以上地震6個。使用震中距600km范圍內(nèi)的臺站測定ML與MWP震級,震中距555(約5°)～800km內(nèi)的臺站測定mB震級,對比不同震級區(qū)間段震級測定值與MS震級的關(guān)系,分析測定值更為接近的震級類型,判斷用不同震級算法測定值代替MS震級值的優(yōu)勢區(qū)間。

分別使用全國性與分區(qū)性量規(guī)函數(shù)計算ML震級,獲得的結(jié)果基本一致,僅1次地震事件存在0.1級的差異。圖12(a)展示了使用分區(qū)性量規(guī)函數(shù)的測定結(jié)果,在4.5～5.5震級段,分區(qū)性量規(guī)函數(shù)測定ML震級與MS震級的關(guān)系在ML=MS兩側(cè)接近均勻分布。而MWP震級(圖12(b))與mB震級(圖12(c))測定值在該震級段均遠(yuǎn)高于MS震級。使用分區(qū)性量規(guī)函數(shù)測定的ML震級在4.5～5.5震級段與MS震級最為接近,因此在該震級段,地震自動速報系統(tǒng)使用分區(qū)性量規(guī)函數(shù)測定ML震級,且不再進(jìn)行震級轉(zhuǎn)換,能使自動速報震級與面波震級更為接近。對于5.5級以上震級段的測定結(jié)果,ML震級較MS震級明顯偏小。

圖12 多種震級測定結(jié)果

MWP震級和mB震級測定特征總體相似,在4.5～5.5震級段測定值均高于面波震級,在5.5～6.5震級段測定結(jié)果與MS震級的關(guān)系更貼近MWP=MS。相較而言,mB震級平均偏差較MWP震級更小,最大偏差值較MWP震級更大,表明mB震級在該震級段中,多數(shù)震例測定值與MS震級更為接近,但mB震級穩(wěn)定性略差于MWP震級。而對于6.5級以上的震級段,研究中震例較少,可能存在一定的偶然性,結(jié)果初步顯示mB震級與MS震級的差別增大,mB震級測定值明顯偏小,MWP震級測定值與MS震級更為接近。

5 結(jié)論與討論

地震自動速報的目的是追求“快”,為了時效可以犧牲一定的準(zhǔn)度,目前對于國內(nèi)地震,自動速報系統(tǒng)一般在2min左右發(fā)布自動速報結(jié)果。正式速報要求的是“準(zhǔn)”,但為了準(zhǔn)度會付出時間成本,對于國內(nèi)地震,中國地震臺網(wǎng)中心在震后10min左右發(fā)布正式速報結(jié)果。具體到中強(qiáng)地震震級測定方法上,自動速報采用的是測量P波和S波的體波方法,正式速報與統(tǒng)一編目一般采用的是測量面波的方法,由于面波傳播速度低于體波,傳播時間與持續(xù)時間較長,因此對于時效性要求更高的自動速報系統(tǒng)并不適用。正式速報與統(tǒng)一編目震級測量方法相同,使用數(shù)據(jù)的完整性存在差異,其測量結(jié)果基本一致。自動速報測量的是不同類型的地震波,發(fā)布時震級值存在差異是正常的,然而過大的震級偏差會給應(yīng)急響應(yīng)、災(zāi)后救援、社會輿情等方面帶來不利影響,因此,如何從方法上使得自動速報的震級值接近正式速報發(fā)布的震級值是值得探討的問題。

本文通過震例回溯,對地震自動速報常用的3種震級算法進(jìn)行了研究,選取使用數(shù)據(jù)更為完整、結(jié)果更為準(zhǔn)確的地震統(tǒng)一編目目錄進(jìn)行對比,分析各震級算法產(chǎn)出結(jié)果的時效性與精準(zhǔn)性,為未來自動速報系統(tǒng)震級測定方法的改進(jìn)提供了研究基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支持。本文的研究有助于減小地震自動速報與正式速報、地震編目的震級偏差,得到主要結(jié)論如下:

(1)對于破壞性地震,ML震級測定受臺站限幅影響較大,會造成部分臺站測定值明顯偏小,MWP和mB震級僅利用P波的波形記錄進(jìn)行測定,不受臺站限幅影響,測定值與地震編目面波震級相近,使用MWP和mB震級測定大震震級,可以提高發(fā)布震級的穩(wěn)定性。

(2)對于地震序列,MWP震級算法無法消除前震地震波中的低頻噪聲,mB震級要求臺站震中距較遠(yuǎn),遠(yuǎn)臺面波發(fā)育,測定選用的最大振幅并非余震P波的真實振幅,因此MWP與mB震級受大震后中長周期地震波的干擾更大,進(jìn)而出現(xiàn)震級失準(zhǔn)現(xiàn)象,不適用于短時存在較大前震或中強(qiáng)震震群的測定。相較而言,ML震級在震群型地震中的測定結(jié)果穩(wěn)定性較高。

(3)對于面波震級在4.5級以上的中強(qiáng)震,ML震級的測定值總體上小于地震編目震級,若按現(xiàn)行方法進(jìn)行ML-MS的震級轉(zhuǎn)換,得到的轉(zhuǎn)換震級值往往比ML震級實際測量值小0.3～0.5級,易造成震級偏差較大事件的發(fā)生,且ML與MS震級標(biāo)度不同,震級轉(zhuǎn)換難以準(zhǔn)確客觀地反映地震的大小。近年來,研究人員結(jié)合中國地震臺網(wǎng)觀測資料,認(rèn)為地方性震級ML與區(qū)域面波震級MS的震級經(jīng)驗關(guān)系總體上表現(xiàn)為ML=MS,在使用過程中不需要對其進(jìn)行換算。結(jié)合本研究工作,對中強(qiáng)震的震級測定基本符合上述規(guī)律,認(rèn)為從基本規(guī)則和實際觀測結(jié)果出發(fā),自動速報測定的ML震級達(dá)到4.5級后,不應(yīng)對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。對于震級未達(dá)到4.5級的地震,正式速報中多采用ML震級,使用震級標(biāo)度一致,是否進(jìn)行轉(zhuǎn)換則應(yīng)采用與正式速報一致的發(fā)布規(guī)則,以減小地震自動速報與正式速報震級結(jié)果的偏差。

(4)ML震級新量規(guī)函數(shù)的使用降低了單臺震級的離散度,其對于近臺更為明顯,而對測量整體結(jié)果影響較小。在4.5～5.5震級段,ML震級與面波震級最為接近,數(shù)值點在ML=MS兩側(cè)接近均勻分布; 在5.5～6.5震級段,MWP震級和mB震級測定特征總體相似,測定值更接近面波震級,其中mB震級在該震級段的多數(shù)震例測定值與MS更為接近,但mB震級穩(wěn)定性略差于MWP震級,綜合以上結(jié)果與測定用時,認(rèn)為在該震級段MWP震級更適合在地震自動速報中使用,mB震級可以起輔助作用; 在6.5級以上震級段,僅MWP震級測定值與MS震級較為接近,而ML震級與mB震級測定值均存在較大偏差。