国际数据中心(IDC)*

郑　重

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)



中国全球地震台网建设预研

国际数据中心(IDC)*

郑重※

(中国地震局地球物理研究所， 北京100081)

应中国全球地震台网建设项目的需求， 对国际数据中心(IDC)进行了调研。 研究表明， IDC 能够对实时数据进行自动定位、 数据归档， 另外该中心可以对外发布信息， 对成员国进行数据交换与数据共享服务。

IDC； 中国全球地震台网； 数据管理； 数据归档； 数据服务

引言

中国全球地震台网建设预研项目主要对全球各大台网的分布、 组网方式、 通讯系统、 数据中心、 监测能力等进行详细调研。 为我国全球地震台网建设项目提供重要的参考信息以及建设依据。 这里对全面禁止核试验条约组织(Comprehensive Nuclear-Test-Ban Treaty Organization, CTBTO)的国际数据中心(International Data Center, IDC)进行调研。 IDC下属的台阵台站给地震学带来了重要的影响， 推动了地震学的发展[1-8]。

1　国际数据中心的历史

数据是禁止核试验条约(CTBT)核查的核心。 IDC的分析报告提供给成员国的信息需要建立这样的共识， 即一个疑惑的事件是否发生， 并且此事件是否是核爆炸。 IDC是CTBT核查机制最主要的部门， 它收集、 处理并分析了来自国际监测系统(International Monitoring System, IMS)337个设备的数据向成员国提供事件列表、 公报和报告， 以呈现分析结果。 基于这些信息， 成员国可以判断可疑事件。 IDC还在计算机中心存储所有数据和数据公报。

1.1在IDC的条约谈判

20世纪90年代初日内瓦裁军会议在讨论IDC功能的过程中， 达成一致， 即IMS监测数据需要地震学家进行处理和分析。 如果数据和数据分析指出一个可能的违反条约事件， 那么成员国有责任要求进行现场调查， 这个特权被成员国保留下来。 因此， 条约同意IDC向成员国提供监测数据和数据公报， 成员国将有能力对可疑事件进行判断。 而且， IDC将没有义务对可疑事件进行性质的最终判定， 而成员国保留了这项特权。

科学家进行了连续的3次试验， 用来检验核试验判别的监测技术和分析方法。 他们在美国的佛尼吉亚州的阿林顿国家公墓建立了一个试验数据中心PIDC。

1.2IDC原型

在CTBT被采用之前， IDC最初的雏形就已经存在了。 在日内瓦进行的裁军会议上，成立了一个国际专家组，即科学专家组(GSE)，他们自1976年后负责判断禁核试验条约的履行，研究监测技术和分析方法。

GSE执行了3次试验。 第一次科学专家组的技术试验GSETT-1在1984年进行， 是在所有参加者之间的参数交换。 第二次是在1991年进行的GSETT-2试验， 挑选的波形数据被收集在4个全球分布的数据中心并互相交换， 这4个中心分别在澳大利亚、 俄罗斯联邦、 瑞典和美国。

1995年1月1日， 第三次试验GSETT-3开始了， 主要为核查系统寻找新的技术， 一个试验的国际地震监测系统建立起来， 并由一个试验的数据中心与之互补， 即国际数据中心原型(PIDC)。 在这个试验的过程中， 位于美国佛尼吉亚州阿林顿国家公墓的PIDC开发了处理地震和水声数据的最初软件， 结果包括地震公报， 含有详细的检测并定位的地震列表。

IDC于1997年在维也纳建立， 并于1999年向成员国发送处理与分析公报。

1.3传递到维也纳

在1996年条约被采用、 全面禁止核试验条约筹备委员会建立之后， 数据中心的职能部门移到奥地利的维也纳。 新建立的国际数据中心于1997年开始传送数据和软件的处理结果， 在过渡阶段， 两个数据中心并行工作。 1998年， IDC产出了它的第一个数据产品； 一年后， 即1999年， 首个经过处理和分析的产品送到成员国手中。

2000年2月， 成员国确定IDC目前可以开始进行常规的数据分析与产品发布。 PIDC建立CTBTO IDC的职责也已经实现， 经过5年多的时间， GSETT-3胜利结束。

2　IDC概述

IDC可以从IMS设备接收、 收集、 自动处理、 交互分析、 报告并备份数据； 向成员国提供技术支持， 并不断地升级它的技术能力； 提供标准的IDC产品(http:∥www.ctbto.org/)。 地震数据到达IDC后首先进行台站处理， 即自动检测与特征抽取， 而后进行台网处理， 也就是自动事件处理与定位， 最后进行交互分析。 IDC产品有REB(Reviewed Event Bulletin)、 SEL(Standard Event List)和SSEB(Standard Screened Event Bulletin)。 目前每天都产生REB， 平均每天记录大约100个地震事件(图1)。

数据产品通过订阅、 Autodram或者特定网站获取。 数据主要样式如表1所示。 数据产品列表如表2所示。

表1　IMS数据(SHI， 波形数据)

表2　IDC数据产品

3　IDC 软件

IDC提供成员国台阵自动数据处理软件， 并定期升级(图2)。 自动数据处理软件能够实现自动检测、 定位地震事件， 并且对地震数据进行数字信号处理等必要的分析功能。 比如IDC提供的GEOTOOL软件， 可以对台阵数据进行F-k分析、 频谱分析和相关性分析等。

4　波形的数据处理与分析

每天， 数以亿计的波形数据从IMS到达维也纳的国际数据中心。 没有经过处理的这部分信息对于许多国家是没有用的， 需要尽快地解决这些紧迫的问题。 波形数据来源于地震监测和穿过大地、 海洋和大气层的声波， 它们的分析解决了很重要的问题。

4个监测技术中有3个属于波形技术， 包括地震、 水声、 次声技术， 它们被用来监测和记录某个地震所产生和传播的能量的运动。 当地震波或声波穿过大地、 海洋和大气层时， 用这3种技术记录的监测数据成为波形数据。通常来说， 波形数据以轨迹的形式显示在电脑屏幕上，X轴表示时间，Y轴代表正在被监测的介质的运动， 也就是陆地、 空气和水。

4.1台站处理

一旦数据被储存在IDC中， 要在每个单台进行单独的分析， 以便发现源自地震或者声音干扰的信号， 这个过程叫做台站处理， 是完全自动化的。 一旦监测到干扰， 相关信号的特征会被判断出来， 并记录在庞大的数据库中。 这些特征包括时间、 大小以及方位角， 也就是信号到达台站的方向。分析和处理地震数据的一个重要组成部分是确定每个参数的准确性和可靠性。在IDC中储存之后， 数据从每个单独的监测台站用自动处理独立地分析发现相关的信号。

有几种不同的自动处理方法分别应用于地震、 次声和水底传播的数据。 无论是什么方法， 都有同一个原则——为了监测可能来源于干扰或者有可能违反条约的所有信号。

4.2网络处理

由于记录地震事件的不只是一个IMS监测台站， 因此， 下一步就是挑出源自同一事件的不同台站记录到的信号， 这个非常复杂的任务阶段称为网络处理。 在这期间， 有很多事件， 典型的超过100多个地震。

在网络处理过程中， 对来自同一事件但是不同台站的数据进行预估定位， 检查一切可用的数据， 把他们结合在一个事件中， 一个更加清晰的实际发生事件的波形图开始呈现出来。 目前， 预估定位可以挖掘一个潜在的事件。 一个事件进行一次出色的预估定位对于测量这个事件的大小是很重要的， 因为信号的大小通常随着与事件的距离而变化。

4.2.1标准事件列表

(1) SEL1。 这个自动处理过程把积累的事件列表显示出来， 使成员国能够使用。 这些列表的第一个表——标准事件列表1(SEL1)， 包括在主要地震台站和声呐站记录的事件。 次声数据还不可用于这个程序， 因为信号通过大气层的传播更慢， 在记录过程中会产生额外的延时。

(2) SEL2。 有SEL1作为基础， 需要来自辅助地震台站的数据来改善已经在表中列出事件的位置。 这个需求会自动发送到选出的辅助地震台站， 有了这个辅助台站的数据和刚接收到的次声数据， 就产生了更全面、 更高质量的事件列表， 也就是标准事件列表2(SEL2)。

(3) SEL3。 自动处理程序引出3个连续的事件表， 即标准事件列表1、 2和3。 每一个都包括了在观测的额外的信息。最后一个事件列表就是标准事件列表3(SEL3， 如图3a所示)， 包含了从迟来的记录信号数据中的附加信息结果。 SEL3是IDC发行的最精确的自动化事件列表。 这个程序是完全自动化的， 由特殊的电脑程序设计执行， 直到现在， 在数据程序中也没有发生过人为干涉情况。

4.2.2交互分析和复查事件公告(REB)

尽管这个自动处理程序十分复杂， 分析员仍需要重新检查结果， 以确保给成员国提供可靠的信息。

从原始数据波形中用自动处理编译标准事件列表十分困难。 但这仍然是必需要做的， 因为为了提供给成员国可靠全面的信息， 分析员要复查自动处理程序的结果。 有时候， 信号与错误的事件相关联， 偶尔被列出来的事件不是真实的， 甚至有的时候事件有缺失， 因此， 在IDC工作的分析员要复查SEL3中列出的每一个事件。 在2010年， 每天平均有161个事件， 分析员反复检查SEL3中列出的每一个信号事件。 在2007年， 平均每天有126个事件， 分析员的工作就是舍弃不真实的事件， 增加那些还没有与事件相关联的信号， 并且修改和完善那些真实事件的预估定位(图4)。 另外，分析员也必须要分清以下情况， 自动处理来自两个同时事件的相关信号(所谓的混合事件)或者来自一个事件的信号被解读为两个事件(所谓的分裂事件)。 他们也仔细查看可能已经完全丢失的事件数据。

图1　IDC 数据处理流程与数据产品

图2　成员国可从IDC获取的软件

分析员在全部分析过程中扮演着至关重要的角色。 筛选所有自动生成的事件列表的分析员担负着重要责任。

图3地震列表: (a) SEL3; (b) REB

图4　波形交互分析

交互分析之后， 事件的数目大约减少一半。 确认和修正的事件被列在复查事件公告(REB， 如图3b所示)中。 相互评论的结果是REB比先前的事件列表质量更高。 从2000年2月到2009年10月， REB共记录了245981个事件(图5)。

4.3波形事件的性质判断

这个过程的目的是鉴定在REB中的事件是否是自然发生的。 在这个过程中有几个应用准则， 为区别他们是天然地震还是人为事件提供参考。大多数列入REB中的事件是地震事件， 对于多种多样的地震波的价值衡量是特别有趣的。 有很多不同种类的地震波： 穿过地球内部的体波和在地表经过的面波。

事件的自动筛选引发了对天然地震和人为事件的判断识别。 条约中列出了这个筛选程序的准则。每个类型的地震事件用一种不同的、 可辨认的模式创造出这些地震波。 这些模式可以提供事件性质的信息， 无论它是天然的还是人为的地震。

4.3.1地震数据

例如， 事件发生在邻近监测台站的地方， 检测出来两类体波： P波和S波。 一次地震通常会产生一个小的P波和大的S波。 爆炸的比例通常与之相反， P波远远地大于S波。 同样地， 这些波到达的速度也是不同的， P波的传播速度大于S波， 很容易区分它们各自的震动图。 对比2006年朝鲜核爆炸的震动图和2002年在同一地区的地震波形图， 提供了一个很好的研究案例。 在朝鲜地震台站记录的爆炸震动图(图6， 红色波形图)中显示出很强的P波， 随后是十分弱的S波。 与之相反的， 地震产生了较小的P波和较大的S波(图6， 蓝色波形图)。地震与爆炸产生的地震波显示出明显的特征， 这个观察有助于辨认事件的性质是天然的还是人为的。

图5从2000年2月到2009年10月， REB共记录到245981个事件

图6地震记录资料显示的2006年朝鲜的核爆和2002年在附近发生的地震

另外一个非常重要的判断标准是体波与面波的震级比。 震中距超过2000 km的远震事件以体波震级的计算为基础。 在体波与面波震级比之间相对较大的是人为事件， 例如爆炸的体波与面波震级比天然事件大。

与事件有关的深度信息也作为一个标准去分辨自然地震和人为爆炸。 由于技术限制， 人类还不能在大深度引爆一次爆炸， 因此， 大深度明确地否定了人为事件。

4.3.2水声数据

一些事件可能与水声的数据有联系。 检查水声波的特别属性可以帮助判断事件是天然发生的还是人为的。

在海洋中的声波是3类信号中的一类，包括： H相位， T相位, 还有N相位。 H相位信号是由人为设备或者是水下火山喷发的水中爆炸产生的； 当远震引起的海床震动把声波传到水中便形成了T相位。 N相位是噪声信号， 有很广泛的来源， 例如冰山产生的噪音、 气枪的调查以及鲸鱼的歌声。

随着进一步对它们频率的分析， 在事件判别过程中， 关联T相位有助于排除水中的爆炸事件， 因为这些波形被认为是只有在地下活动中才能产生。

如果判别结果表示事件是天然的， 它就会被挑选出来。 只有确定是人为产生的， 或者筛选的时候没有清楚答案的事件， 会以潜在的可疑事件保存并列在SSEB中。

4.4IDC服务和技术支持

IDC的主要服务是向成员国分享IMS数据以及IDC产品。 IDC向成员国提供账户和获取数据的方法， 以及特殊数据请求有关规定， 并提供执行情况报告。 IDC向成员国提供的技术支持主要针对成员国的能力建设， 包括对成员国技术人员的培训、 场地专家的帮助、 专用设备的支持等。

支持成员国的主要形式有： 区域 NDC发展的专题研讨会； 区域性的高级培训； 台站操作员培训； IDC 分析员培训课程和知识交流； 以及其他活动如设备支持、 场地技术支持等。

4.5数据处理与分析的时间轴

在寻找明确的可疑事件时， 它的发生到检查与分析过程中流逝这段时间是很重要的， 条约没有对分析处理过程以及结果公告进行时间限制。 在条约生效之后， 这些细节都被收到与IDC运作相关的文档以及涉及到的时间轴中。在上述解释中， 波形数据自动处理的结果， 也就是所谓的水声与次声数据， 在SEL中列出连续事件列表。 这些事件表所设想的时间线是在事件发生一个小时后能生成SEL1， 4个小时后生成SEL2， 6个小时后生成SEL3。

在SEL3中列出的事件互动评论会在随后的两天之后完成， 出来结果的事件将被列在REB中。 自动处理程序判别出在REB的天然事件差不多需要一个小时， 结果也会被发布到SSEB中。

随着CTBT的生效， 所有可疑事件的相关信息在事件发生的两天后可以被成员国使用(图7)。 因此， 在可疑事件发生的两天后， 成员国可以安排处理综合信息， 包括处理和分析基于IMS波形网络中的数据结果。

对于条约还没有生效的成员国， 监测、 处理以及分析的数据不会根据设想的时间期限开始进行。 目前， SEL1、 SEL2、 SEL3分别可以在事件发生的2小时、 6小时以及12小时后各自传输。 数据波形的交互评论和最初的自动分析大概占用10天， 接下来的自动处理判别事件性质的程序将在几个小时后完成。

图7　在条约生效之后， 时间互动评论需要两天

在2006年10月朝鲜宣布核试验之后， CTBTO仅两天就能提供给成员国相关的波形处理与分析结果。 CTBTO努力发展自动处理程序和交互分析程序， 以便可以满足条约的需求。 在2006年10月朝鲜发布进行核试验的公告后， IDC按照条约中预想的时间期限， 在事件刚发生的两天后就发布了REB。

4.6数据分布以及对成员国的数据公告

监测数据并其分析对CTBT/CTBTO的查证结果是至关重要的。 它总是强调数据是属于成员国的。 签约国的一方有权利访问所有的监测信息以及数据公告， 帮助国家行使特权， 在有可疑事件的情况下可以帮助做出最后的决断。

为了确保成员国能够对可疑事件有准确的判断， 他们需要用可靠的、 平等的、 及时的方式处理原始数据以及数据分析的结果。 IDC通过GCI努力确保这些需求能被看到和支持。 目前， 在120个国家超过1 200个使用者被授权接收CTBTO的数据以及数据公告， 这个数据还在增长(图8)。

成员国想要行使自己的权利去访问监测数据以及分析报告， 必须要与CTBTO建立一个安全签约账户。 这是一种授权用户可以与IDC进行交流并安全传输数据的机制。 负责监督和管理这个账户的人是主要联系人。通过主要联系人任命3个不同级别的用户， 主要用户、 普通用户以及台站的操作人员。 每种级别用户的数量是根据他们访问数据及数据公告的级别而规定的。 每个成员国最多只能任命18个主要用户以及10个普通用户。 台站的操作人员的数目取决于不同国家的IMS台站。

图8　CTBT全球监测系统

成员国指定的使用者可以通过自动数据请求、 订阅等方法接收监测数据和数据报告， 也有权使用IDC的安全网站或者数据库。

5　数据应用与研究

5.1提供实时海啸预警数据

全面禁止核试验条约组织(CTBTO)的全球警报系统被设计用来检测所有的核爆炸， 还可以检测能产生海啸的地震。 信息分别由检测地下、 海洋核爆炸的地震台站、 水声台站拾取。 由CTBTO准实时提供给海啸预警中心， 尤其是那些覆盖太平洋和印度洋的台站， 可以帮助他们发布更及时、 更准确地预警。 目前具有海啸高风险的14个国家的预警中心从CTBTO大约100个台站接收数据(图9)。 图10显示了海啸(图10a)、 伴随海啸的大地震分布(图10b)、 以及海啸走时图像(图10c)。CTBTO的次声台站在地球上的任何地方记录任何大的次声源。 次声是在频率特别低的频段波动的声音， 声音低到人耳听不见。 台站可记录到火山喷发或者冰架破裂(图11)。 CTBTO的成员国和国际、 国内研究所负责航空、 航海(对于海底火山来说)的安全， 因此他们接收到信息， 就可以给国民示警。

CTBTO有80个极端灵敏的传感器来探测次声。 除了检测核爆炸信号， 这些台站还将检测从世界任何一个源头发出的次声波， 尤其是从核电站事件发出的次声波。 CTBTO的所有成员国都可以得到这个信息， 各国家的核保护和健康部门可以用来通知给公众。 在2011年日本福岛核电站事件期间， 就是属于这种情况， 当日本外部检测到的辐射能水平是安全的时候， 就利用CTBTO发出了安全信息通知公众。

图914个国家的海啸预警中心， 目前参与并接收100个IMS台站的数据， 绿色部分包括了14个国家， 红色原点表示参与并接收的IMS台站

图10　(a) 海啸； (b) 大地震与伴随海啸的大地震分布； (c) 8.5海啸的走时

5.2记录的鲸鱼的歌声

当你坐上一个捕鲸船开始你的旅程后， 你会喜欢你的假期。 你的向导向你解释雄性座头鲸的歌声可以在很远的海域听到， 并且被CTBTO的水声站记录到， 这是CTBTO数据应用于科学的一个方面。 利用次声站数据， 还可以监控到鲸鱼迁移模式(图12a)。

5.3其他应用

图11　(a) 火山喷发， 可引起喷气式飞机引擎的故障或者完全熄火; (b) 水下火山定位

图12　(a) 鲸鱼迁移路线监控; (b) 法国大西洋海岸的海洋膨胀

其他应用主要包括： 地核[9-19]、 地球内部结构研究、 天气变化、 气象学、 流星爆炸、 冰架破裂和冰山形成、 世界范围内的背景辐射、 海洋膨胀研究(图12b)、 检测与定位陨石冲击、 对航班进行火山灰烟雨预警等。

2013年2月在美国波士顿召开的科学的进展美国联合会的年会上， 讨论了核查机制对灾害预警和科学多方面的应用。 CTBTO数据的非核查应用在CTBT科技会议上属于重要的议题。 这个科学团体每两年一次会议。

6　结论

IDC从IMS设备接收、 收集、 自动处理、 交互分析、 报告、 并备份数据， 向成员国提供技术支持， 并不断地升级它的技术能力， 提供标准的IDC产品。 地震数据到达IDC后首先进行台站处理， 即自动检测与特征抽取， 而后进行台网处理， 也就是自动事件处理与定位， 最后进行交互分析。 IDC产品有REB(Reviewed Event Bulletin)、 SEL(Standard Event List)和SSEB(Standard Screened Event Bulletin)。 目前每天都产生REB， REB平均每天记录大约100个地震。

数据产品通过订阅、 Autodram或者特定网站获取。 数据主要样式有连续波形数据、 截取波形数据等。 数据产品主要包括SEL1、 SEL2、 SEL3、 REB、 SSEB等。

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International Data Center

Zheng Zhong

(Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China)

The preparatory research was made on International Data Center (IDC) to implement the project of China global seismic network successfully. The research told us that the processing system of IDC can locate the real-time data automatically and can archive the data， what′s more， IDC can release the news， exchange and share data with signature states.

IDC; China global seismic network; data management; data archive; data service

2016-08-16； 采用日期： 2016-08-26。

郑重， e-mail: zheng.z@126.com。

地震行业科研专项： 中国全球地震台网建设预研(201508007)资助。

P315；

A； doi: 10.3969/j.issn.0235-4975.2016.09.006