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  地震地磁观测与研究  2022, Vol. 43 Issue (5): 146-150  DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.05.019
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引用本文  

李保昆. ISC地震观测报告的日常产出[J]. 地震地磁观测与研究, 2022, 43(5): 146-150. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.05.019.
LI Baokun. The daily production of the seismic observation bulletin in ISC[J]. Seismological and Geomagnetic Observation and Research, 2022, 43(5): 146-150. DOI: 10.3969/j.issn.1003-3246.2022.05.019.

基金项目

国家自然科学基金(项目编号:41774063)

作者简介

李保昆, 女, 副研究员, 主要从事地震监测, 信息服务等工作

文章历史

本文收到日期:2022-01-20
ISC地震观测报告的日常产出
李保昆     
中国北京 100045 中国地震台网中心
摘要:以ISCloc为核心方法和技术,ISC统一分析处理全球的观测数据并定期出版地震观测报告。从资料收集、数据关联、定位方法和技术、数据分析与出版4个方面阐述ISC观测报告产出的主要过程。2008年后,ISC每年汇集300 000—500 000次以上地震,其中约20%的地震需要地震学家分析和审核,观测报告发布、出版时间比实际地震发生时间滞后约24个月。
关键词ISC    ISCloc    地震观测报告    
The daily production of the seismic observation bulletin in ISC
LI Baokun     
China Earthquake Networks Center, Beijing 100045, China
Abstract: The global observational data are uniformly processed based on ISCloc as the main method and technique, and the seismic observation bulletins are regularly produced in ISC. The principal procedure of the bulletin production was detailed illustrated from 4 aspects: data collection, data associations, location method and technique, data analysis and publication. There are more than 300 000-500 000 events collected in ISC per year after year 2008, and nearly 20% of those need to be analyzed and reviewed by seismologists. The issue and publication of bulletin data are typically 24 months behind real-time.
Key words: ISC    ISCloc    seismic observation bulletin    
0 引言

国际地震中心International Seismological Centre(ISC)于1964年成立,其前身是International Seismological Summary(ISS)。从ISS成立到发展至ISC,已有百余年历史。ISC的主要任务是汇集全球各国和地区的地震观测资料,按照统一的方法技术和流程进行参数测定和分析处理,定期出版最为完整的全球地震观测报告和地震目录。ISC的观测报告和目录是地震活动性分析、速度结构、灾害风险评估等诸多研究领域中重要的基础数据(Willemann et al,2001http://www.isc.ac.uk)。

随着地震监测的发展,ISC不断改进其数据处理方法和技术,在不同时期有不同特点。2011年,ISC发表了新的定位方法和技术——ISCloc,应用于常规数据处理工作并沿用至今(Bondár et al,2011)。本文从资料收集、数据关联、定位方法和技术、数据分析与出版4个方面阐述ISC观测报告的日常产出。

1 资料收集

每年全球100多个机构的观测数据汇集至ISC,这些数据包括各种事件(含天然地震与非天然地震)的观测报告、目录以及各种地震波的到时数据、振幅数据等。以2021年(最近年)为例,150余个机构的数据发送至ISC,各机构分布见图 1,图中黑色点所示的是其数据直接发往ISC的机构,灰色点所示的是其数据通过其他中心间接发往ISC的机构。截至2021年底,在ISC注册的台站和台阵(含在运行、未运行及已关闭的)已达29 410个,台站分布见图 2,图中红色三角所示602个台站,是2021年中新注册的台站或其参数经重新确认的台站。

图 1 2021年ISC收集的观测数据遍及全球150余个机构 Fig.1 ISC collected data from 150+ agencies in the world in 2021
图 2 经ISC注册的全球29 410个地震台站分布 Fig.2 Thedistribution of 29 410 global stations registered in ISC
2 数据关联

数据关联是对各个地震台站的观测数据与所属事件进行相关性分析,其中:①对各国报送的地震观测报告,在ISC做数据分析之前,已知其中的到时数据等属于哪些事件,这部分关联称为已知性关联;②对于离散数据,ISC做数据分析之前,不知其属于哪些事件,这部分关联称为未知性关联。

在ISC,无论上述哪种关联,其准确率达90%以上时才可进行后续的地震定位等工作。

2.1 以地震报告为基础的数据关联(已知性关联)

全球各地观测数据定期发往ISC。常规情况之一是,多个机构或国家的地震观测报告中各自产出同一个地震的数据,此时数据关联以地震报告为基础,将同一地震的所有数据自动组合起来成为一个地震。因为关联之前某些台站数据分别被多个机构使用,这便使得关联之后这些台站的数据在一个地震中出现2次(含)以上,它们将按照各自的权重比例参与之后的定位等反演计算。

2.2 离散数据关联(未知性关联)

对离散数据的关联,首先要确定初始震源参数,有2种方法:①以地震观测报告中的定位结果等为初始震源参数;②若据方法①进行关联失败,即无可用震中等做参考,便采用到时相近的部分数据,以Engdahl等(1966)搜索震中的方法,用搜索到的临时震中等做初始参数,这部分关联成功的数据在ISC占比小且属于后期的分析工作。2种方法均未关联到的数据,将作为最终离散数据保存在相应数据库中。

初始震源参数确定后,便可进行属于某事件的所有数据的关联。ISC对于全球地震台网的关联问题,考虑以下内容:初至波到时、S-P到时差(S波到时减去P波到时)、震级测定和某台站记录到某地震的可能性。此4方面可用以下公式表示

$ \mu=\delta t_{\mathrm{P}}+\delta t_{\mathrm{S}-\mathrm{P}} / v_{\mathrm{S}-\mathrm{P}}+\delta_m / v_m+\left(l^{-1}-1\right) / v_l $ (1)

式中,μ为某台站相对于某地震的偏离值,即某台站是否属于某地震的定量表示;δtP为初至波到时残差,即初至波的观测到时和理论到时之差;δtS-P为S-P到时差的残差,即S-P观测值和理论值之差;δm为震级测定值的误差;l为某台站记录到某地震的可能因素值;vS-Pvmvl均为常数。在计算过程中,对μ预设其阈值μmax,计算各台站相对于某地震的μ值,当μμmax时,该台站所有数据即关联到该地震中。

3 定位方法和技术

多年来,ISC的定位方法沿用Geiger法。2011年,ISC发表了改进后的定位方法和技术the New ISC Locator——ISCloc,并将其应用于地震报告的产出工作(Bondár et al,2011http://www.isc.ac.uk/iscbulletin/iscloc/)。同期,ISC开展了重大项目“重新修定ISC的观测报告(1964—2010)”(李保昆,2017),以ISCloc为核心方法,实现了50余年来ISC全部观测报告的连贯性、系统性和一致性。

ISCloc有4大特点:①使用所有可基于AK135走时模型预测的震相数据;②可通过领域算法(NA)得到合适的初始点;③在线性迭代最小二乘法时考虑了走时误差的互相关性;④测定自由深度值前需满足一定条件,否则采用默认深度值或固定深度值。

Geiger法定位,对初始点的依赖较敏感。ISC选择初始点m0时,一般采用某个机构的震源参数值或某些机构的平均结果作为初始点。如因台站分布稀疏、无近震台站记录等原因无合适初始点时,便采用NA算法搜索可用初始点,对需计算的地震,求取所有报出该地震的机构所测震源参数值的中值,以这些中值为中心进行搜索,搜索范围如下:以震中的中值为中心,搜索半径是2°;以发震时间的中值为中心,搜索范围是10 s;以震源深度的中值为参考点,搜索范围是150 km或者固定某个深度值。

用改进的Geiger法求解如下方程组(Bondár et al,2009

$ {\mathit{\boldsymbol{G}}_\mathit{\boldsymbol{W}}}\mathit{\boldsymbol{m = WGm = Wd = }}{\mathit{\boldsymbol{d}}_\mathit{\boldsymbol{W}}} $ (2)

式中,GN×M阶的包含N个观测数据对M个变量的偏导数的矩阵,mM×1阶的震源参数的修正量[ΔT,Δx,Δy,Δz]TdN×1阶的走时残差,WN×N阶的投影矩阵或加权矩阵。

采用奇异值分解(SVD)求解方程组(2),有

$ \boldsymbol{G}_W^{-1}=\boldsymbol{V}_W \mathit{\pmb{\Lambda}}_W^{-1} \boldsymbol{U}_W^{\mathrm{T}} $ (3)

每次迭代中,m的改正量是

$ \boldsymbol{m}_{\mathrm{est}}=\boldsymbol{G}_W^{-1} \boldsymbol{d}_W $ (4)

j次迭代,当满足精度要求时,m矢量为

$ \boldsymbol{m}_{j+1}=\boldsymbol{m}_j+\boldsymbol{m}_{\mathrm{est}} $ (5)

一旦得到收敛的解,定位结果的不确定性即解的评价由下式求得

$ \boldsymbol{C}_M=\boldsymbol{G}^{-1} \boldsymbol{C}_D \boldsymbol{G}^{-1^{\mathrm{T}}}=\boldsymbol{V}_W \mathit{\pmb{\Lambda}}_W^{-2} \boldsymbol{V}_W^{\mathrm{T}} $ (6)

由式(6)求得一4D椭球体,其投影为误差椭圆、震源深度误差和发震时刻误差。

定位模型采用AK135走时模型(Kennett et al,1995),其与J-B走时模型的显著差别体现在上地幔和地核部分。

4 数据分析与出版

2008年后,ISC每年汇集300 000—500 000以上的地震事件,其中约20%(有时低于20%)的地震需经过地震学家的分析和审核,出版的观测报告中包含全球4 000—6 000余个台站(阵)的数据。如图 3所示,其中黑色柱表示未经ISC人工分析的地震数目,红色柱表示经ISC人工分析的地震数目。

图 3 ISC每年汇集的全球地震数目 Fig.3 Number of global events collected in ISC

在ISC,对符合下列原则之一的地震需进行人工分析:①震级M >3.5;②至少2个以上机构报出同一地震;③有远震记录的地震。

数据分析的主要内容如下:①将每月要分析的地震从主数据库中调出,进行数据关联、地震定位、震级测定等初步计算并打印;②对上述地震进行全面分析:事件目录之间的相关性、目录与震相数据之间的相关性、震相识别是否正确、地震波到时数据的残差是否符合要求、震级测定是否正确等;③对于经分析需做修改的地震进行修改;④重新计算经修改的地震,重复步骤②和③的分析,直至全月数据符合标准;⑤最终检查:包含各类震相与相应事件的组合是否具有唯一性、震源深度值的测定是否合理、是否已明确区分天然地震和非天然地震等近30项内容;⑥对于与任何机构已测定的震源参数无关联性的离散数据,用搜索法确定新的震源参数(Engdahl et al,1966);⑦将分析后的所有数据重新入库。

ISC每年出版2册《Summary of the Bulletin of the International Seismological Centre》(International Seismological Centre,2021),于2013年首次出版发行,同年纸质版《Bulletin of the International Seismological Centre》停刊。

ISC每年出版2张CD-ROMs:含全年所有地震目录和观测报告以及1904年至当年的地震目录。

5 结束语

ISC以ISCloc为核心方法和技术处理全球的地震观测数据,编辑出版地震观测报告。近十余年来,ISC每年汇集300 000—500 000次以上的地震,其中约20%的地震需要地震学家进行人工分析,经分析和审核之后,ISC才会发布自己的测定结果。ISC发布地震观测报告的时间通常比实际的时间滞后约24个月,可在其网站http://www.isc.ac.uk/中查询、下载等。

在本文撰写过程中,得到ISC主任Dmitry Storchak先生、匈牙利科学院István Bondár博士的帮助,在此表示感谢。
参考文献
李保昆. 重新修定1964-2010年ISC的观测报告[J]. 地球物理学进展, 2017, 32(3): 968-975. DOI:10.6038/pg20170303
Bondár I, McLaughlin K. Seismic location bias and uncertaintyin the presence of correlated and non-Gaussian travel-time errors[J]. Bull Seismol Soc Am, 2009, 99(1): 172-193.
Bondár I, Storchak D. Improved location procedures at the International Seismological Centre[J]. Geophys J Int, 2011, 186(3): 1 220-1 244. DOI:10.1111/j.1365-246X.2011.05107.x
Engdahl E R and Gunst R H. Use of a high speed computer for the preliminary deternination of earthquake hypocenters[J]. Bull Seismol Soc Am, 1966, 56(2): 325-336.
International Seismological Centre. Summary of the Bulletin of the International Seismological Centre, January - June 2019[M]. International Seismological Centre, 2021, 56(I)[EP/OL]. doi: /10.31905/M8L1R7WI.
Kennett B L N, Engdahl E R, Buland R. Constraints on seismic velocities in the Earth from traveltimes[J]. Geophys J Int, 1995, 122(1): 108-124. DOI:10.1111/j.1365-246X.1995.tb03540.x
Willemann R J, Storchak D A. Data collection at the International Seismological Centre[J]. Seismol Res Lett, 2001, 72(4): 440-453. DOI:10.1785/gssrl.72.4.440