江西省测震站网地震预警能力评估初步研究＊

余 思 唐婷婷

（江西省地震局，南昌 330039）

引言

我国地震特点是频度高、强度大、分布广、灾害重。2008年5月12日汶川地震、2010年4月14日玉树地震、2014年8月3日鲁甸地震等强震发生后，暴露出减灾手段不足、公共服务水平较低、震后应急指挥信息缺乏等问题，对烈度速报与预警信息服务的需求更为迫切。

国家地震烈度速报与预警工程2018年6月正式获得国家发改委批复，是由中国地震局承建的国家“十三五”重点建设项目，主要应用地震仪、强震仪和烈度计等观测技术，合理布局观测网络，结合现代通信、数据处理和信息发布技术建成地震预警和烈度速报系统。江西省地震烈度速报与预警是其子项，项目建设台站135个、省级中心1个、服务终端10个；总建筑面积 579.70 m2，其中新建 318.00 m2，改造261.70 m2；购置设备 1124 台（套）。主要建设内容包括台站观测系统、通信网络系统、数据处理系统、紧急地震信息服务系统、技术支持与保障系统。

地震预报与地震预警有本质区别，地震预报是指在地震发生前，对未来地震发生的震级、时间和地点进行预测预报，并及时公布于众，让预测受灾区人们做好预防工作，以减少人员伤亡和财产损失。地震预警是地震发生后，对即将到来的破坏性地震动进行预测和报警。烈度速报是地震观测数据快速测定和报送地震烈度的过程。

地震预警系统构想是由美国Cooper博士在1868年提出的：在当时地震活动强烈、距离旧金山100 km的Hollister地区布设地震监测装置，利用电磁波传播速度远大于地震动传播速度的原理，在地震波到达之前敲响市政大楼上的大钟，发出地震警报。地震预警系统（Earthquake Early Warning system，EEWs）基本思想是利用布设在预警目标区或潜在震源区的地震台或强震台网以及实时通信传输线路对地震进行实时监测，利用地震P波传播速度大于破坏性S波和面波，以及电磁波传播速度远远大于地震波波速的原理，在尽可能短的时间内确定地震基本参数（震源位置、发震时刻、地震震级）或者直接估算预警目标区地震动和破坏程度，在破坏地震动到达预警目标区之前发出地震警报并启动地震应急控制系统。

目前已经有多个国家和地区建立了地震预警系统，如墨西哥 SAS（Seismic Alarm System）系统[1]，日本铁路 UrEDAS（Urgent Earthquake Detection and Alarm System）系统[2]，日本紧急地震速报系统，美国Elarms系统[3-5]，土耳其 IERREWS（Istanbul Earthquake Rapid Response and Early Warning System）系统以及中国台湾地区的地震信息快速发布（Taiwan Rapid Earthquake Information Release System，TREIRS 或 RTD）系统[6-7]等，均取得明显成效。

我国大陆在地震预警方面也不断的进行探索，也有不少收获，如1994年广东大亚湾核电地震预警系统，2001年石化企业地震预警系统[8]，高速铁路也开展了相关研究[9]。

1 江西省测震站网规划

江西省测震站网根据国家地震烈度速报与预警工程项目江西子项目，改建25个基准站，新、改建58个基本站，新建52个一般站，总共135个，省级终端1个，服务终端10个。江西省共计有100个区、县行政区，其中79个区县至少设有1个基准站或基本站。新建基本站考虑历史地震、断裂构造发育、潜在震源分布等因素，尽最大可能覆盖全部区县，由于站点的总数较少，未能达到全部区县至少有1个基准站或基本站的要求，但是满足每个县/区至少有一个台站（基准站/基本站/一般站），图1为3类台站分布图。

图1 江西省测震站网规划分布图Fig.1 Distribution of seismic stations in Jiangxi Province

基准站安装地震仪、强震仪。建设地点：地震活动性较强的主要断裂带附近。主要功能：预警的核心台站。主要特点：仪器灵敏度、仪器价格、场址要求、建设成本高。

基本站安装强震仪。建设地点：全国县级及以上行政单元。主要功能：烈度速报的核心台站、辅助开展预警。主要特点：仪器灵敏度、仪器价格、场址要求、建设成本较高。

一般站，建设地点：主要布设在重点地区乡级行政单元。主要功能：烈度速报的骨干台站、辅助开展预警。主要特点：仪器灵敏度不高，仪器价格、场址要求、建设成本低。

图2为统计的不同台站之间的间距。从统计结果可看出，各类台站平台间距符合国家烈度速报与预警工程项目建议书中对台站功能的要求，其中基准+基本台站平均间距为29 km。

图2 江西省不同台站台间距台站数统计Fig.2 Statistics on the stations with different station spacing in Jiangxi Province

2 地震监测能力评估

2.1 地震监测能力评估方法

测震台网监测能力主要取决于地震台基、观测系统响应灵敏度、仪器动态范围、台网密度及台站布局等因素[10]。目前计算地震台网监测能力较常用的方法是：依据测震台站台基背景振动噪声观测值确定可观测地震事件振幅值，并依据近震震级计算公式，建立震级大小和震中距的对应关系，描述测震台站对给定震级地震的有效监测范围。

依据近震震级计算公式：

式中，ML为用S波最大振幅计算的震级；Aµ为最大地动位移，单位为 µ m ；R(∆)为量规函数；S(∆)为台站校正值。Aµ取值为前述S波峰值振幅的估计值。基岩台S(∆)取值为0，松软土层S(∆)取值为0.3—0.6[11]，量规函数R(∆)与震中距的关系见表1[12]。

表1 量规函数与震中距关系Table 1 Relationship between scale function R( ∆ )and epicenter distance

2.2 背景噪声

对于一定大小的地震，只有当震中距在一定范围时，地震波到达地震台的振幅高出台基背景噪声值，地震才能被台站观测仪器记录下来。因此，噪声水平决定了台站能记录到地震的下限，也决定了台网的地震监测能力。对于地震预警而言，背景噪声影响越小，说明从记录数据中提取的信息越可靠。

根据（GB/T 19531.4—2004《地震台站观测环境技术要求》）及《国家地震烈度速报与预警台网工程基本站场址勘选技术指南》的要求，每个测点的记录有效数据应不小于24 h，数据处理统一采用童汪练[13]研发的软件Noise_psd进行噪声计算，获得台站背景噪声有效速度值（RMS）。

本文计算了25个基准站的背景噪声，并按照噪声级别Ⅰ—Ⅴ进行统计划分（表2）。可以看出，江西基准站总体噪声水平较低，符合中国地震局关于预警地震台站技术规范选址要求。

表2 江西台网基准站噪声统计表Table 2 Noise statistics table of reference station of Jiangxi seismic network

2.3 监测能力评估结果

取ML依次为0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0，计算各地震台站对应每个ML取值的监控范围，分别按照每3个和4个台站监控区域的交集作为测震台网的监控区域。相应ML取值即为测震台网对该区域的地震监测能力。江西省现有25个基准站，在共享18个邻省台站后的江西测震台网对全省绝大部分地区地震的监测能力下限可达到ML2.0，局部地区可达到ML1.5（图3 和图4）。

图3 江西省基准站 3 台定位监测能力图Fig.3 The earthquake monitoring capacity of 3 reference stations of Jiangxi Province

图4 江西省基准站 4 台定位监测能力图Fig.4 The earthquake monitoring capacity of 4 reference stations of Jiangxi Province

3 地震预警能力

3.1 地震预警能力评估方法

地震预警的本质是在一定区域范围内提供地震反应应急的时间，所以发生地震预警信息的时间直接影响地震预警台网的监测能力。选定以江西省所处（24°29′—30°04′N，113°34′—118°28′E）区域为研究范围。首先假定P波速度为6.0 km/s，峰值加速度（PGA）传播速度为 3.3 km/s，峰值位移（PGD）传播速度为3.0 km/s；随后以0.02°为间隔对该区域进行均匀网格离散化处理，假定每个网格点处都发生一次地震（震源深度选定为10 km），进而分别统计触发台站数、峰值加速度到达台站数、峰值位移到达台站数等与所需时间的关系[14]。第1次、第2次和第3次预警信息所需时间的地震预警能力，简称为地震预警第1报需要时间、第2报需要时间、第3报需要时间，其中第1报需时是地震预警的关键。预警信息第1次发布时至少需要有1个台站记录到峰值位移信息，以便于较为准确的计算地震震级，第2报发布时至少需要有2个台站记录到峰值位移信息，第3报发布时至少需要有3个台站记录到峰值位移信息。依据上述统计关系，即可以大致估算江西地区地震预警系统预警信息发布时所需的时间。

3.2 预警能力评估结果

根据模拟结果，在地震预警台网系统运行时，图5—7是得到的发布预警信息时间。由图中可看出，在江西全市第1报需时5—10 s，第2报需时10—15 s，第 3 报需时 15—18 s。其中江西省省会南昌市的地震预警能力较强，第1报需时、第2报需时、第3 报需时约 5—10 s。

图5 江西省地震预警第 1 报需时Fig.5 The first earthquake warning time needed in Jiangxi Province

图6 江西省地震预警第 2 报需时Fig.6 The second earthquake warning time needed in Jiangxi Province

图7 江西省地震预警第 3 报需时Fig.7 The third earthquake warning time needed in Jiangxi Province

4 结论

综上所述，可知江西省地震预警基准台网建成后，省内重点地区地震监测能力可达1.5级，地震监测能力明显增强，地震预警发布信息所需时间较短，江西省防震减灾能力将得到加强，未来可在一定程度上减少强烈地震造成的人员伤亡和经济损失等。

致谢在本文撰写过程中，感谢福建省地震局张红才老师共享计算程序！