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  地震地磁观测与研究  2020, Vol. 41 Issue (5): 209-215  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.026
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引用本文  

管勇, 王宇航, 史丙新, 等. 四川省地震超快速报系统试运行评估[J]. 地震地磁观测与研究, 2020, 41(5): 209-215. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.026.
GUAN Yong, WANG Yuhang, SHI Bingxin, et al. Evaluation of the trial operation of the Sichuan earthquake super-fast reporting system[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2020, 41(5): 209-215. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2020.05.026.

基金项目

四川省地震局地震科技专项(项目编号:LY1905);四川省地震局地震科技专项(项目编号:LY1909)

作者简介

管勇(1972-), 男, 工程师, 主要从事地震台网系统运维工作。E-mail:1143200213@qq.com

文章历史

本文收到日期:2020-03-18
四川省地震超快速报系统试运行评估
管勇 , 王宇航 , 史丙新 , 蔡一川 , 吴朋 , 黄春梅     
中国成都 610041 四川省地震局
摘要:2016年,四川测震台网部署JOPENS地震超快速报系统。2017年3月20日系统进入试运行阶段,统计分析产出的地震数据,发现震级、震中位置等出现偏差,并存在漏报、误报等现象。选取地震的第1次和最后1次自动定位结果,与传统的人工速报和地震编目定位结果进行对比分析,评估地震超快速报系统的准确性和实效性。结果表明:地震超快速报系统总体运行稳定,定位精度低于人工速报,速度和精确度与地震台站分布密切相关;与传统的人工速报相比,超快自动速报具有明显的速度优势,可在地震发生后几秒至几十秒内自动确定地震三要素,地震定位的准确性和实效性满足超快速报要求。
关键词超快速报    人工速报    地震编目    评估    
Evaluation of the trial operation of the Sichuan earthquake super-fast reporting system
GUAN Yong , WANG Yuhang , SHI Bingxin , CAI Yichuan , WU Peng , HUANG Chunmei     
Sichuan Earthquake Agency, Chengdu 610041, China
Abstract: In 2016, the seismic network of Sichuan deployed the JOPENS super-fast earthquake reporting system. On March 20, 2017, the system started the trial operation. After statistics and analysis of the output seismic data, it was found that the magnitude and epicenter location had deviations, and there were missing and false alarms. The results of the first and the last automatic location of earthquakes are selected and compared with the results of traditional manual quick reports and earthquake cataloging to evaluate the accuracy and effectiveness of the super-fast earthquake reporting system. The results show that the overall operation of the super-fast earthquake reporting system is stable, the positioning accuracy is lower than that of the manual quick report, and the speed and accuracy are closely related to the distribution of seismic stations; compared with the traditional manual quick report, the super-fast automatic quick report has obvious speed advantages, which can automatically determine the three elements of an earthquake within seconds to tens of seconds after its occurrence, and the accuracy and effectiveness of the earthquake location meet the requirements of super-fast reporting.
Key words: earthquake super-fast reporting    manual quick report    earthquake cataloging    evaluation    
0 引言

地震发生后,社会各界希望在极短时间内获得地震的准确信息,如地震发生时间、地点和大小(震级)等。为此,地震工作者做了大量工作,如:黄文辉等(2006)开发了JOPENS地震自动处理系统,可在1—3 min内自动产出地震三要素,即发震时刻、震源深度和震级沈玉松等(2011)金星等(2007)开发了一套区域数字地震台网实时速报系统,可实现台网覆盖范围内地震事件快速、可靠的自动定位;杨陈等(2014)对中国自动地震速报系统进行整体评估,并确定发布策略。

但是,为了达到防震减灾的目的,需要更早、更及时地获悉地震三要素。目前,日本、墨西哥等国家均已建成区域性超快地震速报系统,并多次成功发布超快速报信息,有效减轻了地震灾害损失,取得了良好效果(张红才等,2013),如:在2011年日本MW 9.0大地震中,日本新干线地震监测与超快速报系统及时发布地震信息,高速列车在地震波到达前提前制动停车,避免了列车出轨和人员伤亡(宋晋东等,2012)。2016年,黄文辉等(2016)开发了广东省地震超快速报系统(JOPENS超快速报系统),并进行试运行,评估结果表明,该系统可在地震发生后几秒至几十秒内自动确定地震三要素,地震自动速报用时从分钟级提高到秒级,且定位精度并未降低。

四川省地震频发,且破坏性较大,在地震台站建设密度加大的同时,为进一步缩短地震三要素自动产出时间,提高自动速报速度,为防灾减灾服务,四川测震台网中心于2016年开始布署JOPENS地震超快速报信息系统,并于2017年3月20日进入试运行阶段。文中对该系统产出的超快速报结果进行统计分析,发现存在震级、震中位置偏差以及漏报、误报等现象。选取地震超快速报系统试运行阶段系统给出的地震的第1次和最后1次自动定位结果(下文简称超快速报首报和超快速报尾报),与传统的人工速报和地震编目定位结果进行对比分析,评估地震超快速报系统的准确性和实效性。

1 系统概述

2017年3月20日,地震超快速报系统(下文简称超快速报系统)开始在四川试运行,主要监测四川及周边地区地震,并完成超快速报。四川及周边省区现有地震台站886个(图 1),均纳入JOPENS超快速报系统,所记录的地震波形数据,经网络传输至四川测震台网中心,通过JOPENS数据流进行汇集,并在系统实时处理,产出超快速报信息。数据处理流程如下:超快速报系统经波形数据流服务接收台站实时数据,当地震发生并被2个以上台站记录后,预警核心模块即开始确定地震参数,并将地震消息发送至AMQ消息服务模块,由EQIM-Sender模块负责将地震预警信息发送至EQIM服务器,实现地震参数的超快速报。该模块从AMQ接收地震预警信息后,立即向用户发送首次信息,并在震后发送该地震的修正结果。超快速报系统架构见图 2

图 1 四川及周边地震台站分布 Fig.1 Distribution of seismic stations in Sichuan and its surrounding areas
图 2 超快速报系统架构 Fig.2 The framework of the super-fast reporting system

与传统的人工地震速报相比,超快速报具有明显的速度优势,可在地震发生后几秒至几十秒内即可自动确定地震三要素(黄文辉等,2016)。而人工速报时间则较长:在省界50 km以内,Ⅰ类地震速报时间在12 min内;省界50 km以外,Ⅱ、Ⅲ类地震速报时间在15 min内。

2 数据选取

根据中国地震台网地震编目结果,2017年5月—2019年12月,在研究区(25.0°—35°N,95°—110°E)内共发生M≥2.8地震370次,震中分布见图 3。为验证超快速报系统定位的实效性和准确性,选取相应的人工速报和超快速报系统定位结果进行对比分析,从定位精度(震中位置、震级、发震时刻、深度)、误报、漏报3方面进行评估。

图 3 人工编目地震震中分布 Fig.3 Epicenter distribution of manual cataloging earthquakes
3 对比分析 3.1 震中位置偏差

给定地球上任意两点的经纬度数值,计算两点间的距离Di(单位km),公式如下

$ {D_i} = 111.199{\left\{ {{{\left({{\varphi _1} - {\varphi _2}} \right)}^2} + {{\left({{\lambda _1} - {\lambda _2}} \right)}^2}{\rm{co}}{{\rm{s}}^2}\left[ {\left({{\varphi _1} + {\varphi _2}} \right)/2} \right]} \right\}^{1/2}} $ (1)

式中,(φ1λ1)为人工编目或人工速报的地震经纬度坐标,(φ2λ2)为超快速报系统自动定位结果(经纬度坐标)。依据式(1)和统计方法,求得370次地震的震中位置及震级、发震时刻、深度偏差,其中超快速报首报与人工速报的偏差结果见表 1,与人工编目的偏差见表 2(受篇幅所限,文中仅给出超快速报尾报的对比结果)。超快速报第1次报是指当地震发生并被2个以上台站记录后,超快核心模块即开始自动确定地震参数,有2个台触发震级达到设定的震级下限时,发送第1报,简称首报。超快速报最后1次报是指在一定时间内加入震相和台站后,重新定位的参数变化不大,稳定可靠时,发送最后1报,简称尾报。

表 1 超快速报首报与人工速报偏差统计 Table 1 Statistics of deviation between the first report of the super-fast report and manual quick report
表 2 超快速报首报与人工编目偏差统计 Table 2 Statistics of deviation between the first report of the super-fast report and manual cataloging
3.2 系统产出评估 3.2.1 定位精度分析

将地震超快速报与人工速报、人工编目总体偏差进行汇总,结果见表 3。由表 3可见:①与人工速报相比,超快速报首报、尾报的震中位置平均偏差分别为9.8 km、8.4 km,震级偏差分别为0.3、0.2,发震时刻偏差分别为1.6 s、1.0 s,深度偏差分别为12.5 km、10.7 km;②与人工编目相比,超快速报首报、尾报震中位置平均偏差分别为10.1 km、8.7 km,震级偏差分别为0.4、0.2,发震时刻偏差分别为1.8 s、1.1 s,深度偏差分别为12.9 km、10.7 km;③人工速报和人工编目相比:震中位置平均偏差为2.7 km,震级偏差为0.1,发震时刻偏差为0.5 s,深度偏差为3.2 km。

表 3 总体对比结果 Table 3 Overall comparison results
表 4 误报地震统计 Table 4 Statistics of misreported earthquakes

绘制超快速报与人工速报定位偏差直方图,见图 4。由图 4可见,超快速报定位精度低于人工速报。主要原因如下:地震定位时,人工速报尽量选择合理的地震台站分布,使所选地震基本被周围台站包围,且台站构成网形合理。此外,并非参与地震定位的台站越多越好,清晰可靠的近台和远台震相联合使用,可获得更为精确的定位结果(张天中等,2007),人工精确识别并使用S波参与定位,可大幅提高定位精度。而超快速报系统利用多个台接收的地震波初至波信号,采用STA/LTA算法检查震相触发,应用“着未着”算法快速分析多个台震相到时数据,确定地震发生时刻和位置,使用P波最大震幅和台站震中距估算地震震级,并向地震波尚未到达的地区发布地震参数(黄文辉等,2016)。超快速报定位未使用S波参与定位,故人工速报定位精度优于超快速报是可以理解的。

图 4 震中、震级、发震时刻的定位偏差 Fig.4 Deviations of epicenter location, magnitude, and origin time of earthquakes

超快速报尾报定位精度优于首报,主要是因为首报时参与定位的台站较少。同时发现,四川西北部地区因台站分布稀少,对发震区域监控密度不够,超快速报定位精度低于其他地区,在省界及邻省区域也是如此。将同一地震事件的超快首尾报、人工速报和编目的震中结果投影到一张图上,结果见图 5,可见震中大部分重叠,仅少部分出现不完全重叠现象。

图 5 超快速报、人工速报、人工编目震中分布 Fig.5 Epicenter distribution of the super-fast report, manual quick report, and manual catalog

震级偏差分布见图 6,可见超快速报首报震级离散度较大,震级偏差分布在2.5级以内,而尾报偏差则分布在1.5级以内;人工速报震级偏差离散度较低,分布在在0值附近,几乎形成一条直线。

图 6 震级偏差分布 Fig.6 Magnitude error distribution
3.2.2 漏报分析

在选取的370次地震事件中,超快速报结果能够与之相匹配的地震共241次,漏报129次(表 3)。统计发现,自2017年3月20日超快速报系统试运行以来,由快、慢流冲突及数采打包格式问题等引起的不稳定现象,导致2017年漏报地震78次,占漏报总数的60%;随着超快速报系统运行逐渐稳定,漏报现象大幅减少,2019年漏报地震22次,占漏报地震总数的17%(图 7)。地震漏报可能是因为:事件震级相对较小,台站稀少且分布不均;台站波形数据传输负延迟;同一时段内,受之前地震尾波的影响,未触发超快速报。

图 7 地震漏报统计 Fig.7 Statistics of missed earthquakes by the reports

漏报地震分布见图 8,图中右上阴影区为九寨沟MS 7.0地震余震漏报,左下阴影区为邻省漏报地震密集区域。超快速报系统运行逐渐稳定,波形数据负延迟等问题进一步解决,随着地震台站建设速度的加快,台站分布密度进一步加大,地震漏报现象将逐渐减少。

图 8 漏报地震分布 Fig.8 Distribution of missed earthquakes
3.2.3 误报分析

整理超快速报目录,并与人工编目进行匹配,发现超快速报地震多2次(表 3),超快速报出现地震误报现象。分析发现,误报的2次地震为2018年4月4日成都龙泉驿区M 4.0地震和2019年10月5日四川乐山市沙湾区M 5.7地震。前者的首报结果中深度不合理(>100 km),导致震中、发震时刻、震级与编目结果差别较大而出现误报(黄文辉等,2016);后者参与定位的台站(CLA)仪器设备出现故障,导致波形记录产生方波,波形失真而引起误报。

4 结论

通过对四川地震超快速报系统试运行产出结果进行分析,可以得出以下结论:①地震超快速报系统总体运行稳定,但震级、震中位置等出现偏差,并存在地震漏报、误报等现象,其速报速度和精确度与地震台站分布密切相关,且定位精度低于人工速报;②与传统的人工速报相比,超快速报具有明显的速度优势,可在地震发生后几秒至几十秒内自动确定地震三要素,地震定位的准确性和实效性满足超快速报要求;③在四川西北部及邻省地区,超快速报定位精度低于其他地区。

超快地震速报系统存在地震漏报和误报现象,主要原因如下:①试运行期间,系统不稳定,事件震级相对较小,且分布在台站稀疏地区,受之前地震尾波干扰未触发地震,导致出现漏报现象;②首报结果中深度不合理,使得定位结果偏差过大,而且台站仪器故障导致波形失真,故出现地震误报现象。

参考文献
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