0 引言

我国位于环太平洋地震带与欧亚地震带之间，受到太平洋板块、印度板块和菲律宾板块的挤压，地震活动频度高，是世界上地震灾害频发的国家之一（李宁等，2013）。2008年5月12日汶川M_S 8.0灾害地震的发生，暴露了我国对地震灾害防御薄弱的问题，警醒国人深切认识到防灾减灾救灾服务的重要性，对地震预警服务的强烈需求日益凸显。

地震预警的构想由美国科学家库珀博士于1868年提出，其原理是，利用电磁波与地震波传播的时间差，通过在地震活跃区域设置地震监测设备，在地震发生后较短时间内通过敲响警钟进而预警（杨陈等，2015）。随着科学技术的发展，这一构想正在变成现实，如：日本的公共紧急地震速报（earthquake early warning，EEW）系统在2011年3月11日日本近海地震和海啸发生时成功发布预警信息，使得沿岸近百万居民利用15—20 s的时间进行自救或拯救家人（Fujinawa et al，2015）。

在我国国家地震烈度速报和预警工程实施过程中，江苏子项目共建设地震烈度速报和预警台站162个，并依托国家和省级处理中心、保障中心、网络中心硬件及环境，建设满足工程需求的地震烈度速报与预警专业数据分析处理软件系统（波形交换与管理分系统、地震预警分系统、地震参数速报分系统、地震烈度速报分系统、综合地震波形分析分系统）、紧急地震信息服务分系统、监控运维系统、波形交换与参数管理系统、技术支持系统及其相对应的技术规程。

本文介绍了国家烈度速报和预警工程江苏子项目的建设情况，重新计算了江苏省地震监测能力，并对该省地震预警能力进行了评估。

1 江苏省测震台网概况

根据国家地震烈度速报和预警工程江苏子项目，江苏测震站网共建设地震烈度速报和预警台站162个，其中改造基准站54个、新建基本站54个、新建一般站54个。江苏地震预警台站分布见图 1。

国家地震烈度速报和预警工程项目建设台站，需在地震发生后首台触发3 s内报警，4—6 s生成地震首报，震后3 min内生成地震烈度速报信息，10 min内生成地震烈度分布图（何少林，2017）。江苏子项目建设的具体目标为：①江苏省陆地发生3.0级以上地震后1 min给出地震参数自动速报结果；②江苏省陆地发生5.0级以上地震后2—5 min给出城市烈度速报结果，15 min内给出地震烈度空间分布图；③江苏省陆地发生6.0级以上地震后1 h给出动态震动图和烈度分布图，1—24 h给出震源破裂过程反演结果及大震烈度分布图；④江苏省发生中强地震后30 min—24 h持续给出地震灾情评估结果；⑤通过信息服务系统，建设针对10个省级单位的烈度速报、预警等应急信息的发布平台。

根据《地震台站建设规范地震烈度速报与预警台站》（DB/T 60—2015）进行预警台站建设。其中基准站主要位于地震活动性较强的主要断裂带附近，由速报台站通过安装速度计、加速度计、数据采集器改造而成；基本站位于市、县区域，安装加速度计和数据采集器；一般站位于乡镇区域，采用挂壁式安装方式安装烈度仪。江苏省预警台站各类型仪器统计结果见表 1。

通过对江苏地震烈度速报和预警工程建设中基准站、基本站、一般站的信息核查，平均台站间距约15.2 km，符合台站的空间布局、密度及间距等建设规范要求。

2 计算原理 2.1 地震台网监测能力

地震台网监测能力大小主要取决于台基、观测系统灵敏度、观测仪器动态范围、地震台网密度及其合理布局等因素（张有林等，2005）。目前计算地震台网监测能力常用方法是，利用测震台站台基噪声观测值，依据近震震级计算公式，通过量规函数反推计算测震台站对给定震级地震的最小监控范围。

近震震级计算公式如下

$M_{\mathrm{L}}=\lg A_\mu+R(\varDelta)+S(\varDelta)$

(1)

式中，M_L为S波最大振幅震级；A_μ为最大地动位移，单位为μm；Δ为震中距；R(Δ)为与震中距有关的近震震级量规函数；S(Δ)为台站校正值。当已知台基环境噪声水平并指定震中距时，即可利用式（1）计算台站所能检测的最小震级。量规函数与对应震中距（中国地震局监测预报司，2007）列表见表 2。

2.2 台基噪声水平

采用噪声功率谱（PSD）密度的概率密度函数（PDF）方法，依据台基地动噪声分类标准GB/T195351.1—2004《地震台站观测环境技术要求》，根据台基噪声地脉动速度均方根值（RMS值）来评估江苏预警项目新建54个基准站的台基噪声水平。

RMS值计算公式如下

$\mathrm{RMS}=\sqrt{\frac{1}{N-1} \sum\nolimits_{i=1}^N\left(v_i-\bar{v}\right)^2}$

(2)

式中，v_i为采样点台基噪声速度（单位：m/s），v为速度均值，N为计算所选取的小时数（单位：h）。其中

$v=\frac{N K}{G S}$

(3)

$\bar{v}=\frac{1}{n} \sum\nolimits_{i=1}^n v_i$

(4)

式中，v为台基噪声实测速度（单位：m/s）；N为实际观测的Counts数；K为数据采集器的转换因子（单位：V/Counts）；G为数据采集器前放增益；S为地震计电压灵敏度（单位：V/m·s^-1）；n为实际测量点数。

2.3 地震预警首报时间评估

将江苏地区按经纬度以0.05°×0.05°的网格密度进行划分，假设每个网格发生一次可预警地震，震源深度按江苏地区平均震源深度10 km选取（何奕成等，2021），可分别按首台触发和发震时刻起算地震预警首报时间。

（1）以首台触发起算，设定满足4台触发可完成地震定位，定位时间为t_L，一般首台触发时间为3 s，测定震级所用时间为t_M。对于第j个网格发生的地震，可根据地震波速度模型计算首报时间，公式如下

$t_j=\max \left\{t_{\mathrm{L}_j}, t_{M_j}\right\}$

(5)

（2）以发震时刻起算，满足定位和震级测定要求，假设震后到首台触发时间为t_P1，震后首报用时t_j，则震后首报时间为t_Pj，即为首台触发时间加上震后首报用时，公式如下

$t_{\mathrm{P} j}=t_{\mathrm{P} 1}+t_j$

(6)

循环所有空间网格，即可得到地震预警首报时间的空间分布（游秀珍等，2023）。

3 地震监测及预警评估 3.1 地震监测能力评估

采用传统地震监测能力评估方法，利用测震台站台基噪声观测值，依据近震震级计算公式，通过量规函数，反推测震台站对给定震级地震的最小监控范围，从而重新计算江苏地震台网地震监测能力。

（1）台基噪声水平。按公式（2），计算江苏地震台网54个基准站台基噪声地脉动速度均方根值（RMS值），依据台基地动噪声分类标准GB/T195351.1—2004《地震台站观测环境技术要求》，由计算结果可知，Ⅰ类台基26个，Ⅱ类台基20个，Ⅲ类台基6个，Ⅳ类台基2个。具体统计结果见表 3。

基于台基噪声水平，绘制了基准站、基本站、一般站PSD分布，结果见图 2。如图 2所示，除6个基本站观测波形高频环境噪声水平偏大，其余台站噪声PSD形态均分布在合理范围内，暂未发现明显异常站点。

地震监测能力计算条件设定如下：大于台站平均背景噪声水平6倍的信号作为台站最小监测能力下限，具有平均4个以上台站记录，台网空隙角为315°。经计算得到江苏地区地震监测能力评估图，结果见图 3，可见江苏省陆地大部分区域地震监测能力可达M_L 1.0，苏南、苏北局部地区可达M_L 0.5，邻省及附近海域（50 km范围内）地区地震监测能力达M_L 2.0。

3.2 地震预警能力评估

震源深度按江苏地区平均震源深度10 km选取，依据地震预警时效性要求，基于首台触发和发震时刻2种起算方法，评估江苏测震台网预警能力。统计江苏地区预警首报时间，结果见表 4，并绘制基于2种起算方法的江苏测震台网地震预警首报时间估计图，结果见图 4。

（1）以首台触发起算，据式（5）计算得到江苏测震台网地震预警首报时间，平均为3.3 s，在重点区域可实现约3.0 s的预警首报时间。评估发现，江苏全省55%的区域可实现3.0 s的预警首报时间，全省95%的区域预警首报时间可达到4.6 s。

（2）以发震时刻起算，根据式（6）计算，在理想条件下，江苏测震台网地震预警首报时间平均为6.2 s，在重点地区预警首报时间可达到5.2 s。评估发现，江苏全省95%的区域震后预警首报时间可达到8.6 s。

4 结论

采用噪声功率谱（PSD）密度的概率密度函数（PDF）方法，计算得出江苏省预警工程基准站等台站台基噪声RMS值，通过传统的地震监测能力计算方法，重新计算江苏测震台网地震监测能力；按照地震预警时效性要求，对江苏地区地震预警首报时间进行计算，评估该区地震预警能力，得到以下结果：

（1）江苏测震台网对江苏省陆地区域地震监测能力达M_L 1.0，在苏南、苏北局部地区可达M_L 0.5，在邻省及附近海域（50 km范围内）地区地震监测能力达M_L 2.0。

（2）江苏台网已初步具备地震预警能力，在理想条件下，江苏测震台网地震预警首报时间平均为6.2 s，江苏全省95%的区域震后预警首报时间可达到8.6 s以内。

综上所述，国家烈度速报和预警工程江苏子项目建成后，江苏测震台网对江苏省大部分地区的地震监测能力可达到M_L 1.5，地震监测能力明显提升，且地震预警时间较短。今后将增加台站密度，地震预警时间将进一步缩短，江苏省防震减灾能力将进一步增强，有效保障江苏省社会经济与民生的正常发展。

福建省地震局林彬华老师提供共享计算程序，在此表示感谢。