0 引言

上海地处长江口南岸，位于下扬子准地台东部边缘。历史研究资料表明，上海地区被众多断裂所围限，其中以NE向断裂最为发育，对沉积形成有明显的控制作用，并与基底褶皱伴生，而NW向断裂切割了其他方向的断裂，具有较强的新生特点（顾澎涛，1993；章振铨等，2004）。上海行政区内发生的地震以弥散活动为主要特征，无密集分布现象，呈现北部强南部弱、海域强陆域弱的特点。

上海及邻近海域以弱震和有感地震为主，中强地震偶有发生，地震活动的频度和强度远不如我国西部地区高（刘昌森等，1980；竺清良等，1983；刘昌森，2002；章振铨等，2004；谢建磊，2018；于海英等，2021）。较之陆上地震，上海东侧长江口海域地震频度高、强度大，对上海影响较大。此外，上海人口密集、构筑物林立，在我国国民经济生产中占有重要地位，有必要加强上海及邻近地区的地震监测。高质量地震数据是地震监测和速报的基础，亦是为城市安全保驾护航的前提（潘国勇等, 2021, 2022）。近年来，诸多学者相从不同角度对地震观测数据开展研究，集中在波形特征分析（陈辉等，2019）、特定干扰分析（肖攀等，2013；张慧等，2017；陈凯男等，2018；何思源，2018；周冬瑞等，2019）、台基背景噪声分析（裴晓等，2012；侯颉等，2019；立凯等，2021；王良等，2021）、波形质量自动监控（黄玲珠等，2017）、数据质量对比分析（Nanjo et al，2010；任烨等，2012；邓明文等，2021），等等。以上多针对地震观测数据某方面开展研究，分析内容比较单一，关于数据自身质量的综合性分析相对较少。文中对上海测震台站数据质量进行综合分析，在目前上海地区地震监测数据分析中尚属首次，期望通过数据质量分析，为今后日常地震监测工作提供参考。

1 测震台网概况及资料选取

上海测震台网共由13个参评台站组成，分别是佘山台（SSE）、秦皇山台（QHS）、天马山台（TMS）、小昆山（XKS）、天平山台（TPS）、横湖台（HUH）、大洋山台（DYS）、东滩台（DOT）、竹园台（ZHY）、金泽台（JIZ）、大新中学台（DAX）、南汇台（NAH）、上戏台（SHX）。其中，地表基岩台6个，分别是佘山台、秦皇山台、天马山台、小昆山、天平山台、横湖台；海岛台1个，是大洋山台；深井台6个，井深均在500 m以上，分别是东滩台、竹园台、金泽台、大新中学台、南汇台、上戏台。地表基岩台均部署120 s甚宽频带地震计，井下台除在南汇部署20 s宽频带井下地震计外，其余台均部署2 s短周期井下地震计。目前，上海市行政区域地震监测能力达1.0级，邻近地区（行政区域边界外50 km）地震监测能力达2.0级，佘山地区监测能力可达0.5级。测震台网各子台地理位置示意见图 1。

选取2018—2022年上海测震观测资料，采用统计学方法，对上海测震台网运行率和数据波形可用率进行统计分析。采用童汪练老师研制开发的基于P Welch方法的计算软件，计算得到地动噪声RMS值。采用频谱分析法，对测震台站进行干扰分析。采用PMC方法，对测震台网地震监测能力进行评估，分析台网布局的合理性。

2 数据质量综合分析

采用定性和定量分析相结合的方法，围绕测震台网运行率、波形可用率、台基背景噪声、干扰以及台网布局合理性，对上海测震观测数据质量进行综合分析。

2.1 运行率分析

运行率是反映地震台站是否正常运行的重要指标。对2018—2022年上海测震台网13个测震台站运行率进行统计（图 2），发现：2020年以前运行率浮动较大，随着第二信道的部署，台站运行率逐年提升，现已稳居全国前列。服务器重启、传输专线中断是影响测震台网运行率的重要因素。由于观测系统、设备或通讯线路等故障，大洋山台、东滩台、天马山台、佘山台、小昆山台、秦皇山台运行率持续偏低，严重影响了观测数据质量和速报产品的准确性（图 3）。基于此，对运行率偏低台站进行深入分析，采取相应措施进行改进，具体措施见表 1。此后，观测数据的连续性和可靠性得到显著提高。

此外，采取以下措施提高测震台网运行率：①对电源控制器和数据采集器等进行备机备件，出现问题及时更换；②部署第二信道，与现有传输在线并行，若台站出现数据采集器网口故障、网络故障或供电故障等，可及时启用第二信道尽快恢复数据传输，减轻对台站运行率的影响；③建立运维、速报、网络三组联动响应机制，一旦台站出现故障能快速响应、密切配合，在最短时间内恢复数据的正常传输。

2.2 可用率分析

2018—2022年上海测震台网共记录近震357个、远震2 554个，无速报地震。通过对地震事件波形的分析发现：上海测震台网台站的整体运行情况良好，数据记录正常，部分台站存在噪声过大、测定震级偏大及长周期干扰等现象。

2.2.1 东滩台测定震级偏大（偏差超过1.0）

从单纯型法地震定位结果可知，东滩台测定震级偏大（图 4）。分析发现，该台井下地震计设备故障，于2018年12月进行维修，后因观测井出现轻微变形，地震计无法安装至井底基岩处，实际安装位置在井下约为280 m处。受台基影响，存在明显的软土覆盖层放大效应，故东滩台测定震级明显偏大，目前采取手动扣除方法进行人工校正，建议对井孔进行矫正或选择直径更小的地震计进行观测。

2.2.2 南汇台观测数据存在钟差

自2019年12月起，南汇台井下地震计出现脉冲标定异常。为不影响观测，临时部署地表观测系统。将TVG-33S一体机GPS（天线较短）置于室内，因信号接收不良致出现钟差（图 5），后定购加长线引至观测室外，信号畅通，成功解决上述问题。

2.2.3 秦皇山台和竹园台台基背景噪声偏大

秦望山山体内部掏空，地震计部署在坑道上方，存在明显的腔体放大效应，致该台台基背景噪声偏大，目前已与相关部门协调沟通，拟在洞内架设一套对比观测系统，若山洞内噪声水平偏低、数据可用率高，可参照佘山台样例将台址迁至洞内。

竹园台周边分布有3条地铁线路，最近直线距离230 m，加之台站周边高楼林立，地下结构复杂，导致该台台基背景噪声偏大（图 6），其环境噪声水平已不满足测震台站建设要求，建议选址搬迁。

2.2.4 上戏台、大新中学台设备记录异常

自2019年起，上戏台和大新中学台井下地震计出现脉冲标定异常现象，临时部署地表观测系统，台基背景噪声大，对观测数据造成严重干扰。申请并完成井下地震计维修升级专项，现该问题已成功解决。

2.2.5 与井下短周期地震计相比，井下宽频带地震计波形记录质量好，数据可用率高

日常波形记录：与井下宽频带地震计相比，井下短周期地震计日常脉动记录不够稳定、丰富。地震事件记录：井下短周期地震计可记录M≥1.0近震数据，但在记录较远地震事件时，存在震相无法识别或无记录的情况。在科学研究上的数据可用率：井下宽频带地震计记录波形包含信息更丰富，不存在某些频段范围内的波形畸变现象，数据可用率高。

总之，井下测震台使用宽频带地震计进行观测，脉动记录更加稳定、丰富，震相更加清晰可辨，数据可用性更强，建议井下地震台配备宽频带地震计进行地震观测，以为相关研究提供高质量基础数据。

2.3 台基背景噪声分析

台基背景噪声是台址堪选、观测环境变迁及数据记录质量评估的重要依据，可为新建台站的台基选择及仪器选型提供重要的理论依据（王良等，2021；立凯等，2021）。

实测地动速度及计算公式如下

$V=\frac{N \times F_{\mathrm{s}}}{R \times K \times S}$

(1)

式中：V为实测地动速度值，单位m/s；N为实际记录数字值，单位counts；F_s为采集器输入的满幅电压，单位V；R = 2n，n为ADC字长；K为数据采集器实际工作时的增益；S为地震计工作灵敏度，单位V·s/m。

地动噪声均方根值计算公式如下

$\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{n-1} \sum\limits_{i=1}^n\left(V_i-\bar{V}\right)}$

(2)

式中：V为实测地动速度均值，单位m/s；V_i为实测地动速度值，单位m/s。

为使台基背景噪声评价结果更加客观、真实，选取各台站24 h内无震、无明显干扰的波形记录，计算得出1—20 Hz频带内1/3倍频程各中心频点处地噪声RMS均值（表 2），绘制台站地动噪声功率谱密度图和24 h内地动速度噪声RMS值各时段分布柱状图。限于篇幅，文中仅以秦皇山台（QHS，地表基岩台）和大新中学台（DAX，深井台）为例，给出台站地动噪声功率谱密度图和RMS值随时间分布的柱状图，见图 7、图 8。

结果表明：①除秦皇山、东滩、竹园、南汇台外，其余台址RMS值均低于1×10^-7 m/s。东滩台干扰水平高于其他台站2个数量级；②与夜间相比，台站白天受地铁等干扰影响较大，RMS值明显偏高（图 8）；③相对地表基岩台，深井台RMS值相对较小，受干扰程度小（图 7，图 8）；④大洋山台存在长周期干扰，可能是因为，作为海岛台，受海洋潮汐影响较大所致。

随着城市现代化进程的推进，观测环境日益恶化，干扰日益严重，对观测数据质量及地震监测速报能力造成了显著影响。在今后工作中应重点关注台基背景噪声水平，若台站观测环境发生变化，应及时采取相应措施，避免对观测数据造成更大影响。

2.4 干扰分析

以2021年3月2日秦皇山台观测数据为例，排查其波形异常原因，分析干扰特征及发生规律。该台数据异常变化出现在白天，对观测系统和仪器进行排查，未发现异常，对观测数据进行功率谱分析，发现在4.7 Hz、5.8 Hz等频点处能量普遍升高，且间隔约为1 Hz（图 9）。

此外，异常白天出现晚上消失，在时间上具有规律性，初步判定为周边环境干扰所致。经现场踏勘，发现距台站约50 m处新增碎石场，秦皇山台测震数据异常出现时间与该碎石场工作时间吻合，故判定该台数据异常由碎石场工作振动干扰所致。

3 测震台网布局

PMC方法因其评估误差低、精度高而受到广泛关注（Nanjo et al，2010；李智超等，2014；刘芳等，2014；蒋长胜等，2015；王鹏等，2016），其原理是，利用地震编目系统产出的正式观测报告，根据近震震级定义和能量衰减关系，计算单台对所发生地震的监测能力，进而计算整个测震台网的地震监测能力以及基于概率的完整性震级M_P（Schorlemmer et al，2008）。

采用PMC方法，评估上海测震台网地震监测能力，得到上海地区M_P空间分布，见图 10(a)。由图可见：松江区及青浦部分地区完整性震级M_P较小，最小M_P为M_L 0.5；M_P等值线呈长轴SW向的椭圆，浦东东南部、崇明西北部以及奉贤南部地区监测能力较弱。由现有地震监测能力可知，上海测震台网布局还需改善，体现在：①台站密度小：台网内仅13个测震台站，且有3个位于外省；②台站分布不合理：受基岩出露位置影响，台站基本分布在青浦和松江，宝山、嘉定、闵行、奉贤区无台站布设，导致上海北部和东南部地区地震监测能力较弱。

在国家地震烈度速报与预警工程上海子项目中，上海新建基本站9个，一般站8个，改造基准站14个，无新增基准站。为改善上海行政区内地震站点分布不均的情况，提高上海东部和西北部地区地震监测能力，以便更好地形成网内地震，建议在“十四五”规划及后续站网改扩建工程中，在崇明、宝山、嘉定、闵行、奉贤、浦东增设6个台站。考虑到上海地质、交通和经济发展情况，建议采用深井观测方式进行台站布设，既可减少地面干扰，提高观测数据质量，又可避免台站征地产生的相关问题。台站新增后，上海测震台网地震监测能力等值线向北部和东南部延伸，地震监测能力将得到显著提升，见10(b)。

4 结论

随着社会经济的发展和城市化进程的推进，上海测震台网整体观测环境形势严峻。利用2018—2020年上海测震台网观测数据，从运行率、数据可用率、台基背景噪声对数据质量进行综合分析，总结台站干扰典型案例，并从台网布局角度分析现有测震台网的不足，结果表明：①随着第二信道的部署，上海测震台网运行率逐年提高，现已稳居全国前列；②由于轨道交通的快速发展以及城市现代化进程的推进，部分台站受到严重干扰，导致数据可用率偏低；③深井台较地表基岩台而言，RMS值相对小、受人为因素干扰小；④与市区台站相比，郊区台站干扰程度小，数据可用率高；⑤受基岩出露位置影响，测震台网布局不合理，为了更好地形成网内地震，建议规划增设6个深井地震台，进一步提升上海测震台网地震监测能力；⑥深井观测，可在一定程度上避开地表干扰源，提高观测数据质量。