2023年4月6日莊河ML3.7地震預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果分析

王曉睿，郭 攀，李子昊，查 楠，王承偉

（遼寧省地震局，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

地震會(huì)導(dǎo)致建筑物倒塌，還有可能誘發(fā)爆炸、火災(zāi)、高鐵出軌、危險(xiǎn)品泄露等嚴(yán)重的次生災(zāi)害，從而造成人員傷亡和直接經(jīng)濟(jì)損失。地震預(yù)警技術(shù)是目前世界上公認(rèn)減輕地震災(zāi)害的有效手段之一。利用電磁波的傳播速度遠(yuǎn)大于地震波速，而地震動(dòng)中產(chǎn)生破壞性影響的S波、面波等的傳播速度又小于首達(dá)P 波的這一特點(diǎn)，在可能發(fā)生破壞性地震的區(qū)域布設(shè)合理密度的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)站，在地震發(fā)生后的短時(shí)間內(nèi)能快速的確定地震發(fā)震時(shí)刻、地震震級(jí)和震中位置（簡(jiǎn)稱地震三要素）并且進(jìn)行震害評(píng)估，同時(shí)向周圍可能遭受地震危害的區(qū)域發(fā)出地震警報(bào)信息。收到警報(bào)的個(gè)人和組織機(jī)構(gòu)可以在第一時(shí)間采用積極避險(xiǎn)和逃生措施，進(jìn)而達(dá)到減輕地震災(zāi)害的目的[1-2]。一個(gè)完整的地震預(yù)警系統(tǒng)至少要包含實(shí)時(shí)地震定位、實(shí)時(shí)震級(jí)計(jì)算、目標(biāo)區(qū)烈度估計(jì)以及預(yù)警信息發(fā)布等幾個(gè)重要功能模塊[3]。

遼寧省地震局依托“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目遼寧子項(xiàng)目”，建設(shè)了臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)、通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、緊急地震信息服務(wù)系統(tǒng)、技術(shù)支持與保障系統(tǒng)等，包括961個(gè)臺(tái)站、1個(gè)省級(jí)預(yù)警中心、12個(gè)市級(jí)信息服務(wù)平臺(tái)、178 套預(yù)警終端，設(shè)備配置4442 臺(tái)（套）。參數(shù)速報(bào)系統(tǒng)于2022 年11 月29 日完成安裝部署，接收一般站、基本站、基準(zhǔn)站三類不同臺(tái)站數(shù)據(jù)流，2023 年2 月26 日遼寧預(yù)警二級(jí)決策系統(tǒng)正式入國(guó)家地震預(yù)警一級(jí)決策系統(tǒng)。遼寧省地震局預(yù)警數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)安裝了兩套預(yù)警系統(tǒng)，分別為福建省地震局研發(fā)的地震預(yù)警系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱EEW）和深圳防災(zāi)減災(zāi)技術(shù)研究院研發(fā)的超快速報(bào)與預(yù)警系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱JEEW），同時(shí)接收上述三類臺(tái)站監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)波形數(shù)據(jù)，結(jié)合預(yù)警定位算法和震級(jí)計(jì)算方法快速產(chǎn)出處理結(jié)果，最后由決策系統(tǒng)擇優(yōu)融合，最終發(fā)布預(yù)警事件，實(shí)現(xiàn)地震預(yù)警[4-5]。

2023 年4 月6 日19 時(shí)22 分遼寧省大連市莊河市ML3.7 地震發(fā)生后，遼寧地震預(yù)警系統(tǒng)成功觸發(fā)，二級(jí)決策系統(tǒng)也產(chǎn)生融合結(jié)果。本研究對(duì)EEW 和JEEW 預(yù)警系統(tǒng)分別產(chǎn)出的地震三要素和正式編目結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，為驗(yàn)證遼寧地震預(yù)警系統(tǒng)的可靠性提供參考。

1 遼寧預(yù)警系統(tǒng)臺(tái)網(wǎng)布局

國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目遼寧子項(xiàng)目建設(shè)觀測(cè)站點(diǎn)總計(jì)961 個(gè)，其中改造基準(zhǔn)站37 個(gè)，改造基本站23 個(gè)，新建基準(zhǔn)站31 個(gè)，新建基本站40 個(gè)，新建一般站830 個(gè)。遼寧省境內(nèi)總體布局上實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目對(duì)觀測(cè)站點(diǎn)的分布要求：（1）在華北預(yù)警區(qū)以外的一般預(yù)警區(qū)，每個(gè)縣級(jí)行政區(qū)劃至少建設(shè)1 個(gè)基準(zhǔn)站或基本站；（2）在華北預(yù)警區(qū)內(nèi)的陸地區(qū)域，每個(gè)縣至少建設(shè)1個(gè)基準(zhǔn)站或基本站，每個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)建設(shè)1個(gè)觀測(cè)站點(diǎn)，基準(zhǔn)站臺(tái)站間距31 km 左右，基本站臺(tái)站間距在27 km 左右，基準(zhǔn)站+基本站臺(tái)站間距在21 km 左右，三類臺(tái)站平均間距約7.5 km（圖1）。

圖1 遼寧預(yù)警臺(tái)網(wǎng)臺(tái)站分布圖Fig.1 The seismic station distribution map of Liaoning Early Warning Network

在所有地震觀測(cè)臺(tái)站中有68 個(gè)基準(zhǔn)站配備測(cè)震儀、63 個(gè)基本站配備強(qiáng)震儀、830 個(gè)一般站配備烈度儀器，構(gòu)建了“測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)、地震烈度計(jì)網(wǎng)”三網(wǎng)融合的地震預(yù)警臺(tái)網(wǎng)。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)配備傳統(tǒng)的速度型傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)近場(chǎng)中小地震活動(dòng)性和遠(yuǎn)場(chǎng)大地震活動(dòng)；強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)配備傳統(tǒng)加速度型傳感器，主要用于監(jiān)測(cè)近場(chǎng)強(qiáng)震活動(dòng)以及工程應(yīng)用的實(shí)時(shí)傳輸；烈度計(jì)網(wǎng)配備烈度計(jì)（頻帶較窄、價(jià)格較低的加速度計(jì)），主要用于評(píng)估地震對(duì)城市和鄉(xiāng)鎮(zhèn)社會(huì)影響的實(shí)時(shí)傳輸[6]。通過臺(tái)站合理密度的空間布局和不同類型傳感器的相互配合，建成滿足預(yù)警能力要求的遼寧地震預(yù)警系統(tǒng)。

2 遼寧莊河ML3.7地震預(yù)警產(chǎn)出結(jié)果分析

地震預(yù)警系統(tǒng)旨在僅有臨近幾個(gè)臺(tái)站觸發(fā)時(shí)，能利用有限的信息快速地產(chǎn)出地震三要素信息，是一種“超級(jí)地震速報(bào)”，所以既要有時(shí)效性又要確?？煽啃訹2]，在運(yùn)行過程中通過具體地震事件對(duì)預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的處理結(jié)果和正式編目結(jié)果（表1）進(jìn)行對(duì)比分析，可以進(jìn)一步對(duì)遼寧臺(tái)網(wǎng)預(yù)警系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。本文以正式編目結(jié)果為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)，分別計(jì)算兩個(gè)預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果中的震級(jí)、震中位置和發(fā)震時(shí)刻的偏差，并進(jìn)行具體分析。

表1 莊河地震編目結(jié)果

2.1 預(yù)警產(chǎn)出結(jié)果概況

2023 年4 月6 日遼寧莊河ML3.7 地震發(fā)生后，遼寧預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出了處理結(jié)果，并且遼寧二級(jí)決策系統(tǒng)產(chǎn)生融合結(jié)果。其中，JEEW 預(yù)警系統(tǒng)總計(jì)產(chǎn)出25 次處理結(jié)果，平均每秒產(chǎn)出一個(gè)結(jié)果，從第2 次處理結(jié)果開始被判定為可推送，總計(jì)68個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算，其中一般站54個(gè)，占比79%；基本站9 個(gè)，占比13%；基準(zhǔn)站5個(gè)，占比8%。首次處理結(jié)果用時(shí)4 s，觸發(fā)臺(tái)站2 個(gè)（均為一般站），第2 次處理用時(shí)4.8s，觸發(fā)臺(tái)站4個(gè)（均為一般站）。EEW預(yù)警系統(tǒng)總計(jì)產(chǎn)出53 次處理結(jié)果，平均每秒產(chǎn)出一個(gè)結(jié)果，其中第3次和第8次處理結(jié)果被判定為可推送，總計(jì)49個(gè)臺(tái)站參與計(jì)算，其中一般站8個(gè)，占比16%；基本站39 個(gè)，占比80%；基準(zhǔn)站2個(gè)，占比4%。首次處理結(jié)果用時(shí)4s，觸發(fā)臺(tái)站2 個(gè)（均為一般站），第3 次處理用時(shí)5 s，觸發(fā)臺(tái)站6個(gè)（5個(gè)一般站，1個(gè)基本站）。

2.2 震級(jí)偏差

將JEEW 預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的25 次震級(jí)結(jié)果、EEW預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的53次震級(jí)結(jié)果分別減去編目地震的震級(jí)，得到震級(jí)偏差（圖2）。根據(jù)《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定》要求，I 類地震震級(jí)偏差≤±0.3，本文參照此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的震級(jí)產(chǎn)出結(jié)果的偏差進(jìn)行判定。其中，JEEW 預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果中震級(jí)偏差為0.15～0.57，呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，偏差在0.3 以內(nèi)的有14 個(gè)，占比56%，偏差大于0.3 的結(jié)果有11 個(gè)，占比44%，且主要集中在第19 次產(chǎn)出之后，所有產(chǎn)出結(jié)果均大于編目震級(jí)，第24 次出現(xiàn)最大震級(jí)偏差為0.57，第12 次最小震級(jí)偏差為0.15；EEW 預(yù)警產(chǎn)出結(jié)果中震級(jí)偏差在-0.1～0.3 之間，相對(duì)穩(wěn)定，偏差在0.3 以內(nèi)的結(jié)果占比100%，震級(jí)結(jié)果前5 次有波動(dòng)，第2 次出現(xiàn)最大震級(jí)偏差為0.3，其他結(jié)果均為-0.1、0、0.1，從第6 次結(jié)果開始進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，誤差保持在-0.1～0 之間，產(chǎn)出結(jié)果普遍接近且略小于編目震級(jí)。

圖2 EEW和JEEW處理結(jié)果震級(jí)偏差Fig.2 The magnitude deviation of EEW and JEEW treatment results

EEW 預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的震級(jí)結(jié)果偏差都符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求，但是JEEW 預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的震級(jí)結(jié)果有超差情況。JEEW 產(chǎn)出結(jié)果中參與震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站有49 個(gè)，其中有6 個(gè)基本站、3個(gè)基準(zhǔn)站和40 個(gè)一般站，參見圖3：橫坐標(biāo)從左到右的臺(tái)站順序是隨著時(shí)間推移參與觸發(fā)的臺(tái)站，上文提到過在第19 次產(chǎn)出之后所有產(chǎn)出結(jié)果均大于編目震級(jí)，從觸發(fā)結(jié)果來看，從第19 次處理之后臺(tái)站H0008 開始參與震級(jí)計(jì)算，在該臺(tái)站后觸發(fā)的臺(tái)站震級(jí)都偏大，是導(dǎo)致后面的產(chǎn)出結(jié)果中震級(jí)偏大的原因；EEW 產(chǎn)出結(jié)果中參與震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站有10個(gè)（圖4），其中有3 個(gè)基本站和7 個(gè)一般站，在第8 次處理結(jié)果之后觸發(fā)的臺(tái)站都沒有參與計(jì)算；正式編目中參與震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站有37 個(gè)基準(zhǔn)站，且每個(gè)臺(tái)站的震級(jí)波動(dòng)均較小（圖5）。

圖3 參與JEEW震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站震級(jí)分布Fig.3 The magnitude distribution of stations participating in JEEW magnitude calculation

圖4 參與EEW震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站震級(jí)分布Fig.4 Magnitude distribution of stations participating in EEW magnitude calculation

圖5 參與正式編目震級(jí)計(jì)算的臺(tái)站震級(jí)分布Fig.5 Magnitude distribution of stations participating in formal cataloging magnitude calculation

2.3 震中位置偏差

根據(jù)兩套預(yù)警系統(tǒng)每次產(chǎn)出的震中位置經(jīng)緯度和編目震中位置經(jīng)緯度計(jì)算出震中位置偏差，偏差結(jié)果如圖6 所示，根據(jù)《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定》要求，Ⅰ類地震震中位置偏差≤10 km，本文參照此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的震級(jí)產(chǎn)出結(jié)果偏差進(jìn)行判定。計(jì)算方法如公式（1）所示：

圖6 EEW和JEEW處理結(jié)果震中位置偏差Fig.6 The epicentral location deviation of EEW and JEEW treatment results

其中?E 為震中位置，λ1、φ1分別為預(yù)警定位結(jié)果震中的經(jīng)度和緯度，λ2、φ2分別為編目結(jié)果震中的經(jīng)度和緯度[7]。

JEEW震中位置偏差為1.08～4.97 km，其中第1次產(chǎn)出結(jié)果震中位置偏差最大，為4.968 km，第2 次之后的震中位置偏差為1.08～1.65 km，持續(xù)在較為穩(wěn)定的狀態(tài)；EEW 震中位置偏差為0.918～4.438 km，第2 次震中位置偏差最大為4.438 km，第3 次到第14 次的震中位置偏差為1.141 km、第15 次到第23 次的震中位置偏差為2.031 km，第24 次到36 次的震中位置偏差為2.212 km，37 次之后的震中位置偏差在2.935～3.681 km 之間波動(dòng)，隨著時(shí)間推移，震中位置偏差逐漸變大。以上兩套預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的震中位置結(jié)果偏差都符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 發(fā)震時(shí)刻偏差

將兩套預(yù)警系統(tǒng)每次產(chǎn)出的發(fā)震時(shí)刻減去編目發(fā)震時(shí)刻，得到發(fā)震時(shí)刻偏差（圖7）。根據(jù)《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定》要求，I類地震發(fā)震時(shí)刻偏差≤±5 s，本文參照此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)預(yù)警系統(tǒng)的震級(jí)產(chǎn)出結(jié)果偏差進(jìn)行判定。其中JEEW 發(fā)震時(shí)刻偏差為0.911～0.531 s，第1 次發(fā)震時(shí)刻偏差最大，為0.911 s，第2 次和第3 次發(fā)震時(shí)刻偏差最小，為0.531 s，第3 次之后偏差為0.811～0.691 s，保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)；EEW 發(fā)震時(shí)刻偏差為0.675～0.206 s，第37 次發(fā)震時(shí)刻偏差最大，為0.675 s，前21 次（除第2 次外）發(fā)震時(shí)刻偏差在0.206～0.274 s，比較穩(wěn)定，第2 次發(fā)震時(shí)刻偏差為0.570 s，第22 次到第36 次結(jié)果偏差持續(xù)在0.497～0.531 s，比較穩(wěn)定，第37 次后的發(fā)震時(shí)刻偏差出現(xiàn)波動(dòng)，隨著時(shí)間推移，發(fā)震時(shí)刻的偏差有變大的趨勢(shì)。以上兩套預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的發(fā)震時(shí)刻結(jié)果偏差都符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7 EEW和JEEW處理結(jié)果發(fā)震時(shí)刻偏差Fig.7 The arrival time deviation of EEW and JEEW treatment results

3 結(jié)論與討論

2023 年4 月6 日遼寧莊河發(fā)生ML3.7 地震，遼寧預(yù)警系統(tǒng)JEEW 連續(xù)產(chǎn)出25 次處理結(jié)果，EEW連續(xù)產(chǎn)出53次處理結(jié)果，對(duì)兩套預(yù)警系統(tǒng)的產(chǎn)出結(jié)果和編目結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出如下結(jié)論：

（1）兩套預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出第一次處理結(jié)果的時(shí)間都是4s，平均每次產(chǎn)出處理結(jié)果用時(shí)都在1 s 左右，首次推送用時(shí)基本相同（JEEW 系統(tǒng)用時(shí)4.8 s，EEW 系統(tǒng)用時(shí)5 s），預(yù)警時(shí)效性差別不大；

（2）JEEW 系統(tǒng)產(chǎn)出震級(jí)結(jié)果均大于編目結(jié)果，隨著參與定位的臺(tái)站數(shù)量逐漸增多，震級(jí)偏差有變大的趨勢(shì)，偏差大于0.3的結(jié)果占比44%，EEW 系統(tǒng)產(chǎn)出震級(jí)結(jié)果偏差較小，持續(xù)且穩(wěn)定。在預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出震級(jí)方面，參與震級(jí)計(jì)算的基準(zhǔn)站準(zhǔn)確性較高，一般站的震級(jí)隨著震中距的增加偏差變大，JEEW 中參與定位的臺(tái)站較多，故而隨著時(shí)間的推移震級(jí)偏差變大，而EEW 后期的觸發(fā)臺(tái)站未參與震級(jí)計(jì)算，產(chǎn)出結(jié)果表現(xiàn)更好；

（3）JEEW 系統(tǒng)產(chǎn)出震中位置結(jié)果第一次偏差最大，其余結(jié)果偏差穩(wěn)定；EEW 系統(tǒng)產(chǎn)出震中位置結(jié)果第二次偏差最大，前13 次結(jié)果與JEEW 持平，但隨著參與定位臺(tái)站數(shù)量的增加，位置偏差出現(xiàn)變大的趨勢(shì)。在預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出震中位置方面，JEEW 系統(tǒng)和EEW 系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果偏差均符合速報(bào)標(biāo)準(zhǔn)要求；

（4）JEEW 系統(tǒng)產(chǎn)出發(fā)震時(shí)刻結(jié)果前三次波動(dòng)較大，之后保持穩(wěn)定，但整體偏差比EEW系統(tǒng)大，EEW 系統(tǒng)第二次偏差變動(dòng)較大，總體趨勢(shì)是隨著定位臺(tái)站數(shù)量的增加偏差逐漸變大。在預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出發(fā)震時(shí)刻方面，JEEW 系統(tǒng)和EEW系統(tǒng)產(chǎn)出結(jié)果偏差均符合速報(bào)標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜上所述，雖然本次地震震級(jí)較小，但是從預(yù)警系統(tǒng)產(chǎn)出的震級(jí)偏差、震中位置偏差、發(fā)震時(shí)刻偏差與正式編目結(jié)果基本保持一致，可以滿足預(yù)警要求，對(duì)遼寧地震預(yù)警系統(tǒng)的可靠性分析具有一定的意義。但是預(yù)警系統(tǒng)的穩(wěn)定性如何，還需要積累更多的震例來驗(yàn)證。