0 引言

中国是个地震多发国家，为了有效减轻地震灾害，应采取震害防御、地震预警等应对措施。强震观测是震害防御、地震预警等应对措施的基础，是认识地震动特征和各类工程结构地震反应特征的主要手段 (贺志勇等，2009)，为工程地震和地震工程研究提供第一手资料--强震动记录 (谢礼立等，1982)。强震动记录必须真实可靠，对于震害防御、烈度速报、地震报警、地震预警等研究意义重大 (王玉石等，2013；喻畑等，2013)。强震动记录质量是保证数据应用的基础。高质量强震动记录是场地或结构的真实反映，简单处理即可用于工程地震与地震工程的相关研究，在研究方法合理的前提下，可以保证研究结果的客观真实性。因此，在对强震动记录进行数据处理前，需要判断记录质量如何，是否适合用于相关研究，是否需要进行特殊处理或是舍弃 (强震动数据珍贵，除非质量特别低，否则不应丢弃)。目前，中国强震动台网及预警台网数量迅增，强震动记录数量可观，在推广使用前，如果忽略了数据质量的监督、评价和管控，则可能给相关科学研究和工程应用带来不利影响甚至灾难性后果。为此，需要对强震动记录进行质量评价和管控，通过可靠数据提升观测记录的使用价值，并最终赢得科学、经济和社会效益。强震动记录可以作为地震工程研究的重要战略资源，合理有效的数据应用可以指引科研向正确方向迈进。

在强震动观测历史中，由于国内外强震动台网密度过低，强震动记录获取是小概率事件，数据尤为珍贵，且记录间可比性不大，研究者们很难对记录质量提出质疑。随着强震动台网密度提高和研究成果大量涌现，强震动记录获取变得方便，各种记录对比随之出现。目前，强震动记录质量得到广泛关注，主要体现在强震动记录中具有“尖刺”“非对称波形”“记录分离”“阶跃式加速度基线漂移”等特征的奇异波形研究上。Boore & Bommer (2005)给出用于识别“尖刺”的“jerk”方法。周宝峰 (2012)选取国内外典型地震的强震动记录，采用基于能量和统计意义上的比值法，识别一批具有尖刺现象的记录，通过滤波和同一台站的三分量PGA对比法也可识别“尖刺”(周宝峰等，2014)。由于地震差异性较大，目前，该研究主要集中在PGA为“尖刺”的情况，其他像有规律的“尖刺”和不同位置的“尖刺”研究较少。因此，需要综合考虑震级、震源机制、地形差异等因素识别记录中的“尖刺”。“尖刺”的产生可能来源于强震仪加速度计和记录器的故障，倒塌物体的冲击以及维护人员的过失操作等。大的高频“尖刺”也可能是由于台站下方近地表的岩石脆性破坏所造成 (Bommer et al，2004)。温国梁等 (2001)研究了1999年“ChiChi”地震中TCU129台超过1 g的原因，认为由混凝土仪器墩所致。1992年Petrolia地震中的Cape记录出现了1.8 g的“尖刺”，而附近记录的PGA均未超过0.6 g，可能原因包括场地效应、方向性效应、具有大的凹凸体，或与断层有关 (Oppenheimer et al，1993；Ammon，1993；Oglesby et al，1997；Hanks，2006)。Anderson (2010)则认为，“尖刺”由地震台站附近的非线性过程产生。目前，有关强震动奇异波形产生机理研究比较欠缺，缺少必要的试验手段和系统的理论分析。

对于强震动记录中出现的“非对称波形”，目前还未给出明确定义。周正华 (2010)、王玉石 (2010)、卢大伟 (2015)等研究了“5·12”汶川主震宜宾高场中出现的类似“瀑布”的非对称波形现象，认为仪器基墩和地面产生的局部接触碰撞效应导致非对称波形的产生。且汶川地震余震记录中出现此类非对称波形 (周宝峰，2012)，国外也有此类波形出现 (Yamada，2009)。目前，国内外对于此类波形的识别方法较少。Aoi等 (2008)、Asaoka & Sawada (2012)认为蹦床效应造成非对称波形产生。Yamada等 (2009)则将其归结为物理颗粒介质的特性，是对于压缩和张力反应的非对称反应。Tetsuo Tobita等 (2010)发现，地面材料扰动产生压应力，从而产生重力加速度和高的正向脉冲，而周宝峰 (2012)认为可能是强震仪故障造成此类非对称波形。

芦山地震余震记录中，记录51QLY20130420O9370001. XMR的原始加速度波形在50 s附近出现基线水平上移现象。2008年汶川地震余震记录也出现类似现象。这类波形比较容易识别 (李小军等，2009)。关于记录分离，周宝峰等 (2014)也进行了相关研究。

1 相关概念

关于强震动记录质量的概念，可从两方面理解，即记录自身质量和使用过程的质量 (2012)。记录自身的数据质量体现在：① 记录是否能真实客观反映场地或结构实际的振动行为；② 记录是否具有完备性，采样信息是否充分，有无遗漏场地或结构实际振动的任何关键信息；③ 记录具有自洽性，记录非孤立存在，记录间往往存在各种约束，这种约束描述了数据的关联关系，记录必须能够满足关联关系，而不能相互矛盾；④ 记录具有不可重复性，或者说具有唯一性，在地震动记录中无波形相同记录。记录的真实性、完备性、自洽性和唯一性是记录本身应具有的属性，称为记录的绝对质量，是保证数据质量的基础。强震动台网的布局、强震仪器的性能、地震动台站 (台阵) 的建设方法、观测环境以及运行维护质量都是决定记录绝对质量的关键因素。

除了记录的绝对质量外，还有在存贮和利用记录过程中产生的记录质量，包括强震动记录的存贮质量、传输质量和使用质量，称为记录过程质量。强震动记录的存贮质量是指采用适当方案和技术抵制外来因素，使数据免受破坏，把数据安全地存贮在适当介质上，需要数据时能及时方便地取出。强震动记录的传输质量是指数据在传输过程中的效率和正确性。在现代信息社会中，强震动记录在异地之间的传输越来越多，保证传输过程中的高效率和正确性非常重要。例如，在传输强震动记录数据过程中，因外界环境干扰导致数据包丢失或数据发生畸变，严重影响数据质量。强震动记录的使用质量是指数据被正确的使用。数据使用具有一定前提条件和适用条件，数据被错误使用，将难以得出正确结论。地震动输入选择尤为重要。例如，对二类场地结构进行动力分析时，如果选择其他类场地上的地震动输入，则可能产生错误结论，给工程结构抗震带来不利影响。总之，介质存储、网络传输速度及环境、记录的正确使用等决定了强震动记录过程质量。

2 存在问题

通常，低质量的强震动记录表现为记录不完整、信噪比过低、奇异波形 (非对称、加速度基线明显偏移和尖刺等) 等，见图 1-图 5。绝对时间、经纬度及观测仪器的极性精度也会影响强震动记录质量。

(1) 强震动记录的不完整现象包括记录的丢头[图 1(a)]、断尾[图 1(b)]或记录三分量缺失[图 1(a)]等，我们认为记录的丢头和断尾是由于记录的事前和事后时间过短所致，而记录三分量缺失则是由于强震仪器坏道所致。

(2) 观测记录信噪比过低，震中距较远导致记录的地震动信息过小，信号被噪声淹没，见图 2，一般此类记录的研究价值不高，对于工程应用意义不大。

(3) 非对称波形、加速度基线偏移和尖刺均属奇异波形，其中：非对称波形现象曾在“5·12”汶川主震固定台宜宾高场中出现，见图 3，其南北向与垂直向出现明显的非对称现象 (李小军等，2008)；“5·12”汶川地震中，米易撒连台尽管垂直向峰值加速度较小，却发生明显的基线漂移现象，见图 4(a)；安徽六安地震台3个方向均发生显著旋转，见图 4(b)；如图 5所示，强震动观测记录的首部、尾部和中间出现“尖刺”现象，且位置多变，记录的事前、事后及强烈振动过程中均可能出现，甚至峰值加速度 (PGA) 都有可能是“尖刺”，调整前后，对于反应谱影响比较大，而关于“尖刺”的定义，目前不是很明确。

3 强震动记录质量提高措施

为了获得高质量的强震动记录，需要采取相关措施。对强震动观测台网布设、强震仪研发、自然环境影响、台网运行维护等各阶段可能引发的各类数据质量问题，进行识别、度量、监控、预警等一系列管理活动，并通过改善和提高管理水平，使得强震动观测数据质量获得进一步提高。

(1) 合理高效布设强震动观测台网。严格按强震动台站建设规范，依据强地震活动趋势，人口密度和未来地震可能造成的伤亡情况，区域的经济发展程度和未来地震可能造成的经济损失，场地的典型性和重要性选址建设，还需兼顾交通、背景噪声、通讯、电力供给、安全等因素。如图 3中地震波形表现的非对称现象可能由“蹦床效应”造成，也可能是地震加速度计“卡摆”所致，建议出现此类现象的台站检查仪器墩是否符合建台要求，并取回地震加速度计在低频振动台上进行检测。

(2) 提高强震仪稳定性和技术水平，严格按强震仪规范生产仪器，保证仪器精度高，经久耐用，易于操作。如图 2所示的地震波形记录首部尖刺问题，可能由强震仪记录事件前缓存内容衔接错误或缓存清空不彻底造成，属于仪器软件问题，或者因外部供电出现纹波造成仪器内部供电突变引起毛刺噪声，建议生产厂家完善强震仪软件和仪器供电单元性能。应避免因外接供电电压不稳定造成仪器所在系统的不稳定，避免仪器自身老化导致其灵敏度降低。

(3) 加强强震动台网运维管理。强化观测人员的技术培训，细化台网运维流程，不断提高自动化管理和现场巡检质量，增强台网运行的时效性。如：在近年的强震动观测中，存在GPS时钟失效、记录仪和加速度计故障、同一强震仪记录缺失等现象，建议观测人员分析故障原因，及时现场巡检，排查并检修故障仪器。

(4) 减少自然环境影响。常见自然环境干扰因素有：气温、气压、湿度、雨量、风、雷电、地下水位、外来电磁场干扰。图 4中地震波形表现为具有等间距的毛刺现象，通过时间轴对比发现，毛刺频率约1 Hz，且仅垂直向出现毛刺，可能由该分量混入1 Hz噪声所致，建议增强强震仪抗干扰能力，采取有效接地措施。观测仪器受风扰、气压、温度、湿度、雷电等影响，台站建设应注意：对于雷电多发台站，加大防雷措施，避免雷击损害仪器，影响观测数据质量；在风量较大的荒漠地区，台站应建在地下岩体里；对于冬季温度较低地区的台站，必须保持观测室温度在仪器可接受范围内，否则影响观测仪器工作性能；严格控制观测室温度、湿度，保持观测仪器工作稳定 (强震仪摆内部金属片对温度和湿度变化敏感，零飘可能超过规定范围)。

(5) 减少人为干扰影响。强震动观测不同于测震监测，其目的是研究地震动对场地和土木工程的影响，兼顾交通方便，强震动台址往往选在学校、政府、厂矿和水电站等相对长期不变迁的场所，容易受到一定程度的外界干扰。如：人类活动、车辆机械的振动干扰等，需要减少人为干扰，保证强震观测记录质量。

(6) 不断完善强震动台站基本信息，例如：周围地形信息的调查、场地分类、经纬度等，不断改进强震动数据处理方法，压制甚至剔除与研究无关的信息，突出信号，提高信噪比。

(7) 科学评价强震动记录质量。如根据误差理论定量描述数据的可靠性和精确性等。

(8) 在应用强震动记录进行科研和工程应用时，需要考虑记录的适用范围，不可盲目使用，以免得出错误结论，造成不利影响。

4 结束语

中国重视防震减灾事业的发展，为了获得大量有意义的强震动记录，服务于我国防震减灾事业，近年投入大量经费建设强震动观测台网。为了提高强震观测记录的应用率，深入开展地震工程与工程地震研究，必须保证强震动记录数据质量。应熟知影响数据质量的各种因素并予以剔除，认知并分析低质量观测数据，特别是对于地震波形曲线中的各种奇异波形，应搞清其机理，对于中国强震动台网建设、运维有一定指导作用，对于高质量强震动记录的产生，具有重要意义。关于强震动记录的质量研究意义重大，任重道远，意义重大，需要我们持之以恒，不断努力，从强震动仪器研发，强震动台网建设和运维，强震动记录的应用等方面综合考虑，保证中国强震动记录质量，使其更好地服务于震害防御、地震预警、地震应急和震后灾害评估等工作。