四川地震预警系统数据产出结果分析

魏娅玲，周文英，蔡一川，吴 朋，罗 松，彭 涛

（四川省地震局，四川 成都 610041）

我国是世界上遭受地震灾害最严重的国家之一，政府对防震减灾工作也极为重视，尤其是四川“汶川地震”之后，更加意识到地震预警工作的重要性和必要性（李纪恩等，2013）。国家发改委于2018年6月正式批复“国家地震烈度速报与预警工程”，加大了各省地震预警台网软硬件设施的建设投入，以便能有效地减轻地震灾害损失，确保地震预警社会效能的实现。在此背景下，四川省地震局依托“国家地震烈度速报与预警工程四川子项目”“8·8九寨沟地震灾后恢复重建地震烈度速报与预警项目”“川滇预警示范项目”和“西部能力提升项目”，建立了四川地震烈度速报与预警系统，将多种地震监测手段进行融合，在四川地震台合网组建了四川地震预警系统，实现了地震参数的超快测定和报送、地震预警和烈度速报等。

目前，国家地震烈度速报与预警工程四川子项目正处于实施阶段，按照边建设边服务并在使用中不断完善和改进的原则。四川地震预警系统融合了测震、强震和烈度仪三种观测手段，以此来优化台站布局、提高地震定位结果精度，便于更好地服务于地震预警和地震烈度速报。测震仪为速度记录仪器，其技术成熟、性能稳定、记录数据完整，多服务于日常地震参数的产出，但存在工作环境要求高、设备及维护成本昂贵、强震近场记录容易限幅等缺点；强震动仪为加速度记录仪器，虽然强震近场记录数据不限幅，但仪器设备贵、建设和运维难度也比较大（王光冲等，2017，2019）；烈度仪也是加速度记录仪器，具有设备造价低廉、安装方便快捷、维护简便等优势，虽然可以弥补传统测震和强震动台站间距大、获取灾害信息分辨率低的缺点，但也存在自噪声偏大，记录数据不够丰富、仅适用于较大幅值的地震动观测等不足（王光冲等，2019；张红才等，2017）。将三种监测手段融合组网，虽然可以很好地优化台站布局，但是数据产出结果的质量和地震定位精度究竟如何，还需要大量真实地震记录数据加以测试验证。因此，本研究通过梳理四川地震预警系统的观测手段、数据和软硬件设施，利用2019年1月1日至2020年2月3日四川及邻区发生的29个M≥4.0地震事件，将其连续超快定位结果和预警终端接收结果与中国地震台网正式目录结果进行对比，对数据产出结果的精度和适用性进行分析，初探四川地震预警工作的实效性，不仅可以查找定位结果出现较大偏差的原因，修正地震预警定位中一些未被发现的问题，还可以对烈度计加速度记录参与地震参数超快测定、地震烈度速报和预警等工作提供参考依据。

1 台站布局和资料选取

1.1 台站布局

在四川地震预警项目实施阶段，四川地震预警系统接入的台站数随台站基础建设的完成不断增加。截至2020年2月3日，四川地震预警系统共接入台站920个，其中测震台站302个，强震台站80个，烈度计台站538个，台站布局如图1所示，目前已架设完成的烈度计台站比较集中分布在四川东部地区。各类台站记录数据通过无线（或有线）传输至四川地震台，由数据处理系统JOPENS（以下简称JOPENS系统）中的SSS实时数据流服务模块进行实时数据汇集，同时将汇集数据分发至JOPENS系统中的JEEW超快速报定位模块和福建烈度速报与预警处理软件进行实时处理，最终快速产出地震预警信息和地震烈度图。虽然JEEW超快速报定位模块和福建烈度速报与预警处理软件均能产出地震预警信息和地震烈度图，但其结果往往存在一定的偏差，本文仅对全国通用的JOPENS预警系统产出结果进行分析。

图1 四川预警台网台站和地震震中分布

1.2 资料及方法

根据中国地震台网正式目录结果统计，2019年1月1日至2020年2月3日四川及邻区共发生29个M≥4.0地震，其中M4.0～4.9地震21个，M5.0～5.9地震7个，M6.0～6.9地震1个，最大为2019年6月17日四川长宁M6.2地震，这些中、强地震主要集中分布于川东南部、龙门山断裂带及附近区域。地震震中分布情况见图1，由图可知，研究时间段内发生在四川西部的木里M4.1、理县M4.5和石渠M4.3三次地震附近的台站分布相对稀疏，其他26个地震附近的台站分布密集。

常规地震定位方法需要用到足量的地震信息，而太多的初始信息很难满足地震预警的时效性要求。地震预警定位对时效性要求很高，所能利用的已知信息又很少，且定位结果精度与速度对地震预警成功与否有直接影响。因此，常规地震定位方法并不适用于地震预警（夏季，2013）。四川地震预警系统JEEW超快速报定位模块采用Horiuchi等（2005）提出的“着未着”定位方法，该方法综合考虑已触发台站的到时信息与未触发台站的约束，通过计算理论到时与观察到时残差加权平方和最小来实现地震预警定位。“着未着”定义Tnow为最先两台站触发后的任意时刻，在Tnow时刻未记录到地震信号的台站需要满足表达式（1），式中表示数据传输延迟，Thi（φ，λ，h，t）表示基于波速结构均匀假定条件下由震源信息（φ，λ，h，t）得到的台站理论到时。如图2a所示，假定波速均匀，按照Rydelek等（2004）的方法，虚线圆为在Tnow时刻地震波的传播范围，双曲线是根据最先触发的两台站（如图2a中的A，B台）的震相到时信息确定的震中位置所在的双曲线，闭合椭圆是根据未触发台站信息缩小的震中区域，椭圆内的实心圆即为地震震中位置。根据最先触发的两个台的走时和Tnow确定的可能震中区域，用图2b网格搜索算法确定到时残差加权平方和最小的位置为震源位置，并随着检测到的震相数的不断增加，持续地对定位结果进行更新。“着未着”定位方法不仅可以实现连续地震定位，还可以辨认和移除错误震相。

图2 “着未着”定位方法示意图（Horiuchi et al，2005；Rydelek et al，2004）

四川地震预警系统JEEW超快速报定位模块通过初始地震波最大振幅、台站震中距与震级的经验关系估算地震震级的大小，M震级经验公式为（2），Av为初始波振幅（单位：cm/s），r为台站震中距（单位：km）。该公式比较适用于5 km≤Δ≤200 km的台站，震中距在200～500 km的台站参加震级计算时，其权重应设为0.001，震中距大于500 km的台站不参加震级计算。震中预测地震烈度计算公式为（3），其中I0为地震震中烈度。预警目标地区预测地震烈度计算公式为（4），其中I0为地震震中烈度，d为震源距（单位：km），目标地区预测地震烈度值采用四舍五入保留整数。

2 预警系统超快结果与目录结果对比分析

由于地震预警系统对信息有高度时效性的要求，预警定位过程中可以利用的信息十分有限，必须合理地对已有信息进行组合，或者对定位结果质量进行定量评估，以便获取稳定可靠的地震定位结果（金星等，2012），因此，进行四川地震预警系统超快结果偏差分析不仅可以查找定位结果出现较大偏差的原因，修正地震预警定位中一些未被发现的问题，还可以对台站建设提出合理化的建议。地震预警定位结果产出的速度和质量直接影响到地震预警的成败，地震预警系统中的“连续超快定位”是指利用单个台站触发信息逐渐过渡到利用多个台站触发信息的完整地震预警定位，该过程中，超快速报定位模块对一次预警事件会产出多个定位结果。研究时间段内共发生29个M≥4.0地震事件，这些地震属于四川省地震速报范围，中国地震台网正式目录结果见表1，其中有2个地震的震中位于云南地区，其余27个地震的震中位于四川地区。四川地震预警系统对这些地震事件均有触发和超快定位结果（快速测定地震三要素），事件触发率达100%，未发生M≥4.0地震误触发事件。通过对29个M≥4.0地震事件的连续超快定位结果进行收集整理，JEEW超快速报定位模块共处理出574个定位结果，每个地震事件平均约有20个连续定位结果，将这些结果与中国地震台网正式目录结果进行对比，剖析四川地震预警定位结果的速度和精度，打好地震预警工作的基础。

2.1 发震时刻偏差

以中国地震台网正式目录结果为准，求解574个连续地震预警定位结果的发震时刻差（预警地震发震时刻减去目录地震发震时刻的差），并将求得的各发震时刻差的绝对值作为发震时刻偏差。由图3a可知，574个地震预警定位结果的发震时刻偏差为0～12 s；发震时刻偏差在工0～0.5 s的有400个，占比为69.7%；发震时刻偏差在0.6～1.0 s的有92个，占比约为16.0%；发震时刻偏差在1.1～2.0 s的有56个，占比为9.8%；发震时刻偏差在2.1～5.0 s的有11个，占比为1.9%；发震时刻偏差大于5.0 s的有15个，占比为2.6%。发震时刻偏差在0～2.0 s的有548个，占比约为95.5%，由此可知，地震预警定位结果的发震时刻的准确度还是比较高的，基本能控制在2 s以内，计算结果比较稳定，可以作为紧急地震预警信息进行推送（或发布）。通过对15个发震时刻偏差大于5 s的地震事件进行原因核查，发现引起发震时刻偏差较大的主要原因有：1）台站数据出现钟差问题，近台钟差对地震自动定位结果的影响非常大；2）台站波形数据出现干扰问题（或出现叠加地震，干扰主要来自简易烈度计），造成软件无法准确识别地震波初至震相到时（或出现震相到时误差较大）；3）震中距大于250 km的较远台参加自动定位时，发震时刻偶尔出现不稳定的突跳现象。图3b是地震预警终端接收的预警结果发震时刻差图例（图中横坐标中的次数与表1中的编号一一对应），由该图可知，M≥4.0地震预警结果的发震时刻偏差均位于正常偏差范围（即-2.0～2.0 s），也说明JEEW超快速报定位模块自动地震定位模块确定的发震时刻结果较好，可以直接向地震预警终端推送。

表1 M≥4.0地震目录结果

图3 M≥4.0地震发震时刻偏差

2.2 震中位置偏差

震中位置偏差（ΔE）的计算公式见（5）：

上式中，λ1、φ1分别为超快定位结果震中经、纬度，λ2、φ2分别为中国地震台网正式目录结果震中经、纬度。

由图4a可知，574个地震预警定位结果的震中位置偏差为0～100 km；震中位置偏差在0～10 km的有557个，占比为97.0%；震中位置偏差在10～30 km的有12个，占比为2.1%；震中位置偏差在30～50 km的有3个，占比为0.5%；震中位置偏差大于50 km的有2个，占比为0.4%。震中位置偏差在10 km以内的占全部结果的97.0%，由此可知，地震预警定位结果的震中位置可以作为紧急地震预警信息进行推送（或发布）。通过对连续预警定位结果中2个震中位置偏差大于50 km的对应地震事件进行原因核查，发现引起震中位置偏差较大的主要原因有：1）参与定位的台站数少于4个；2）出现钟差问题，近台钟差对地震自动定位结果的影响非常大；3）台站波形数据出现干扰问题（或出现叠加地震，干扰主要来自简易烈度计），造成软件无法准确识别地震波震相到时（或出现震相到时误差较大）；4）台站分布稀疏且孔隙角较大。

图4 M≥4.0地震震中位置偏差

图4b是地震预警终端接收的预警结果震中位置偏差图（图中横坐标中的次数与表1中的编号一一对应），由该图可知，29个地震预警结果的震中偏差为2～88 km；偏差值小于15 km的有24个，占比为82.8%；其它5个地震震中偏差值均大于20 km（会造成部分地区的地震预警时间至少延迟5 s），占比为17.2%，其分别为：2019年1月3日四川珙县M5.3地震（编号1，偏差值为49.3 km）、2019年6月22日四川长宁M5.4地震（编号14，偏差值为23.9 km）、2019年12月9日四川安州M4.5地震（编号23，偏差值为21.4 km）、2019年12月18日四川资中M5.1地震（编号24，偏差值为32.2 km）和2020年2月3日四川青白江M4.9地震（编号29，偏差值为88.0 km）。由此说明，JEEW超快速报定位模块自动地震定位的大部分M≥4.0地震震中位置结果较好，少数震中位置结果偏差较大。

2.3 震级偏差

以中国地震台网正式目录结果为准，求解574个连续地震预警定位结果的震级差（预警地震震级减去目录地震震级的差）。由图5a可知，574个连续地震预警定位结果的震级差为-2.5～0.5；震级差在0.0～0.5的有54个，占比为9.4%；震级差在-0.5～-0.1的有272个，占比为47.4%；震级差在-1.0～-0.6的有191个，占比为33.2%；震级差在-1.5～-1.1的有39个，占比为6.8%；震级差在-2.0～-1.6的有6个，占比为1.0%；震级差在-2.5～-2.1的有12个，占比为2.1%。根据表1和图5a中的数据统计得知，连续地震预警定位结果震级差在-0.5～0.5的个数占比为56.8%，占总数的一半多，还有一半的连续地震预警定位结震级值都偏小；表1中21个4.0～4.9级地震所对应的多个连续地震预警定位结果震级平均偏小约0.5级，表1中7个5.0～5.9级地震所对应的多个连续地震预警定位结果震级平均偏小0.8级，表1中1个6.2级地震所对应的多个连续地震预警定位结果震级平均偏小1.0级。由此可知，M≥4.0地震预警定位结果震级值通常偏小，且随目录震级的增大，其偏小的趋势越明显。通过对连续预警定位结果中57个震级偏小1.0级的对应震事件进行原因核查，发现引起震级偏小的主要原因有：1）仅采用了50 km内的近台波形数据计算震级；2）近台S波限幅；3）仅采用了近台简易烈度计记录波形数据计算震级。

图5b是地震预警终端接收的预警结果震级差图（图中横坐标中的次数与表1中的编号一一对应），由该图可知，29个地震预警结果的震级差为-2.5～0.2；偏差值在-1.0～0.2的有24个，占比为82.8%；其它5个地震震级差均小于-1.0级，占比为17.2%，其分别为：2019年6月17日四川长宁M6.2地震（编号8，偏差值为-1.3）、2019年6月17日四川珙县M5.5地震（编号9，偏差值为-1.7）、2019年6月22日四川长宁M5.4地震（编号14，偏差值为-1.4）、2019年7月3日四川长宁M5.3地震（编号17，偏差值为-1.1）和2019年7月4日四川长宁M5.3地震（编号18，偏差值为-2.5）。由此说明，JEEW超快速报定位模块自动地震定位的大部分M≥4.0地震震级偏小，故在震级计算公式中应考虑设置合理的校正系数。

图5 M≥4.0地震震级偏差

2.4 地震预警速度

通过对2019年1月1日至2020年2月3日四川及邻区发生的29个M≥4.0地震事件预警时间进行统计（见图6，图中横坐标中的次数与表1中的编号一一对应），得知：29个M≥4.0地震事件的预警时间为3.1～18.7 s，平均预警时间为11.1 s；预警时间在秒级以内的有6个，占总体的20.7%，最快的为2019年12月18日四川资中M5.1地震（编号25）和2020年1月1日四川富顺M4.3地震（编号25），JEEW超快速报定位模块自动定位仅用时3.1 s；预警时间在10～15 s的有20个，占总体的69.0%；预警时间在15～20 s的有3个，占总体的10.3%，最慢的为2019年2月25日四川荣县M5.1地震（编号3），JEEW超快速报定位模块自动定位用时18.7 s，通过对四川荣县M5.1地震预警时间较慢的原因进行核查，发现其主要因素是台站数据传输的延时过大。总体来说，29个地震的预警时间绝大多少集中在5～15 s，且随着后续项目台站密度的增加，地震预警速度还会加快。

图6 震后四川地震预警系统发出预警的时间

3 四川长宁6.2级地震速报烈度结果分析

JEEW超快速报定位模块首先在地震发生后通过判断S波是否到达以及P波幅值是否达到阈值，然后根据条件判断是否启动烈度速报计算模块。烈度速报模块首先对波形数据进行基线校正和加速度积分成速度两个步骤（这两步均未进行数字带通滤波处理），然后采用ShakeMap内置衰减关系、GMT内置插值算法以及Vs30场地效应经验模型，使用三分量合成PGA（地震动加速度峰值）和PGV（地震动速度峰值），最后直接产出烈度速报计算结果。

根据中国地震台网正式目录，2019年6月17日22时55分43秒四川长宁发生6.2级地震，震 中 位 置 为28.36°N，104.88°E，震源深度8 km，属于浅源地震。此次地震VI度区及以上总面积为3 058 km2，等震线长轴呈北西走向，长轴72 km，短轴54 km，Ⅷ度区面积为84 km2，Ⅶ度区面积为436 km2，VI度区面积为2 538 km2，此外，位于VI度（6度）区之外的部分地区也受到波及，个别老旧房屋出现破坏受损现象（见图7；中国地震局，2019）。图8是2019年6月17日四川长宁地震的速报烈度、PGA和PGV分布图。比较图7和图8可知：（1）速报烈度图（图8a）仅采用点圆模型绘制等值线图，未考虑破裂方向和破裂长度等因素，在中强以上地震应用时效果较差；（2）速报烈度图（图8a）的极震区有空白颜色区，无相应色标值，含义不明；（3）速报烈度图（图8a）与现场调查烈度图（图7）差别较大。另外，预警速报PGA和PGV等值线点的可读性不高（图7b、c），利用实测值修正模型预测值的效果不理想。

图7 2019年6月17日四川长宁地震现场调查烈度（中国地震局，2019）

图8 2019年6月17日四川长宁地震的速报烈度、PGA和PGV分布

4 结论与建议

2019年1月1日至2020年2月3日四川及邻区共发生29个M≥4.0地震事件。在此基础上，四川地震预警系统JEEW超快速报定位模块共处理出574个连续超快定位结果，每个地震事件平均有20个连续定位结果。通过对连续超快定位结果和预警终端接收结果与中国地震台网正式目录结果进行对比分析后得出几点结论：（1）JEEW超快速报定位模块自动地震定位的发震时刻结果较好，可以直接向地震预警终端推送；（2）82.8%的M≥4.0地震震中位置结果较好，其他0.9%的M≥4.0地震震中位置结果偏差较大；（3）超快速报定位模块自动定位的M≥4.0地震震级普遍偏小，在震级计算公式中应考虑设置合理的校正系数；（4）29个M≥4.0地震的预警时间大多集中在5～15s，随着后续项目台站密度的增加，地震预警速度还会加快；（5）速报烈度图与现场调查烈度图差别较大，还有待进一步完善。

针对四川长宁6.2级地震预警速报烈度图提出几点建议：（1）在PGA和PGV等值线图和推测烈度图中增加数值标注；（2）可以适当增加PGA和PGV值散点图和仪器烈度散点图；（3）结合经验模型与实测值综合绘制仪器烈度图、PGA等值线图和PGV等值线图，并在处理过程中考虑破裂长度、破裂方向和场地效应校正等因素。