2023年6月15日上海青浦M3.1地震預警處理結(jié)果分析

[摘要] """2023年6月15日1時39分上海市青浦區(qū)發(fā)生M3.1地震。上海地震預警臺網(wǎng)成功接收中國地震預警網(wǎng)發(fā)布的地震預警信息，本地部署的福建預警系統(tǒng)EEW也成功處理并產(chǎn)出了本次地震預警結(jié)果。本文對上海地震預警系統(tǒng)產(chǎn)出的7次地震預警處理結(jié)果，以及中國地震預警網(wǎng)發(fā)布的地震預警信息進行比對分析。此次地震震中位于上海地震預警網(wǎng)內(nèi)，震后6.8 s發(fā)布首次預警信息，全部7次預警處理結(jié)果均在震后15 s內(nèi)產(chǎn)出。與正式地震目錄相比，第一次預警處理結(jié)果震中位置偏差為5 km，震級偏差為?0.1。隨著參與計算的預警臺站數(shù)量增多，震中位置最終與正式目錄一致，震級偏差也保持在0.5。本次地震預警結(jié)果表明，上海及周邊地區(qū)雖然屬于地震活動主要以小微震為主的預警一般區(qū)，但是由于預警臺站密度較大，發(fā)生地震后也可以在較短時間內(nèi)產(chǎn)出比較精確的預警處理結(jié)果，這對正在進行的長三角監(jiān)測預警業(yè)務一體化工作具有重要參考意義。

[關(guān)鍵詞] 地震預警; 上海青浦M3.1地震; 預警處理結(jié)果分析; 長三角監(jiān)測預警一體化

[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2024-059

基金項目："上海市科委項目（23DZ1200200）和中國地震局地震科技星火計劃（XH21010Y）共同資助。

0 "引言

地震發(fā)生時，利用震中附近區(qū)域最初到達的小振幅信號推斷即將到來的大振幅剪切波和面波引起的地面震動，可對特定地區(qū)進行地震預警^[1-3]。目前，美國、日本、墨西哥、意大利等國家和中國臺灣地區(qū)均開展了地震預警實踐或測試等工作。日本作為地震多發(fā)國，具有一套完善的地震預警體系，是第一個實現(xiàn)地震預警的國家，并于2001年構(gòu)建了具有1000個地震監(jiān)測儀，覆蓋日本全境的緊急地震速報系統(tǒng)，在2011年日本關(guān)東大地震中發(fā)揮了重要作用^[4]。美國從2006年起在西海岸的加利福尼亞州、俄勒岡州和華盛頓州建立公共地震預警系統(tǒng)，即ShakeAlert系統(tǒng)，并于2017年正式在西海岸地區(qū)投入運營^[5]。墨西哥建設(shè)的地震預警系統(tǒng)于1991年投入運行，該系統(tǒng)當檢測到兩個地震臺站的有效地震動時，就會在可能遭受震動的城市內(nèi)，通過部署在學校和政府辦公室的數(shù)千個專用無線電接收器發(fā)布警報^[6]。中國臺灣地區(qū)地震工程研究中心研發(fā)推出的一套采用現(xiàn)地預警模式的預警信息產(chǎn)出系統(tǒng)，應用支持向量機（SVM）算法進行信息產(chǎn)出，目前該系統(tǒng)正利用全島30余個站點數(shù)據(jù)進行測試^[7]。

我國作為地震高風險國家之一，建立一套完善的地震預警系統(tǒng)勢在必行。中國地震局于2018年正式開始實施國家地震烈度速報與預警工程項目，通過該項目的實施，預期在全國重點地區(qū)形成完善的地震預警能力和鄉(xiāng)鎮(zhèn)級實測精度的地震烈度速報能力，在重點地區(qū)以外的其他地區(qū)形成遠場大震預警能力和縣級實測精度的地震烈度速報能力，為震時社會公眾的緊急逃生避險、各類工程的緊急處置、政府抗震救災決策等提供重要、及時、可靠的信息服務，產(chǎn)生巨大的減災效益和顯著的社會效益^[8]。目前，上海市地震局已經(jīng)完成了全部預警臺站的建設(shè)以及相關(guān)業(yè)務系統(tǒng)的部署工作，進入正式運行階段。

2023年6月15日1時39分，上海青浦區(qū)發(fā)生M3.1地震，震源深度8 km，地震震中位于江浙滬兩省一市交界處，上海部分地區(qū)、昆山、嘉興等多地有感，中國地震預警網(wǎng)于震后6.8 s產(chǎn)出本次地震預警信息第一報。本次地震發(fā)生在國家烈度速報與預警工程項目上海子項目試運行期間，因此本文利用此次地震，對上海及周邊地區(qū)預警數(shù)據(jù)產(chǎn)出質(zhì)量，采用福建省地震局研制的地震預警處理軟件（以下簡稱“EEW”）進行分析評估，為國家烈度速報與預警工程上海子項目建成正式運行，以及目前正在開展的長三角地區(qū)監(jiān)測預警業(yè)務一體化提供參考依據(jù)。

1 "上海預警臺網(wǎng)現(xiàn)狀

上海地震預警臺網(wǎng)自2018年開始建設(shè)，至2022年底整體工程建設(shè)基本完成。共建設(shè)地震預警臺站31個，其中基準站14個，基本站9個，一般站8個，并接入周邊江蘇和浙江57個預警臺站，平均臺間距15 km，已基本具備基于鄉(xiāng)鎮(zhèn)實測值的烈度速報能力，臺站分布情況及此次上海青浦地震震中位置見圖1。

福建地震預警系統(tǒng)（EEW）可利用多個臺站接收到的地震初至波信號，運用STA/LTA算法和預設(shè)的閾值粗略識別震相到時，進而采用AIC方法進行精確到時識別，利用“著未著”算法快速分析多個臺站震相到時數(shù)據(jù)，從而確定地震發(fā)生的時刻和位置，并基于初至P波前3 s的最大震幅和臺站震中距等參數(shù)估算地震震級。EEW 分為服務端和客戶端兩部分：服務端負責實時數(shù)據(jù)接收，地震事件、震相的檢測，以及相關(guān)預警參數(shù)測定、產(chǎn)出；客戶端負責顯示對應的地震預警信息。

2 "預警產(chǎn)出結(jié)果

上海青浦M3.1地震發(fā)生后，上海地震局本地部署的EEW系統(tǒng)共產(chǎn)出7次處理結(jié)果，詳細情況如表1所示。

由于上海及周邊地區(qū)屬于預警一般區(qū)，按照目前相關(guān)規(guī)定本地產(chǎn)出的結(jié)果不接入融合系統(tǒng)，此次地震由中國地震預警臺網(wǎng)產(chǎn)出2報預警信息并通過融合系統(tǒng)發(fā)布，詳細結(jié)果如表2所示。

對比上海地震預警臺網(wǎng)本地預警產(chǎn)出與中國地震預警臺網(wǎng)預警產(chǎn)出結(jié)果，第1次預警結(jié)果定位偏差5 km，震級偏差?0.1。隨著加入計算的預警臺站逐步增多，預警結(jié)果逐步趨于穩(wěn)定，觸發(fā)臺站數(shù)到達17個時，定位結(jié)果與地震臺網(wǎng)中心正式地震目錄一致。但震級結(jié)果均偏高，上海本地產(chǎn)出偏高0.5，中國地震預警網(wǎng)產(chǎn)出偏高0.7。中國地震預警臺網(wǎng)產(chǎn)出2報預警信息中，第1報ZB-EEW和第2報CA-EEW產(chǎn)出時間分別為6.7 s和8.8 s，按產(chǎn)出時間分別對應本地EEW的第3次和第4次處理結(jié)果。ZB-EEW與本地EEW第3次結(jié)果對比震中位置偏差4 km，震級偏差0.1。CA-EEW與本地EEW第4次結(jié)果對比震中位置偏差1 km，震級偏差0.5。

3 "預警處理結(jié)果詳細分析

3.1 "臺站數(shù)據(jù)分析

隨著震后時間的推移，EEW地震預警處理結(jié)果中參與計算的臺站數(shù)量不斷增加，最終參與計算的預警臺站一共有17個，其中震中距最小的為4.98 km，最大的為69.85 km。經(jīng)統(tǒng)計接入EEW系統(tǒng)且震中距小于70 km的預警臺站一共有39個，具體情況如表3所示。

從表3中可以看出，因為上海及周邊地區(qū)臺站密度較高、近臺較多，這為EEW在震后快速產(chǎn)出預警處理結(jié)果提供了堅實的基礎(chǔ)。從人工拾取初動到時和EEW自動拾取初動到時的比對結(jié)果中可以看到，兩者之間誤差非常小，基本保持在0.05 s左右，誤差最大的TMS臺也不過0.28 s。

預警臺站記錄到數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞，對預警處理結(jié)果有著重要影響^[9-10]。采用噪聲功率譜密度（PSD）的概率密度函數(shù)（PDF）方法，對此次上海青浦M3.1地震震中位置附近預警臺站臺基噪聲RMS值進行計算，速度功率譜密度值估算公式可由以下公式計算得出：

加速度功率譜密度值可由公式進行轉(zhuǎn)換，速度功率譜密度與加速度功率譜密度轉(zhuǎn)換公式如下：

計算結(jié)果如表4所示，可以看出，此次上海青浦M3.1地震震中位置附近預警臺站臺基噪聲水平均無明顯異常。此外，上海地震預警臺網(wǎng)目前使用福建省地震局開發(fā)的地震臺網(wǎng)臺站狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)^[11]，對接入的預警臺站狀態(tài)進行實時監(jiān)控。根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)產(chǎn)出的結(jié)果來看，所有參與計算的臺站均不存在三分向波形異常、大周期噪聲干擾、重復高頻干擾等異常狀態(tài)。

上海預警臺網(wǎng)基準站、基本站和一般站地震波形記錄情況如圖2所示。從圖中可以看出，上海地震預警臺網(wǎng)基準站和基本站此次地震波形記錄質(zhì)量較好，雖然一般站地震波形記錄質(zhì)量略低于基準站和基本站，但是一般站的臺基噪聲RMS值計算結(jié)果表明，1～20 Hz頻帶范圍內(nèi)地脈動的最大背景振動加速度噪聲均方根值均不大于0.02 m/s²，滿足項目設(shè)計需求。

上海地震預警臺網(wǎng)接入的上海及江蘇的預警臺站試運行期間平均延時均在0～2 s以內(nèi)。其中，上?；鶞收酒骄訒r為0.86 s，平均延時0～1 s臺站占比為99.86%；基本站平均延時為0.84 s，平均延時0～1 s臺站占比為99.75%；一般站平均延時為0.78 s，平均延時0～1 s臺站占比為99.94%。江蘇基準站平均延時為0.82 s，平均延時0～1 s臺站占比為98.10%；基本站平均延時為0.87 s，平均延時0～1 s臺站占比為95.00%；一般站平均延時為0.84 s，平均延時0～1 s臺站占比為100%。均達到地震預警一般要求地震觀測系統(tǒng)延時小于2.5 s這一條件。

3.2 "預警首報時間評估

按0.05° × 0.05°對臺網(wǎng)監(jiān)測空間網(wǎng)格劃分，假定每個網(wǎng)格發(fā)生一次地震，震源深度可取當?shù)仄骄鹪瓷疃?。有兩種方式計算首報時間：一種是以首臺觸發(fā)為起算，測定地震參數(shù)并發(fā)出第1報所需要的時間；另一種是以發(fā)震時刻為起算，測定地震參數(shù)并發(fā)出第1報所需要的時間^{[7， 12]}。

（1）以首臺觸發(fā)起算，按前3臺或前4臺定位，其定位的時間為tL；其測定震級的時間tM，一般為首臺觸發(fā)后3 s。對第j個空間網(wǎng)格發(fā)生地震，根據(jù)地震波速度模型可計算首報的時間為：

（2）以發(fā)震時刻起算，滿足定位與測定震級的要求，假如震后到首臺觸發(fā)的時間為ts1，則震后的首報時間tsj即為首臺觸發(fā)后的首報時間加上首臺觸發(fā)用時：

循環(huán)每個空間網(wǎng)格，可得到地震預警首報時間的空間分布圖。下面假設(shè)震源深度為10 km，按照前4臺定位來評估地震預警的首報時間，上海預警臺網(wǎng)預警首報時間分布如圖3所示。

從圖3中可以看出，上海行政區(qū)域范圍內(nèi)預警首報時間平均為6.0 s，最小預警首報時間為4.7 s，全市55%的區(qū)域預警首報時間在5.8 s左右， 95%的區(qū)域預警首報時間在8.5 s左右。此次地震理論預警首報時間在6 s左右，實際EEW系統(tǒng)稍慢，為6.8 s。實際預警首報時間與理論預警首報時間基本一致，滿足預警系統(tǒng)設(shè)計要求。

3.3 "預警震級評估

3.3.1 "臺網(wǎng)監(jiān)控能力

目前上海預警臺網(wǎng)接入的臺站儀器為速度計和加速度計，為評估這兩類傳感器的地震監(jiān)測能力，按0.05° × 0.05°對臺網(wǎng)監(jiān)測空間尺度網(wǎng)格化。假定每個網(wǎng)格發(fā)生一次地震（微震），據(jù)此評估^[7]：

式中，Um為DD-1儀器位移記錄波的峰值，PGD為DD-1記錄的位移噪聲峰值，σ為位移噪聲的有效值，PGD=3σ。

對第i個臺站，第j個網(wǎng)格，測定的震級為：

式中，PGDi為將強震儀和烈度計傳感器統(tǒng)一仿真成DD-1記錄上所量取的噪聲最大位移評估。對第j個網(wǎng)格，對各臺站測定的地震從小到大重新排列：

按4臺定位考慮，第j個網(wǎng)格的監(jiān)測能力為：

對j進行空間網(wǎng)格循環(huán)，就可以計算出上海行政區(qū)范圍內(nèi)地震監(jiān)測能力，上海預警臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力如圖4所示。

從圖4中可以看出，上海預警臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力平均為M_L1.4（M0.5），全市55%的區(qū)域地震監(jiān)測最小震級為M_L1.5（M0.6），全市95%的區(qū)域地震監(jiān)測最小震級為M_L1.7（M0.8）。

3.3.2 "震級偏差分析

此次上海青浦地震中國地震臺網(wǎng)中心正式編目結(jié)果中震級為M3.1（M_L3.7），M震級比對方面：第1報結(jié)果偏差為?0.1，第2報結(jié)果偏差略大為0.8，最后偏差穩(wěn)定在0.5左右；M_L震級比對方面：第1報結(jié)果偏差為?0.7，第2報結(jié)果偏差為0.2，最后偏差穩(wěn)定在?0.1左右。與預警臺網(wǎng)設(shè)計與能力評估要求中臺間距在10～20 km的較密集的預警臺網(wǎng)，由于震中位置附近站點較多，對于淺源地震來講，首臺P波觸發(fā)后1～2 s測定的震級基本是準確的，但單臺測準震級并不意味測準臺網(wǎng)測定的平均震級，一般最終會有0.5級左右的誤差^[7]。通過此次實際地震的檢測，上海預警臺網(wǎng)在震級測定方面達到了設(shè)計要求。

3.4 "定位結(jié)果分析

地震預警定位的可靠性對于預警震級和預測烈度的計算十分重要，它一般應滿足以下條件^[7]：

①P波初動的信噪比要比較高，這樣才能容易識別；②確定的震中位置與臺站觸發(fā)的順序需一一對應，且首臺觸發(fā)開始在扣除數(shù)據(jù)處理和通信延遲后的等待時間，應小于等于最大等待時間，后續(xù)臺站的觸發(fā)時間和順序可以用定位結(jié)果解釋；③臺站布局對于定位的準確性也具有重要影響^[13]，對于網(wǎng)內(nèi)地震，前4臺的定位誤差主要取決于信息不夠完備或臺網(wǎng)布局導致的定位誤差，定位誤差一般不超過10 km，最大不超過15 km，理論走時和實際走時的差一般不超過0.5 s。

此次地震本地預警產(chǎn)出第1報結(jié)果中，結(jié)果與實際位置偏差5 km，第2報結(jié)果中位置偏差為11 km，此后隨著定位臺站的增多，最后結(jié)果位置與實際位置一致，偏差為0。對比上述確定定位可靠性的3個條件：①雖然此次地震震級較小，但由于臺網(wǎng)密度較高，震中位置附近臺站較多，所以記錄到的P波初動信噪比也比較高；②震中位置附近的臺站按距離由近及遠觸發(fā)；③此次地震位于上海地震預警臺網(wǎng)內(nèi)，定位誤差和震相走時差均符合要求。

3.5 "預警盲區(qū)

地震預警盲區(qū)是指在地震預警發(fā)出時，以發(fā)震震中為圓心、以破壞性最大的S波走過的距離為半徑的區(qū)域。利用盲區(qū)計算公式^[14]計算上海青浦地震盲區(qū)半徑：

式中， r_BZ為盲區(qū)半徑，t_P為P波走時，T為數(shù)據(jù)打包、延時和處理時間，v_S為地震橫波速度，H為震源深度。由于上海市及周邊地區(qū)屬于一般預警區(qū)，預警信息由中國地震預警網(wǎng)統(tǒng)一發(fā)布，因此以中國地震預警網(wǎng)產(chǎn)出的兩報時間來計算預警盲區(qū)半徑，結(jié)果如表5所示。

上海及周邊地區(qū)預警臺站分布比較密集，當?shù)卣鸢l(fā)生后能較快的產(chǎn)出預警信息，經(jīng)過測算最小盲區(qū)半徑為22 km左右。由于此次地震震中位置位于上海西部與江蘇、浙江兩省交接位置，因此上海市區(qū)及東部地區(qū)、江蘇蘇州及浙江嘉興均具有一定的預警時間，考慮到這一地區(qū)人口稠密、產(chǎn)業(yè)發(fā)達，雖然預警時間不長，但是對于穩(wěn)定輿情、及時停工停產(chǎn)等方面仍具有積極的影響。

4 "討論與結(jié)論

上海青浦M3.1地震發(fā)生后，本地部署的EEW系統(tǒng)正常產(chǎn)出7次處理結(jié)果，對比上海地震預警臺網(wǎng)本地預警產(chǎn)出與中國地震預警臺網(wǎng)預警產(chǎn)出結(jié)果：第1次預警結(jié)果定位偏差5 km，震級偏差?0.1；隨著加入計算的預警臺站逐步增多，預警結(jié)果逐步趨于穩(wěn)定，觸發(fā)臺站數(shù)到達17個時，定位結(jié)果與地震臺網(wǎng)中心正式地震目錄一致；但震級結(jié)果均偏高，上海本地產(chǎn)出偏高0.5，中國地震預警網(wǎng)產(chǎn)出偏高0.7。

長三角地區(qū)作為東部少震弱震地區(qū)，地震活動性較弱，發(fā)生的地震以小微震為主。高度發(fā)達的經(jīng)濟和稠密的人口使得小震致巨災的風險大大提升。雖然地震預警系統(tǒng)主要針對強震，但是通過對此次上海青浦M3.1地震預警結(jié)果的分析可以看到，高密度的地震預警臺網(wǎng)建設(shè)使得準確、快速地產(chǎn)出長三角地區(qū)小震預警結(jié)果成為可能，隨著預警工程建設(shè)完畢正式投入使用，發(fā)生較大地震后快速發(fā)布地震預警信息，可為公眾避險提供幫助，有效減少人員傷亡，同時也使得政府部門可以快速準確進行災情判斷，為應急救援決策提供科學依據(jù)。這些都為目前正在進行的構(gòu)建長三角監(jiān)測預警業(yè)務一體化體系提供了重要的參考依據(jù)。

""致謝

感謝福建省地震局提供預警臺網(wǎng)預警首報時間分布、預警臺網(wǎng)地震監(jiān)測能力計算程序。

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Early warning processing results for June 15，2023 Qingpu，Shanghai M3.1 earthquake

Shao Yongqian^{1， 2， *}， Wang Chengrui^{1， 2}， Wei Wei^{1， 2}， Wang Peng^{1， 2}， Bi Bo^{1， 2}

1. Shanghai Earthquake Agency， Shanghai 200062， China

2. Shanghai Sheshan National Geophysical Observatory and Research Station， Shanghai 200062， China

[Abstract] """"A M3.1 earthquake occurred in Qingpu District of Shanghai at 1：39 on June 15， 2023. The Shanghai Earthquake Early Warning Network successfully received the earthquake early warning information released by the China Earthquake Early Warning Network， and the locally deployed Fujian Early Warning System EEW also successfully processed and produced the earthquake early warning results. In this paper， the results of 7 earthquake early warnings produced by Shanghai Earthquake Early Warning System and the earthquake early warning information released by China Earthquake Early Warning Network are compared and analyzed. The epicenter of the earthquake is located in the Shanghai Earthquake Early Warning Network. The first early warning information was released at 6.8 s after the earthquake. All 7 early warning processing results were produced within 15 s after the earthquake. Compared with the official earthquake catalogue， the first early warning processing result has an epicentral position deviation of 5 km and a magnitude deviation of ?0.1. With the increase of the number of early warning stations involved in the calculation， the epicenter position is finally consistent with the official catalogue， and the magnitude deviation is also maintained at 0.5. The results of this earthquake early warning show that although Shanghai and its surrounding areas belong to the general early warning area with small and micro earthquakes as the main seismic activities， due to the large density of early warning stations， more accurate early warning processing results can also be produced in a short time after the earthquake， which is of great reference significance for the ongoing integration of monitoring and early warning business in the Yangtze River Delta.

[Keywords] earthquake early warning; Shanghai QingpuM3.1 earthquake; analysis of early warning processing results; earthquake monitoring and early warning integration