0 引言

地震产生的剧烈震动会破坏建筑物结构使其倒塌，继而造成重大人员伤亡及直接经济损失，同时可能诱发核泄露、列车出轨等严重次生灾害。地震预警则是利用地震发生后，电磁波的传播速度远大于地震波传播速度、地震P波传播速度大于破坏性S波与面波的特点，在破坏性地震波抵达前的数秒至数十秒内，发出关于震动强度和到达时间的地震预警信息，以采取相应措施避免重大人员伤亡和经济损失。

1868年，美国Cooper博士提出地震预警系统构想，限于当时的技术水平，该想法未能实现。20世纪下半叶以来，随着仪器、通信和计算机等技术的进步，地震预警系统在日本、墨西哥等国和我国台湾地区相继发展起来（Wu et al，1999；Lee et al，2003；Nakamura，2004）。2012年，中国地震预警系统在福建省试运行（Jin et al，2013）。2018年6月，国家地震烈度速报与预警工程项目正式启动。陕西省地震烈度速报与预警子项目已完成台站建设及预警系统安装，目前进入试运行阶段。该预警工程实施后，陕西省地震台网技术系统数据通信实时性得到显著提升，对监控运维的要求更高，技术系统功能更加多样化，社会服务产品更丰富。站点配置的传感器，由过去相对单一的地震计扩展到强震计和烈度计，整体数量增加近20倍，观测台网的地震监测与预警能力将发生重要变化。

台网地震监测能力是指，在台网覆盖区域内能监测到多小的地震（监测能力下限）以及能监测多大的地震（监测能力上限）。对地震预警而言，一旦地震发生，只能利用震中附近的少数台站数据，一般是3—4个台站的记录判定地震事件，快速产出结果并发布预警信息，其预警能力评价既包含其监测地震的大小，又包含其产出可靠地震参数的首报时间。在传感器布设过程中，需考虑地震活动性、人口密度、经济发展水平等因素，且由于地形地貌等客观条件的限制，传感器空间分布并不均匀；同时，不同类型传感器的自噪声水平不同，即使是同一类型传感器，布设地点不同，台基噪声水平也不同，致使不同区域的地震预警能力（包括预警震级和预警时间）存在显著差异。对地震预警能力进行科学、合理的评估，不仅是对地震烈度速报与预警工程项目实施效果的检验，而且为进一步优化台网结构和台站布局，更好地监测陕西区域地震活动提供依据。基于此，本文采用基于游秀珍等（2023）提出的实测噪声监测能力和预警能力计算方法，对陕西省地震预警能力进行评估。

1 陕西地震预警站网概况

陕西省地震烈度速报与预警工程共建站点1 210个，包含76个基准站（新建16个，改造60个）、134个基本站（新建113个，改造21个）、1 000个一般站（含国家发改委批复的485个和陕西省发改委批复的515个站点）。其中：基准站以承担地震监测和地震预警功能为主，参与烈度速报，主要沿断层带及强震活动区域布设；基本站以承担城市烈度速报为主，参与地震预警，主要布设在县级及其以上城市具有典型场地的地表；一般站以承担乡镇烈度速报为主，参与地震预警，主要布设在乡镇级密集人口地区或政府所在地。项目建成后，基本站覆盖陕西省所有县级行政区，一般站覆盖预警区内所有乡镇，且重点预警区内平均台间距约为10.5 km，一般预警区平均台间距约为15 km，全省平均台间距约为12 km。这些站点中，基准站同时布设速度计和加速计，基本站仅布设加速计，一般站仅布设烈度计。

测震台网、强震台网、烈度计台网3类台网按照综合布局原则，构成科学合理的陕西省地震烈度速报与预警台站观测网络。下文提及的“强震”或者“强震台网”是指同时包含基准站和基本站的强震台站，且“三网”融合既是基准站、基本站、一般站的融合，也是速度计、加速度计和烈度计台网的融合。台站布局见图 1。

2 地震预警监测能力评估 2.1 原理和方法

地震监测能力是指某一区域范围内，地震台网能够记录到地震事件，并能测定基本地震参数的地震震级下限，是评价区域地震预警能力最基本的参数。台网监测能力主要取决于台基噪声水平、观测系统响应灵敏度、仪器动态范围、台网密度及台站布局等因素。震级下限估算方法不同于基于地震目录计算最小完整性震级的传统方法（Wiemer et al，2000），而是假定某处发生一个地震，若被3个或4个台站监测到（季爱东等，2009；牟磊育等，2016），则认为此地震是可监测的。可借助近震震级计算公式判断一个地震是否被某个台站监测到。忽略震级计算中的台站校正项，近震震级公式（中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局等，2017）如下

$ M_{\mathrm{L}}=\lg A_\mathtt{μ}+R(\mathit{\Delta}) $

(1)

式中，M_L为近震震级，A_μ为位移记录的最大振幅，R(Δ)为量规函数。一般认为，A_μ不小于3倍台站台基噪声水平，即A_μ≥3PGD时，便可以被该台站监测到（牟磊育等，2016），其中PGD为台站台基噪声峰值位移。

为了协调不同传感器观测记录满足式（1），将地震计、加速度计、烈度计3种记录统一仿真成自振周期为1 s、阻尼为0.707的DD-1位移型地震记录（金星等，2005）。以0.05°×0.05°进行监测区域网格化，假设某个网格内发生1次震级为M_L的地震，取A_μ= 3PGD，计算每个台站的M_L震级值，按从小到大顺序排列，取排序后第4个震级值（如M_L 4）作为该网格可监测的最小地震震级，其原理相当于假设该网格内发生M_L 4地震时，有4个台站触发并满足定位条件。在每个空间网格循环应用该方法，即可确定整个区域的地震监测能力。在地震活动密集区，梁姗姗等（2021）利用该方法得到震级下限，与采用G-R关系得到的最小完整性震级进行对比，发现二者基本相符。

2.2 预警台站噪声统计分析

客观、准确的噪声水平计算是评估区域地震监测能力的重要环节。地震预警系统不仅有记录地面振动速度的高灵敏度的测震速度计，还包括记录振动加速度的中、低灵敏度的强震加速度计和烈度计。传统的噪声均方根值法和噪声功率谱法无法有效识别并去除记录中的异常干扰，通常需要将长时间的记录取平均来反映噪声水平。然而，对于涉及大量台站的烈度速报与预警工程而言，这种方法的计算量过于庞大。为此，采用实测数据的最大概率密度峰值来衡量噪声水平。据游秀珍等（2023）的研究，具体步骤如下：①收集所有台站24小时背景噪声记录，仿真成DD-1型地震计位移记录；②每个台站每隔1 min截取一段记录，计算该时间段内最大概率密度峰值位移PGD（peak ground displacement）；③汇总24小时内所有PGD，并剔除异常偏大或偏小的数据；④根据24小时内PGD分布，计算每个预警台站的最大概率密度PGD，作为该台站噪声水平。

速度计、加速度计和烈度计3类传感器测定的PGD值及其分布见图 2，图中各台站每类传感器PGD值按从小到大排列，以其累积频度1%处对应的PGD值作为剔除异常值的下限，以其累计频度98%处对应的PGD值作为剔除异常值的上限。在76个基准站中，74个站点的速度计运行正常，1个PGD偏大站点予以剔除，其他73个站点的PGD均值为0.010 μm，其中最小值为0.001 8 μm，最大值为0.041 μm；在210个加速度计中，有199个运行正常，1个PGD偏小和4个PGD偏大站点予以剔除，其他194个站点PGD均值为0.16 μm，其中最小值为0.036 μm，最大值为0.65 μm；在1 000个烈度计中，974个运行正常，8个PGD偏小和20个PGD偏大站点予以剔除，其他946个站点PGD均值为17.9 μm，其中最小值为8.3 μm，最大值为43.1 μm。由统计结果可知，速度计噪声水平比加速度计低1个数量级，比烈度计低3个数量级。

2.3 陕西预警台网监测能力

图 3给出陕西省测震、强震、烈度计3类台网的地震监测能力空间分布，图 4为相应震级—频度统计图。

结合图 3、图 4可知：测震台网地震监测能力均值为M_L 1.5，关中和陕南地区可达M_L 1.0，而陕北地区超过M_L 2.0；强震台网地震监测能力均值为M_L 2.2，关中和陕南地区在M_L 2.0左右，陕北地区为M_L 2.5左右；烈度计台网地震监测能力均值为M_L 3.4，在台站密集的关中地区可达M_L 2.8，在台站稀疏的陕南和陕北地区，除局部地区外，大多地区在M_L 3.5以上。就单网而言，由于速度计噪声水平显著低于加速度计和烈度计，测震台网地震监测能力明显优于强震和烈度计台网。

3 地震预警首报时间估计 3.1 原理和方法

地震预警的目的是，在地震发生后，为一定区域范围内的民众提供应急反应时间。因此，从地震发生到预警信息发出的响应时间直接影响到地震预警台网的效能。此响应时间包括：①地震波从震源传播到接收台站的时间；②地震数据传输到信息中心的时间；③计算时间，即地震参数（主要是震源位置与震级）测定时间。当地震波到达第一个台站时即可发出首报，此时为首台触发时间，理论上由震源距和波速计算得到，主要受台站密度控制，在同时考虑测震、强震和烈度计台网的情况下，陕西地区地震预警首台触发时间多集中在3 s上下。地震预警信息发布是一个持续更新的过程，随着地震波传播到更远、更多台站，参与确定地震参数的台站数量增多，地震参数信息随之更新调整。准确测定地震参数通常需要距震中最近的3个或4个台站接收到地震波信号，因此严格的首报时间是指从地震发生到利用三台法或四台法完成地震参数测定的全部时间，即震后首报时间。不做特殊声明，下文中首报时间即指震后首报时间。忽略数据的传输时间，首报时间计算公式如下

$ t_j=\max \left\{t_{L_j}, t_{M_j}\right\} $

(2)

式中，t_j为预警首报时间，t_Lj和t_Mj分别为震中距最小的前3台或前4台的定位时间和震级测定时间。

3.2 陕西预警首报时间估计

在本研究中，将陕西省全境以0.05°×0.05°的网格进行划分，以4个台数据进行地震定位。在进行理论到时计算时，震源深度取区域内已发生地震的平均深度，文中取为10 km，上地壳P波速度取为6.0 km/s，测定预警震级时间取为3 s。基于式（2），得到陕西省测震、强震、烈度计台网的首报时间空间分布及其频度分布，见图 5、图 6。

结合图 5、图 6可知，台站间距决定了地震预警首报时间，测震、强震、烈度计台网的首报时间随台站密度增大而减小，均值分别为12.7 s、8.6 s和5.4 s。对于测震台网和强震台网，预警首报时间的区域差异明显，其中：测震台网首报时间在陕北地区最大，可达30 s，在陕南及关中地区则集中在10 s左右；强震台网首报时间在陕北地区最大，可达25 s，陕南及关中地区在7 s左右；烈度计在陕西省呈近均匀分布，其首报时间地方性差异不大，一般在6 s左右。

4 “三网”融合优势分析

据前文所述，在3类台网中，测震台站数量占比最小，仅为强震台站的40%，以及烈度计台站的7.5%。然而，由于速度计噪声水平比加速度计约低1个数量级，比烈度计约低3个数量级，因此区域内地震监测能力主要由测震台站分布控制。“三网”融合后，地震监测能力分布见图 7。结合图 3所示测震、强震单网地震监测能力分布，可知：“三网”融合地震监测能力＜强震单网＜测震单网，这种差异在台站密集的关中平原和地处陕南的汉中、安康盆地差异不大，但在台站稀疏的黄土高原和秦岭山区比较明显。

在进行预警首报时间估算时，由于烈度计密度远大于速度计和加速度计，因此首报时间主要由烈度计台网控制。将图 7中预警首报时间分布图与图 5进行对比，可知“三网”融合后与烈度计单网首报时间在形态、幅度上基本一致，说明首报时间主要由高密度烈度计台网控制。

当然，这是在将监测能力与首报时间完全分开考虑的情况下得到的结果。地震预警既关注监测能力，也关注首报时间，二者相互关联。测震、强震和烈度计“三网”融合后，首报时间缩短，但地震监测能力反而有所下降。这是因为，用于测定地震参数的4个台可能主要是密度最大的烈度计或烈度计与强震、测震的组合，而烈度计灵敏度较低、噪声水平较高，进而导致监测能力下降。

将“三网”融合后的地震监测能力与测震、强震单网进行对比，并将“三网”融合首报时间与烈度计单网首报时间进行对比，差值结果分布见图 8。由图 8可知：“三网”融合后地震监测能力与测震单网差值均值为M_L 1.3，与强震单网差值均值为M_L 0.6，差值分布均呈现双峰形态，其中第1个峰值对应关中和陕南的汉中、安康等地区，该地区测震台站分布密集，第2个峰值对应陕北和秦岭山区，该地区测震台站相对较稀疏；“三网”融合与烈度计单网首报时间差值约85%集中在0值附近，进一步证明首报时间主要由烈度计台网控制。

综上所述，测震、强震、烈度计背景噪声PGD值数量级依次增大，单网地震监测能力表现为依次递减的特征，即测震台网＞强震台网＞烈度计台网。考虑到地震预警时效性，“三网”融合后，在95%的监测区域内，地震预警最小震级可达M_L 3.7，与单网地震监测能力对比具有以下特点：测震台网＞强震台网＞“三网”融合＞烈度计台网。3类单网与“三网”融合后地震监测能力相关指标参数统计结果见表 1。

预警首报时间基本由烈度计台网控制，首报时间排序为“三网”融合＜烈度计台网＜强震台网＜测震台网，可知“三网”融合后预警首报时间明显缩短，在95%的监测区域内，比测震单网预警时间提前约16.7 s。3类单网与“三网”融合后地震监测能力相关指标参数统计结果见表 2。

综合以上分析结果可知，地震预警工程“三网”融合后，地震预警能力得到显著提升。

5 结论

通过计算测震、强震、烈度计台网和“三网”融合后的地震预警监测能力与首报时间，对陕西省区域地震预警能力进行评估，得出以下认识：

（1）测震、强震、烈度计背景噪声PGD值数量级依次增大，单网地震监测能力呈测震台网＞强震台网＞烈度计台网的特征；“三网”融合后，与单网地震监测能力进行对比，呈测震台网＞强震台网＞“三网”融合＞烈度计台网的特征。

（2）陕西地区地震预警台网地震监测能力存在显著的区域差异性特点，表现为：关中平原和陕南的汉中、安康盆地等人口密集地区，地震监测能力显著高于黄土高原和秦岭山区等人口稀疏地区。本研究仅使用陕西地区地震台站数据，在与重庆、湖北、河南、宁夏等邻近地区的交界地带，地震监测能力偏低。当然，只要将相邻省、市、自治区台站数据纳入预警系统，后续情况将在一定程度上得到改善。

（3）地震预警首报时间基本由烈度计台网控制，首报时间排序为：“三网”融合＜烈度计台网＜强震台网＜测震台网，表明“三网”融合后，地震预警首报时间明显缩短，地震预警能力得到显著提升。

（4）综合测震、强震、烈度计单网与“三网”融合后的地震监测能力与首报时间特点，可以进一步优化完善地震预警台网。针对陕西地区，建议以烈度计台网平均监测能力为界，对于M_L 3.4以下地震，可仅使用测震和强震台网进行地震预警；对M_L≥3.4地震，则建议同时使用“三网”数据进行联合处理。