2014, Vol. 29
2. 河北省地震局, 石家庄 050021
2. Earthquake Administration of Hebei Province, Shijiazhuang 050021, China
2013年4月1日，由中国地震局监测预报司签发的文件《自动地震速报技术管理规定(2013修订版)》(中震测函〔2013〕55号)开始执行(中国地震局监测预报司，2013)，自动地震速报信息通过官方认可的途径对外发布，标志着我国正式进入“自动地震速报时代”.从2005年开始起步的区域(福建省地震局)自动地震速报系统(金星等，2007)，到2008年开始运行的国家地震速报备份中心(广东省地震局)自动地震速报系统(吴永权等，2011)，再到2009年国家地震台网中心自动地震速报系统(杨陈等，2010)，我国的自动地震速报系统历经了“5.12汶川地震”、“4.14玉树地震”和“3.11日本地震”等考验，在不断优化功能和定位方法中逐步成长.2012年，在中国地震局监测预报司的组织下，我们对三套自动地震速报系统进行了整体评估，并根据评估结论确定了“多路综合触发”的对外发布策略，同时开发了相应的软件对此进行支持.本文在评估报告的基础上，着重介绍我国自动地震速报系统的现状，并对未来的发展进行相应的讨论. 1 系统构成
全国自动地震速报系统由自动速报结果产出系统、综合触发系统、数据交换系统和参数发布系统四部分组成.其中，自动速报结果产出系统由国家地震台网中心(简称台网中心，下同)、国家地震速报备份中心(简称备份中心，下同)和区域自动地震速报中心(简称区域中心，下同)的自动地震速报处理系统产出构成，上述单位分别将各自产出的自动速报结果发送至自动EQIM根服务器(杨陈等，2009).综合触发系统汇集台网中心、备份中心和区域中心的自动速报结果，基于“多路综合触发”策略产出综合触发结果(代码AU：Auto Location)，并将该结果发送至自动EQIM根服务器.数据交换系统由国家地震台网中心和各省级地震台网中心的自动EQIM系统构成，所有自动地震速报信息均通过国家台网中心自动EQIM根服务器进行汇集和转发，省级地震台网中心通过本地自动EQIM服务器接收全部自动地震速报结果.参数发布系统只接收自动地震速报综合触发结果，作为自动地震速报信息统一发布的数据源使用.全国自动地震速报系统整体构成图见图 1.
 | 图 1 全国自动地震速报系统整体构成图 Fig. 1 Structure of China’s auto earthquake information release system |
我们以中国地震正式目录(全国地震统一编目，http://10.5.202.22/bianmu/index.jsp)自2010年1月1日到2011年12月31日4080个地震参数为标准(其中国内及周边地区M 2.5级以上地震3011个(国家质量技术监督局，1999)，国外M 5.5级以上1069个)，对台网中心、备份中心和区域中心的自动速报结果进行分析.其中，台网中心和备份中心对于同一地震的自动速报结果有多次发送的情况，而从实际运行情况来看，后续结果的精确度并没有比第一次结果有显著的提高.为了便于统计，并兼顾自动地震速报的时效性，本次对比中仅选取第一次发送的结果进行对比(杨陈等，2013). 2.1 定位精度分析
总体对比结果见表 1，国内及周边地区震中位置误差和震级误差见图 2和图 3：
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表 1 总体对比结果 Table 1 Comparison of the results given by different institutions |
从图 2可以看出：对于国内及周边区域的地震，3套系统震中误差大部分都在50 km以内，其中区域中心误差最小，备份中心误差最大，台网中心在两者之间，这与区域中心的对比范围仅为国内东部台站密度较大地区也有一定关系.排除个别因特殊原因造成误差偏大的地震外，3套系统的震中位置误差随着震级的增大有着整体减少的趋势.
由图 3可以看出：区域中心存在震级偏小现象，尤其是较大地震(M≥4.7)更为明显，这主要和该系统只测量ML震级且使用台站一般都较近有关，尤其是ML震级在超过6.0存在饱和现象，因此该系统对于大震测定的震级很可能不准确.备份中心对于5级以下地震震级离散较大，地震越大，自动测定的震级误差越小.而台网中心随着震级的增大，其误差有增大的趋势，以震级偏小的居多.几个系统在震级测定方面各有优缺点，都有可改进之处.使用更多的远台数据震级一般更加稳定，但等待地震波扫过更远的台站会增加速报用时，因此如何在速度和参数稳定性之间获得可接受的平衡也是一个需要进一步研究的问题.
 | 图 2 国内及周边地区震中位置误差 Fig. 2 Epicenter error in and around China |
 | 图 3 国内及周边地区震级误差 Fig. 3 Magnitude error in and around China |
对中国地震正式目录进行处理，只保留国内M 3.0级以上和国外M 6.0级以上的目录，将该目录与自动地震速报目录进行匹配，缺少的目录即为漏报(下同).由于区域中心的覆盖范围仅为国内东部地区，本文中对比时仅选取东经100度以东的国内地震(包括台湾地区).总体漏报地震情况见表 2，国内及周边地区漏报地震分布图见图 4：
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表 2 漏报地震情况 Table 2 Statistic of miss Earthquakes |
由表 2和图 4可以看出，对于国内及周边地震，3套系统对于东部台站较密的网内地震漏报较少，而对于西部和周边台站较稀疏的地区存有不同程度的漏报.其中，台网中心对于台湾和周边地区漏报较多，漏报M 5.0级以上的地震也主要集中在台湾地区；备份中心对于M 3.0到M 3.9级地震漏报较多，但没有漏报M 5.0级以上地震，且对台湾地区没有漏报；区域中心的漏报主要集中在台湾地区和中俄交界地区的深源地震，这个与其主要处理网内地震和对深源地震处理能力不足有关.对于国外地震，备份中心的漏报地震较台网中心少，而与此同时，其误报也相应的较多(见3.3分析).漏报主要是由于台站分布不合理和大地震的余震造成，也有少数情况是由于实时数据流中断和系统死机造成.
 | 图 4 国内及周边漏报地震分布图 Fig. 4 Miss Earthquakes in and around China |
对自动地震速报目录进行处理，只保留国内M 3.0级以上和国外M 6.0级以上的目录，将该目录与中国地震正式目录进行匹配，多出的自动地震速报目录即为误报(下同).经过对比分析：区域中心无误报(但在对比范围外有1次因2009年9月30日苏门答腊M 7.6级地震引起误报四川省峨眉山M 3.0地震)；台网中心误报3次，分别是2011年1月19日巴基斯坦M 7.1级地震引起误报新疆阿克陶M 4.9级地震，2011年3月11日日本东北海域M 6.0级地震引起误报吉林延边M 3.3级地震，2011年7月25日日本东北海域M 6.3级地震引起误报吉林延边M 3.9级地震；备份中心误报较多，其中国内54次(5级以上1次)，国外15次(7级以上2次).
由此可见区域中心的1次误报和台网中心的3次误报均为将国外大地震的尾波误报为国内地震；而备份中心误报较多，其中既包含大震尾波触发、台站组合匹配错误等原因，更主要的是软件系统在台站分布不合理、组合匹配较差和没有近台等情况时条件约束不够.漏报和误报的根本原因在于地震自动处理算法的不完善，而实际上，在我们还不能对所有不同的地震的处理都找到一个完美解决方案时，对地震发布的条件越苛刻，误报就越少，然而可能造成的漏报就会越多. 2.4 产出系统评估结论
根据上面的分析，可得出如下结论：
自动速报系统总体上稳定，自动速报与传统人工速报相比具有明显的速度优势，国内大多数地震可在2分钟之内完成自动速报，参数精度较为可靠，同时也存在着漏报尤其是误报的情况，少量地震的位置、震级等速报参数误差较大.这些问题在世界各国自动速报应用也普遍存在，是由台站密度、台网布局、速度模型等多种客观因素决定的，难以单纯从算法上予以“完美” 解决.因此，直接发布单一系统的自动结果存在风险.
几套系统各有优缺点，具有一定的互补性.自动速报面向社会发布，误报的影响和后果比漏报要严重的多，在发布机制和策略上采取“宁漏不误”的原则是必要的.自动地震速报发布采取“多路综合触发”机制：多路相互独立的自动速报系统同时并行，通过自动EQIM系统汇总到后端的自动综合分析审核平台，借鉴2把钥匙开门的保险策略，对同一个事件，当3套自动速报系统中有2套以上给出速报时，审核平台判断为真实地震事件并对外发布. 3 综合触发评估
根据前面确定的“多路综合触发”机制，我们使用现有的数据进行模拟评估.
地震合并原则：根据同一地震的原则进行匹配，如果有两套以上的系统有结果，则选取其中最快的2条进行合并(取平均值)，如果只有1套系统有结果，则舍去该结果.
数据对比选取范围：以中国地震台网的正式地震速报目录为标准，用上面生成的自动地震速报综合目录进行对比.由于各系统正式运行时间不一，并在运行时不定期做了升级，为了简单起见，本文仅选取自动地震速报系统运行较为稳定的2011年全年的地震速报进行对比(正式地震速报目录总共667条，其中国内及周边476条，国外191条)(杨陈等，2012). 3.1 定位精度分析
综合触发结果总体对比结果如表 3，国内及周边地区震中位置误差和震级误差见图 5，国外地区震中位置误差和震级误差见图 6：
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表 3 总体对比结果(综合触发结果) Table 3 Comparison of the results(integrated trigger result) |
 | 图 5 国内及周边地区地震定位误差 Fig. 5 Location error for China earthquakes |
从图 6可以看出，国外地震的震中误差大部分都集中在100 km以内，且随着震级的增加有逐步减小的趋势(震级越大，震中越精确)；而震级误差基本都在1.0级以内.其中，日本311大地震的综合触发结果为8.3级.
 | 图 6 国外地震定位误差 Fig. 6 Location error for Globe earthquakes |
国内及周边地区正式地震速报目录共476条，漏报175条，其具体分布见图 7；国外真是地震速报目录191条，漏报40条，其具体分布见图 8.
 | 图 7 国内漏报地震 Fig. 7 Miss Earthquakes of China |
 | 图 8 全球漏报地震 Fig. 8 Miss Earthquakes of Global |
由图 7可以看出，国内及周边地区漏报的地震主要集中在新疆、西藏等台站比较稀疏的地区，以3.0~3.9级地震为主，另有部分4.0~4.9级地震，也基本上集中在上述地区及中国周边地区，其中有3条5.0级以上的地震，具体目录见表 4.
由表 4可以看出，漏报的5.0级以上地震为中国周边(缅甸)、台湾海域及黄海海域，这与这些地区台站较为稀疏和分布不合理有着直接的关系.
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表 4 漏报的5.0级以上地震 Table 4 Miss Earthquakes which M≥5.0 |
由图 8可以看出，国外主要漏报的地震集中在日本311地震的余震、印尼和汤加地区的6.0~6.9级地震；其中漏报7.0级以上地震一个，也为日本311大地震的余震，其目录如下：
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表 5 漏报7级以上地震 Table 5 Miss Earthquakes which M≥7.0 |
日本311大地震的发震时刻为13点46分，该漏报地震尚处在其尾波之中，由此可见综合触发结果对于大地震余震的处理能力也有所欠缺.综合触发结果没有误报. 3.3 综合触发评估结论
模拟结果表明，采用“多路综合触发”机制可以实现几套并行的独立自动地震速报系统互补纠错，自动速报系统发出误报的可能性大大降低，综合触发结果的震中位置和震级偏差与单套系统相比也有所改善.在不漏报国内有影响大震的前提下，舍弃监测能力薄弱地区的部分小震是可以接受的.遵循“统一发布、宁弃不误、内外有别”的原则，根据监测能力实行按区分类发布并以人工后干预机制为保障，自动地震速报结果在一定程度上面向社会服务是可行的. 4 AU时代的自动地震速报
根据前期的评估结论，我们在“多路综合触发”原则下开发了相应的综合触发系统，经过半年多的试运行后完成验收工作.在前期工作准备完毕的情况下，中国地震局监测预报司出台了《自动地震速报技术管理规定(2013修订版)》(中震测函〔2013〕55号)，从系统构成、任务职责、自动速报参数产出、信息发布与更新、运行维护和条件保障等方面对全国自动地震速报做了技术上的约定.自此，中国的自动地震速报正式进入了“AU时代”. 4.1 自动地震速报结果使用原则
根据全国自动地震速报系统的整体部署，自动地震速报结果分为两类，一类是由三套自动地震速报系统直接产出的原始结果，一类是通过“多路综合触发”原则而产生的综合触发结果.前者仅限系统内部参考使用，不得对系统外部发布；后者可以对外发布，但必须使用人工结果对其进行核实.如果综合触发结果核实为地震事件，则必须使用正式地震速报结果对其进行更新；如果核实为误触发，则必须根据一定的规则对其进行处理.在该原则的基础上，“自动报—正式报”的两级地震速报制度已完全建立. 4.2 四川省芦山“4.20”7.0级强烈地震自动速报情况
2013年4月20日8时02分，四川省雅安市芦山县发生M 7.0级强烈地震，此时距《自动地震速报技术管理规定(2013修订版)》4月1日正式生效已有20天时间，全国自动 地震速报系统在该地震的速报信息发布中发挥了较大的作用，但同时也反映出了一些问题.芦山地震速报具体情况见表 6.
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表 6 芦山M 7.0级地震速报情况 Table 6 Statistic of Lushan M 7.0 Earthquake information release |
从表 6可以看出：芦山地震最快的自动结果为备份中心的第一报，仅用时27 s，震中误差较小，但震级仅为5.7级；综合触发结果采用备份中心第二报和台网中心第一报的结果，用时57 s，震中误差21.3 km，震级为5.9级；正式速报用时为678 s，震级为7.0级.
从速报信息的对外发布来看，综合触发结果用时不到1分钟，正式速报结果用时11分钟多，两者的震级相差为1.1级，自动结果发布的速度相比人工结果有了显著的提高，但震级相差较大，其主要是由于近台限幅和测量的体波震级mb及近震震级ML饱和等原因造成.同样从表 6可以看出，在综合触发结果发出之后，3套自动速报系统后续结果的震级均有不同程度的提高(最高为备份中心的7.2级)，这个同后续结果使用了更多的远台参与定位有关.在速度与参数稳定性之间如何采取平衡的问题已在3.1中进行过讨论，仅从本次地震来看，如果在综合触发结果和正式速报结果之间能有更新的自动速报结果进行发布，则能在很大程度上弥补首报震级较低的问题，同时对于自动报和正式报之间的“真空10分钟”也能有一定程度的补充.
截止到2013年6月2日16时，芦山地震正式速报3.0级以上余震135次，其中包括6.0~6.9级0次，5.0~5.9级4次，4.0~4.9级23次，3.0~3.9级地震108 次.在这些余震的自动速报中，综合触发结果漏报14条，其中11条仅有单系统触发(5条为区域中心、5条为备份中心、1条为台网中心)，3条为全部漏报.全部漏报地震目录见表 7，单系统触发4级以上地震为3条，具体目录见表 8.
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表 7 芦山地震余震漏报情况 Table 7 Miss Earthquakes of Lushan M 7.0 Earthquake’s aftershocks |
从表 7可以看出，3套系统全部漏报的地震均为3.0级，且处于第一天余震频发时期；从表 8可以看出，单系统触发4级以上的地震均为区域中心结果，其中前两条均处于主震的尾波之中，第3条也处于第一天的余震频发时期.从本次芦山地震余震的表现来看，区域中心对于余震的处理能力较强，但整体仍需在改进算法和触发条件的基础上进行提高.
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表 8 单系统触发目录(4级以上)Table 8 Single system trigger Earthquakes which M≥4.0 Table 8 Single system trigger Earthquakes which M≥4.0 |
通过对于产出系统的综合评估、综合触发结果的模拟评估以及芦山地震的整体验证，中国自动地震速报系统在遵循《自动地震速报技术管理规定》的前提下进行对外发布从整体上来说是成功的，但同时也反映了一些问题，主要表现在大震震级偏低和余震漏报等方面.对于前者，我们在平衡速度与参数稳定性的基础上，还需要对于大震的自动速报更新发布机制进行完善，同时，在条件允许的情况下，还应使用更多的强震实时数据，以解决近台限幅等“先天不足”的问题.对于后者，除了在对产出系统的算法和触发条件等方面进行优化之外，还应在整个系统部署中引入更多的、基于不同算法的产出系统，增加“投票人数”，以减少漏报发生的可能.
全国自动地震速报系统的部署以及信息的对外发布为未来的地震预警工程建设提供了项目经验，大震震级偏低和信息更新发布等是两者需要共同面对的问题.除了加强系统部署和制度建设之外，我们还应从地震学本身进行探索，通过研究不同的震级测量方法，引入更多的参考量，使得自动地震速报系统能更快更好的为科研和社会服务.
致 谢 国家地震台网中心、国家地震速报备份中心和区域自动地震速报中心运行的自动地震速报系统为本文提供数据资料，审稿专家对本文提出了有益的建议，在此一并表示感谢！| [1] | China Earthquake Administration Monitoring and Prediction Department. 2013. Auto earthquake information release technology management regulations(2013 revised edition)[2013] (in Chinese)[M]. Beijing: China Earthquake Administration. |
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