地震烈度速报台网观测资料质量研究——以成都市地震烈度速报台网为例

唐 淋，祁国亮，张椤訢

（1． 四川省地震局，四川 成都 610041；2． 成都市应急管理局，四川 成都 610042）

0 引言

中国是世界上地震灾害最严重的国家之一，地震灾害严重威胁我国经济、社会可持续发展。当破坏性地震发生后，及时评估地震灾情，是高效、有序、快速地进行抗震救灾应急指挥决策的关键[1]。地震烈度速报系统可通过观测仪器直接计算地震烈度，无需到现场调查即可快速获知地震影响程度，为人员伤亡估计、经济损失评估、应急救援指挥和工程抢险修复决策等提供依据，具有显著的减灾实效[2，3]。日本、美国、台湾等国家和地区以及成都、兰州、唐山、西安等国内大中型城市均建设了地震烈度速报系统或城市地震烈度速报台网[4-13]。由中国地震局实施、覆盖全国的国家地震烈度速报与预警工程项目也已开始正式建设，预计建成后将大幅提高我国地震灾害应急处置能力[14]。

观测数据是地震烈度速报台网发挥地震烈度速报功能的基础，数据质量优劣将直接决定产出成果的可靠性和准确性，影响人员伤亡估计、经济损失评估、地震应急救援指挥和工程抢险修复决策的科学性，因此，保障观测数据质量是地震烈度速报台网运行维护的核心。

但地震烈度速报系统基于强震动观测系统，其大规模建设晚于测震和前兆等其它地震监测系统，台站数量和台网规模长期发展缓慢，对观测资料质量的关注程度也严重滞后。当前，强震观测资料质量评价侧重于记录获取率、记录质量、记录应用价值、记录报送等一般指标[15]，没有充分考虑地震烈度速报对记录获取实时性、强震动记录的可用性和台网整体运行率的特殊要求，不适用于地震烈度速报台网观测资料的质量评价。成都市地震烈度速报台网经过多年运行，近年来逐渐出现台站运行率降低、数据传输实时性不足、资料质量下降等问题，导致个别台站的速报地震动参数、部分地震事件的地震烈度图与现场调查结果和实际情况有较大出入，烈度速报系统的稳定性、准确性和可靠性有所降低。

因此，明确地震烈度速报台网观测资料质量内涵，分析成都市地震烈度速报台网观测资料存在的质量问题，提出合理可行的改进措施，不仅有利于提高成都市地震烈度速报系统观测资料质量和使用价值，也可为国家地震烈度速报与预警工程建成后的高效运维提供借鉴。

1 地震烈度速报台网观测资料质量的内涵及其决定因素

1.1 地震烈度速报台网观测资料质量的内涵

地震烈度速报台网观测资料既包括原始强震动加速度记录，也包括对原始记录分析、处理后生成的地震动参数和地震烈度图等成果资料。因此，地震烈度速报台网观测资料质量由原始记录质量和成果资料质量两部分构成。其中，原始记录质量包括记录的完整性、可靠性和可用性，成果资料质量则主要指准确性。原始记录的质量是地震烈度速报台网观测资料质量的基础，成果资料的质量则是核心。

1.1.1 原始记录的完整性

原始记录的完整性是包括地震烈度速报台网在内的各类地震监测网数据质量评价最为基础的一项指标。它体现了地震烈度速报台网实际产出的数据总量在应产出数据总量中的比重，主要反映数据采集和网络通讯设备的运行状态。将完整率作为衡量原始记录完整性的主要参数，定义为：

完整率=（总时间-总丢数时间）/总时间×100%

1.1.2 原始记录的可靠性

原始记录的可靠性用于评价观测数据是否真实客观反映了台站所在地的实际振动行为。加速度计、数据采集器、电源避雷器等设备的机械故障、电路故障和一些干扰都可能造成台站输出波形异常，使得原始记录不能真实反映台站所在地的实际振动行为，降低原始记录的可靠性。以事件波形正常率作为衡量原始记录可靠性的主要指标，定义某一次地震事件波形正常率为：

事件波形正常率=正常波形台站个数/台站总数×100%

1.1.3 原始记录的可用性

原始记录可靠并不意味着可用，当加速度计被安装在较高的楼层、台站周边存在的大型扰动源时，容易造成单个台站与周边其它台站的地震动参数差距悬殊，当守时精度不高和数据传输延时过大时，容易导致单个台站的地震动参数计算结果有误，此时的原始记录虽然真实客观反映了台站所在地的实际振动行为，是可靠的，但无法使用，不能参与地震动参数和烈度平面图的绘制。原始记录的可用性决定观测数据能否用于地震动参数计算和成果图件绘制等成果资料的产出，台址条件、台基环境、守时状态和数据传输效率是其主要影响因素。以事件波形可用率作为衡量原始记录可用性的主要参数，定义某一次地震事件波形可用率为：

事件波形可用率=可用波形台站个数/台站总数×100%

1.1.4 成果资料的准确性

原始资料具备较好的完整性、可靠性和可用性，是保证成果资料较高准确性的基础。但同时，地震动参数计算方法、台站密度和布局方式以及离散点的网格化方法等因素对地震动参数和地震烈度图等成果资料准确性有重要影响。将成果资料的准确性定义为评价地震烈度速报系统产出成果的准确度和真实性、衡量成果资料标识的地震破坏范围和程度是否与现场调查结果一致的重要指标。

1.2 决定地震烈度速报台网观测资料质量的因素

决定地震烈度速报台网观测资料质量的因素复杂多样，总结起来主要有以下几点。

1.2.1 设备运行状态

地震烈度速报台站包含加速度传感器、数据采集器、传输设备和电源系统等设备，分别担负数据采集、传输、供电等任务，其中任何一项设备出现故障，都会导致台网中心接收不到数据或接收到的数据异常，影响原始记录的完整性、可靠性和可用性，进而对成果资料的准确性造成影响。台站设备运行状态是决定地震烈度速报台网观测资料质量的首要因素。

1.2.2 数据传输效率

不同于传统的强震动台网，地震烈度速报台网对成果的产出时限有较高要求，一般震后5～10 分钟内即要产出自动地震烈度速报图，台站监测数据必须要实现实时或准实时在线传输，通信速率、信道误码率和系统时延等技术指标均要满足相应的要求，否则将直接影响地震烈度速报成果的产出时效和质量，故数据传输效率对地震烈度速报台网观测资料质量有重要影响。

1.2.3 台站场地条件

场地条件直接影响地震动记录质量，理想的场地条件是保证强震动记录真实反映自由地表地面运动的基本前提。根据相关行业标准，远离大型建筑、局部地形起伏变化不大和软硬均匀的自由场地是较为理想的强震动观测台址，它可以避免周围环境建筑和结构振动、地形、土层效应的影响，获得真实的强震动原始记录[16]。而条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、陡坡、河岸、盆地、河谷等复杂地形、附近的高大建筑物以及软硬不均匀的场地则极可能引起地震动放大、与附近地面运动不一致的情况。

1.2.4 环境噪声水平

环境振动是由随机振源激发并经场地不同性质的岩土层界面多次反射和折射后传播到场地地面的振动。虽然它对强震动台站观测记录的影响不如测震台站那么明显，但幅值较大的一些环境振动，因震动源强度、传播介质特性等因素影响，对强震动记录质量仍有较大的影响，尤其是大型的马达、泵站、发电机、塔柱状结构、重型车辆通路、大型管道、机场和铁路设施等干扰源，会显著提高台站的环境地噪声水平，降低观测记录质量[16]。

1.2.5 仪器烈度的计算方法

由于地震烈度定义的模糊性、地震破坏及地震动记录本身的复杂性，宏观地震烈度与实际仪器记录的地震动参数间没有明确、直接的函数关系，但研究发现，地震烈度与地震动参数之间仍存在某种统计对应关系[17-19]，根据强震动记录计算的仪器地震烈度仍可较为直观的反映地震造成的潜在破坏和危险程度，选择合适的仪器地震烈度计算方法对提高地震烈度速报结果的准确性具有重要作用。

1.2.6 台站密度及其布局方式

不论是完全基于仪器观测值的地震烈度速报，还是在实测地震烈度基础上根据地震动衰减模型约束插值后的地震烈度速报，台站密度及其布局方式都直接影响地震烈度图的产出时效和质量。

在观测台站密集且分布相对均匀的地区，将实测记录进行场地响应校正后，进行常规的空间网格化处理，即可较好的勾画地震能量的释放过程，准确得到地震动影响场的实际情况，精确绘制出地震烈度等值线图。而在台站分布稀疏、布局不均匀的地区，由于中强地震的地震动场在空间上高度离散，较少的台站不能如实地反映地震动场的复杂性，需要根据地震动参数衰减关系由邻近台站记录数据通过插值方法来获得空白区的地震动参数值，从而弥补实测数据的欠缺[20-21]。

1.2.7 分析软件使用的地震烈度衰减模型和公式

当台站稀疏且布局不均匀时，地震动参数衰减模型、公式的准确性和适用性在很大程度上直接影响地震烈度图等成果资料的可靠性。为此，要根据地震震级和破裂范围大小，从点源模型、椭圆模型和线源模型中选择合适的模型作为地震动参数衰减模型，在此基础上，根据区域地震活动特点和历史地震资料，选择适应当地实际的衰减公式，从而为成果资料准确产出奠定基础。

1.2.8 离散点的网格化方法

由各个台站观测地震动参数计算得到的地震烈度离散数据，必须经过网格化处理后，才能绘制出地震烈度等值线图。根据不同的标准，可以对网格化方法进行分类，而不同的网格化方法有不同的效果，针对目标地区的实际情况，通过分析和研究不同的网格化方法的适应范围及参数设置，选取一种最适合本地区的模型，对于客观、正确地描述地震烈度情况有重要的意义。

2 成都市地震烈度速报台网观测资料存在的质量问题及影响

2.1 成都市地震烈度速报台网概况

成都市于2009—2010 年建设了由1 个台网中心、67 个子台组成的城市地震烈度速报台网。台站设备包括力平衡式加速度传感器、GPS 授时系统、24 位数据采集器、不间断电源等，采用CDMA 无线传输方式向台网中心发送观测数据。台网中心配置有数字强震数据处理系统，可对监测数据实现实时自动化处理。当成都市及周边发生强烈地震时，该台网能在震后5 分钟左右生成全市地震动参数和地震烈度分布图。

2.2 成都市地震烈度速报台网观测数据存在的质量问题及影响

2.2.1 原始记录不完整

（1）事件记录部分缺失。主要表现为强震动记录的丢头（图1a）、断尾和中间缺失等现象，其主要原因多为数据采集器或传输故障。这种情况将对后续加速度峰值、持续时间和反应谱计算产生严重影响，尤其是加速度和速度峰值计算错误会进一步导致仪器地震烈度计算错误，从而降低地震烈度图的可靠性。

（2）事件记录完全缺失。主要表现是强震动记录完全缺失地震事件发生期间的数据（图1b）。主要原因可能是信号传输故障或强震计、数据采集器等仪器故障。出现事件记录完全缺失的台站无法计算地震动参数和地震烈度，不能参与地震烈度图绘制，降低了地震烈度图的精度。

2.2.2 部分台站的原始记录不可靠

（1）记录波形有明显奇异。如个别分量数据异常、阶梯状基线漂移、尖刺（图1c）等，这些异常主要是由强震计故障造成。记录波形明显异常容易造成地震动参数和地震烈度计算错误，导致地震烈度图可靠性降低。

（2）台站没有记录到地震事件。地震发生期间，附近其它台站均对当次地震事件有清晰的记录，获得较大的峰值加速度值，但个别台站却没有记录到相应的事件（图1d）。出现此类现象的原因主要有两个方面，一是数据采集器故障，记录显示的是数采的自噪声；二是台站所在地噪声水平较高，强震动记录信噪比较低，信号被噪声所淹没。同样，这些异常将直接导致地震动参数计算错误，由此获得的仪器地震烈度偏低，影响地震烈度图的可靠性。

2.2.3 个别台站的原始记录不可用

部分台站的强震计因安装楼层较高（3 层以上）或没有稳定的固定在摆墩上等场地原因，与附近其它台站相比，会出现地震烈度明显偏高或偏低的现象。如2013 年4 月20 日8 时02分芦山M7.0 级地震，新津金华台与双流黄龙溪台相距仅4km，峰值加速度分别为181.69gal 和66.08gal，仪器烈度相差近2 度（图1e、图1f）。当这些台站参与地震烈度图绘制时，会出现一些以台站为中心的孤立小圈，即常说的“牛眼”现象（图2）。

图1 台站原始记录图Fig.1 Original record of the seismic stations

图2 2013 年4 月20 日8 时02 分芦山M7.0 级地震速报烈度图Fig.2 Earthquake intensity rapid map of the M7.0 Lushan earthquake at 8:02 am on April 20，2013

2.2.4 烈度图精度有待提高

成都市地震烈度速报台网使用的烈度速报处理软件能对原始加速度记录和积分后的速度记录进行自动滤波处理，使用地震动速度峰值（PGV）计算地震烈度，具备等距离法、克里格法等地震动参数网格化方法选项，可利用震源、断层和烈度衰减模型等约束插值过程，还可根据需要分别生成地震动加速度峰值（PGA）分布图、地震动速度峰值（PGV）分布图和地震烈度图等各类图件，总体上功能强大、计算高效、图件美观，由其建立的地震烈度影响场基本可以作为震灾应急救援指挥决策的依据。

但该软件的地震烈度计算方法与即将颁布的《仪器地震烈度计算》 行业标准（以下简称行业标准）存在一定的差异，据其绘制的地震烈度图精度低于行业标准地震烈度图精度。以三方向地震动参数为例，现软件计算仪器地震烈度的公式为：

行业标准计算仪器地震烈度的公式为：

其中：

从式中可以看出，现软件仅使用PGV 计算仪器地震烈度，而行业标准在Ⅵ度及以上区域使用PGV，Ⅵ度以下区域则联合使用PGV 和PGA。由于PGV 对小地震的中高频成分较为敏感，在低烈度区联合使用PGV 和PGA 可以有效避免因高频成分影响而出现不合实际的大烈度异常。图3 为芦山M7.0 级地震行业标准仪器烈度与两种仪器烈度差的交会图，可以看出，现有的仪器烈度值较行业标准仪器烈度值整体偏大，且烈度值越低，差异越明显。

图3 行业标准仪器烈度与两种仪器烈度差的交会图Fig.3 The crossplot of the industry standard instrument intensity and the difference between the two instruments

图4 与图2（b）使用了相同的成图参数和方法，但仪器地震烈度计算方法不同，分别由式（1）和式（2）计算得到。两图对比发现，图4 中的Ⅵ度、Ⅶ度区面积较图2（b）大，Ⅴ度区较图2（b）小，且缺少Ⅳ度区。与中国地震局发布的人工调查地震烈度图（图5）相比，图2（b）与之更接近，尤其是成都境内Ⅶ度区和Ⅵ度区的面积、分布范围两者基本一致，说明根据行业标准计算的仪器地震烈度与现场调查烈度更为接近，成都市地震烈度速报台网使用的仪器地震烈度计算公式有待改进。

图4 2013 年4 月20 日8 时02 分芦山M7.0 级地震速报烈度图Fig.4 Earthquake intensity rapid map of the M7.0 Lushan earthquake at 8：02 am on April 20，2013

图5 2013 年4 月20 日8 时02 分芦山M7.0 级人工调查地震烈度图（据中国地震局）Fig.5 Manual earthquake intensity map of the M7.0 Lushan earthquake at 8：02 am on April 20，2013

2.3 成都市地震烈度速报台网典型地震事件观测数据质量分析

通常，各级地震部门只公布M5.0 级以上地震的人工调查地震烈度图，且标注的最低烈度为Ⅵ度。成都市地震烈度速报台网建成运行以来，四川省内发生的M5.0 级以上地震中，对成都影响较大、烈度达到Ⅵ度以上的主要是2013年4 月20 日芦山M7.0 级地震，因上一节已对该次地震烈度速报成果资料的准确性进行了详细分析，故以下仅对两次典型地震事件的原始观测记录质量进行分析（图6）。

图6 典型地震事件震中位置图Fig.6 Epicenter distribution map of typical seismic events

2.3.1 2013 年4 月20 日芦山M7.0 级地震

（1）原始记录完整率。接入台网的66 个台站中，彭州银厂沟台等5 个台站数据整体缺失，大邑西岭台等4 个台站数据部分缺失，其中大邑西岭台数据缺失较多，台网原始记录完整率为90.19%。

（2）事件波形正常率。在原始记录基本完整的60 个台站中，金堂淮口台没有真实记录到此次地震，该台站原始记录不可靠，整个台网事件波形正常率为89.40%。

（3）事件波形可用率。在事件波形可靠的59 个台站中，成华区建设局台等3 个台站因强震计安装于较高楼层或没有与地面很好的固定，导致其与附近其它台站的烈度值相比明显偏高，无法直接用于绘制地震烈度图，整个台网的事件波形可用率为84.85%。

2.3.2 2017 年11 月10 日绵竹M4.2 级地震

（1）原始记录完整率。接入台网的66 个台站中，植物园台等13 个台站数据整体缺失，大邑雾山台等2 个台站数据部分缺失，其中邛崃城区台数据缺失较多，台网原始记录完整率为78.16%。

（2）事件波形正常率。在原始记录基本完整的52 个台站中，金堂赵镇台等2 个台站的各分量均没有真实记录到此次地震，大邑雾山台等2 个台站的部分分量没有真实记录到此次地震，这些台站原始记录不可靠，整个台网事件波形正常率为72.73%。

（3）事件波形可用率。在事件波形可靠的48 个台站中，新津金华台因强震计安装于较高楼层，导致其与附近其它台站的峰值加速度值相比明显偏高，整个台网的事件波形可用率为71.21%。

两次典型地震事件原始记录资料分析表明，成都市地震烈度速报台网建成初期原始记录质量较高，但随着台网的持续运行，仪器设备故障逐渐增多，原始记录质量呈现下降趋势（图7）。

图7 典型地震事件原始记录质量柱状图Fig.7 Histogram of the original recording quality of typical seismic events

3 改进成都市地震烈度速报台网观测资料质量的措施和途径

针对成都市地震烈度速报台网原始记录和成果资料存在的质量问题，需要从决定地震烈度速报台网观测资料质量的各种因素出发，采取有针对性的措施，切实提高观测资料质量。

3.1 加强台网运维管理，改善设备运行状态

3.1.1 全面完善规章制度

建立地震烈度速报台网运维管理办法，完善值班、巡查、应急、数据分析处理等各项制度，进一步界定维护管理部门、人员的职能职责，健全台网（站）设备故障维修机制，明确软（硬）件运行状态检查、仪器维修、强震计标定检测的流程和周期，规范台站巡检、工作日志填写、数据整理分析、档案资料整理的程序，确保地震烈度速报台网安全、稳定和可靠运行。

3.1.2 定期检查设备状态

借助现场巡检、远程抽检、定期标定等手段，重点对仪器参数设置、加速度传感器零位电压、定时设备状态、电池电压、软件功能等内容进行核验，全面及时掌握加速度传感器、数据采集器、供电系统、避雷系统、传输设备等台站硬件设备及监控软件、分析处理软件和网络设备等台网中心软硬件的运行状态。

3.1.3 及时维修故障设备

日常做好车辆、人员、工具等方面的准备，加强技术、通讯线路和备件的储备，当台站仪器出现故障时，能及时派人前往现场维修，保证较高的修复率，不能现场修复时，也能通过更换备件及时恢复台站运行；当台网中心服务器、软件和通讯线路故障时，能立即切换备份服务器，启用备用通讯线路，从而保证台网的连续观测。

3.2 创新台站建设和运维思路，提升台网产出效益

3.2.1 果断停测或搬迁个别台站

对于个别场地条件不理想、环境噪声水平较高、周边干扰较大的台站，无论如何精细管理和维修维护，其强震动记录都无法真实反映自由地表地面运动和用于地震烈度图绘制，任其长期无效运行意义不大，应该果断停测或勘选新的台址，进行异地搬迁，使其发挥应有的作用。

3.2.2 充分利用其它行业的资源和服务优势

与地震行业类似，气象、通信、油气开发等行业在全国各地分布有大量的气象观测站、通信基站、废弃井场等各类规模不等的站点，具有优越的站址、通讯、电力和人力资源服务优势。应该摒弃以往独立建设和运维的定式思维，通过与这些行业创新合作，依托现有资源，实现地震烈度速报台网的高效建设和运维，进而提高观测数据的综合质量。

3.2.3 着力提高监控智能化水平

通过安装台站环境监控单元、网络视频摄像头、软件运行状态检测程序和数据质量监控软件，对台站设备、台网中心软件的运行状态和台网数据质量进行实时监控，一旦发现异常可及时报警，提醒台网运行人员处理故障，进一步减小软硬件故障对台网数据质量的影响。

3.3 完善地震烈度计算和成图方法，提高产出成果准确性

3.3.1 改进仪器地震烈度计算方法

即将颁布的仪器地震烈度计算行业标准所提出的指标建立在充分的强震动数据、震后震害数据和各类科学研究成果基础之上，它继承、拓展并衔接《中国地震烈度表》 （GB/T 17742-2017）、《中国地震动参数区划图》（GB/T 18306-2015）等相关标准，以易于计算和理解的加速度峰值和速度峰值作为表征仪器地震烈度的地震动参数，具有较强的科学性、继承性、一致性和可操作性，是以后仪器地震烈度计算的推荐方法，因此，成都市地震烈度速报台网也应将其作为仪器地震烈度计算的首选方法。

3.3.2 优化地震动衰减模型和公式

近年来，我国许多学者对西部地区，尤其是四川地区的地震烈度衰减模型做过深入研究，并给出了一些适用于各研究区的衰减公式[22-25]。与现软件中已有的东北经验衰减公式和ShakeMap公式相比，这些衰减模型更适用于成都市地震烈度速报台网，能更好的反映出真实的地震动衰减特征。因此，在绘制地震烈度图使用地震动衰减模型时，应采用上述更加符合实情的地震动衰减关系替换系统中原有的地震动衰减。