东北地区地震大形势预测回溯性检验①

曹凤娟，王 亮，李 君，殷轶娜，杨牧萍

（1.辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110031；2.沈阳地震台，辽宁 沈阳 110161）

0 引言

通过长期的地震预报实践与研究，我国逐步形成了中国特色的长、中、短、临渐进式地震预报科学思路。地震孕育具有阶段性发展的特点，不同阶段显示不同特征的异常，因而有可能依据观测到的具有阶段性特征的前兆异常进行阶段性预报［1］。其中应用最广、工作最系统、积累资料最完善的是年度中期预测［2］。地震大形势预测是我国地震工作者开创的地震预测研究中的一个重要环节，成为年度地震趋势会商的重要组成。所谓地震大形势，就是以大的背景概况来预测未来强震发展趋势，即选用全区域、全国、或者全球的地震和大板块之间的相互影响、大构造的相互作用、GPS资料等方面信息对研究区域或周边区域进行未来1～3年的强震预测分析，为各省的年度趋势预测提供背景依据和参考［3］。东北地震大形势研究基于东北深浅震相关和浅震大约11年的活跃—平静期，为东北三省的中短期地震预报提供了积极的指导作用［4－6］。然而东北地震大形势判定也面临许多的困难和问题，如震级估计偏高、虚报率较大等等。为了推进东北地震大形势预测的科技进步和提高预测水平，对东北地震大形势预测工作进行全面系统的科学总结十分必要。

本文通过回顾1998年以来东北地震大形势研究工作的科学思路和主要内容，对支撑地震大形势预测的方法、技术，地震大形势预测效果和预测依据进行客观的总结和评估分析，从而提炼有一定映震效能的判据，作为今后东北地震大形势研究工作的参考和依据。

1 预测情况回顾

1998年以来地震大形势预测报告在东北地区共圈定地震重点危险区8个，地震应注意地区10个（表1）。1998－2003年圈定的地震重点危险区主要集中在渤海海峡及邻近地区；2004－2005年主要集中在辽蒙交界及其以西地区（巴林左旗—彰武）；2007－2008年主要集中在黑吉蒙交界地区；2009年以来未划地震重点危险区，只提及了一些地震应注意地区，预测震级强度大部分在M5～6左右。预测的主要依据有地震条带和空区、中等地震活动增强、东北浅源地震活跃期，深浅震相关、地质构造背景、地震活动性参数扫描和前兆异常等。

2 预测结果分析

2.1 预测结果

由表1可见，在1998年以来的14份东北地震大形势预测报告中，有8个年份（1998、1999、2000、2001、2004、2005、2007和2008年）圈定了地震危险区，其余年份未圈定危险区。预测年度中第一年度的地震实况检验结果显示：预测结果正确的年度报告有8份（1999、2000、2002、2004、2008、2009、2010和2011年）；不正确的有6份。其中虚报的有1998年、2001年、2005年和2007年4份，尽管这4份报告中预测的第一年度没有发生5级以上中强震，但在接下来的一年，其中的2个年度（1999和2008年）在预测危险区附近发生了M≥5.0地震，即在1998年报告中预测渤海海峡地区有发生5～6级地震的危险，而1998年该地区没有发生5级以上地震，但第二年在渤海海峡地震危险区附近发生了1999年11月29日岫岩5.4级地震；2007年报告中预测黑吉蒙交界地区有5～6级地震的危险，但预期的地震并没有在2007年发生，而是在2008年6月10日即预测年度的第二年发生了阿荣旗北5.2级地震。具体情况见表2。

表1 1998年以来东北地震大形势预测报告主要结论及依据Table 1 The main conclusion and the bases on the large scale earthquake situation forecast reports since 1998in the northeast China

表2 1998年以来东北地震大形势预测结果检验Table 2 The inspection results of the large scale earthquake situation since 1998in the northeast China

2.2 结果分析

由表2可以看出，若考虑东北地震大形势对未来1～2年的预测结果，则14个年度报告中正确的有10个，正确率为10／14≈71%。漏报的年份有2003年、2005年和2006年，占预测年份的21%，漏报的地震为2003年8月16日巴林左5.9级、2005年7月25日黑龙江林甸5.1级和2006年3月31日前郭5.0级三次地震。虚报的年度有1998年、2001年、2005年和2007年，占预测年份的29%。2001年度报告预测的震级为5～6级，但预测的1～2年度内实际发生的最大震级为ML5.1（2002年7月23日北黄海ML5.1）。2005年地震大形势预测辽蒙交界地区未来1～3年有发生5～6级地震的危险，预测年度内辽蒙交界地区并没有发生5级以上地震，而2006年3月31日在吉林前郭发生5.0级地震，与预测地点偏差较大。综观14年的东北地震大形势研究报告，预测结果准确、虚报和漏报时的主要依据如下：

（1）预测正确时的主要判据

●东北浅源地震活跃—平静期（地震活动周期）

●东北地区深浅震相关性

●中等地震活动集中增强

●中小地震活动图像（空区和条带）

（2）预测不正确（虚报）时的主要判据

●地质构造背景和历史地震活动

●地震活动性参数扫描

●前兆异常集中

（3）预测不正确（漏报）时的主要判据

●东北浅源地震活跃—平静期（地震活动周期）

●中小地震平静

可见，通过以上的总结和提炼，历年东北地震大形势报告中经常采用的分析方法和指标主要有东北浅源地震活跃—平静期（地震活动周期）、东北地区深浅震相关性、中等地震活动集中增强、中小地震活动图像（空区和条带）、地震活动性参数扫描、地质构造背景和历史地震活动、前兆异常集中及中小地震平静等8项。统计发现，预测报告中每年给出的异常指标数量与次年最大震级没有明显的关联（图1）。分析其原因可能是：（1）不同的人分析前兆异常的方法和提取的指标不同，造成异常的使用没有可比性［7］；（2）每年报告里给出的异常并不是全年出现过的异常仅仅是年底写报告时存在的依然有预报时效的异常，因此这些异常刻画的不是全时空的，而是局限在某个时段的异常特征。因此地震大形势季度跟踪研究报告在很大程度上可充分体现前兆异常的动态时空演化，这项工作更有应用价值。此外各项指标的映震能力也不尽相同（表3）。

中小震增强与平静由1990年以来东北地区ML≥2.0地震年频次的均值线界定，上下浮动范围≤20次／年（图2）。

从表3中可直观地看出，东北浅震活跃—平静期和深浅震相关（即东北浅源地震活跃—平静周期约为11年、深浅震有一定的相关性，通常浅震滞后深震1～12个月（图3）、构造背景与历史地震、空区和条带以及地震活动性参数扫描在历次M≥5.0地震前都有很好的异常显示，直观看映震能力都超过50%，但虚报率和漏报率体现不出来。尤其是东北浅震活跃—平静期以及构造背景和历史地震，这种背景性的长趋势的异常在无震年份也依然存在，虚报率很高。另一方面，尽管中小震活动增强在7次地震中只有3次震前有异常显示（1999年岫岩5.4级、2003年巴林左5.9级和2008年阿荣旗北5.2级），但在无震年份该项指标都很少出现异常显示，也就是虚报率小。可见，地震预报方法的有效性显然不能单纯以一次预报的成功与否来评价，需要应用统计学理论进行检验和评分。当前地震系统使用较多的是许绍燮1989年提出的R值评分，其后又经许多地震学者完善［8－14］，现已成为常规的地震效能评价方法。

表3 东北地区5级地震前各指标的映震情况Table 3 The reflect earthquake situation of each indicator before M＞5earthquakes in northeast China

图1 年度报告异常指标数量与次年最大震级Fig.1 The abnormal numbers of annual reports and maximum magnitudes in next year

图2 1998年以来东北地区ML≥2.0地震频次Fig.2 The seismic frequency（ML≥2.0）in northeast China since 1998

3 预报效能评价

为了更好地评估各指标的映震效能，本文采用地震系统常用的地震预报效能评估方法－R值评分和概率数理统计中的贝叶斯点估计方法［15－16］，进一步给出了各指标的报准率、虚报率和漏报率，见表4。

图3 东北地区深震和浅震M－T图Fig.3 The M－Tdiagrams of deep and shallow earthquakes in northeast China

表4 东北地震大形势报告中各指标预测能力评估Table 4 Prediction capability assessment for each index in the large scale earthquake situation in northeast China

所谓贝叶斯点估计方法，就是在给定分布参数θ的先验分布ζ（θ）的条件下的最大风险最小估计，实际上就是数理统计学中由小样本抽样母体分布参数的估计问题。本文只引用以下简单公式：

其中，p为该指标有异常显示后续有M≥5.0地震发生的概率（报准率）；q为该指标有异常显示但后续无M≥5.0地震发生的概率（虚报率）；r为该指标无异常显示，但后续有5级以上地震发生的概率（漏报率）。n为有震年份，m为震前有异常显示的年份，s为有异常显示但后续没有地震发生的年份，t为震前无异常显示的年份，y为无震年份。

由表4可以看出，在历年的东北地震大形势预测依据中，中小地震活动增强、空区和条带以及地震活动扫数扫描等对危险区预测结果贡献较大，特别是中等地震活动的增强是东北地区M≥5.0地震前的主要震兆之一［17－18］。进一步研究发现，这几项指标所代表的都是与地点有关的信息。事实上，在1～3年尺度的地震大形势预测中，时间是确定的，需要回答的问题只是地点和强度，由东北地区地震地质和历史地震可知，东北地区的地震强度大部分在M5～6的水平，可见在地震预测三要素中，地点预测是最困难的［19］。而对地点预测有某种指示意义的上述三项指标恰恰映震能力较好，R值评分均超过0.22。

活跃—平静期、前兆异常、构造背景以及历史地震活动等在预测时，虚报的概率较大，二者或许对长趋势的预测起一定的借鉴作用。分析原因主要有：（1）东北地区活跃期与平静期二者转换期没有明显的界定指标，由图3可知东北5级以上浅震活跃期平均是11年，见表5。但1999年岫岩5.4级地震开始的第五活跃期，若按11年计算，应该到2010年结束，其实从2008年6月10日阿荣旗北5.2级地震后，东北地区再未发生5级以上地震。因此正确判断某一地区地震活动目前所处的状态（活跃状态还是平静状态）以及活动的水平，可适当提高危险区预测的准确性，减少虚报率。比较容易的是不要将某一地区已经进入平静状态误认为还是活跃状态，此时不划或尽可能少划地震危险区，对应率就能提高，如2009年以来东北地区开始没划危险区，地震实况表明近三年东北地震大形势无震的预测结果是正确的。（2）有些前兆异常对应的不是危险区而是邻区或外区的地震，如辽西地区的前兆异常（朝阳倾斜等）在华北一些5级以上地震前也可能有部分异常显示［20］。（3）不同的人分析前兆异常的方法和提取的指标不同。

表5 东北M≥5.0地震平静—活跃期Table 5 The quiet periods and active periods of M≥5.0 earthquakes in northeast China

4 认识与讨论

（1）1998年以来东北地震大形势所划的8个地震危险区主要集中在渤海海峡及邻近地区（4次）、辽蒙交界地区（2次）、黑吉林蒙交界地区（2次）。地质构造背景和地震活动实况也表明上述三个地区及邻区为东北中强震的主体活动地区，历年报告对东北危险区的把握较好，东北地震大形势第一年度趋势预测准确率为57%，1～2年度预测准确率为71%。

（2）东北地震大形势预测判据主要有8项，其中中小地震活动增强、空区和条带以及地震活动性参数扫描等3项地震学指标可靠性较高，R值评分均大于0.22。统计结果显示预测报告中每年给出的异常指标数量与次年最大震级没有明显关联，但中强震前中小地震活动增强是东北地区地震活动的主要特征之一。活跃—平静期、构造背景以及历史地震活动等在预测时，虚报的概率较大，二者或许对长趋势的预测起一定的借鉴作用。正确判断东北地区地震活动目前所处的状态（活跃状态还是平静状态）以及活跃—平静期转换的界定指标，可适当提高危险区预测的准确性，减少虚报率。

（3）报告中缺乏基于地球物理场动态观测资料的大震中期预测判据，历年来判定地震趋势的判据仍然主要是对地震活动统计分析和类比，归纳的多，演绎的少。少量地球物理动态观测资料例如GPS等资料积累时间较短，时空分辨率、覆盖面都不足。

（4）通过对1998年以来东北地震大形势的回顾与总结，从中发现目前1～3年地震形势的预测分析以统计性、定性判定依据为主，主要基于震例资料的统计和定性对比分析，反映大地震孕育和发生物理过程的资料非常有限。地震大形势的分析与研究是地震短临预测的基础，它主要依靠地震本身，也就是在一定地域范围内地震括动在时问进程上所处的状态—平静或活跃，因此预测意见主要针对处于平均地震活动水平的趋势的判定，对偏离平均水平情况时的把握很低。

总之，基于现有资料基础和认识水平，难以根本改变目前地震大形势预测的分析方法和水平，今后应在努力提高统计分析严谨性的同时，尽可能多地获得并采用多学科观测资料，在不断总结经验的基础上，加强基础观测的研究，从地球物理场动态变化的角度来分析地震趋势的发展。

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