江西地震预警台网测震仪、强震仪及烈度仪记录噪声与地震事件分析比较＊

董 俊 项月文 李清武

1) 江西九江扬子块体东部地球动力学野外科学观测研究站，江西九江 332006

2) 江西省地震局，江西南昌 330026

0 引言

基于国家地震烈度速报与预警工程建设的江西子项目，已建成由25 个基准站、58 个基本站和52 个一般站组成的江西地震预警台网，这些台站依次采用的是测震仪、强震仪、烈度仪3 类观测仪器[1]。为有效发挥地震预警系统功能作用，除台网合理布局、加密站点因素外，测震仪、强震仪与烈度仪观测数据相互高度融合是一个重要的技术环节[2]。因此，了解和掌握这3 种仪器性能差异和数据特征，对观测数据进行匹配度分析非常重要。

近年来，国内外对测震仪、强震仪和烈度仪同步观测做了不少试验和对比分析。例如：以在美国北部、欧洲和中国数字台网CDSN，QCN，MyShake 和P-alert 项目为例，阐述了MEMS 烈度仪在国内外地震预警领域中的发展及应用[3]。通过对同一台基上强震仪与地震仪记录地震数据对比分析，发现强震观测和非强震观测在一定频带范围内是可以相互替代的，实时传输的强震记录通过仿真成速度时程或者位移时程可以用于地方震及近震的监测[4]。通过背景噪声对陡河地震台布设的3 类仪器进行了性能优劣性对比[5]。以2015 年河北昌黎ML4.5 地震为例所做的烈度仪记录与强震及测震记录的对比分析，认为烈度仪台站记录与强震台站和测震台站记录具有一定的一致性和相关性[6]。用强震动观测数据对河北ML3.0 以上地震进行定位分析，其结果符合地震定位相关要求[7]。而河北台网通过对预警和测震数据对比分析得出，预警系统用于地震定位的发震时刻和震中位置时基本符合要求[8]。上述研究大多是基于某一单一仪器，或某两种仪器的对比分析，江西地区此类观测研究还是空白。本项目拟应用江西子项目建设的测震仪、强震仪、烈度仪3 类仪器的记录数据，分析这3 类仪器的观测数据特征和性能指标，并对这3 类仪器同步观测记录到的地震事件进行分析研究。

1 观测数据噪声分析

1.1 仪器参数与数据选取

本研究选择吉安基准台及临近一般站为观测研究场址。选择仪器是江西地震预警台网使用的GLS60 测震仪（JIA 台）、TDA-33M 强震仪（QYQHD 台）及ES-T 烈度仪（D0003 台）。表1 是3 种类型观测仪器主要技术参数。在选择记录数据时，排除振动干扰事件和断记影响，选取2023 年2 月20 日的24 小时连续记录背景噪声进行分析。

表1 3 种类型观测仪器主要技术参数Table 1 Main technical parameters of three types of observation instruments

1.2 数据处理分析

测震仪记录速度物理量，而强震仪和烈度仪记录加速度物理量。为便于测震仪、强震仪和烈度仪记录数据的比较分析，将测震仪速度记录采用微分方法转换为加速度记录，统一3 种类型观测仪器的输出物理量。之后，使用数据处理噪声分析专门软件对3 种类型仪器记录数据进行分道和噪声计算，分道结果为EW 向、NS 向、UD 向。图1 是经微分及分道处理后的3 种类型仪器记录场址地脉动噪声波形图。

图1 3 类仪器噪声记录Fig.1 Three types of instrument noise records

从图1 可知，强震仪和烈度仪记录波形存在明显的零点漂移现象，测震的记录波形较平稳。

计算场址地脉动噪声的加速度均方根值（RMS），用RMS 值衡量台基背景噪声水平：

式中，Xi为某点实测地动加速度信号数值，n为观测数据采集频点总数。

计算3 种类型仪器各分向地脉动加速度噪声RMS 值（表2），明显可见，测震仪记录站址背景噪声RMS 值最小，强震仪记录噪声水平比测震仪高出近3 倍，而烈度仪记录的噪声水平整体比强震仪高出近1 个数量级，采样率均为100 Hz。

表2 3 类仪器噪声记录RMS 值Table 2 RMS values of three types of instrument noise records

从频域分析，也可以反映地震波形的性质，特别是某些频域的振幅对工程建筑会产生重大影响，值得我们关注。我们对3 种类型仪器记录数据进行噪声功率谱分析，结果如图2 所示，测震仪记录的噪声功率谱值为-160～-110 dB，位于高噪声模型（NHNM）与低噪声模型（NLNM）之间，而强震仪记录的噪声功率谱值为-130～-90 dB，只有大于0.1 Hz 的高频段位于NHNM 附近，而烈度仪记录的噪声功率谱值为-90～-60 dB，几乎完全在NHNM 曲线上方。

图2 3 类仪器的噪声功率谱Fig.2 Noise power spectra of three types of instruments

1.3 仪器自身差异性分析

由于江西地震预警台网使用仪器来自多个厂家，为排除仪器自身差异性对数据分析结果的影响，笔者选取了2023 年2 月20 日00:00—24:00 江西预警台网记录数据，比较了不同厂家同类型仪器的噪声功率谱密度曲线（图3），发现只有泰德公司和瑞祺皓迪公司生产的烈度仪记录数据噪声功率谱能够看出较明显区别：泰德厂家的烈度仪噪声功率谱值都集中在红线上面部分，整体都比瑞祺皓迪厂家烈度仪噪声功率谱值（下面红线部分）要高出一点，但2 个厂家烈度仪噪声功率谱差异不超过10%。港震、深研院等其他生产厂家之间同类型的仪器数据对比，差异不是十分明显。本文认为不同厂家同类型仪器自身存在有差异性，特别是其中2 款烈度仪显示出略有差别的噪声功率谱密度曲线，反映了两款仪器的动态范围差异，在记录大地震时可能会有所影响，但这对测震仪、强震仪和烈度仪这3 类仪器之间的对比分析结果影响不大。

图3 江西地震预警台网烈度仪噪声功率谱叠绘图Fig.3 Stacked drawing of noise power spectra of intensity meters in Jiangxi Earthquake Early Warning Network

2 地震事件分析

以2022 年12 月3 日3 时40 分发生在江西赣州市大余县境内的一次地震为例，使用目前我国地震台网系统应用广泛的MSDP 软件进行地震定位处理[9]（图4），3 种型号仪器清晰的记录到这次地震事件，它们的P 波初动用于地震定位，且定位残差都很小，无明显区别，但S 波初动只有测震仪的波形数据能够确定。测定震级（ML）时，7 个基本站强震仪测定结果（BS001～2.9 级、BN001～2.4 级、BX003～2.5 级、BG001～3.1 级、BQ001～3.0 级、DS001～3.0 级、BA001～3.5 级）、1 个一般站烈度仪测定结果（B0007～2.6级）与4 个基准站测震仪测定结果（DAY～1.9 级、GAZ～1.8 级、LON～2.3 级、WAA～2.2 级）比较，存在明显偏差。

图4 江西地震预警台网记录的12 月3 日大余地震Fig.4 Dayu earthquake recorded on December 3，2022 by Jiangxi Earthquake Early Warning Network

分析认为，强震仪、烈度仪记录地震可用于地震定位，但震级测定则应以测震仪记录数据为准，强震仪、烈度仪记录数据测定震级仅作参考。

3 讨论

通过对江西预警台网测震仪、强震仪和烈度仪3 种类型仪器记录数据的对比分析，认为台网运行的强震仪和烈度仪存在较大零点漂移现象，而测震仪记录数据较平稳；烈度仪记录噪声水平总体上高出强震仪1 个量级，而强震仪记录噪声水平比测震仪高3 倍左右；不同频带测震仪都能够有效地完整记录较宽频带内的背景噪声，强震仪只能有效记录大于0.1 Hz 的自然噪声。相比之下，烈度仪记录的仅仅是设备本身的噪声，无法有效记录场址地脉动噪声。另外，对不同厂家同类型仪器的对比分析，发现存在不同厂家烈度仪的动态范围差异，在记录大地震时可能会有影响，但仪器本身差异性对测震仪、强震仪和烈度仪这3 种仪器间的对比分析影响不大。

通过对记录地震事件的分析与研究，认为3 种类型仪器都能够清晰有效记录地震事件波形，记录到的P 波初动信号可用于地震定位，而S 波初动只有测震仪波形数据能够确定，用于震级测定；而强震仪和烈度仪记录的最大振幅仅用于仪器烈度、场址烈度测定及震级估计。

综上所述，江西预警台网使用的测震仪性能优于强震仪，强震仪性能优于烈度仪；虽然3 种类型仪器功能作用不同，测震仪主要用于地震定位、震级等四要素测定，而强震仪、烈度仪主要用于场址烈度测定与评估，但这3 类仪器均可用于地震定位；在测定震级时，以测震仪测定结果为准，强震仪、烈度仪记录数据测定结果仅作参考。因此，合理使用3 种类型仪器的记录数据，对优化台网布局、提高地震速报、烈度速报、灾害评估工作具有积极意义。

致谢

文中部分程序来自福建地震台林彬华博士，在此表示感谢；对审稿专家提出的建设性修改意见，一并表示感谢。