辽宁省烈度速报算法研究及其在灯塔地震中的检验①

梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蒋　越， 李　莹

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)



技术交流

辽宁省烈度速报算法研究及其在灯塔地震中的检验①

梁永朵， 姜金征， 戴盈磊， 蒋越， 李莹

(辽宁省地震局，辽宁 沈阳 110034)

摘要：立足于辽宁省烈度速报的实际需求，在多种地震烈度算法的研究基础上，结合震害实际，从滤波、场地校正、网格计算、烈度计算、已知震源计算等方面进行探索和试验，提出一种新的实时地震烈度计算的方法，并在辽阳灯塔5.1级地震中得到实际检验。

关键词：烈度速报； 烈度算法； 灯塔5.1级地震

0引言

为了实施迅速、有效的地震应急措施，最大限度地减轻地震灾害，首先必须了解地震的影响大小和范围。目前，借助于分布广泛的地震监测台网，在震后几分钟内获知地震的震中位置及震级已不再是问题。但是地震产生的破坏并非这两个参数的简单函数，且过于粗略的地震影响估计也不能满足地震应急反应的需要[1-2]。烈度速报台网是架构在数字强震动台网系统基础上，通过强震动的实时监测以实现地震烈度速报，为政府地震应急反应决策、震害快速评估和震后重建提供科学依据，对建立有效的震灾预防体系、减轻灾害损失具有重要的作用。

地震烈度速报台网的速报结果只是速度和加速度的记录，利用相应的公式计算得到该点所对应地震烈度，即仪器烈度，其反映的并不完全是现行国内烈度评定表所对应的烈度。但为了实现地震烈度速报，决策部门希望在实际现场考察前，实时地或近实时地通过仪器响应得到基本准确的地震烈度分布结果，以实现震后救灾决策。地震烈度速报台网首要解决的问题是实现地震烈度的实时和准实时计算，因此地震烈度速报算法成为关键问题。

近年来，随着强震观测台网的建设和发展，利用实时或准实时的强震台站实测的地震动记录进行地震动强度(烈度)速报，越来越受到世界各国的高度重视。目前美国、日本、中国台湾、中国地震局工力所[3]、福建地震局等[4]国家、地区和部门进行了地震烈度计算方法研究，但国外、中国台湾的地震烈度体系与中国大陆不完全相同，且其地震烈度算法又各有不同。辽宁省“十二五”期间购置了广东珠海泰德公司Smart烈度速报系统软件，其采用的烈度算法延用了美国Shakemap的思路和方法，由于受台网密度、场地条件限制，该算法并不完全适合辽宁省烈度速报烈度计算要求。因此在参考其他研究成果的基础上，拟探究一套能满足辽宁省地震烈度速报实时算法，并嵌入Smart烈度速报系统，进而完善烈度速报系统，提高地震灾害快速评估水平。

1烈度计算方法

1.1烈度速报算法确定原则

(1) 地震仪器烈度应与宏观烈度有较好的对应关系

地震仪器烈度作为反映地震动强度的定量物理标准，首先必须能够比较合理地反映地震的影响程度，与震害后果有较好的对应关系[5]。为了使地震仪器烈度与由中国地震烈度表评定的烈度相联系，保持烈度评定的连续性，本研究继续沿用中国地震烈度表所规定的烈度等级。换言之，地震仪器烈度标准应与中国地震烈度表有一定的继承性和连贯性。

(2) 地震仪器烈度物理参数应与引起结构振动破坏的因素有较好的因果关系

在选择地震动物理参数时应充分考虑我国房屋结构物的主要频带范围(0.3～3.0 Hz)[6]。但很多研究结果都表明，相对于强度而言，地震动频谱参数和持时对烈度的影响是次一级的因素，它们只在一定强度(幅度)下才会对烈度结果产生影响，因此地震本身的主要频率对建筑的破坏，尤其是近场建筑物破坏不可忽视。综合考虑辽宁地区地震主周期频率为0.3～10 Hz，因此本文选取0.3～10 Hz带通滤波，既考虑到地震主周期频率成分对烈度的影响，又使烈度结果不过多受突兀尖峰值影响，更趋近合理和稳定。

(3) 地震动参数选择中应充分考虑三分量地震动的影响

目前很多研究结果表明，相比水平向地震动，竖向地震动的幅值普遍偏小，竖向地震的幅值只在震中附近很小区域内比较显著。因此，通常情况下都只是以两水平向地震动的峰值评定烈度，我国现行地震烈度表中也是以两水平向地震动的峰值为标准列出了Ⅴ～Ⅹ度时的参考物理指标。但从近几年发生的一系列大地震的强震观测记录中可以明显看到，在震中附近竖向地震动的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的还要大，所以在选择仪器烈度计算的地震动参数时应综合考虑三分向地震动时程对仪器烈度的影响。

(4) 仪器烈度计算方法简洁并具有一定的通用性，计算结果稳定可靠

本研究只考虑地震动参数的主要因素，计算方法应尽量简洁，便于实际操作运用。考虑到辽宁省实际震害水平，依然延用中国烈度计算公式[7]。

1.2采用的烈度计算方法

综合各种烈度算法思路(图1)，辽宁地区地震烈度的计算按以下几步实施：

图1　烈度速报技术思路Fig.1　Technical ideas of intensity rapid report

(1) 场地校正

根据台站的安装位置(基岩、土层等)初步确定台站的场地放大系数[8](场地放大系数为该台站相对基岩台的运动幅度比值，当台站在土层或基岩上时，ShakeMap给出了根据基岩的年代和波速来初步确定其系数的表格)，但最终的场地放大系数应根据相应的拟合公式和现场考察的结果来最终拟合确定(中国台湾也是采用类似的方式确定场地放大系数)。

ShakeMap中对场地效应作出了非常明确的评判，即要求所有台站在进行正式烈度计算前，必须根据台站的实际安装位置(ShakeMap 要求将所有台站的记录修正到基岩台站)进行场地效应的修正。

对于辽宁省烈度速报台网而言，由于强震台的安装环境各不相同，有的安装在基岩台站上，有的安装在土层台上。从实际观测的效果来看，几乎所有台站在每次地震中均呈现一致性地偏移(即在所有地震中单个台站的相对加速度记录值偏大或者偏小)，即台站存在场地效应。最终，场地效应参照ShakeMap Small Regression的拟合公式实现修正[9]。

(2) 网格计算

参照ShakeMap的思路，绘制地震烈度图需要进行网格的计算。网格的计算对实时系统而言能减少系统的计算量，但通过插值方式绘制地震烈度分布图可能降低其精度。

(3) 滤波及烈度值计算

①采用带通滤波器，在0.3～10 Hz频率域内对三分向地震动加速度时程分别滤波；

②由滤波后的三分向地震动加速度时程计算合成加速度时程：

(1)

③利用中国烈度表示方法计算烈度值。

(2)

(3)

(4) 烈度图绘制

①利用已有的台站加速度值大小构造一个粗略的、间隔统一的仿真台站网格；

②根据台站的加速度值或速度值确定台站的烈度值；

③利用等距离插值法构建仿真台站的烈度网格；

④根据烈度网格点绘制整个区域内的地震烈度分布等值线。

(5) 已知震源的计算

实际地震定位中，尤其是大地震定位中，宏观震中与地震定位软件得到的理论计算震中不一定完全吻合，所以采用未知震源的烈度计算很有必要，但在本系统的烈度速报中存在一定的难度和不确定性。因此，结合实际震害结果和台网密度等情况，烈度分布图采用已知地震震源为断裂带震源时的结果。

2灯塔5.1级地震实际检验

据辽宁省地震台网测定，2013年1月23日12时18分在辽宁省灯塔市附近(41.5° N，123.2° E)发生5.1级地震。该次地震发生在营口—佟二堡断裂附近，属于郯庐断裂带北段的地震活动。地震震中距沈阳市主城区37 km、距灯塔市13 km、距辽阳市26 km、距鞍山市38 km。据了解，震中及上述区域强烈有感，辽宁全省有感。

据统计，该次地震从辽宁省强震动台站获取22组三分量加速度记录,总计66条，获取记录震中距范围从16～370 km不等，距离震中最近的辽阳台的强震记录经校正后，三分向合成加速度值为24.5 cm/s2。

震后10分钟由烈度速报数据处理Samrt系统自动绘制出烈度分布图，震后30分钟即绘制出较详细的加速度分布图及烈度分布图(图2)，为震后救灾和应急震后快速评估提供了客观依据，充分显示了烈度速报系统的实用价值和应用价值。

图2　灯塔5.1级地震仪器烈度Fig.2　Instrumental seismic intensity of the Dengta M5.1 earthquake

获取灯塔5.1级地震的数字强震动仪主要有GDQJ-Ⅱ型、GSMA-2400IP型2种，使用SLJ-100型、BBAS-2型力平衡式加速度计，采样率一般为200 sps，事前存储时间为30 s，事后存储时间为30 s，频率范围在0～80 Hz之间。

表1列出了获取此次地震记录的强震动台站基本参数。图2为根据获取记录台站计算的烈度分布图。从图2中可以看出，震中区烈度为Ⅵ度，其范围约40 km2。

3认识与讨论

泰德公司烈度算法基本延用了美国Shakemap的方法，由于该方法烈度值计算和衰减关系方面适用于美国地区，如果进行系数校正需要大量震例数据支撑，显然辽宁省强震动台网由于运行时间较短，且中强震例相对较少，很难做到这一点。因此，适当的改进烈度算法将有利于提高烈度速报系统的速报精度。

改进的烈度算法相对原泰德公司烈度算法更适合辽宁地区的地域特点(表2)，其具备5点优势：(1)在滤波方法上考虑了中国建筑物的周期性(0.3～3 Hz)和辽宁地区地震的卓越周期(8～12 Hz)对峰值的影响。既考虑到地震主周期频率成分对烈度的影响，又使烈度结果不过多受突兀尖峰值影响，更趋近合理和稳定；(2)从近几年来辽宁地区发生的M≥3.0地震中获得的强震观测记录中统计得到，在震中附近竖向地震动的峰值是不能被忽略的，有的甚至比水平向的还要大,因此在峰值计算方面考虑了垂直向的影响；(3)在衰减关系选用方面，考虑到辽宁省中强震活动水平较低，不利于修正Shakemap的衰减关系系数，所以延用了东北地区的衰减关系；(4)考虑到烈度计算方法应尽量简洁，便于实际操作运用，故在烈度值计算时继续应用适合中国大陆地区的中国烈度表算法；(5)在烈度图绘制时综合考虑了辽宁省强震动台网密度较低及该地区地震主要以中强地震活动为主，采用了震源参与烈度图绘制计算的思路。实际表明，灯塔5.1级地震震中区附近并没有强震动台站触发，但由于采用了震源参与计算烈度的方法，极震区烈度计算仍为Ⅵ度，与实际调查结果吻合(图2)。由图3可见，本文烈度算法计算得到的数据更趋于稳定，而原泰德烈度计算方法直接得到的地震烈度值离散度较高。

表 1　获取记录台站基本参数

表 2　烈度算法对比

图3　烈度算法结果对比图Fig.3　Comparison of results by two intensity algorithm

4结论

2012年初开始，辽宁省试运行泰德公司提供的烈度速报Smart系统，经实际震例检验，该软件明显存在“水土不服”问题，主要为烈度算法与本省震害实际不符。因此技术人员与泰德公司软件开发人员进行技术合作，通过技术创新，实现了技术相互融合，提出一种新的实时地震烈度计算方法，并经过辽宁灯塔5.1级地震检验，取得了良好效果，提升了烈度速报水平。

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Research and Testing of an Intensity Rapid Report Algorithm

for the DengtaMS5.1 Earthquake in Liaoning

LIANG Yong-duo, JIANG Jin-zheng, DAI Ying-lei, JIANG Yue, LI Ying

(EarthquakeAdministrationofLiaoningProvince,Shenyang110034,LiaoningChina)

Abstract：When making strategic disaster relief decisions, rapid and effective intensity assessment and distribution results are of utmost importance. For this process, an intensity rapid report algorithm is necessary, especially in areas such as Liaoning. In the study process, following principles must be followed: (1) The intensity grade must adhere to the Chinese Seismic Intensity Scale to communicate the instrumental intensity and maintain continuity of the intensity assessment. (2) With respect to the physical ground motion parameter, a 0.3～10 Hz band-pass filter must be selected because the main frequency bands of housing structures in China fall into this range. (3) When selecting the ground motion parameters of the instrumental intensity, the effect of three ground motion component histories for this intensity must be considered. (4) The method must be simple and general for overall use, and the results should be stable and reliable. We calculated the seismic intensity in Liaoning by the following steps: (1) Modification of the correction of the field effect using ShakeMap Small Regression. (2) Grid computation for real-time systems, which reduces the amount of computation but may also reduce the accuracy of the intensity map. (3) Filtration and intensity calculation. We use a band-pass filter in the 0.3～10 Hz frequency domain, filter the three-component ground motion histories, and then synthesize the acceleration time history. Finally, we calculate intensity values using the Chinese intensity method. (4) Plotting intensity distribution. We constructed a rough and uniform simulation station grid using an existing station acceleration value and determined the intensity value of the station by its acceleration or velocity. The intensity of the simulation station is constructed using the equal-distance interpolation method. We then plot the distribution of the equivalent seismic intensity in the entire region from the intensity of grid points. Combined with the actual seismic damage results and network density, we draw the intensity distribution map using the source of a fault zone. Finally, considering the DengtaMS5.1 earthquake in Liaoning as a test case, the intensity distribution map was automatically produced by the intensity quick report data processing system called Samrt in 10 min, which also produced a detailed acceleration distribution diagram and intensity distribution map in 30 min. These results prove that the proposed method is feasible.

Key words：intensity rapid report; intensity algorithm; DengtaMS5.1 earthquake

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2015.04.1136

中图分类号:P315.9

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2015)04-1136-05

作者简介：梁永朵，女，高级工程师,主要从事强震动观测技术研究。E-mail:liangyongduo1437@163.com。

基金项目：辽宁省地震局研究生基金(LNDZBSJJ002)

收稿日期：①2015-02-12