0 引言

我国是世界上地震活动最剧烈、地震灾害最严重的国家之一，迫切需要构建一套完善的地震灾害预警系统。2008年5月12日汶川M_S8.0地震的发生，进一步凸显了我国对地震预警服务的紧迫需求，并提出建设全国性地震预警系统的要求。随着科学技术的发展，这一需求正逐步变为现实。经过地震研究学者长期不懈的努力，地震预警系统的可行性研究以及多套示范系统的验证，国家地震烈度速报与预警工程于2018年底启动实施，目前已基本建设完成并逐步发挥其减灾实效。地震预警技术原理是，利用布设在预警目标区或潜在震源区的台站或台网，对地震活动进行实时监测。地震发生后，根据震中附近台站接收的地震波信息，快速估算地震三要素和地震动影响，并利用电磁波传播速度远大于地震波的原理，在破坏性地震波到达前及时发出警报（张红才等，2012；白琳娟，2017）。地震烈度速报是基于仪器观测记录，按照仪器烈度标准快速计算得到实测烈度和推测烈度，震后数分钟内迅速向政府和社会发布，为判断灾害影响范围、灾害程度、确定宏观震中和救援重点提供数据支撑，是灾情判断和应急救援决策的重要科学依据。

国家地震烈度速报与预警工程江西子项目（以下简称：预警工程江西子项目）是国家地震烈度速报与预警工程的重要组成部分。根据批复，预警工程江西子项目总投资2 325.00万元，建设台站135个、省级中心1个（Ⅱ类）、服务终端10个（Ⅰ型）；总建筑面积579.70 m²；主要建设内容包括台站观测系统、通信网络系统、数据处理系统、紧急地震信息服务系统、技术支持与保障系统等。

本文基于预警工程江西子项目建设完成后江西省站点总体分布情况，重新计算江西省测震台网地震监测能力，并对江西省地震预警和烈度速报能力进行评估。

1 江西省测震台网概况

在预警工程江西子项目中，江西测震台网共建设地震烈度速报与预警3类站点135个，包括改造基准站25个、新建基本站53个、改造基本站5个、新建一般站52个。其中：改造基准站和改造基本站依托原有观测条件进行观测环境标准化改造；新建基本站严格按照实施方案进行站点主体建设和室内装修，重点保障观测墩的浇筑质量；一般站通过对铁塔基站机房观测环境进行严格筛选确定点位，确保观测数据质量。项目建设完成后，全省每个县区有1个或1个以上基准站、基本站或一般站，基准站台间距约82 km，基准站和基本站台间距约45 km，加入新建一般站后，3类台站平均间距约35 km，符合台站的空间布局、密度及间距等建设规范要求。站点分布见图 1。

根据预警工程江西子项目台站建设内容，3类站点技术系统主要由观测系统、通信系统、运行保障系统、防雷系统等4个系统组成。其中，在基准站安装速度计和加速度计各1台，在基本站安装加速度计1台，在一般站安装烈度计1台。3类地震计性能不同，其作用也不相同。其中：速度计性能稳定，记录数据完整，强震近场记录易限幅，主要用于监测近场中小地震和远场大震；加速度计性能稳定，强震近场记录不限幅，但记录能力较速度计差，主要用于监测近场强震活动；烈度计成本低，体积小且易安装，但自噪声大，适用较大振幅地震动观测，主要用于评估地震对城市和乡镇社会影响的烈度（王光冲等，2019；金星，2021；刘雪娇等，2024）。江西地震预警站点各类型仪器统计结果见表 1。

科学合理的站网布局对地震监测工作至关重要，台网密度及台间距是影响地震监测预警能力的关键技术指标之一。预警工程江西子项目的建成，显著提升了江西台网密度，缩小了台间距，台网布局更加合理，不仅增强了台网地震监测能力，还使台网具备一定地震预警和烈度速报能力，实现了从单一地震监测向地震监测、地震预警、烈度速报3大功能的逐步拓展。

2 计算方法 2.1 台网地震监测能力评估

为评估3类传感器的传统地震监测能力，以0.05°×0.05°尺度对台网监测空间进行网格化处理。假设每个网格内发生1次地震（微震），据以下公式进行评估：

$ \begin{aligned} & M_{\mathrm{L}}=\log U_{\mathrm{m}}+R(\mathit{\varDelta}) \\ & U_{\mathrm{m}}=3 \mathrm{PGD}=9 \delta \end{aligned} $

(1)

式中：U_m为DD-1仪器位移记录波的峰值；PGD为DD-1仪器记录的位移噪声峰值，δ为位移噪声有效值，PGD = 3δ。

对于第i个台站第j个网格，测定震级公式如下

$ M_{i j}=\log \left(3 \mathrm{PGD}_i\right)+R\left(\mathit{\varDelta}_j\right) $

(2)

式中，PGD_i为将3类传感器统一仿真成DD-1仪器记录上所量取的噪声最大位移评估。则第j个网格，对各台站测定地震从小到大重新排列：

$ M_{1 j}^{\prime} \leqslant M_{2 j}^{\prime} \leqslant M_{3 j}^{\prime} \leqslant M_{4 j}^{\prime} \leqslant \cdots $

(3)

若按4台定位考虑，则第j个网格的地震监测能力为

$ M_j=M_{4 j}^{\prime} $

(4)

通过对j即空间网格进行循环，即可得地震监测能力空间变化图。

2.2 地震预警监测能力评估

传统地震监测能力评估并未考虑时效性，而地震预警监测能力评估则必须考虑预警时效性。因此，只需计算网格内最近的前3台或前4台仪器测定地震参数。对于第i个台站第j个网格，震级测定同式（2）。

按预警时效性要求，由第j个网格最近的前3台或前4台定位，故按震中距将上述震级由近至远重新排序，即：假设前4台震中距关系为Δ₁＜Δ₂＜Δ₃＜Δ₄，对应测算的震级为$M_{1 j}^*$、$M_{2 j}^*$、$M_{3 j}^*$、$M_{4 j}^*$，则按前3台或4台仪器参与定位，第j个网格可监测最小震级分别为

$ M_j=\max \left\{M_{1 j}^*, M_{2 j}^*, M_{3 j}^*\right\} $

(5)

$ M_j=\max \left\{M_{1 j}^*, M_{2 j}^*, M_{3 j}^*, M_{4 j}^*\right\} $

(6)

本研究选取前4台定位数据，通过测定地震参数来评估地震预警监测能力。

2.3 地震预警首报时间估计

假设每个网格发生1个地震，震源深度取研究区域平均震源深度（通常为10 km），以首台触发起算，按震中距最近的前3台或前4台仪器定位，其定位时间为t_L，测定震级时间t_M，至少为首台触发后1 s（目前多数采用3 s计算预警震级）。对于第j个空间网格发生的地震，根据地震波速度模型，则首报时间如下

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

(7)

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图。本研究基于前4台定位数据，在首台触发后3 s内测定地震震级，以此估算地震预警首报时间。

2.4 烈度速报精度评估

在站网设计中，县乡（镇）所在地均有观测站点布设，乡镇烈度速报均以观测结果为基础。人口密度越大，站点越多，精度越高。制作烈度空间分布图需遵循网格划分方法，若网格内无观测值，可采用附近台站数值进行差值计算。据台网监控面积S和站点总数N可得到站点密度，公式如下

$ \rho=N / S $

(8)

平均台间距d为

$ d=\sqrt{1 / \rho}=\sqrt{S / N} $

(9)

根据PLUM方法，插值网格烈度值与此网格附近台站有关。假设第i个网格的平均台间距di由网格周边的3个台站控制，则

$ d_i=\frac{1}{N} \sum\nolimits_{j=1}^N d_{i j} $

(10)

式中：j为网格周边第j个台站；i= 1, 2, …, M，M为网格总数。循环每个空间网格，即可得到烈度速报精度分布图。

3 地震监测预警及烈度速报能力评估

根据预警项目的统一规划部署，江西地区被规划为预警一般区，共建设各类地震烈度速报与预警监测站点135个（基准站25个、基本站58个、一般站52个），平均台站间距约35 km。本研究采用福建省地震局林彬华开发的“监测预警能力评估软件”，对江西区域由预警3类站点组成的“三网融合”站网进行计算，旨在评估江西测震台网的地震监测能力、地震预警能力和地震烈度速报能力。

3.1 地震监测能力评估

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）。地震监测能力计算需基于以下前提条件：将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，台网空隙角在315°以内（朱峰等，2023）。

图 2为使用25个基准站速度计计算得到的测震台网监测能力分布图。由图 2可见：江西省所有区域平均监测能力可达M_L 2.0，局部区域监测能力可达M_L 1.5；全省55%的区域地震监测能力达M_L 2.0，全省95%的区域地震监测能力达M_L 2.2。图 3为使用135个测震、强震、烈度计“三网融合”站点计算得到的测震台网监测能力分布图。由图 3可见：江西省所有区域平均监测能力可达M_L 1.8，局部区域监测能力可达M_L 1.2；全省55%的区域地震监测能力达M_L 1.9，全省95%的区域地震监测能力达M_L 2.1。

通过对比图 2、图 3，可知：仅使用测震基准站速度计与使用测震、强震、烈度计“三网融合”计算所得地震监测能力基本相当，说明基本站和一般站的加入对地震监测能力的提升作用不大，即加速度计和烈度计的加入并未显著提升江西测震站网地震监测能力。因此，为提升测震站网的地震监测水平，需合理增加速度计站点数量，从而有效增强江西省地震监测能力。

3.2 地震预警能力评估

根据地震预警信息可靠度要求，规定发布第一报地震预警信息时必须满足触发地震事件和较准确测震地震参数的要求，并以发布第一报预警信息的时间作为预警能力评估的指标（金星, 2021, 2024）。依据地震预警时效性要求，计算首报用时有2种方式：①以首台触发为起算点，测定地震参数并发出第一报所需时间；②以发震时刻为起算点，测定地震参数并发出第一报所需时间（金星, 2021, 2024）。因江西预警工程测震、强震、烈度计3类站网分布较为稀疏，采用首台触发的首报时间进行评估并不适宜，故使用震后首报时间进行评估，计算时震源深度取10 km（江西地区平均震源深度）。

依托江西省135个预警站点，以震后4个站点的平均触发时间为首报时间，对“三网融合”站点预警首报时间进行评估，结果见图 4。结果显示：江西省所有区域的预警首报时间平均约为14.5 s，局部区域可实现12.7 s左右的预警首报时间；全省55%的区域预警首报时间约为14.5 s，全省95%的区域预警首报时间约为16.8 s。

图 5给出测震、强震、烈度计“三网融合”后预警最小震级评估图，可知“三网融合”后，研究区所有网格的预警最小震级平均为M_L 3.1，全省55%的区域预警最小震级为M_L 3.3，全省95%的区域预警最小震级为M_L 4.2。

3.3 地震烈度速报精度评估

基于局部台间距指标，绘制测震、强震、烈度计“三网融合”后江西地区地震烈度速报精度分布，结果见图 6，可知：基于台间距指标，“三网融合”后，江西地区所有网格的地震烈度速报精度平均为25 km，局部区域可达2 km；全省55%的区域地震烈度速报精度在26 km以内，全省95%的区域在40 km以内。

4 结论

预警工程江西子项目建成后，江西测震台网地震监测能力有所提升，全省所有区域平均地震监测能力达M_L 1.8，局部区域地震监测能力达M_L 1.2；全省55%的区域地震监测能力达M_L 1.9，全省95%的区域地震监测能力达M_L 2.1。计算结果显示，预警工程江西子项目新增加速度计和烈度计站点，对提升江西测震台网地震监测能力作用不大，要提高地震监测能力，需合理增加速度计站点数量。

预警工程江西子项目建成后，江西测震台网具备一定地震预警能力和烈度速报能力。预警首报时间在江西全省平均约14.5 s，局部区域可达12.7 s；全省有55%的区域具有14.5 s的预警首报时间，全省有95%的区域具有16.8 s的预警首报时间；江西“三网融合”所有网格的预警最小震级平均为M_L 3.1，全省55%的区域预警最小震级为M_L 3.3，95%的区域预警最小震级为M_L 4.2。基于局部台间距指标，“三网融合”后江西地区烈度速报精度显著提升，所有网格的平均精度约25 km，局部区域可达2 km；全省55%的区域烈度速报精度控制在26 km以内，95%的区域烈度速报精度在40 km以内。

随着社会经济的稳步发展，公众对地震安全保障服务的需求日益凸显。根据《江西测震站网规划（2021—2030）》，江西省地震监测站点将逐渐加密，江西测震台网地震监测能力将进一步提升，地震预警时间将进一步缩短，烈度速报精度将进一步提高，全省综合防震减灾能力将进一步增强，以便为江西经济社会发展提供坚实保障。

文中使用的计算程序由福建省地震局林彬华提供，审稿专家对文章的完善提出了宝贵意见和建议，在此一并表示感谢。