0 引言

中国位于欧亚板块东南部，处于世界上2个最活跃的地震带(环太平洋地震带和欧亚地震带)之间，因而地震活动频繁且强烈，是世界上地震灾害严重的国家之一(Fu et al，2011；刘鎏等，2012)。大震巨灾给社会造成巨大的财产损失和人员伤亡，对社会发展造成深远影响。地震预警是减轻地震灾害、减少灾害损失的有效方式之一。

地震预警指地震发生后，利用地震波传播速度小于电磁波传播速度的特点，在破坏性地震波到达前的数秒或几十秒时间内发出预警信息，以达到减小当地损失、减轻地震次生灾害的目的。目前，日本、美国、墨西哥、土耳其等地震多发国家和地区积极研发并建立了多个针对特定设施、单个城市甚至更大区域的实时运行或测试运行的地震预警系统，并在实际应用中取得明显的减灾救灾实效(Allen et al，2003, 2009；Erdik et al，2003；Iglesias et al，2007；Espinosa-Aranda et al，2009；Kamigaichi et al，2009；Nakamura et al，2009；Suárez et al，2009, 2018；张红才等，2013；Kohler et al，2018)。

国家地震烈度速报与预警工程于2015年立项，2018年全面启动实施，2022年底完成建设任务。2021年7月27日，中国地震局在唐山召开新闻发布会，宣布中国地震预警网在京津冀、四川、云南和福建地区实现示范运行(https://www.cea.gov.cn/cea/xwzx/fzjzyw/5601616/index.html)，为上述地区提供秒级地震预警服务。2022年9月5日12时52分，四川甘孜州泸定县发生M_S 6.8地震(29.59°N，102.08°E)，震源深度16 km，这是四川2017年九寨沟M_S 7.0地震之后我国发生的最大一次地震，中国地震预警网成功发布了本次地震的信息。本次地震震中距泸定县39 km，距预警台网最近的台站(SC/V2204)约7 km，造成严重人员伤亡和重大财产损失，截至2022年9月11日17时，已有93人遇难，25人失联(https://www.sc.gov.cn/10462/10778/10876/2022/9/12/7de02bc2330942b6adab52542e295b8b.shtml)。本文介绍了中国地震台网中心部署运行的JEEW预警处理系统产出结果，重点分析了震级偏差产生的原因，以为预警系统算法的改进提供参考依据。

1 四川地震预警站网现状

国家地震烈度速报与预警工程项目规划改建和新建15 000余个地震台站，其中基准站约有2 000个，基本站约有3 000个，一般站约有1万个。基准站装配测震仪和强震仪，基本站装配强震仪，一般站装配烈度仪，3类站点实时传输数据到综合地震观测站网。3类观测仪器技术信息见表 1。四川预警站网1 639个台站(图 1)接入中国地震台网中心，其中基准站(测震仪、强震仪)239个、基本站(强震仪)317个、一般站(烈度仪)1 083个。四川省内预警台网平均台站间距约14 km，在中东部地区台站间距达到10 km，站网的地震监测能力明显提升(李同林等，2021)。

2 地震预警数据统计

本次地震JEEW预警处理系统共产出28次预警结果(表 2)，最终使用385个台站数据，包括243个一般站、59个基本站、83个基准站。震后6.4 s第1次产出地震预警结果，共使用7个台站数据，距震中最近的台站为一般站SC/V2204，震中距约7 km。与统一编目结果相比，第1次预警处理结果显示震级偏小0.8，震中位置偏差3.7 km；第28次预警处理结果显示震级偏差-0.4，震中位置偏差1 km，用时45.2 s。由表 2可知，JEEW预警处理系统产出的28次定位偏差均较小，但震级偏差较大。随着触发台站的数量不断增多，震级偏差逐步改善，结果趋于稳定，但震级偏小现象一直存在。

3 预警结果分析 3.1 数据质量分析

3.1.1震相到时。P波到时作为地震预警定位的关键参数之一，其识别误差对定位精度有明显影响。针对本次地震，JEEW数据处理系统最终拾取385个P波初动到时，其中震中距180 km内一般站204个，基准站54个，基本站48个；震中距180 km以上的一般站39个，基本站11个，基准站29个。由于地震预警的高时效性，为更好地评估JEEW系统拾取的P波到时偏差，从编目数据库获得本次地震震中距300 km范围内P波震相到时47个，其中Pg波到时22个，Pn波到时25个。将JEEW系统拾取的P波初动到时与编目数据库中的P波到时绘制在时距曲线(图 2)上，可见两者吻合较好，无明显偏离走时曲线的到时，表明JEEW系统预警台站震相拾取较为准确，未出现明显错误。此为预警系统能精确定位的原因。

由图 2还可以看到，编目数据库中Pg波震相约在震中距小于180 km时出现，此时，预警系统拾取的P波震相与Pg波震相走时拟合曲线吻合度较高。当震中距小于180 km时，JEEW系统中参与计算的预警台站多为一般站(烈度仪)，而烈度仪由于自身噪声水平关系不能清晰记录到地震Pn波，因此预警系统拾取的P波与编目结果中Pg波震相走时曲线吻合度较高；当震中距大于180 km时，与编目结果中Pn波震相吻合的是部分基本站或基准站记录的P波(李丹宁等，2021)。

3.1.2 台站信噪比

在本次地震预警中，一般站的数量占参与计算台站数量的比例约为63%，而一般站使用的烈度仪信噪比最低，因此主要对一般站的信噪比进行分析。如图 3所示，预警系统在泸定地震处理中主要使用了震中距250 km内的一般站，一般站的信噪比基本随震中距增大而逐渐降低，但少数站点信噪比明显偏高，查看台站相关参数可知，这些台站为基岩台(王莉婵等，2020)。震中距约100 km内的台站信噪比较高，均值大于72 dB，震中距200 km内的一般站信噪比均值为31 dB，满足预警系统对波形信噪比的要求。此外，基本站和基准站的信噪比均值在230 dB以上。

3.1.3 台站延时

台站观测数据的延时是指，从地震观测设备捡拾地震动信号至到达接收端所需要的时间，包括地震仪检测信号、数据采集器打包、信号传输和信号交换、时钟偏差等。台站观测数据的延时在一定程度上影响着地震预警的时效性和定位准确度。地震烈度速报与预警台站建设规范要求，基准站地震观测数据延时小于2.0 s，一般站和基本站观测数据延时小于2.5 s(中国地震局，2015)。表 3列出本次地震预警系统处理过程中参与计算的385个台站的延时，延时在2.0 s以内的台站368个，延时2.5 s以上的台站5个，数据合格率为98.7%。排除延时异常大的台站，按照台站类型分类，一般站平均延时1.06 s，基本站平均延时1.01 s，基准站平均延时1.12 s，满足预警时效性要求。

3.2 预警处理结果分析 3.2.1 震中位置偏差

JEEW数据处理系统产出第1次定位结果使用了7个台站的数据[图 4(a)]，其中有2个基准站、5个一般站，距震中最近的台站为一般站SC/V2204，震中距为7 km，距震中最远的台站是T2472，震中距为21 km，台站最大空隙角为164°。JEEW系统产出第2次定位结果使用了60个台站的数据[图 4(b)]，其中有12个基准站、35个一般站、13个基本站，距震中最远的台站为T2505，震中距为73 km。随着参与计算台站数量的增加，台站最大空隙角随之减小，从164°减小至71°(第2次结果)，震中位置偏差进一步减小，定位偏差为1.0 km，小于第1次处理结果(3.7 km)。震后25.3 s第15次预警定位结果使用了174个台站数据，此后震中位置偏差稳定在1.0 km。因此，参与定位的台站分布对定位结果的准确性有较大影响，空隙角越小，定位结果越好，同时可知，JEEW所采用的定位算法在本次地震中适用性较好。

由图 4(a)可见，震中距较小的台站有4个(LDXX、V2204、V2201、V2271)，台站数量已满足JEEW预警处理系统定位需要最少3个台站的要求；如果使用这4个台站进行定位并发布预警信息，定位用时将小于6.4 s，盲区半径减小，预警效益更佳。然而，由图 4(a)可知，使用这4个台站进行定位，最大空隙角较大，定位精准度与可靠性较低，JEEW预警处理系统在定位时采取了更稳妥保守的策略，定位精准度与可靠性较高。

3.2.2 震级偏差

JEEW数据处理系统第1次确定的震级与统一编目震级相比，偏小0.8，随着可用台站数量增加，震级偏差逐渐降低，第14—17和25—28次预警处理结果的震级偏差均为-0.4，震级偏差最小，但仍表现为预警震级相比统一编目震级持续偏小(图 5)。Somerville等(1997)研究发现，地震动水平分量在断层破裂方向上值较大，而在破裂传播相反方向上其平均值则减小。结合图 4，发现本次泸定地震预警台站实测震级具有明显方向性，沿断层破裂方向(SE向)实测震级整体较大。

为更全面地分析本次地震预警结果中震级的表现，对第28次处理结果进行分析。统计相同震中距范围内不同类型台站的平均震级，相比统一编目震级，预警处理结果中不同类型台站平均震级均偏小，尤其是基准站。由表 4可以看出，同震中距范围内，一般站平均震级大于基准站与基本站，基准站平均震级最小；当震中距大于150 km时，3类台站平均震级基本一致，与石玉燕等(2020)的研究结果中震中距小于170 km的基准站测算的震级偏小一致。基准站平均震级小是因为，JEEW参与计算的部分近场基准站出现地震波形限幅，低估了震级(图 6)；另外基本站和一般站建在自由地表，本身有放大效应。表明基准站在较小震中距的震级测定方面有待改进。另一方面，由于M_L震级大约在6.5级时基本饱和，最终预警震级持续在6.4级，说明JEEW在测定大震震级时具有局限性。

3.3 地震预警盲区

地震预警盲区是指，在预警信息到达前，以震中为圆心，破坏性地震波横波走过的距离为半径的圆形区域。地震发生后，台站接收地震波、处理波形及发布信息均需要一定时间，等发出预警信息时，破坏性地震波已经到达感知人群所处位置且已造成建筑物破坏。盲区离震中最近，往往就是地震破坏最严重的区域，即极震区。盲区半径计算公式(李佳威等，2016)如下

$ r_{\mathrm{BZ}}=\sqrt{\left(t_{\mathrm{P}}+T\right)^2 v_{\mathrm{S}}^2-h^2} $

(1)

式中，r_BZ为盲区半径，t_P为P波走时，T为数据打包、延时及处理时间，v_S为横波速度，h为震源深度。

四川泸定地震中前5次预警处理结果的用时，即对应公式(1)中的(t_P+T)。本次地震位于鲜水河断裂南端，根据Wang等(2007)人工地震测深结果得到的地壳速度结构模型，并结合王椿镛等(2010)对龙门山及其邻区地壳厚度和泊松比的研究结果，v_S取值3.47 km/s；根据统一地震目录结果，h为16 km。由表 5可知，第1次预警处理结果的用时最短，盲区半径最小，但震中位置偏差及震级偏差较大。后续处理结果中，定位偏差总体趋势在减小，但盲区半径在不断增大，这是因为地震预警中存在参数准度与时效不能兼顾的矛盾。

本次地震是中国地震预警网运行后在预警示范区内发生的最大一次地震，JEEW预警处理系统在震后6.4 s首次产出结果，预警盲区半径为15 km，可向距震中99 km的雅安市提前22 s发布地震预警，向距震中163 km的乐山市提前40 s发布地震预警，向距震中177 km的眉山市提前44 s发布地震预警，向距震中221 km的成都市提前58 s发布预警信息，取得了较好的减灾效益(图 7)。

4 结论与讨论

四川泸定M_S 6.8地震发生后，JEEW预警处理系统在震后6.4 s产出第1次预警处理结果，与统一地震目录结果相比，震中位置偏差3.7 km，随着参与计算台站数量的增多，台站最大空隙角减小，定位过程中初动时间错误的台站不断被剔除，预警处理结果的震中位置偏差总体趋势不断降低，从第15次预警处理结果开始，震中位置偏差稳定在1 km。表明在本次地震事件中，JEEW预警系统定位结果的稳定性与准确性较高。

JEEW预警处理系统产出的第1次预警震级偏差较大，为-0.8，预警震级整体偏小，但基本稳定。随着参与计算台站数量的增多，震级偏差值逐渐降低，最终稳定在-0.4，但预警震级整体仍偏小。通常，JEEW系统采用Pd法估算单个台站预警震级(Kuyuk et al，2013)，但当定位台站检测到S波时，系统将直接使用地方震级M_L估算震级(王莉婵等，2020)。较短时间窗下，台站前几秒P波或S波数据的有效信息较少，导致震级低估；后续新触发的台站大部分不满足震级计算时间窗要求，只有少量数据可用，使用这些台站计算的震级一般也偏小，这些低估的震级会降低总体平均震级(Peng et al，2022)。对于震级较大的地震，当计算震级的时间窗长度较短时，整个断层破裂过程还未结束，使用已有地震信息估算的震级误差较大。因此，可以适当延长时间窗来估算震级，增加定位台站有效地震信息，减小震级偏差，使预警震级更接近实际震级。

另一方面，JEEW系统使用所有触发台站的单个台站震级的未加权平均值作为预警震级估计值。在本次地震中，参与定位的一般站平均震级大于基准站和基本站，基准站平均震级最小。基准站震级小是因为部分近场基准站出现地震波形限幅，震级被低估了。预警震级偏小还与M_L震级大约在6.5时饱和有关。由于地震数据分布的不均匀性，可以考虑对不同类型的台站数据进行加权处理；同时需不断完善预警震级的算法，使测得的震级更准确。

预警技术存在准确性与时效性的矛盾。中国地震台网中心JEEW数据处理系统在震后6.4 s第1次产出预警信息，地震预警盲区半径为15 km，已经达到了预警盲区半径的理论水平。本次地震预警处理结果表明，JEEW系统第1次产出结果较快，但震级偏差较大，准确度较低。若注重预警震级的准确度，就会增加发布预警的时间，扩大盲区半径。如在第25次处理结果中，震中位置偏差及震级偏差达到最小，但盲区半径为133 km，已经没有实际意义。因此，为进一步发挥地震预警效能，在不断提升、改进预警技术的同时，有效的地震预警发布策略尤为重要。