我国相继在京津、京沪、京石武、兰新等高速铁路沿线布设了地震预警系统，以减轻地震灾害^[1-2]。考虑到台站征地、防盗、供电、通讯及维护方便等，高速铁路强震台站一般建设在沿线变电所、AT所和分区所内，这些台站场址大多覆盖有回填土，可能对精确的地震定位和预警存在一定影响。国家强震台站是按照《DB/T 17-2006地震台站建设规范：强震动台》^[3]建设的，在选址时考虑了区域活动断层的分布，并避开潜在的干扰源，场地条件较好，环境条件优于高速铁路强震台站。若能将二者数据进行融合，可提高高速铁路地震预警及紧急处置的速度和准确性，也可加密国家强震台网，提高国家地震预警和烈度速报的实效性和准确性。

国内学者对高速铁路强震台网与国家强震台网的融合方案进行了相关研究^[4]，但由于目前高速铁路强震台站的地震记录，尤其是破坏性地震记录非常稀少，这些研究大多集中在融合方案的可行性探讨阶段，尚无台站数据融合前后预警效果的对比分析。另外，由于2种台站在选址、观测环境和建台方式方面存在差异，高速铁路强震台站的数据质量能否满足国家强震台网地震预警和烈度速报要求仍需进一步研究。本文以高速铁路沿线强震台站和国家强震台站记录的2016-01-21青海门源6.4级地震数据为研究对象，将2种台站记录的地震波形在时域和频域内进行对比分析，计算常用的地震预警和烈度速报相关参数，讨论2种台站数据融合进行地震预警与烈度速报的可行性和可靠性。

1 2种台站建台方式对比

兰新高速铁路各强震台站包含近高铁和远高铁2个监测点，为减少因非天然地震引起的误报警，2个监测点距离大于40 m。由于高速铁路变电所、AT所和分区所内都有回填土覆盖，需要开挖基坑至原状土层，在其上建设仪器墩，并进行防水和混凝土护壁处理，高速铁路强震台站建设示意图见文献[2]。国家强震台站按照《DB/T 17-2006地震台站建设规范：强震动台》^[3]的要求进行建设。

高速铁路强震台站仪器墩与国家强震台站仪器墩的尺寸一致，且都建设在原状土层上，并设置有隔震槽以减少来自地表的振动干扰。二者的差异在于，高速铁路强震台站的仪器墩在基坑底部，而国家强震台站的仪器墩在地表，因这2种不同建台方式而产生的场地条件差异，需通过分析实测地震记录来进行客观评价。

2 观测台站及获取的强震记录 2.1 观测台站地震记录情况

2016-01-21青海门源发生6.4级地震，兰新高速铁路门源变电所台和AT所12台距离震中最近，发出了地震报警并记录数据^[2]，而国家强震台网在此次地震中共有64个台站记录到数据，其中距离震中最近的3个台站分别为青石嘴台、皇城台和门源气象局台。皇城台位于冷龙岭断裂以北，为避免断层因素对数据对比分析产生影响^[5]，本文选择冷龙岭断裂以南的青石嘴台、门源气象局台及门源变电所台、AT所12台这4个强震台站的记录数据为研究对象，通过波形特征对比分析2种强震台站的特点。

2.2 强震动记录的初步分析

在强震记录分析中，常先将加速度记录积分成速度和位移时程，再进一步处理产出地震预警和烈度速报参数。分别将4个台站的EW向、NS向和UD向加速度时程积分成速度和位移时程^[6]，并统计峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)及地震仪器烈度值^[7]，相关参数计算结果如表 1所示，加速度、速度和位移时程曲线如图 1所示。通过计算4个台站的相关参数发现，青石嘴台作为基岩台站，统计的峰值加速度、峰值速度、峰值位移和烈度值明显小于土层台站，表明土层场地对地震的放大效应大于基岩台站，震害更加严重。将震中距相近的土层台站门源变电所台和门源气象局台进行比较，结果发现，门源变电所台近高铁监测点的峰值加速度、峰值速度和峰值位移分别是门源气象局台的1.1倍、0.94倍和0.98倍，远高铁监测点的峰值加速度、峰值速度和峰值位移分别是门源气象局台的1.83倍、0.9倍和0.98倍。总体而言，此次地震，门源变电所台的峰值加速度明显大于门源气象局台，但峰值速度和峰值位移则十分接近，地震仪器烈度值一致。由于这4个台站震源相同，且都处于冷岭断裂以南，引起台站间计算参数差异的主要因素是震中距和台站场地条件。

3 高速铁路强震台站记录与国家强震台站记录对比分析 3.1 台站波形相似性比较

相关系数能直接反映2个信号在时域内的相关性，是波形相似性的度量。为研究高速铁路强震台站和国家强震台站地震记录在时域的相似性，分别以2个国家强震台站为参考台站，计算2个高速铁路强震台站与参考台站的相关系数，计算结果见表 2。4个台站对比波形的时程起始时间设定为P波初至时刻，截止时间为P波初至后40 s。相关系数的值在0~1之间，数值越大，代表 2个台站的波形越相似。由表 2可见，高速铁路强震台站记录和国家强震台站记录在时域上具有相似性，且表现出位移时程相似性高于速度时程、速度时程相似性高于加速度时程的趋势。

3.2 台站波形互功率谱密度比较

互功率谱密度简称互谱，可描述2个信号在频域的关联性，互谱值越大，代表 2个信号相应频率分量的关联度越高。为研究高速铁路强震台站和国家强震台站地震记录在频域的相似性，分别以2个国家强震台站为参考台站，计算2个高速铁路强震台站近高铁监测点与参考台站的互谱，结果见图 2。可以看出，高速铁路强震台站和国家强震台站的加速度时程互谱峰值主要分布在10 Hz以内，速度时程互谱峰值主要分布在3 Hz以内，位移时程互谱峰值主要分布在1 Hz以内，表明2种台站的加速度时程、速度时程和位移时程在这些频段内有较强的关联性。结合2种台站在时域内的相似性比较结果可知，随着加速度积分成速度和位移, 时程相似性逐步提高，其主要原因是高频分量的减少。高速铁路强震台站远高铁监测点与参考台站的互谱也能得到类似的结论，限于篇幅，不再分别罗列。

3.3 台站傅里叶幅值谱比较

傅里叶幅值谱能够反映台站地震记录中各频率分量幅值的分布，分别计算4个台站EW向、NS向和UD向的傅里叶幅值谱，并按低频(0.1~1 Hz)、中频(1~10 Hz)和高频(＞10 Hz)分段统计卓越频率和对应的幅值(表 3)。可以看出，低频段4个台站三分向频谱分布相似，在0.4~0.96 Hz频段都有显著分布，表明低频段4个台站在强震作用下场地的频谱分布受场地条件的影响较小，且水平向和UD向的频谱分布相似。从三分向卓越频率对应的幅值来看，基本符合土层台站幅值大于基岩台站、土层台站随震中距的增加幅值减少的特征。中频段4个台站EW向和NS向的频率分布较分散，但在UD向青石嘴基岩台站的卓越频率明显大于土层台站。从三分向卓越频率对应的幅值来看，在震中距相近的情况下，土层台站幅值大于基岩台站，土层台站UD向幅值符合随震中距增加而减小的特征，表明中频段水平向相比UD向强震动更容易受场地条件的影响。高频段4个台站频率分布差异更大，仅表现出土层台站幅值大于基岩台站的特征，表明强震动的高频部分受场地条件的影响最大。从低频、中频和高频的频谱分布特征也可发现，4个台站强震记录三分向低频部分受场地条件的影响最小，中频部分UD向影响较小，水平向有明显影响，高频部分影响最大，总体而言4个台站地震记录的UD向分量在0.1~10 Hz频段受场地条件的影响都较小。

4 台站地震预警与烈度速报参数的比较 4.1 地震预警参数比较

地震预警系统能够在地震发生之后、破坏性地震波到达之前向预警目标提供数秒至数十秒的预警时间，以减轻人员伤亡和经济财产损失。目前计算震级常见的地震预警参数主要包括最大卓越周期τ_p^max[8]、特征周期τ_c^[9]和峰值地动位移P_d。Wu等^[10]将P_d值、震中距和震级建立关系式，可得到可靠的预警震级。国内外学者研究证明，τ_c参数和P_d参数是稳定性和可靠性很好的地震预警参数，可用于我国地震预警系统的震级计算。金星等^[11]统计出的单台τ_c参数计算震级的公式和单台P_d参数计算震级的公式为：

$ M=2.94 \times \lg \left(\tau_c\right)+5.26 \pm 0.62 $

(1)

$ \begin{gathered} M=0.91 \times \lg \left(P_d\right)+0.48 \times \\ \log (D)+5.65 \pm 0.56 \end{gathered} $

(2)

式中，M为震级，D为震中距。分别截取4个强震台站P波初至后前3 s时间窗UD向波形记录计算τ_c、P_d和对应的预警震级，结果如表 4所示。

由表 4发现，P_d参数计算的震级相比τ_c参数计算的震级误差大，且震级偏小，这主要是震级饱和现象导致的。根据金星等^[11]的统计结果可知，当震级达到7级时，τ_c参数计算的震级才会出现明显的震级饱和现象，而P_d参数只有当采用10 s时间窗进行计算时才基本观察不到震级饱和现象。Li等^[12]采用四川地区强震数据研究P_d参数，结果表明，当采用短时窗为2~4 s时，P_d参数与4~6级地震的相关性最好，对于大震则表现出较为明显的震级饱和现象。增加P波时间窗采用P_d参数计算震级发现，至少需要9 s时间窗的P_d值才能消除震级饱和的影响，但此时破坏性地震波S波已到达，不能满足地震预警的时效性要求。因此，本文采用τ_c参数来计算震级。

4.2 高速铁路强震台站的预警能力评价

由表 4可知，2个高速铁路强震台站计算的P_d和τ_c参数及对应的震级介于青石嘴台和门源气象局台的计算结果之间，属于合理范围内，表明利用高速铁路强震台站记录计算的地震预警参数结果是可靠的。金星等^[11]的研究证明，采用多个台站τ_c参数值求平均可有效改善震级和τ_c参数的离散性，震级计算方差可由式(1)的0.62改善到式(3)的0.5：

$ M=3.57 \times \lg \left(\tau_c\right)+5.29 \pm 0.50 $

(3)

经计算，2个高速铁路强震台站的平均τ_c值为1.975 s，代入式(3)计算得到的预警震级为6.3级，《QCR 633-2018高速铁路地震预警监测系统技术条件》^[13]对P波的预警震级偏差要求是不大于1级，因此高速铁路强震台站单台和双台计算的预警震级都能够满足规范的预警要求；高铁强震台站和国家强震台站的平均τ_c值为2.023 s，代入式(3)计算得到预警震级为6.4级，与中国地震台网测定震级一致。由此可知，联合高速铁路强震台站和国家强震台站数据能够得到更加准确的预警震级。

4.3 烈度速报参数比较

计算4个台站地震记录的地震仪器烈度，结果如表 1所示。其中，青石嘴台为基岩台站，烈度为5，震害最轻；离震中较近的土层台门源气象局台和门源变电所台的地震仪器烈度值计算一致，均为6.5，震害最重；距离震中较远的土层台AT所12台的仪器烈度略小于门源气象局台和门源变电所台，但大于青石嘴台，这与土层场地震害高于基岩场地、烈度随震中距增加而衰减的实际震害观测现象一致，表明2种台站互为补充，可为评估基岩和土层场地的震害研究提供更丰富的地震烈度分布信息。

5 结语

我国高速铁路网络发达，沿线强震台站经多年建设已初成规模。发生地震时，如果高速铁路强震台站数据能够和附近国家强震台站数据联合使用，将有效提高地震预警时间和精度。本文以青海门源6.4级破坏性地震为例，验证高速铁路强震台站和国家强震台站联合进行地震预警与烈度速报的可行性，得到以下结论：

1) 震源相同、震中距相近的门源变电所台记录到的峰值加速度明显大于门源气象局台，但峰值速度和峰值位移十分接近，表明地震峰值速度和峰值位移受2种台站建设方式和场地条件差异的影响较小。

2) 在时域内比较2种台站数据发现，位移时程相似性高于速度时程，速度时程的相似性高于加速度时程。在频域内比较2种台站数据发现，加速度时程互谱主要分布在10 Hz以内，速度时程主要分布在3 Hz以内，位移时程主要分布在1 Hz以内，说明随着加速度积分成速度和位移后，频率的相关系数逐渐提高，主要原因是高频分量的减少。

3) 利用2种台站记录的傅里叶幅值谱研究场地条件与地震波频率的关系发现，与地震破坏密切相关的0.1~10 Hz频带内，高速铁路强震台站和国家强震台站UD向地震记录受场地条件的影响较小。目前国内外学者公认的稳定可靠的地震预警参数τ_c和P_d都是采用地震P波UD向速度和位移时程来计算的，本文高速铁路强震台站和国家强震台站的峰值速度和峰值位移十分接近，速度时程和位移时程相似性也较高，表明2种台站建设方式和场地条件的差异对地震预警参数的影响较小。

4) 通过计算4个台站地震预警参数τ_c和P_d值来确定预警震级，结果表明，高速铁路强震台站单台和双台的预警震级都能够满足规范的预警要求，地震预警参数的差异在合理范围内，利用高速铁路强震台站和国家强震台站数据推算的平均τ_c参数值可计算出准确的震级。从烈度速报参数对比来看，高铁强震台站和国家强震台站的烈度计算结果符合震害现场烈度值、震中距及场地条件的衰减关系，表明2种台站建设方式的差异对烈度速报参数的影响较小，可以联合使用并互为补充，为评估基岩和土层场地的震害研究提供更丰富的地震烈度分布信息。

致谢: 感谢中国地震局工程力学研究所强震动观测中心为本文提供数据支持。