2019, Vol. 40
2. 中国新疆维吾尔自治区 848000 和田地震台;
3. 中国乌鲁木齐 830011 新疆维吾尔自治区地震局
2. Hetian Seismic Station, Xinjiang Uygur Autonomous Region 848000, China;
3. Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region, Urumqi 830011, China
全国自动地震速报系统包括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4部分。综合触发系统汇集国家地震台网中心、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（AU），并发送至自动EQIM根服务器。国家地震台网中心发布服务器从自动EQIM根服务器接收自动地震速报综合触发结果（AU），作为自动地震速报信息统一发布的数据源。各省级地震台网中心发布服务器从本地自动EQIM服务器接收AU震级，作为本省自动地震速报信息统一发布的数据源（中国地震局监测预报司，2013）。
地震灾害与震级大小密切相关，震级大小关系到地震灾害的评估和应急处置（孙丽等，2016）。在地震参数自动测定中，震级自动测定是关键技术之一。在地震监测自动化和智能化快速发展、地震监测强调减灾实效的今天，有必要使用较丰富的震例评估自动地震速报系统产出震级的准度和稳定性，从而为震后应急中自动速报参数的正确使用，以及自动速报系统的持续改进提供参考。
新疆是强震多发地区，地震灾害严重，而地震台站分布不均，很多地震为发生在边境的网外地震，对使用自动地震速报系统进行地震定位及震级计算提出挑战。徐道尊等（1999）、梁建宏等（2015）、孙丽等（2016）对自动地震速报系统及产出进行分析，因实际震例较少，且仅趋向于分析地震自动定位方法，未对震级偏差进行系统分析，对自动地震速报系统在新疆的使用认识不足或不全面。为此，选取2015—2017年自动地震速报系统产出的定位结果，通过与中国地震台网中心人工速报数据进行对比，系统分析新疆地震在不同震级档和不同区域的AU震级精准度，从而为正确认识现有自动地震速报系统的不足、正确使用自动速报产出结果提供帮助。
1 研究区概况新疆地处欧亚大陆腹地，由南到北分布西昆仑、天山和阿尔泰3大主要地震带，是大陆板内强震多发地区（杨又陵等，2005）。作为中国大陆地震发生最多的省区，新疆地区发生的地震震级大、频度高、分布广。其中2011年6月以来，新疆境内就发生了47次5级以上地震，其中5级地震38次、6级地震8次、7级地震1次，最大地震为2014年2月12日于田县7.3级地震。空间上，这组地震呈现多带分布，6级以上地震主体活动区域为北天山、西昆仑地震带，南天山、阿尔泰、阿尔金地震带则处于平静状态。
受自然环境所限，新疆地震台网所辖地震台站分布不均，差异较大，如：北天山西段和乌鲁木齐地区地震台站分布较密集；沙漠、无人区等基本无台站分布。很多地震为发生在中国边境的网外地震，对自动地震速报系统的地震定位和震级计算提出了挑战。
新疆及周边省份地震台站分布见图 1。
|
图 1 新疆维吾尔自治区地震局测震台网及邻省共享台站分布 Fig.1 Distribution of seismic network of Earthquake Agency of Xinjiang Uygur Autonomous Region and shared stations of neighbouring provinces |
地震发生后，以国家地震台网中心（CB）、国家地震速报备份中心（GD）和区域自动地震速报中心（LN、HE、FJ、SN、YN）为多路综合触发信息源，根据相应规则生成综合触发结果（下文简称AU震级）。根据不同的地震台网密度，所测AU震级大小不同，如：6—7个地震台站，对于新疆东部M 2.0以上、西部M 4.0以上地震，可测定给出较为可靠的震级。
自动地震速报系统可自动测定地方性震级ML、P波矩震级MWP和体波震级mB。根据经验转换公式将ML转换为面波震级MS，若MS＜5.0，则选择MS作为发布震级M；若MS≥5.0，则根据经验对自动测定的ML、MWP和mB进行混合加权平均后作为发布震级M。
地震人工速报根据经验拾取信噪比高、记录清晰的震相到时及最大振幅和周期等参数，测定地方性震级ML，通过经验转换公式将ML转换为MS作为发布震级M。
自动地震速报从处理到发布均由计算机自动完成，与传统人工速报相比，具有明显的速度优势。但人工速报可以根据经验较准确地拾取震相到时，自动地震速报只能根据设定进行，缺少灵活性，且存在误触发、漏报等现象。
本研究采用的自动地震速报结果来源于中国地震台网中心自动地震速报综合触发结果（下文简称AU震级），与之对比的是中国地震台网中心人工速报地震目录。据中国地震台网中心AU震级目录，在新疆及周边地区（35.38°—45.96°N，70.77°—91.14°E）2015—2017年共产出131次震级3.0以上综合触发结果事件。人工速报目录中有130次事件与自动速报目录相匹配，其中：3.0—3.9级地震57个，4.0—4.9级地震55个，5.0—5.9级地震9个，6.0—6.9级地震8个，7.0—7.9级地震1个，地震分布见图 2。统计发现：①除阿勒泰地震带外，新疆其余地震带均有地震发生，最大地震为2016年11月25日新疆阿克陶M 6.7地震；②新疆境外地震有14次，据统计：3.0—3.9级地震2个，4.0—4.9级地震5个，6.0—6.9级地震6个，7.0—7.9级地震1个（2016年4月10日阿富汗7.1级地震）。
|
图 2 2015—2017年人工速报与自动速报相匹配的130次事件震中分布 Fig.2 Distribution of epicentres of matching events of quick-report earthquakes and automatic quick-report earthquakes from 2015 to 2017 |
将AU震级与人工速报震级偏差进行整体性分析、层次分析和地域分析，计算震级平均偏差和标准偏差，用以分析不同震级档和不同地域AU震级的精准度。
3.1 整体性分析将AU震级与中国地震台网中心人工速报产出震级进行对比，逐一计算震级偏差，公式如下
| $ \Delta {M_i} = {M_{1i}} - {M_{0i}} $ | (1) |
式中：∆Mi为第i个地震的震级偏差，M1i为AU震级，M0i为中国地震台网中心人工速报产出震级（徐道尊等，1999）。若有n个地震事件，则震级平均偏差∆M及标准偏差S分别为
| $ \Delta \bar M = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\Delta {M_i}} = \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {({M_{1i}} - {M_{0i}})} $ | (2) |
| $ S = \pm \sqrt {\frac{{\sum {\Delta M} _i^2}}{n}} $ | (3) |
本研究所用人工速报震级为中国地震台网中心人工速报目录的M震级，将AU震级记作MZD，以示区别。
3.2 层次分析将匹配的130个地震事件按3级档、4级档和5级以上档3个不同震级档进行划分，对比分析M与MZD偏差，计算二者平均偏差和标准偏差，并分析不同震级档AU震级（MZD）精准度。
3.3 地域分析将匹配的地震事件按不同地域进行划分，对比分析M与MZD偏差，计算二者平均偏差和标准偏差，分析不同地域AU震级（MZD）精准度。将新疆地区按构造划分为11个区域，因哈密地区地震较少，2个盆地未单独划分，将其与塔克拉玛干大沙漠和古尔班通古特沙漠算为同一区域。具体构造分区见图 3。
|
图 3 新疆地区按构造分区 Fig.3 Tectonic zone of Xinjiang region |
统计发现，2015—2017年，富蕴地区无AU震级记录，准葛尔山地仅1条AU震级记录，样本太少，因此，文中就阿尔金地区、西昆仑地区、喀什—乌恰交汇区、南天山西段、南天山东段、伊犁盆地、北天山西段、乌鲁木齐地区和哈密地区及沙漠地震进行分析。
4 震级偏差分布通过对震级偏差整体性分布、层次性分布和地域性分布情况的分析，总结自动速报震级（MZD）的精准度及其影响因素。
4.1 整体性分布（1）偏差分布。统计选取的130次地震震级偏差，得到MZD与M偏差分布，见图 4。
|
图 4 MZD与M震级偏差分布 Fig.4 Distribution of deviation between MZD and M |
由图 4可见，震级偏差整体近似呈正态分布，其中约89.2%的地震MZD震级比M震级偏大，约3.1%的地震MZD与M震级完全吻合，约7.7%的地震MZD震级偏小。一般认为，MZD与M震级偏差在±0.3以内，地震速报结果可靠。文中提到的不可靠结果，震级偏差均在±0.3以外。统计发现：震级偏差小于或等于±0.3的地震约占总数的40.8%；在不可靠结果中，MZD与M震级偏差均为正数，说明AU震级大于人工速报震级，即MZD偏大。
（2）不可靠结果分析。对于占比59.2%的不可靠结果，由公式（2）计算得到MZD与M震级平均偏差为0.435 4，由公式（3）计算得到MZD与M震级标准偏差为±0.542 9。以1级和0.5级为间隔划分震级，得到不同震级档分布结果，见图 5，可见：①震级间隔为1，3—3.9级地震不可靠结果占56%，震级越大，不可靠结果越少，MZD与M震级偏差越小；②震级间隔为0.5，明显可见大多数不可靠结果源自4.5级以下地震。
|
图 5 不可靠结果按震级1级和0.5级滑动后各震级档分布 Fig.5 Distribution of unreliable results after sliding by magnitude of 1 and 0.5 respectively |
MZD与M震级对比分布见图 6，可见，在震级M＜4.5时，MZD整体偏大。统计可知，M≥4.5地震有37个，MZD相对于M的平均震级偏差为0.164 9，标准偏差为±0.306 2，偏差明显减小。对于37个M≥4.5地震，统计MZD和M震级偏差，分布结果见图 7，可见，MZD与M偏差小于或等于±0.3的地震约占总数的78.38%。因此，对于大多数地震，AU震级与速报震级相差小于或等于±0.3。由此说明，对于M≥4.5地震，AU震级（MZD）精准度较高。
|
图 6 MZD与M震级对比 Fig.6 Comparison of MZD and M |
|
图 7 M≥4.5地震时MZD与M震级偏差分布 Fig.7 Distribution of deviation between MZD and M of earthquakes with M≥4.5 |
以0.1为震级间隔，统计M≥4.5地震各震级档不可靠结果占比，见图 8，可见：当M≥4.5时，每升高0.1级，不可靠结果比例随震级升高变化不大，即AU震级结果的精准度随震级升高变化不大，较稳定。
|
图 8 M≥4.5地震按0.1级滑动各震级档不可靠结果占比 Fig.8 The proportion of unreliable results of sliding magnitude scales of earthquakes with M≥4.5 |
将匹配的130个地震事件，按3级、4级和5级震级档，对比分析M与MZD震级偏差，计算震级平均偏差和标准偏差，统计震级偏差在±0.3以内的可靠结果，并计算AU震级（MZD）精准度，结果见表 1。
|
表 1 不同震级档自动定位震级精准度指标 Table 1 Magnitude reliability index for automatic location of different magnitude ranges |
由表 1可见：①对于3.0≤M＜4.0地震，MZD与M震级平均标准偏差最大，且AU震级精准度最差；②对于4.0≤M＜5.0地震，MZD与M震级平均标准偏差较3.0≤M＜4.0地震明显减小，AU震级精准度明显提高，处于一般水平；③对于M≥5.0地震，MZD与M震级平均标准偏差最小，且AU震级精准度最高。因此，小地震AU震级（MZD）精准度较差，由测定小地震时可用台站较少、稳定性较差所致，而大地震测定震级时可用台站较多，稳定性较好（中国地震台网中心，2015）。
4.3 地域性分布对于所选取的130个M≥3.0地震，按新疆不同构造地域划分，对比分析11个构造区域地震的M与MZD震级偏差，统计震级偏差在±0.3以内的可靠结果，并计算AU震级（MZD）精准度，结果见表 2。由表 2可见：①阿尔金地区、伊犁盆地、乌鲁木齐地区和哈密地区及沙漠，AU震级均比速报震级偏大，AU震级精准度差；②西昆仑地区、喀什—乌恰交汇区、南天山西段和南天山东段，AU震级精准度较差，绝大多数AU震级比速报震级偏大；③北天山西段，AU震级精准度最高。
|
|
表 2 各个分区自动定位震级精准度指标 Table 2 Magnitude reliability index for automatic location in each zone |
选取震级偏差大于0.7的20个地震，分析震级偏差较大原因，发现：7个地震为大地震之后短期内发生的余震（2015年7月13日皮山6.5级、2016年11月25日阿克陶6.7级和2016年12月8日呼图壁6.2级地震），11个地震位于地震台站稀少且分布不均、偏网或网缘地区，其余2个地震原因待查，具体结果见表 3。分析认为，短期内同一地点较大主震或不同地点大地震的影响，均可能造成测定震级偏大，且与大地震间隔时间、空间距离及震级大小有关，若间隔时间越短、空间距离越小或震级越小，影响越大，具体影响视震级计算时大地震振幅成分所占比重大小而定，即比重越大，对震级影响越大，震级误差越大（中国地震台网中心，2015），反之亦然。
|
|
表 3 震级偏差大于0.7的地震统计 Table 3 Statistical table of earthquakes with magnitude deviation greater than 0.7 |
由表 3可见：震级偏差大于0.7的地震震级均在M 4.5以下，震级偏差与震级大小存在一定关系，当M＜4.5时，震级偏差较大，可能是因为测定小地震时，可用地震台站较少，稳定性较差；当M≥4.5时，震级偏差较稳定，随震级升高变化不大，是由于测定大地震时可用台站较多，稳定性较好。
6 结论通过对新疆自动地震速报震级偏差进行初步分析，可以发现：不可靠结果均表现为AU震级大于人工速报震级，综合分析认为，新疆自动地震速报综合触发结果（AU）震级的精准度一般，具体结论如下。
（1）不同震级区间，AU震级与人工速报震级偏差有所不同，震级越大，不可靠结果越少，且大多数不可靠结果源自4.5级以下地震，当M≥4.5时，自动速报震级精准度较高，稳定性较好。
（2）不同构造区域，AU震级与人工速报震级偏差也有所不同，表现在：①阿尔金地区、伊犁盆地、乌鲁木齐地区和哈密地区及沙漠，AU震级偏大，精准度较差；②西昆仑地区、喀什—乌恰交汇区、南天山西段和南天山东段，大多数AU震级偏大，精准度较差；③北天山西段AU震级精准度最高。
（3）影响震级偏差的主要因素有：①短期内同一地点较大主震或不同地点大地震的影响，会造成震级偏差较大；②震级偏差与地震台站分布、布局有关。地震台站分布不均，偏网或位于网缘地区时，震级偏差较大；③震级偏差与震级大小存在一定关系。当M＜4.5时，震级偏差较大；当M≥4.5时，自动速报震级精准度较高，稳定性较好。
利用计算机软件自动测定震级时，仅使用P波与S波之间数十秒时长的波形资料，选取的时间窗口会因定位误差和理论走时误差而存在偏差。另外，P波传播路径上介质的平均密度ρ和P波平均速度α并非常数或线性函数，也会造成计算震级M存在偏差。因此，自动定位震级与速报震级存在少许偏差是正常的，可加入校正值，增加自动速报震级可靠准度。
7 结束语自动地震速报系统测定的震中误差一般不大，但测定的震级稳定性较差。本文系统分析了新疆地震在不同震级档和不同区域AU震级的精准度，为正确认识现有自动地震速报系统的不足及正确使用自动产出结果提供帮助，对于加快地震信息发布、政府紧急响应与救灾、公众信息服务和地震预警系统建设，有较大的现实意义，可为今后地震应急工作中正确使用自动地震速报参数及后续持续改进自动地震速报系统提供参考。
震级偏差与地震自动定位程序内部处理算法的不完善有关，较为复杂，有待进一步研究。
衷心感谢梁建宏、陈向军等专家对本研究的倾心指导。
梁建宏, 孙丽, 徐志国, 等. 2015. 2013年四川芦山MS 7.0地震自动速报震级偏差分析及方法改进[J]. 地震学报, 37(6): 983-996. |
孙丽, 梁建宏. 2016. MWP震级测定方法在全球中强地震自动测定中的应用[J]. 地球物理学进展, 31(5): 2 139-2 144. |
徐道尊, 赵希华. 1999. 地震速报(MS ≥ 4.0)的震级校正——以伽师震群为例[J]. 高原地震, 11(4): 15-19. |
杨又陵, 高国英, 温和平, 等. 2005. 新疆地震前兆异常特征研究[J]. 地震, 25(1): 89-96. |
中国地震局监测预报司.自动地震速报技术管理规定[Z]. 2013-06-05.
|
中国地震台网中心.中国及全球地震参数自动测定软件QuakeSpy评估[Z]. 2015-09.
|