基金项目:天津市巨灾防范工程(JZFF-1-1,JZFF-1-3); 天津市地震局局内科研项目(Zd202301,Zd202501); 监测预警任务(CEA-JCYJ-202501001).
第一作者简介:许 可(1982-),高级工程师,主要从事测震、预警台网等技术系统运行管理以及数字地震学研究.E-mail:rbbgrace@163.com.
(Tianjin Earthquake Agency,Tianjin 300201,China)
early earthquake warning; data processing system; JEEW system; EEW system
DOI: 10.20015/j.cnki.ISSN1000-0666.2025.0045
地震预警是目前世界上公认的减轻地震灾害的有效手段之一,其基本原理是利用电磁波传播速度远大于地震动传播速度的特性,在破坏性地震波(S波、面波等)到达之前,向可能发生地震破坏的地区提前发出地震警报。利用地震预警系统提供的几秒至几十秒的预警时间,公众可以逃生,重大基础设施以及生命线工程可以实施紧急处置,从而避免地震时次生灾害的发生,达到最终减轻地震灾害的目的(张红才等,2011,2012)。
日本、美国、墨西哥等国家和中国台湾等地区的地震预警事业发展较早,目前已取得了较好的地震预警实效。日本是世界上最早将Cooper地震预警构想(Cooper,1868)付诸现实并应用于灾害防御的国家,也是目前地震预警应用最广泛、取得减灾实效最明显的国家。在20世纪50年代后期,日本开始有关地震预警的研究和系统的建设; 在60~70年代,将UrEDAS系统(Nakamura,2004)应用于日本铁路行业; 2003年开始研究建设全国性地震预警系统紧急地震速报系统(Kamigaichi,2004),并于2007年10月1日起向普通民众发布预警信息。美国自1994年开始研究地震预警技术,2009年8月美国地质调查局(USGS)完成了为期3年的地震预警系统研究项目,随后建设完成了地震预警系统ShakeAlert; 2019年开始,洛杉矶市政府基于该系统面向市民提供地震预警信息服务(金星,2021)。1991年,墨西哥建成地震预警系统SAS(Espinosa-Aranda et al,1995),该系统主要针对格雷罗沿海地区进行地震预警,并向公众发布预警信息(杨陈,2018)。中国台湾地区第一次地震预警实验始于1994年,2015年启动地震预警信息发布工作,气象局直接向地方政府部门、公共设施与学校发布预警信息(马强,2008; 金星,2021)。
我国地震预警相关研究及建设工作起步较晚,2017年国家地震烈度速报与预警工程经国务院批复立项,并于2018年正式启动。天津市经过背景场探测工程项目、烈度计示范区项目的建设以及国家地震烈度速报与预警工程天津子项目的不断完善与改进,建成了由34个基准站、89个基本站和80个一般站构成的天津地震预警观测台网,并作为国家地震烈度速报与预警工程首批“先行先试”单位,于2021年6月在全国示范运行。目前,天津地震预警系统已完成项目验收,并进入正式运行阶段。本文利用2021—2023年天津地震预警系统产出的数据进行系统性分析,包括所有产出事件与地震的匹配度、M≥2.5地震产出结果的准确度、震级和震中位置偏差以及产出用时等,来检验该系统的可靠性。
天津市地震局最初于2015年启动实施天津烈度计示范项目,2018年完成项目验收。该项目在天津地区新建80个烈度计观测点,烈度计全部采用壁挂安装,与天津行政区内具备实时传输能力的测震台站和强震动台站共同组建天津地震预警观测网络(许可等,2019)。国家地震烈度速报与预警工程天津子项目完成后,天津地震预警系统实时汇集了京津冀地区基准站(只接入强震仪通道)、基本站(强震仪)和一般站(烈度计)共3类1 653个台站,其中北京市199个、天津市203个、河北省1 251个,组成了一个东西孔径约558.66 km、南北孔径约648.46 km、平均台间距约9.27 km、每天可产出海量原始观测数据的地震预警观测台网(王建国等,2009),台站分布如图1所示。
预警观测台网内所使用的强震仪的传感器有TDA-33M、JS-A2、SLJ-100,前2个传感器对应的数据采集器均为EDAs-24GN、TD-324CI/FI,SLJ-100对应的为REFTEK-REN数据采集器。烈度计主要有GL-P2B、MI3000、GZ-GN4、PALERT Advance、TMA-33、VH-GL-LDY等,所有台站均采用实时传输模式,采样率为100 sps,加速度计采用GNSS授时,烈度计采用NTP授时。为缩短实时数据延时,采用新的数据流模块 HTTP 数据传输协议,以 256 字节打包模式代替过去的 512 字节打包模式(王莉婵等,2020)。
图1 天津地震预警观测台网台站及京津冀地区正式速报地震分布
Fig.1 Distribution of the Tianjin Earthquake Early Warning Network and official quick report of the earthquakes in Beijing,Tianjin and Hebei
依据天津地震预警系统接入台站的点位,按0.05°×0.05°对台网监测空间进行网格划分,分别计算天津地震预警观测台网的理论预警首报用时、理论最小震级以及局部台间距分布,如图2所示。计算得到台网内所有区域的理论预警首报平均用时为5.8 s,平均台间距为14 km,理论预警最小震级为ML2.7(M2.0)。台间距为10 km的大部分地区,预警时效可达到5.0 s; 京津冀地区有55%的区域,可监测到的理论预警最小震级为ML2.9(M2.2),主要分布在北京市、天津市、河北唐山市、河北张家口市、河北邢台市等地区; 台间距大于20 km、预警时效大于10 s的区域主要分布在河北省北部,该区域台站分布较为稀疏(图2c)。
地震预警工作的本质和目的是为了减轻地震灾害,预警系统主要针对中强地震来确定数据处理中采用的计算模型、[HJ2.2mm]设计的判定条件和软件开发架构,以及地震预警观测台网的设计和建设。台网中的强震仪和烈度计在处理微小地震方面存在较多的问题,受限于观测数据的质量,地震预警系统在处理小震、微震方面也存在一定的局限。京津冀地区较少发生M≥4.0地震。根据中国地震台网中心要求,北京、天津、河北地区对外地震速报的震级下限分别为M1.5、M2.0、M2.0。根据经验关系,速报地震M2.0与预警震级相差M0.7。因此,为保障公众信息的透明度和准确度,避免漏报地震,天津地震预警数据处理系统产出震级下限为M2.5。
天津地震预警数据处理系统由国家地震烈度速报与预警工程统一定制开发的预警处理软件系统Jopens Earthquake Early Warning(JEEW)和Earthquake Early Warning(EEW)组成,2个系统相对独立,同时接收京津冀基准站、基本站、一般站的实时数据进行处理。其中JEEW系统主要产出和报送预警区域内M≥2.5且有5个台站触发的地震事件结果,EEW系统主要产出和报送预警区域内M≥3.0且有3个台站触发的地震事件结果,以上震级均为预警系统产出结果。2021年6月15日至2023年12月31日,中国地震台网中心在京津冀地区共产出正式速报地震94次(去除京津冀地区地震预警台网外地震事件、非天然地震事件以及无正式速报结果地震事件),其中3.0~4.5级地震11次,2.5~3.0级地震24次,2.0~2.5级地震59次(图1)。本文针对这94次地震事件的正式速报目录,对天津地震预警数据处理系统的处理结果进行讨论(王建国等,2021)。
以中国地震台网中心正式速报结果为标准,从预警时效性、首报震级偏差、首报震中偏差等方面,对京津冀地区各个预警事件的首报结果进行分析与研究。《防震减灾术语第1部分基本术语》(GB/T 18207.1—2008)规定:M<1,为极微震; 1≤M<3的地震,为微震; 3≤M<5的地震为小地震; 5≤M<7的地震,为中等地震。本文按此标准划分地震。
JEEW系统触发定位的地震事件与京津冀地区正式速报的地震事件(94次)匹配成功的有68次(没达到产出发布条件的地震,认为没有匹配),匹配成功率达到72.3%,匹配结果见表1。从表1可见,随着震级上升,JEEW系统的匹配率也在提升, 首报用时缩短,首报地震定位精度提升,整体上匹配较好。JEEW系统匹配的事件中,首报用时最长为9.4 s,最短为3.8 s,平均用时为6.0 s,首报用时在7.0 s以内的事件有60次,占匹配地震事件的88.2%。
表1 JEEW系统和EEW系统对不同震级范围地震的首报信息
Tab.1 Information of the first report of earthquakes in different ranges produced by JEEW system and EEW system
考虑实际用时与理论用时的差异性,本文以正式速报震级3.0级以及JEEW系统首报用时7.0 s进行划分研究。对于3.0级以下的地震,JEEW系统首报用时集中在7.0 s以内的有50次地震(图3a-1),基本符合理论预警首报用时(图2a),说明即使地震震级较小,对于仪器信噪比较好的地区,JEEW系统也会有较高的预警时效性。
对于首报用时超过7.0 s的7次地震,虽然在震中附近位置的预警时间为5.0~6.0 s,局部台间距为10 km左右,且符合理论预警最小震级,但超出了理论预警首报用时。分析其原因主要有:①台站分布不均匀(支明等,2023)。如2023年7月31日河北张北2.8级地震震中附近地区南部和东部台站密集,北部和西部台站稀疏,震中距较近的台站偏向一侧,台站间的最大空隙角偏大,JEEW系统定位时震中附近台站稀疏,无近台可以选择,导致预警时效性降低。②震中附近地区的台站信噪比偏低。地震波的衰减特性与地质构造密切相关,因此不同的地质构造会导致产生仪器的信噪比偏差。如在2021年8月12日河北滦州2.2级、2022年8月2日北京怀柔2.6级等地震发生时,由于JEEW系统定位计算时,震中附近地区的台站未达到信噪比阈值,而相对震中位置远一些的台站达到了信噪比的阈值。③模块算法。JEEW系统定位算法在部分微震事件中存在不确定性。如2023年1月24日河北磁县2.5级地震发生后,虽然参与预警联合定位的台站分布均匀,但JEEW系统持续计算直至增加到17个台站时,才发布出第一报。对于3.0级以上地震,有10次地震的首报用时小于7.0 s,仅有2021年6月22日河北张北3.9级地震(网缘地震)的首报用时为7.4 s,这是由震中周边地区台站分布不均导致的。总体上,JEEW系统首报时效性较好,对于小地震的定位,呈现出随着震级的上升,首报时效性增强的趋势。
首报震中偏差的统计分析结果(图3a-2)表明,JEEW系统匹配的事件中,首报最大震中偏差为8.8 km,最小震中偏差为0.2 km,平均震中偏差为2.5 km。中国地震局测震学科技术管理组制定的《省级测震台网地震速报评比标准(2016 版)》(张会苑,杨晶琼,2020)规定,1 类地区(北京市、天津市、河北省行政区)速报地震的震中偏差在10 km以内,因此本文结果符合标准,表明JEEW系统的地震定位精度较高。以正式速报震级3.0级以及首报震中偏差5.0 km进行划分,对于3.0级以下的地震,17.5%地震的首报震中偏差大于5.0 km,说明JEEW系统对于微震事件的定位精度不稳定。对于3.0级以上地震,JEEW系统首报震中偏差均小于3.0 km,达到了1类地区震中偏差要求的1/3,定位精度更高。总体上,JEEW系统首报地震定位精度较高,但对微震的定位精度不稳定,对于小地震的定位,呈现出随着震级的上升,首报定位精度提升的趋势。
采用一阶线性拟合方法对正式速报震级与JEEW系统首报震级进行拟合,得到y=1.690 6x+1.481,其中x为正式速报震级; y为JEEW预警系统首报震级,如图3a-3所示。这说明正式速报震级与JEEW系统首报震级为一阶线性关系。首报震级偏差的统计分析结果(图3a-4)表明,JEEW系统匹配的事件中,首报最大震级偏差为1.8级,最小震级偏差为0.0级,平均震级偏差为0.7级; 首报震级偏差在0.7级以内的事件有42次,占匹配地震事件的61.8%,首报震级偏差大于0.7级的事件有26次,占匹配地震事件的38.2%。首报震级偏差最大的是2021年7月2日河北滦州2.0级地震,震级偏大了1.8级。以正式速报震级3.0级以及JEEW系统首报震级偏差1.0级进行划分,对于3.0级以下地震,JEEW系统首报震级偏差主要集中在0.0~1.0级; 对于3.0级以上地震,JEEW系统首报震级偏差主要集中在0.7级以内,首报震级偏差相对于微震略小(3a-4)。总体上,JEEW系统对微震的首报震级偏差偏大,但随着震级的增大,首报震级偏差整体上呈现出减小的趋势。
EEW系统触发定位的地震事件中与正式速报地震事件匹配成功的有30次,匹配成功率为31.9%,结果见表2。从表2可见,EEW系统在处理小震时匹配率不高,随着震级增大,EEW系统的匹配率升高,首报用时缩短,首报地震定位精度提高。EEW系统匹配的事件中,首报用时最长为31.1 s、最短为3.4 s、平均用时为11.7 s,首报用时在7.0 s以内的事件共15次,占匹配地震事件的50.0%。
以正式速报震级3.0级以及EEW系统首报用时7.0 s进行划分,对于3.0级以下的地震,EEW系统首报用时主要集中在7.0 s内(图3b-1),基本符合理论预警首报用时,说明虽然地震震级较小,但是EEW系统对于仪器信噪比较好的地区,也会有较高的预警时效性。
首报用时超过7.0 s的共有15次地震,虽然在震中附近地区可达5.0~6.0 s,局部台间距在10 km左右,且符合理论预警最小震级,但未达到其理论预警首报用时的要求。其原因主要为:①台站分布不均匀。②震中附近的台站信噪比偏低。一是地质构造差异造成仪器的信噪比偏差; 二是不同类型的传感器记录地震的能力不同,强震仪高于烈度计,而仪器触发的信噪比是确定的,只有使两类传感器的信噪比都达到阈值,才能联合定位测定震级。如2022年5月8日河北怀安2.8级地震、2022年3月6日河北文安2.6级地震,由于京津冀地震预警观测台网内,烈度计是预警系统的重要组成部分,且其台站密度最大,因此,距离震中较近的往往都是烈度计台站,强震台站极少。而上述地震由于震级小,导致震中附近的烈度计台站无法达到信噪比触发阈值,而随着地震波能量的释放和衰减,距离震中较远的强震台却达到了信噪比触发阈值。③模块算法,即EEW系统发布条件是三台三级发布,在部分微震、小震事件的应用中存在限制。如2022年2月24日河北丰南3.0级地震、2022年2月7日河北昌黎2.0级地震震级较小,在最初的近台定位时,未达到指定的发布条件,随着EEW系统持续定位计算,当计算结果达到指定的发布阈值时才发布预警信息。对于3.0级以上地震,EEW系统首报用时都在7.0 s内(图3b-1),符合理论预警首报用时。总体上,EEW系统在处理微震时极不稳定,对于小震预警时效性较好,并呈现出随着震级的上升,时效性逐渐增强的趋势。
首报震中偏差统计分析结果(图3b-2)表明,与正式速报地震相比,EEW系统匹配的事件中,首报最大震中偏差为52.5 km,最小震中偏差为0.3 km,平均震中偏差为6.0 km,首报震中偏差主要集中在10.0 km以内,占匹配地震事件的86.7%,符合标准,表明EEW系统地震定位精度较高。以正式速报震级3.0级以及首报震中偏差5.0 km进行划分,对于3.0级以下的地震,EEW系统的首报震中偏差主要集中在5.0 km以内,占比为54.5%; 另一部分EEW系统首报震中偏差在5.0 km以上,占比为45.5%,其中首报震中偏差最大的是2021年8月18日天津静海2.0级地震(52.5 km),然后依次是2022年8月11日河北磁县2.5级地震(25.5 km)、2023年1月23日河北曹妃甸海域2.4级地震(17.1 km)、2022年8月25日河北磁县2.4级地震(12.8 km)。这些地震震级较小且都发生在信噪比较低的区域,说明EEW系统采用的定位方法,在处理仪器信噪比较低区域的地震或部分微震事件时,识别效果不佳(李晔等,2021),定位不稳定。对于3.0级以上地震,EEW系统首报震中偏差主要集中在3.0 km内,占比为87.5%,定位精度较高(图3b-2)。总体上,EEW系统首报定位精度较高,但对微震的首报定位精度不稳定,对于小震的定位,整体上呈现出随着震级的上升,首报定位精度上升的趋势。
从图3b-3可见,EEW系统对微震的首报震级结果普遍偏大,对小震的首报震级变化规律不明显。EEW系统首报震级偏差的统计分析结果(图3b-4)表明,与正式速报地震相比,EEW系统匹配的事件中,首报最大震级偏差为1.2级,最小震级偏差为0.0级,平均震级偏差为0.5级,首报震级偏差在0.7级以内的事件有25次,占匹配地震事件的83.3%,首报震级偏差大于0.7的事件有5次,占匹配地震事件的16.7%,首报震级偏差最大的是2021年8月18日天津静海2.0级地震,首报震级偏大了1.2级。以正式速报震级3.0级以及EEW系统首报震级偏差1.0级进行划分,对于3.0级以下地震,EEW系统首报震级偏差主要集中在0.0~1.0级,且呈现随着震级的增大,首报震级偏差逐渐减小的趋势; 对于3.0级以上地震,EEW系统首报震级偏差主要分布在-1.0~1.0级。
本文利用2021年6月15日至2023年12月31日中国地震台网中心产出的京津冀地区94次地震事件的正式速报地震目录,与天津地震预警数据产出系统的处理结果进行对比分析,主要得到以下结论:
(1)JEEW系统与正式速报结果的匹配率高于EEW系统,在处理小震时,2个系统的匹配率相差不大,但在处理微震时JEEW系统匹配率明显优于EEW系统,随着震级的增大,2个系统的匹配率都呈上升趋势。
(2)对于3.0级以下地震,JEEW系统的首报用时相对较长,主要由台站分布不均匀、台站数据信噪比及JEEW和EEW系统本身的算法的差异所导致; JEEW系统时效性优于EEW系统,且稳定性更好。对于3.0级以上地震,2个系统时效性均较好,且均呈现出随着震级的增大,时效性增强的趋势。
(3)对于3.0级以下地震,JEEW系统首报的定位精度优于EEW系统,但二者均表现出一定的不稳定性; 对于3.0级以上地震,2个系统首报定位精度均较高,达到并高于1类地区震中偏差要求,且均呈现出随着震级的增大,首报定位精度上升的趋势。
(4)JEEW和EEW系统的首报平均震级偏差分别为0.7级、0.5级。JEEW系统表现出首报震级偏大的特征,且随着震级增大,首报震级偏差逐渐减小; EEW系统对微震的首报震级偏大,且随着震级的增大,震级偏差逐渐减小,对于小震的首报震级变化规律不明显。
(5)对于京津冀地区3.0级以上地震事件,2个系统的首报处理结果时效性强,定位结果稳定,可得到较好的预警结果; 对于3.0级以下地震,2个系统都无法全部满足预警需求,其主要原因为地震震级较小导致地震记录的信噪比偏小,并且台站分布不均匀。未来可采取以下措施提高预警效果:一是根据需要增加适量的速度计台站,提高预警系统对于小地震的数据处理能力。二是改进预警定位算法。在预警定位时,如何既能很好地压制残差较大的台站到时,又能充分利用近台的震相,这是预警系统下一步改进定位算法的关键工作之一。三是台站的数据质量对预警系统也至关重要,台站的数据质量包括台站的连续性,时间的准确性,观测系统延时等。
本文的研究时段内,发生的小地震事件较少,且无中等地震发生。因此,尚需更多的震例对系统进行总结分析,为今后京津冀地区的地震预警工作提供借鉴,也为地震预警和烈度速报在京津冀地区的持续发展奠定重要的科学基础。
感谢福建省地震局林彬华高级工程师提供的地震监测与预警能力评估软件。