3.1 预测实效评价
1996年12月顺义4级地震后,北京地区发生ML≥4.0地震6次,首都圈中部文安地区发生1次5.1级地震。
预测实效最好的是2002年8月3日沙城4级地震。北京局在2002年7月24日的月会商会后,形成“关于北京及邻近地区近期震情预测的报告”上报中国地震局,预测“未来10天或稍长时间,首都圈地区特别是延庆-矾山盆地一带和唐山地区,有可能发生4～5级中等地震”,这是一次比较成功的中等地震短期预报尝试,得到了中国地震局的表彰。
其次是2014年9月3日逐鹿4.3级地震。震前4个月的年中地震趋势跟踪会商意见中,依据相关异常指标,预测北京地区下半年有发生4级左右地震的可能。震前3个月内北京局又陆续提出4项短期异常指标,并预测近期有发生中等地震可能,但并未依据近南北向异常小震条带提出明确的地点预测。
2006年7月4日文安5.1级地震前的年度地震趋势会商会,仅依据首都圈5级以上地震10 a左右准周期性提出背景异常。震前3个月,北京局又陆续提出3项短期异常,并预测有发生中等地震的可能,但预测震级偏小。相对于5级以上地震,无论地震活动性异常还是前兆异常都不显著。
2012年6月18日宝坻4.0级地震和2018年2月12日永清4.3级地震,震前的年度和年中会商会,都依据相关异常提出4级以上地震中短期预测意见。由于宝坻4.0级地震距离2012年5月28日唐山4.8级地震仅21 d,属于首都圈地区成组中等地震,所以未提出短期预测意见; 永清4.3级地震由于震前未发现显著的短期异常,尤其是未发现首都圈中部近南北向小震条带,也未提出短期预测意见。
此外,2012年8月26日宝坻3.4级地震和2020年5月26日门头沟3.6级地震,未有中短期预测,震前虽发现并上报单个异常,由于整体异常不显著等原因未提出短期预测意见。
3.2 异常指标评价
从以上北京及周边地区中等地震的预测回溯(表1)中可以看出,北京地区7次4级左右地震以及周边地区1次5级左右地震前,出现频次较高的异常指标依次是:近南北向小震条带(4次)、平谷地磁加卸载响应比高值(4次)、前兆测项破年变(4次)、前兆测项高值突跳或波动(3次)、首都圈ML1.8月频度低值(3次)、异常小震丛(群)(2次)、Rt值低值(2次)、地震对应概率谱高值(2次)、前兆测项低值回升(1次),此外还有一些未再跟踪的异常。
部分异常震前未能及时发现,但震后通过震例研究,发现对研究区中等地震有预测意义,表2列出震前出现频次较高的异常指标(包括震前提出的异常指标和震后研究发现的异常指标),依次为:首都圈ML1.8地震月频度低值(6次)、平谷地磁加卸载响应比高值(5次)、近南北向小震条带(5次)、首都圈ML1.8或ML3.0月频度高值(4次)、前兆测项破年变(4次)、地震对应概率谱高值(3次)、前兆测项高值突跳或波动(3次)、Rt值低值(3次)、异常小震丛(群)(3次)、前兆测项低值回升(3次),表中未包括单次出现的异常指标。由于平谷地磁加卸载响应比高值主要用于预测首都圈中等地震,不预测地点,在此不作为单项前兆测项高值看待。
表2 北京及周边地区8次中等地震前出现的异常指标
Tab.2 Anomaly indexes of 8 moderate earthquakes in Beijing and its surrounding areas
北京地区Rt值低值和地震对应概率谱高值、首都圈中部近南北向小震条带和北京地区异常小震丛(群),以及北京地区前兆测项破年变、高值突跳和低值回升,对北京地区中等以上地震的时间、地点和强度有预测意义; 首都圈ML1.8月频度(低值和高值)和ML3.0地震月频度(高值),以及平谷地磁加卸载响应比高值可以为北京地区中等以上地震预测提供时间和强度预测。
下文将对上述北京地区主要异常指标进行介绍和预测效能评估。异常指标的预测效能评估主要利用R值预报效能评估系统 http://10.5.72.222:1234,采用R值评分方法(许绍爕,1989; 张国民等,2001)。R=报对地震次数/应预报地震总次数-预报占用时间/预报研究的总时间。R0为具有97.5%置信度的R值。当R>R0时,通过预测效能评分。
3.2.1 首都圈中部近南北向小震条带异常
首都圈中部出现ML≥1.0地震个数6个以上、长度超过200 km、形成时间小于2个月、小震间隔比较均匀且周围比较“干净”、呈近南北向带状分布的小震活动区域,就称为近南北向异常小震条带,条带周围发生小震活动或条带活动平静20天以上视为条带活动结束(朱红彬等,2010)。
首都圈中部1995年以来共发生ML≥4.0地震8次,震前出现典型近南北向小震条带6次,对应地震6次,起始震级ML1.0且方向为北北西—北西向的小震条带目前没有虚报,但有3次漏报。计算R值评分:R=0.61,R0=0.37,R>R0。此外,起始震级ML>1.0或形成时间超过2个月虚报较多; 小震条带方向为北北东向或近东西向,因与该地区断裂走向大体一致,虚报较多; 2次宝坻地震皆漏报,该异常指标对北京东部中等地震的预测效能较差。
首都圈中部近南北向小震条带形成后3个月内条带附近地区发生ML≥4.0地震的可能性较大。该异常指标预测效能较高,且至少经受了2006年文安5.1、2014年逐鹿4.3两次中等地震的预测实践检验,可以作为本地区重要的中等地震预测指标。
3.2.2 首都圈ML1.8和ML3.0月频度高值异常
表2中首都圈ML1.8或ML3.0月频度高值异常出现频次较高,有4次。笔者研究首都圈地区ML≥1.8月频度和ML≥3.0月频度高值异常与ML5.0左右(ML4.5～5.5)地震的关系,取时间窗30 d,步长1 d,首都圈ML≥1.8月频度N≥30视为出现异常,ML≥3.0月频度N≥4视为出现异常。
2008年以来,首都圈ML1.8月频度高值异常出现10次,对应地震8次,虚报2次,漏报2次(R值评分:R=0.41,R0=0.36,R>R0); ML3.0月频度高值异常出现11次,对应地震9次,虚报2次,漏报1次(R值评分:R=0.27,R0=0.35,R<R0); ML1.8和ML3.0月频度都出现高值异常8次,对应7次,虚报1次,漏报3次(R值评分:R=0.38,R0=0.35,R>R0); ML1.8或ML3.0月频度出现高值异常13次,对应地震10次,虚报3次,暂时没有漏报(R值评分:R=0.38,R0=0.35,R>R0)。ML3.0月频度高值异常单独作为异常指标未通过预测效能评分,但以ML1.8或ML3.0月频度高值异常作为异常指标可以通过预测效能评分且漏报较少。
研究认为,首都圈地区出现ML1.8或ML3.0月频度高值异常后半年内(最长210 d左右),发生ML5.0左右地震的可能性较大。该异常指标至少经历2012年唐山4.8级和2020年古冶5.1级地震两次预测实践检验,可以作为首都圈地区ML5.0左右地震中短期预测指标。
3.2.3 北京地区Rt低值和地震对应概率谱高值异常
1996年以来北京地区发生5次MS≥4.0地震,震前都曾多次出现Rt值低值异常和地震对应概率谱高值异常(表2)。
笔者研究北京地区1970年以来地震活动总体参量Rt(包括地震时间熵、b值、最大平均震级、地震累积能量、地震调制比)与地震的关系,以Rt≤0.84作为地震活动处于非稳定状态的判别标志,预测北京地区ML≥4.4地震(岳晓媛等,2019)。1970年以来北京地区Rt值出现异常12次,对应9次,虚报3次,漏报2次。计算R值评分:R=0.57,R0=0.35,R>R0。
笔者提取北京地区1970年以来多参数(b值、η值、地震危险度、缺震、地震强度因子、频度、地震调制比等)地震对应概率谱前兆异常信息,以12个月为考察时段,高于均值0.5倍标准差作为异常阈值(1970—2011年为学习阶段,2012年以来为外推预测阶段),预测北京地区MS≥4.0地震(李红等,2017)。1970年以来北京地区多参数地震对应概率谱出现异常11次,对应8次,虚报3次,漏报1次。计算R值评分:R=0.51,R0=0.37,R>R0。
上述两个指标都经受了2014年逐鹿4.3和2018年永清4.3两次MS≥4.0地震预测实践的检验,且预测效能较高,可以作为北京地区MS≥4.0地震前中短期预测指标。
3.2.4 北京地区小震丛和小震群异常
表2中北京地区小震丛异常出现2次。参照《地震学分析预报方法与程式指南》(国家地震局科技监测司,1990)有关震群定义,笔者将小震丛定义为:震中10 km范围内首日频次≥2次,ML≥1.0地震总次数大于4次,最大、次大震级差≤1.1,与外围地震有明显界限,小震多集中发生在1～2天内,最长10 d内。如果北京地区发生ML≥1.0小震丛活动,就可以预测3个月内小震丛周围150 km范围内可能发生ML≥4.0地震。北京地区2001年以来发生8次ML≥1.0小震丛活动,对应ML≥4.0地震5次,虚报3次,漏报4次,计算R值评分:R=0.46,R0=0.35,R>R0。北京地区小震丛通过预测效能评分,也经过预测实践检验,可以作为北京地区ML≥4.0地震短期异常指标。
北京地区1970年以来仅发现3个持续5～9个月的小震群活动,除2010年12月昌平、怀柔交界ML2.8震群与2012年6月宝坻4.0级地震有关外,1995年7月逐鹿ML4.1震群和1996年12月顺义ML4.5震群可能与1998年1月张北6.2级地震有关。由于震例很少且漏报较多,仅作为MS≥4.0地震的中短期参考指标跟踪研究。
3.2.5 首都圈ML1.8月频度低值异常和平谷地磁加卸载响应比高值异常
这两个异常指标是表2中出现频次最高的,主要用来预测首都圈地区ML≥4.0地震,也可以为北京地区ML≥4.0地震发震时间预测提供参考。这两个指标总体来说漏报不多(表2)但虚报较多。
首都圈ML1.8月频度低值异常,取时间窗30 d,步长1 d,将月频度N<12视为出现低值异常,预测最低值回升后3个月内尤其是1个月内有可能发生ML≥4.0地震。首都圈2015年以来ML1.8月频度曲线出现16次低值异常,对应9次,虚报7次,漏报1次。计算R值评分:R=0.45,R0=0.35,R>R0,通过预测效能评分。该异常指标预测效能具有阶段性,如2015—2016年出现5次异常,对应5次地震,未出现虚报; 但2017—2019年的10次异常只对应3次地震,出现7次虚报; 2020年出现1次异常,对应1次地震,没有虚报。由于此前虚报较多,所以仍只能作为参考异常指标进行跟踪研究,可以考虑恢复为异常指标。相对于首都圈ML1.8月频度高值异常主要揭示首都圈ML5.0左右地震前数月出现的小震异常活跃现象,首都圈ML1.8月频度低值异常主要体现首都圈ML≥4.0地震前的小震活动从平静趋于活跃的短期异常。
把平谷地磁加卸载响应比以大于3.0作为短期高值异常,用来预测首都圈未来3个月发生ML≥4.0地震,漏报不多但虚报较多。笔者结合平谷及周边多台加卸载响应比异常的空间分布,以首都圈地区发生MS≥4.0地震作为预测目标进行回溯研究,2017年以来平谷地磁加卸载响应比出现7次(6组)高值异常(排除重大磁暴影响),出现异常后3个月内(最长6个月)首都圈发生5次4级以上地震,虚报1次,计算R值评分:R=0.65,R0=0.52,R>R0,可以作为首都圈地区MS≥4.0地震异常指标继续跟踪研究。
3.2.6 北京地区前兆测项高值突跳、破年变和低值回升
表2中顺义、沙城、逐鹿、永清4次MS≥4.0地震前,北京地区都出现2个以上前兆测项的短期异常,异常持续数日至数月多数小于3个月,异常形态包括高值突跳或波动、破年变和低值回升。其中前兆测项高值突跳或波动往往会出现一组高值,如松山水汞、松山水氡和长陵中学电磁波等,目前主要为水化和电磁波异常,并在高值异常结束后或高值异常发生过程中发震; 前兆测项破年变,如板桥水位、西集水位、延庆电阻率和房山水准等,目前既有水位异常,也有电阻率和水准异常,多在正常年变背景下出现突降或突升变化,在恢复过程中或恢复后发震,既有向下破年变也有向上破年变; 前兆测项低值回升,如王都庄水温、徐辛庄水温和左家庄水温,目前主要为水温异常,多在长期平稳背景下出现下降-低值-回升,在低值回升过程中或恢复后发震,震后又恢复平稳背景。此外,北京地区前兆测项的短期异常目前不包括长期下降或长期上升背景下的趋势转折,前兆测项的长趋势转折可能与中强地震孕育、构造应力场改变,甚至环境因素改变如南水北调工程等多种因素有关。
北京地区单个前兆短期异常的出现,往往具有阶段性,有些指标在某个阶段对应地震很好,其它阶段对应又很差。比如顺义板桥水位在1996年12月顺义地震前出现显著破年变异常,但此后再未出现相似的破年变异常形态; 徐辛庄水温在2016年9月唐山开平4.0级、2018年2月永清4.3级地震前都出现显著的低值异常回升,但在2019年12月唐山丰南4.5级和2020年唐山古冶5.1级地震前没有任何异常反映。一些前兆测项异常和地震预测仍然只是统计意义上的关系,因此只依靠某个单项前兆异常出现漏报的可能性很大。表2中所列单项前兆异常虽然都很典型,目前都作为北京地区重要异常指标开展跟踪,但在更长时段较难通过R值评分; 是否可以考虑以前兆异常出现的数量作为预测指标,还需要继续研究。
3.3 讨论
(1)震情跟踪工作中如果发现地震活动异常或前兆异常,首先需要开展震例研究,若预测效能较好就可作为异常指标纳入日常跟踪和预测,在预测实践中至少对应一次地震后,再开展详细震例研究,若预测效能较高可提升为预测指标,若出现两次以上虚报就需要再作评价是否降低预测权重。本文将地震活动性和前兆指标区分为异常指标、预测指标和参考指标。异常指标是普通异常指标,是根据震例研究得到并通过R值评分的指标; 预测指标为重点异常指标,是在异常指标的基础上至少经过一次预测实践验证且R值评分较高的指标; 参考指标为参考异常指标,是原来的异常指标或预测指标因虚报或漏报较多而下调预测权重,可以暂时用于内部跟踪但不作为上报异常。
(2)地震活动性异常指标和前兆异常指标都有一定的阶段性和时效性。例如单项前兆测项可能只在某个地震前出现异常,在其他地震前并无反应; 首都圈ML1.8月频度低值异常也在某些时段对应好、虚报少,但在其他时段对应差、虚报多。一方面,因为城市环境干扰加剧、仪器老化等因素,导致许多曾经有较好震例的前兆测项(如王都庄水温、长陵中学电磁波等)停测; 另一方面,由于地震预测指标主要来自对经验性预测的总结,很可能只适用于某一特定时段的地震发生规律。因此,在震情跟踪预测过程中,需要经常对预测指标进行评价,对于预测效能显著下降的指标,可以降低其预测权重,比如从预测指标到异常指标再到参考指标,甚至取消; 对预测效能显著提高的指标就提高其预测权重,可以从参考指标到异常指标再到预测指标。同时也需要不断跟踪研究并提出新的异常指标,北京局近两年又总结出一些新的异常指标,尚需通过更多的预测实践来验证。
(3)北京地区Rt值低值、地震对应概率谱高值、首都圈中部近南北向小震条带、首都圈ML1.8或ML3.0月频度高值,虚报和漏报都较少; 北京地区前兆测项短期异常和小震丛,漏报虽多但虚报较少; 首都圈ML1.8月频度低值异常,漏报虽少但此前虚报仍较多。一般来说,虚报和漏报都少的指标出现异常就可以预测有地震,未出现异常可以报无震; 虚报少但漏报多的指标出现异常就可以做出有震预测,但未出现异常不能报无震; 虚报多的指标出现异常在预测实践中难以单独使用,只能起到参考作用,配合其他指标开展预测。
