4第四章地震预警理论0702

1、84目录第四章 地震预警理论 67第一节 基本概念 67第二节 P波及S波震相自动捡拾 751.1震相自动识别技术概述 76第三节地震预警定位方法 772.1单台定位782.2多台定位方法78第四节地震预警震级测定 784.1地震预警震级确定方法 79（1 ）与周期相关方法 79（2 ）与幅值有关方法 80（3）其他方法804.2地震预警震级确定的困难性 81第五节 预警目标区地震动估计 815.1地震动估计概述 825.2由P波初始段记录预测后续地震动峰值 825.3人工神经元网络与后续地震动峰值持续预测 835.4基于有限记录的预警目标区地震动场估计 83（1）地震动衰减规律与地震动分布图

2、 84（2）基于有限记录的地震动估计 84第六节 系统构架 856.1地震预警系统架构 856.2福建数字测震台网及强震台网 856.3地震预警总体架构 86（1）地震实时监测87（2）实时数据接收和处理 87（3）地震参数的实时持续确定 87（4）预警基本信息发布 88（5 ）预警目标区的信息接收及处理 88结语88第四章地震预警理论随着我国经济快速发展和城市化进程加快，核电站、大型石化工程等重大基础设施不断涌现，高速铁路、长输管线、城市管网等生命线工程日趋密集、复杂。重大基础设施和生命线工程一旦遭遇破坏性地震，在遭受直接灾害的同时， 还会导致更为严重的次生灾害，造成重大的社会影响。如何减轻

3、地震灾害，最大限度地降低地震造成的人员伤亡和经济损失，是政府和全社会极为关注的课题。 地震预警系统可以自动启动城市及重大工程地震紧急处置系 统，可以快速向相关行业及公众提供预警信息，切实地减轻地震灾害。地震预警是在当前地震预报还没过关前提下，减轻地震灾害的有效手段。I预警时r求事岌生图4.1地震预警基本原理示意图地震预警（Earthquake Early Warning，EEW）简单的说就是利用传播快而破坏小的P波来报警，争取在破坏大而传播慢的 S波和面波到来前作出应急反应（如上图所示）。该技术 作为震灾预防的新手段，已经在多个地震多发国家和地区引起重视并得到应用，1998年美国国会曾立法要求

4、地质调查局（USGS加速这方面工作。 我国国家中长期科学和技术发展 规划纲要（2006-2020 年）中也明确提出要“重点研究开发地震、台风、暴雨、洪水、地 质灾害等监测、预警和应急处置关键技术，森林火灾、溃坝、决堤险情等重大灾害的监测预警技术以及重大自然灾害综合风险分析评估技术”；地震科学技术发展规划（2006-2020年）更是明确提出了要建设地震灾害预警平台。目前，我国区域数字地震台网的仪器性能、台站密度、通讯技术正在发生着巨大变化，部分地区的台网条件已初步具备建设地震预警系统的实验平台，实时地震学的发展为系统建设提供了理论基础与技术支撑。第一节基本原理建立地震早期预警系统的构想最早是由美

5、国的Cooper于1868年提出的。他设想，在当时地震活动强烈、距离圣菲尔南多市约百公里的Hollister 地区布设地震探测装置，当地震发生后会生成一个电磁信号，由于电磁波比地震波传播要快得多，故可抢在地震波到达之前敲响圣菲尔南多市政大楼上的大钟，发出地震警报。但限于当时的技术水平，这个构想未能得以实现。1972年，日本的Hakuno博士等再次提出了与Cooper博士基本相同的想法。当地震波 到达地震台站后，通过对其前几秒数据进行计算得到相应的地震信息，当地震规模(如震级、烈度或者PGA超过地震预警系统设定的阈值后，地震预警系统将对一定范围内的预警设防 区域发出地震警报，一般可以在破坏性地震

6、波抵达前提供几秒到十几秒的有效预警时间，是人们可以及时的采取一定的自我保护措施，如关闭明火以及躲在桌子下面，可以关闭电闸以及煤气天然气管道，尤其对目前我国正在兴建的高铁以及地铁等高速运行的交通设施的安全 可以发挥巨大的作用。当然地震预警系统也有一定的局限性，如当地震发生在离预警设防区域较近的地方或者地震一定半径范围内的台站比较稀疏等情况下，地震预警系统发挥的作用就极为有限了。地震预警在理论上通常分为两大类，一是异地震前预警系统(front-detectionEWS):即将地震计安置在“震源区”，以此对更远距离的“震灾区”进行预警。日本铁道部门(Nakamura, 1984)、台湾和墨西哥SAS

7、(SeismicAlertSystem) 的预警系统属于这种类型。“异地震前预警”通过S波确定震级。这样虽然比较准确，但却要等S波到达之后才能确定预警参 数。例如，台湾中央气象局采用该方法建立的系统。平均需22s，震级误差为土 0.25级，可以为距震中70km以外的地区提供预警信息。二是现地地震预警系统(onsiteEWS):通过P波初 始阶段确定震源参数从而预报S波到达后更严重的地面破坏情况。UrEDA( Nakamura, 1988，1989)和ElarmS( Allen，2003)都采用的是P波到达后最初的2-4s信息确定预警震级。其基 本原理是，在预警的目标区建立观测网，利用P波比S波

8、传播速度快的原理，由 P波的初期振动估计地震大小、震中位置，并提出预警。其中用于第一种预警系统的预警方法通过S波测定震级后发布预警信息，这种方法比较可靠，但只能为距离地震计几十公里以外的城市和重 大工程发布预警信息。例如，墨西哥市破坏性地震都发生在距离市区300km以外的太平洋海岸隐没带上，这就为该城市提供了可成功预警的前提条件。而大多数地震多发城市并不具备这一条件，显然这种预警方式存在很大的局限性。通常认为地震大小只有在S波最大振幅到达后才可确定，而Erik通过大量真实数据验证，地震震级完全可以通过P波前几秒时间窗内的信息估测。这为通过 P波确定震级，快速发布预警信息提供了依据。日本是世界上

9、最早正式启用地震预警系统的国家，采用在地震震中附近的地震台，在大地震发生后，快速确定和认定大地震，发出警报，利用电波速度远比地震波传播速度快的原理，使离震中较远的地方在地震波最大震动还没有到达时，就得到发生大地震的消息警报。 视离地震远近不同得以获得 10几秒到几十秒的逃生机会。日本地震预警系统日趋完善，这次3 11地震，对于远在400km以外的日本首都东京地区在强烈的地震波未到达之前，很多公众就收到了地震警报。地震预警系统要求高智能的计算机担当主角，不仅要求更具机动性、适应性(符合孕震区发生的物理力学过程的特点）、及时性和显示性，还要求系统慎重选择预警的时效性，减少虚漏的可能性。到了 20世

10、纪90年代，随着计算机技术、数字通信技术和数字化强震观测技 术的成熟，继日本之后，美国、墨西哥、土耳其、伊朗等国家和中国台湾应用实时强震仪先 后建成了现代地震预警系统以及一些生命线地震紧急自动处置装置，一些系统也已经经受过地震考验，并积累了许多成功经验。地震预警的迅猛发展为有效的地震灾害防御提供了良好的条件。发展地震预警系统已 经列入美日地震合作议案之中。研究方案的重点放在考虑采用更具未来特点的技术系统。该系统包括了美日两国具体地震地区面临的地震危险情况，采用哪种智能计算机系统，利用观测资料中哪些新开发的信息参数（新地震自动记录系统的数字参数，各种直接和间接征兆信息，几种诱发或触发信息，以及专

11、家知识等），采用更实际的数值计算程序以及能够发现地震的传感模型来研制地震预警系统。近年来，各国经济迅猛发展， 地震及次生灾害造成的巨大损失也逐年加剧，随着国际地震动态发展，以及几个重要国际会议的召开和宣传，又有很多国家应用这项技术，如澳大利亚、德国、土耳其、亚美尼亚、罗马尼亚和立陶宛等，而且，地震预警系统已被应用到不同 的领域。1995年9月14 日 Guerrero地区发生了 7.3级地震，SAS系统在地震波到达墨西哥城前 72秒发出了地震警报。由于及时采取了防震措施，大大减少了人员伤亡。2011年3月11日日本9.0级地震发生后，据日本气象厅报告，在几秒钟地震台就确认了大 地震，发出警报第

12、一报信号，真正比较好的是第四报信号，用了8.6秒发出。它给震中最近的沿岸只有十多秒预警时间，但可以给东京留出1分钟左右时问。但是对于距离震中较近的区域，在100多公里的区域，预警信号和地震首波几乎同时到达，最大震动S波只有10几秒，对于200多公里地区，大约有1540秒的时间差。对于300多公里区域，大约有3050秒的时 差。而这些区域地震烈度显然比东京要大得多，当然比东京更远的地区，地震烈度就更低了，可能基本没有破坏，预警的需求程度也就低了。日本的“紧急地震速报”开始运作时是发出三次报警，第一次报警基本是利用离震中最近的单个地震台的初始几秒时间地震波判断的， 第二报、第三报是利用更多地震台的

13、数据，越来越精确和准确。目前已经发展到发布十多次报警信息。尽管这是由于震中距远达300km以外地震而产生的特殊事例，但它证明了地震预警的可行性。1. 1地震预警地震预警的基本思想是利用布设在预警目标区或者潜在震源区的地震台网或强震台网以及实时通信传输线路对地震进行实时监测，利用地震P波传播速度大于破坏性 S波（约3倍）和面波，以及电磁波传播速度远远大于地震波波速的原理，在尽可能短的时间内确定地震基本参数（震源位置、发震时刻、地震震级）或者直接估计预警目标区地震动和破坏程度， 进而抢在地震P波或强地面运动段 S波到达预警目标区之前， 对可能破坏区发出地震警报 并启动地震应急控制系统， 使人们撤离

14、最危险的场所，以减少伤亡；使快速列车减速或停驶，以防止出轨；关闭煤气开关，以减少火灾；停止某些生产过程如高空作业等，以消除潜在威 胁等。地震预警在地震发生后，当破坏性地震波尚未来袭的数秒至数十秒之前发出预警预告，公众和有关机构提早采取应急措施，避免重大的人员伤亡和经济损失。墨西哥市的预警系统研究成果显示，接收地震预警信息的学生，在心理上大幅降低对地震的恐惧。地震预警的典型应用案例如下（图4.2）：学校学生躲入桌子底下寻求保护。工人离开危险的工作位置。医院进行的手术能暂时停止或调整精细及关键的操作，例如：眼科手术等。运输系统能自动停止或减速，例如：高速铁路列车减速以降低出轨翻车的风险。 供水供气

15、管线及通讯线路能自动调整、重组或关闭，例如：关闭煤气及供水管线， 减少地震所引起的火灾及其它灾害。工厂能及时进行紧急应变，保护振动敏感的设备，例如：电子元件制造厂。 飞机转场降落。控制生产线减少损失丨控制电梯i避免困住乘梯人确保人身安全正在进行的手术避免失误从事危险工作的人员 确保安全学校和会议厅报警 引导疏散图4.2地震预警典型应用地震预警是一种超级地震速报，是在真实的地震发生后， 基于仪器记录，尽可能的利用先期获得的信息，较精确的估计地震发生的地点、大小，利用地震波传播规律，在破坏性地震波到达前估计特定预警目标区地震动场、破坏性地震波到达时间， 并估计目标区可能的地震破坏情况，故地震基本参

16、数的快速确定是基于有限监测信息的地震监测范畴，而预警目标区地震动场估计及可能发生的破坏情况则属于地震工程学范畴，地震预警将地震台网功能从 监测预报直接扩展到有效震灾防御领域。1.2现地预警与异地预警现地预警方式（On-site warning）:此种预警方式是在预警目标区布设台站，基本原理 是利用初至波（一般为P波）和后至破坏性地震波 （S波或者面波）的到时差来进行预警。 预警方法一般分为三种，一种为直接采用P波阈值方式，即当地震波幅值超过一定阈值时就发布地震警报；第二种方式为用 P波预估后续到来的地面运动大小，当预估的地面运动 可能会对预警目标产生潜在破坏时发布警报；第三种为用P波信息直接估

17、计地震基本参数，进而估计预警目标的潜在破坏。对现地预警，目前一般采用单台（或者距离相近的多台），其优点为：针对单一目标，布设简单；缺点为：可用信息少，准确率低，有效预警时间短。 异地预警方式（Regionl warning）:采用传统的地震监测方式，在潜在震源区布设高密度的 地震台网或者利用已有台站，其原理是利用近震源台（P波或者S波）记录信息来确定地震基本参数，进而估计预警目标区地震动，并对地震潜在破坏区发出警报。其优点为：对目标区的预警时间较长，可用信息多，对地震参数测定相对准确可靠；缺点为：需要高密度的地震台网支持，投资大，系统复杂。复合预警方式（Hybrid warning ）:在地震

18、预警的早期研究中，由于台网密度和通讯传 输的限制，一般采用现地预警模式，但是随着台站密度的逐步增加，通讯方式的发展及实时地震学研究的深入，目前已经淡化了以上两种预警模式的限制，采用复合的预警方式29,39,92（ Allen and Kanamori，2003; Kamigaichi ，2004;萧乃祺，2007）。此种方式可以充分结合现地预警和异地预警的优势，并能充分利用现有的台网资源。1.3 地震预警的时效如果我们定义得到所有预警地震参数时刻至S波到达预警目标区时刻的时间差为理论预警时间，对现地预警，以P波到达预警目标区时间起算，理论预警时间为：地震预警系统的物理原理有两个：原理一，在地震

19、时，地面强烈振动通常是由S波（剪力波，其速度为3.5km/s）及表面波所引起，而 S波及表面波传递速度较P波（初达波，其速度为7km/s）传递速度慢。原理二，地震波传递速度远小于电话或无线电传递讯号的速度。 预警时间的长短依地震发生地点至预警地区之距离远近而定，地震发生地点越靠近预警地区则预警时间越短。换言之，地震预警系统对在震中附近地区之功效不大，但是对距离较远地区则功效显著，如图1。葩MIMAf|目标点.、Fift ：才i兰*：s占“做'1一0有效预警0 无法预警， 发震位置位 于目标点的 预警盲区中预雪悟息发布时间发震復置P養到达军绪扶片 台学时危1云级时间E诜到达 合站时间图1

20、地震预警原理图地震预警系统理论：目前地震预警理论分为两种，一种是异地地震预警系统，另一种是 现地地震预警系统。异地震前预警系统是将地震监测台安装在震源区，以此对更远距离的地震灾害进行预警；现地地震预警系统， 是将地震监测台安装在本地，通过先到的P波初始数据确定震源参数，从而预警 S波和面波到达本地后的地面破坏情况。地震预警系统的组成：地震预警系统由地震监测系统、通信系统、中央处理控制系统和 警报系统4个部分组成，每一部分的处理时间之和与地震波走时之差形成了最终的预警时间。 地震监测系统的主要任务是通过地震监测台站采集相关数据；通信系统将地震监测系统采集到的数据发送到主机； 中央处理控制系统对相

21、关数据进行处理并做出决策，如果发生地震将通过警报系统对用户进行警报。现代地震预警系统的预警方式为地震参数预警，与之相对的就是较为传统的地震动值预警。地震参数预警是利用台站的P波或S波确定出震级、震源深度、震中距等参数,从而确定预警的范围和级别。这种方式所需决策时间长，但有效性高。地震动值预警则直接利用地 震动值是否超过给定的阀值来判断预警，它既不区分P波与S波震相，也不确定地震的有关参数，有效性较低。根据震中与预警目标区（城市或重大工程场地）的距离远近，地震预警又可分为异地震前 预警（图2a）和本地P波预警（图2b）两类（李山有，2006,袁志祥，等，2007）。异地震前预 警是指地震发生在距

22、预警目标区60km以外的区域，布设在震中附近的监测装置（强震仪）在地震发生后向预警目标区发出电磁信号，由于电磁波比地震波传播要快得多，故可抢在地震波到达之前发出地震警报。本地P波预警是指地震发生在距预警目标区2060km的区域，在预警目标区建立监测网，利用P波传播比S波快的原理，由 P波的初期振动来估计震级、震中、方位角等地震参数，发出预警。需要注意的是，对于发生在距预警目标区20km以内地区的直下型地震，除了可以安装由P波触发的自动控制装置外， 已没有时间对人员发出预 警。在震中距20km以内的地区，被认为是地震预警的盲区。地震预警系统的基本硬件组成 如图3所示。相制中心图3地震预警系统基本

23、从地震预警理论，预警工作系统包含以下技术：（1）地震触发判定技术：根据记录短长比、三分向振幅关系进行事件触发。但此项技术由于地脉动和一些噪声的初动周期会超过2s（ allen , 2005），可能导致误触发。（2）地震参数快速测定技术：即根据 P波前3秒测定震级，由于震级测定、地震定位 不同步，会延迟预警信息的发布，增加地震盲区。用小地震统计与用大地震统计的局限性，最小震级下限与烈度下限原型系统工作状况初步统计：1） 台站运行稳定时，对于首都圈地区2级以上能够全部触发；2） 系统平均报告事件为震后20秒左右，取决于事件震中位置和台站分布情况，平均可为震中距离100km处地区提供不低于10s预警

24、时间；3） 在统计45次连续触发（台站数 >4）中，总体误报率为 26.7%（ 12/45 ），但若用5台 以上台站进行组网，误报率降低为5.3%（ 1/19 ），对于中等以上地震而言，5台站是容易满足的。（若M>2且触发台站数目大于 5基本无误报）（3）预警信息可靠度判定技术：单台信噪比，多触发台站走时及空间相关性（4）预警信息发布技术：分震级控制的误差容忍和发布方式策略(5) 强震预警能力检验技术：在线试验运行及历史事件检验(6) 地震预警信息库：对各台记录历史地震波形、台站分布信息进行储备，以便检验 大地震预警效果，改善预警方案；下面是首都圈实际地震预警试验，用时分析，各台接

25、收情况见表1。表1首都圈各台地震预警用时表编号卡台站J，预警，到时震中距1屮BUDOH03:00:53.90015*2"HE.QDC03:00:57.180573*TJFTZ03:00:57.740*65.4小TJXUT-03:00:59,78074 “TJ HAG*03:01: 1*160 車6*1BU.ZUK03:01:1.95086.7*1HE.XLD*'03:01: 1.96086.8*bHEQIJ03:01:2.140*89.“8TJQAD*03:01:3.0689410+03:01： 3.450p104*波形传播时间约为 4台59-46+4=13.4s«

26、告用时23計9台63.1-46.7=164s(报告用时2上)23s=3s打包+13雷传播+3s数据+1 s计算+3豎延迟24尸盹打包+16s传播+3s数据+ls计算+ls延迟从各台用时分析以及产出最终结果来看，4台及多台预警用时相差不大，地震后23秒左右可以进行地震预警，与台湾地震预警系统(22秒)效果类似(袁志祥，等，2007)。值得注意的是定位误差、 震级误差对预警效果有影响， 宏观震中与微观震中往往存在偏 差，这种偏差会导致预警效果下降。是否开启预警系统， 取决于震级的计算，如采用传统计算 ML或Ms的方法，受台站密度 影响。(1) 如果台站间距过大，贝U P波后由S波计算震级，则需要较

27、长时间，如果时间短， 很可能没有记录到剪切波最大振幅， 另外，破坏性地震震级通常出现仪器限幅或震级饱和现 象，无法计算 ML或Ms震级，为此必须计算矩震级。(2) 如依靠P波卓越周期确定预警震级(Allen&Kanamori , 2003),尽管这种方法计算 震级较快，但最佳的震级测定需要4s数据，与大地震吻合较好的关系式。测定Tpmax的台站数越多，估测的震级越准确。通过最近单台记录的TPmax估测的震级，平均绝对误差为±0.7 ,如果使用了最近10个台站的数据，平均绝对误差可以降低到±0 .35。而使用较多台站数据，势必延迟预警时间发布。 而震级的误差对烈度计算

28、有影响， 目前烈度计算采用的方 法是利用最大振幅法，从日本 3.11地震可以看出，仅用最初很短几秒 P波振幅，其结果有 很大误差，导致预警效果不佳，进而影响防震减灾措施（陈会忠，2011）。（3）目前预警，采取的另外一种方法是使用P波到达后前3s信息确定震级，称为c方法。通过该方法可以进一步大幅度提高地震预警系统的预警效率（黄媛等，2006）。 c方法区别与传统定位方法的地方在于它依靠初始信号振动周期而非幅度估算地震大小。即利用前3s的P波信号决定初始振动周期，进而确定地震大小。Kanamori通过研究发现，当初始周期大于2.18时，可能发生 Mw>6.5的地震，而 Mw>5的破坏

29、性地震（有一个地震例外），全部 具有初动周期>1s的特性。c方法的目的在于提供一个预警域值，假如.c>1s，地震事件有可能为破坏性的；假如大于2s,事件肯定为强破坏性的。通过这一结论的应用极大地缩短了地震预警时间。同时将该域值信息与其他数据相结合（例如，最初的速度和位移幅度）可能会给出更加准确的破坏趋势情况。（4）利用单台的P波确定预警震源参数，这其实是一种组合方法，是利用单台P波谱和振 幅信息，根据经验关系式来确定震级（Alle n , 2003, An drew, 2005 ）。该方法可能产生的震级误差0.3级，震中位置绝对误差 4-15km.依靠P波到达前几秒时间窗内的信息，

30、通过单台确定震源参数的方法打开了需要提供地震灾难预警却没有高密度地震台网地区预警的可能性。如日本UrEDAS系统的建设主要用于铁道部门发生地震时快速提供预警信息，使高速运行着的火车马上停止。该系统正是考虑到多台站系统的复杂性和网络系统的脆弱性，采用了单台P波信息快速估计地震参数的方案。通过实时监测单个观测点处的地面运动，在P波到达后的前38时间窗内，首先基于 P波的卓越周期确定震级，然后再通过一个包含震中距参数的震级一振幅经验公式确定震中距，并发出第一次警报；在 s波到达后确定更加精确的地震参数后再发出第二次警报。（5）利用单台P波包络谱的方法进行定位和震级计算（ Tsukada, 2003）

31、。该方法在日 本进行了应用，但其计算的准确性和定位误差，尚未见到较好的统计文献。特别是，计算过程需多长时间，文献并未给出，但如果用到 p波包络，对5级左右地震应该是不小于 4秒， 而破坏性地震，则有可能远远不止 4秒。这些方法虽然在不同地区，不同程度地获得过成功，但相对于传统地震定位，更主要是基于大量实验的统计结果，可移植性差，需要通过大量的实验工作加以验证、完善和修改， 需要创新性地提出适合于我国监测系统的新方法。第二节P波及S波震相自动捡拾地震释放的一部分能量以地震波的形式在地球介质中传播，地震仪记录了地面的震动,般分解为相互垂直的三个分量（南北NS，东西EW，垂直UD ）。实际的地震记录

32、十分复杂，一些显著的震动，与震源所发出的不同性质（如 P与S）或者性质相同但传播路径不同 （如P和PP）的地震波相对应，叫做震相。震相在本质上就是地震波30（徐果明，周蕙兰,1991），是地震图上具有特定意义的波动记录24（时振梁，张少泉，赵荣国等，1990）。对地震预警重点考虑的地方震来说，其主要震相主要有直达Pg及Sg震相。震相以它的运动学和动力学特征，带给我们有关震源和地球介质的许多信息，可靠的震相自动捡拾对地震预警主要有以下作用：（1）地震定位：不同震相在地球介质中具有不同的传播路径和传播速度，对不同震相 到时的检测，可用于地震定位。（2）震级确定：不同震相携带的能量不同，具有不同的性

33、质，其震级测定的方法也不同。比如对近震，一般用S波来测定震级，对浅远震，一般用面波来测定震级。对地震预警来说，由于实效性的要求，通常在P波段即开始震级的估计，对P波和S波其震级确定方法也不同。1.1震相自动识别技术概述地震定位依赖于对震相到时的精确捡拾，在传统地震学中，震相一般在地震图上人工捡 拾，震相的自动识别开始于对海量波形数据自动处理，随着实时地震学的发展，对震相的自动精确捡拾越来越受到地震学家的重视。目前绝大多数震相自动捡拾方法是提取信号和噪声的不同特征来作为震相到来的判据， 比如，用幅值变化、频率组成变化、波形的相似性和动力学特征变化等来判断震相。归纳起 来目前常用的方法有：能量变化

34、分析、偏振分析和自回归方法（AR）等。能量方法中最常用的为长短时间平均 37,38,42,67 （STA/LTA ）方法（Allen ,1978，1982; Baer and Kradolfer, 1987; Earle and Shearer, 1994），长短时平均反应了幅值的瞬时变化。震相到来时质点运动的偏振 方向会发生改变，地震波的偏振分析由于提取出了地震波56,68,77,110,143的偏振特征经常被用在捡拾和判别震相（Flinn,1965;Vidale,1986;Cichowicz,1993;Mao and Gubbins, 1995; Earle,1999）。此外P波的66,1

35、11偏振特征可以得到震中方位角并用于地震定位（Maxwell et al.,1998; Dyer et al., 1999 ）。自回归方法是假定可以把地震波划分为局部平稳段，135并且在触发点前后是不同的平稳过程（Sleeman and Eck, 1999） 106,107,135-137。根据这个假定AR-AIC 通常被用作 P 波和 S 波的自动捡拾（Takanami and Kitagawa , 1988, 1993; Sleemanand Eck, 1999; Leo nard and Kenn ett, 1999; Leo nard, 2000），有别于 AR-AIC 算法，Maed

36、a （1985）提出了一种109不用求 AR系数的时域 AIC方法，Zhang等（2003）应用小波 变换AIC159方法，直接对小波系数应用AIC方法。Bai and Kennett（ 2000）指出目前存在的震相自动捡拾方法中没有哪43 一种可以捡拾出所有的震相到时，各种方法都依靠于信噪比的影响。比如，如果在高噪声或者事件湮没在较早事件的尾波中，最常用的能量方法就难以奏效。为了适应地震预警的特点和各种捡拾方P波和S波进行自法的特点，并且满足实用性、适用性和可靠性的原则，我们用多步法对 动捡拾。捡拾过程如下:第三节地震预警定位方法如前所述，为了满足时效性要求，地震预警定位是基于有限信息的近实

37、时定位方法，目前已经发展了多种快速定位方法。Nakamura( 1988a, 1988b, 1989)等人提出了一套针对日本铁路的预警系统UrEDAS的单台定位方法115-117。在P波到达后，用平滑后三分量记录的水平向幅值比和垂直向符号来确定震中方位角，方法大致同传统的单台定位方法中的震中方位角确定方法。认为震级和P波卓越频率有关，得到震级后由初始信息幅值和震级随距离的衰减关系得到震源距，他认为震中距与震源距的比值及震源深度和震源距的比值与 记录初始部分竖直分量与水平分量比值的最大值有明显关系，进而得到震中距和震源深度。 此定位方法为经验性方法，而且定位中用到了同样具有较大误差的震级，误差很

38、大。Lockmanand Allen(2005)等应用与 Nakamara方法相似的方法对单台记录进行了处理，结果表明选取 美国南加州 TriNet台网中记录质量最好的25%台站，单台定位误差 ±15km，震中方位角误差±20°对另外75%的台站不能得到理想结果108。此方法虽然具有较大的局限性，但是世界上第一个将地震预警构想付诸现实的日本UrEDAS系统在最初就是基于此方法的，其成功应用也促进了地震预警技术的发展。Odaka et al.(2003)将垂直向P波前三秒记录的绝对值，用指数函数Bt.exp(-At)拟合，t为P波到后时间，A , B为拟合参数，认为

39、B值大小与震中距有关，B越大震中距越小，并依据震中方位角来进行定位121，此方法亦为经验方法。Wu and Teng (2002)应用台湾地区 79个实时传输强震台构建虚拟子网，用自动捡拾的P波及S波到时应用传统单层地壳速度模型方法定位，考虑到波的传播时间，用时小于30s,平均时间为22s,震中距偏差 4.2 ±.3km，震源深度偏差 4.5 ±.5Km152。此方法因为应用 传统方法定位，时效性差，只能应用于异地预警(Wu and Kanamori, 2005a), 一般只能对震中 距外70km区域进行预警，预警盲区大 154。Rydelek andPujol (2004

40、)发展了一种双子台定位方法，如果有两台P波到时，依据到时差，可以把震中限制在双曲线的一支上，进而应用第三台及其余台P波尚未到达信息，可以把震中限制在双曲线的一段上 128。Horiuchi and Negishi et al. (2005)在Rydelek双曲线方法的基础上应用先到台站到时信息 并用到其他台尚未接收到地震信号这一信息，用时间Tnow (当前时刻)界定已到台和未到台，应用网格搜索并用最小残差对震中进行限制84。日本气象厅利用台站的几何分布来进行地震定位( Kamigaichi , 2004),原理类似于我 们以下介绍的Voronoi图定位92。由目前的定位方法来看，大部分方法是基

41、于部分到时信息的，方法比较单一，信息的利用率较低，定位结果的可靠性不高。作为地震预警，快速可靠的得到地震位置是第一要求，但目前所用的传统地震定位方法需要较多的震相到时信息，已经难以应用到对时间要求严格的地震预警中去，近实时快速可靠定位是地震预警定位的难点及关键所在。针对我国台网现状及今后发展趋势，依据数字地震台网中各台站不同震相到时顺序，提出了一套应用于地震预警的近实时持续定位方法。该方法充分应用有限到时信息，针对不同到时信息的特点，重点利用前三台到时信息，考虑了震中位置和震源深度的相互影响，对不同到时顺序的不同情况把地震预警定位分成了六种定位情形，在台网中第一个台站至第三台接收到P波并且第一

42、台接收到 S波的时间段内，进行近实时地震预警持续定位。地震定位界定为测定地震震源位置（xO,yO,zO）与发震时刻tO。震源位置通常由经度（x0 ）、纬度（yO）和震源深度（zO）给出，为地震破裂的开始点，发震时刻为破裂的开始时间。定 位一般用不同地震台站和不同震相的多个到时来确定（Bormann,2002）49，一般分为多台和单台方法。对于传统的地震定位，方法很多，在很多的教科书里有详细的描述 5,23,24,30,33,49目前常用的传统地震定位方法大部分是基于单台多震相到时或者多台多震相到时，一般是在地震发生后在得到全部地震波形后进行处理。2.1单台定位地震P波的传播方向与质点振动方向重

43、合，在传播过程中做径向偏振。由P波初动的幅值和极性可以得到震中方位角，由P波和S波的到时差可以得到震源距，从而得到震中位置。具体方法参见文献30,115。2.2多台定位方法在模拟地震仪时代，通常应用的是多台手工作图定位，如常用的和达法、 高桥法等，一般需要至少三台的可用到时。随着数字地震仪的发展，目前常用的是计算机定位方法49（Bormann,2002）。第四节 地震预警震级测定地震定位和地震大小确定是地震学中的两个基本问题，在第三章第一节对地震速报的震级计算有简单介绍。同样在地震预警中，地震大小也是地震基本参数快速确定中的最基本问 题。目前描述地震强弱的量有地震的能量、地震的震级、地震矩和烈

44、度等。其中震级为最常 用的估计地震大小的标度，考虑到通用性和简便性，在地震预警中仍然以震级来描述地震大小。地震是一种异常复杂的自然现象，地震震级的确定涉及到震源过程、传播介质、场地条 件、仪器记录等各方面因素的影响，而对地震预警，我们只能用有限台站、有限记录、有限 时间段来确定震级，且这些信息大部分来自较早到来的P波段，这更增加了地震预警中震级确定的难度。本节对传统震级标准进行了简单的介绍，并介绍了目前常用的预警震级确定方法。4.1地震预警震级确定方法lio (1992, 1995)、Umeda (1990, 1992)、Ellsworth (1995)及 Beroza and Ellswor

45、th (1996) 等从地震成核相、初始破裂及地震矩率等方面出发，认为从破裂过程很短的初始部分可以预测一个地震是大震还是小震45,70,86,87,141，但是也有人认为小震和大震的初始破裂过程并没有明显的不100,114同 (Mori and Kanamori, 1996; Kilb and Gomberg, 1999 )。Kanamori(1997, 2005)认为，地震的“ P波携带地震信息而 S波携带地震能量” ，P波是在所有震 相中首先到达的波，故可以用记录的初始 P波信息来估计地96,98震震级。目前比较常用 的预警震级确定方法主要是由P波段的信息来估计整个地震的大小：(1 )与周

46、期相关方法目前的地震预警震级计算中，主要采用由 Nakamura( 1988，1996)提出并由 Allen andKan amori (2003)等人发展的基于初至 P波 3-4s内平均卓越周期 t c ( average 'predominant period '估计震级的经验方法 40,108,115-117,123,133,149,157,158,此方法认 为大震包含较多的低频成分而小震包含较多的高频成分，P波段初始信息的卓越周期可以反应地震的大小，此方法计算出的震级虽然大致符合以上规律，但是离散性还是较大的。比如目前美国ElarmS预警系统应用P波2-4s卓越周期进行

47、预警，对ElarmS单台震级平均偏差土 0.7，当用最近10台结果取平均时，震级偏差为土0.35 155 (Wu and Kanamori, 2005)。Lockman and Allen( 2007) 应用t c方法计算了日本地区和西北太平洋地区的卓越周 期和震级的关系并与 Allen and Kanamori ( 2003)应用美国南加州的结果进行了比较，三个 地质条件差别较大的区域其关系是相似的，并得到在对不同震级范围和不同区域对地震波采用不同的滤波频带可以改善结果的稳定性108。Wolfe (2006)对卓越周期方法详细分析后， 指出单一的依靠卓越周期参数难以得到较 好的震级，这个参数

48、是谱幅值和频率的非线性函数，对不同的幅值和频率分量有着不同的权重，此外噪声的存在也对结果有较大的影响149。Olson and Allen ( 2005)在Nature发文对卓越周期方法进行了更进一步引申，认为按 照传统理论，由于大震破裂的时间较长，记录的初始部分信息不能反应破裂的全过程，但是根据t c方法他们认为在破裂结束前即可得到地震的最终震级123。Rydelek and Horiuchi(2006)在 Nature上发文对此表示质疑，他们用日本Hi net台网资料并不能得到卓越周期t c和震129级的明显关系 。Tsuboi et al., (2002)假定宽频带记录的竖向位移可看成远

49、场震源函数，如果P波首脉冲持续时间大于3s，则认为震级大于 6级并用于地震预警139。(2 )与幅值有关方法幅值方法的原理是，给定震源距，对大震其P波幅值较大，对小震其P波幅值较小。Grecksch and K umpel (1997)用加速度记录的第一秒的幅值估计地震震级，误差在土1.3679 ; Wu and Shin et. al (1998)应用前10s记录的幅值来得到ML10 来进行异地预警150 ; Wu and Zhao (2006)禾U用美国南加州地震记录，用P波到后前三秒低通滤波后位移峰值的衰减关系来预测地震震级并应用到了实际地震预警系统中156 。 Zollo andLan

50、cieri(2006)利用震中距 50Km内强震记录对 Wu的方法进行了进一步研究。认为可以用P波到 时后2s时间窗内的初始 P波位移的最大值 Pd和S波到时后1s, 2s时间窗内 的初始S波位移的最大值 Sd来预测震级161,162。除此之外，还有多种基于幅值的震级估计方法，计算出的震级虽然有大致规律，但是离散性仍然较大。(3 )其他方法Simons等(Simons and Dando et. al, 2006)为了改进卓越周期方法，用小波分析方法对地震图进行多尺度时频分解，得到基于小波系数的震级，但结果离散性仍然很大133。Leachand Dowla (1996)直接应用实际记录用神经元

51、网络方法实时预测地震的轮廓(profile ),包括震级关系和可能的地震图包线 104。马强博士推荐一种用于地震预警的实用震级确定方法，在地震发生后，随着地震波的传播，根据台站距离震源的远近，台站相继接收到地震的P波，如图4.3-1所示，接收到的信息多少和台站分布有关，在接收到地震波后，地震图携带了震源的信息，比如到时携带了 震源位置的信息，其幅值和频谱也携带了震源的特征及所经过的地球介质的信息，我们可以根据所接收到 P波记录的多少，持续分析P波所携带与地震大小相关的信息(频率组成，幅值大小等)，随着时间的推移和记录量的增多，对震级结果进行持续修正。我们考虑到地震图所携带的各种与震级有关的参数

52、，考虑其频谱特征和幅值特征，应用多类型记录仿真、多频带记录仿真、多震级指示参数综合、持续确定和修正地震预警震级， 其思路如下：(1) 综合考虑记录的加速度，速度，位移等不同类型记录特征，对原始记录仿真成不同周期单自由系统度地震反应(1s, 3s, 5s, 10秒)，考虑记录的不同频带；(2) 考虑不同频带记录的周期参数和幅值参数等震级指示参数，对震级应用能模拟高度非线性的神经元网络进行综合判断；(3) 随着记录信息的持续增加对震级实时持续进行判定和修正(如P 波震相到后 1s, 2s, 3s, 4s, 5s, 6s, 7s, 8s, 9s, 10s）。阁斗31预警霧级确定示意图4.2地震预警震

53、级确定的困难性对于地震预警来说，最主要任务是在地震波尚未传播到预警目标区之前确定或者估计地 震造成的潜在破坏。由于地震预警时间极短，破坏性地震的成核、和破裂的发展非常复杂， 而我们仅能利用有限台站的有限初始记录信息，这些记录信息主要是最先到达的P波信息,这决定了震级确定的困难。“地震的P波携带地震信息而 S波携带地震能量”，但大震破裂非常复杂，有时会达到数百甚至上千公里，在一定时间内破裂尚未完成，在破裂尚未结束前的P波有限信息能否携带整个地震的信息？能否反应地震的整个过程？对P波段来说，虽然其时效性好，但其携带的能量少， 其幅值相应较小，记录的信噪 比也相对较低。现有预警震级确定方法的结果表明

54、，依靠幅值相对较小P波段单一的周期参数和幅值参数我们难以得到较理想稳定的预警地震震级，这主要是因为地震记录是非常复杂的，其谱幅值和频率是复杂的非线性函数，单一的周期和幅值在一定程度上能反映地震的大小，但并不能反应地震波的全部特征，地震波频谱的复杂性决定了单一周期或者幅值得到结果的离散性。在本文中我们用多频带、多参数震级综合确定方法，力求预警震级的稳定性、 可靠性及实用性。第五节预警目标区地震动估计地震预警主要是对工程设施来说的，破坏性地震波到达预警目标区前的工程地震参数估计也是地震预警技术的重要一环。在地震发生后而破坏性地震波尚未到达预警目标区之前，如果我们能大致估计将要到达的地震动大小，结合

55、工程设施实际，可以对潜在的破坏进行估计，进而决定采取何种措施。需要估计的工程地震参数主要有峰值加速度PGA，峰值速度PGV、峰值位移 PGD，反应谱在给定周期和阻尼比的幅值等。本节探讨在地震发生后，如何基于P波初始信息在破坏性地震波到达前，如何估计预警目标区的地震动参数。首先提出了一种基于P波记录有限段，持续预测后续峰值的神经元网络方法，此方法可以在得到有限段P波记录后对后续的 PGA、PGV、PGD及反应谱在给定周期和阻尼比的幅值， 可以直接应用于现地预警的地震动估计。在后续峰值预测的基础上，结合地震动衰减规律，提出了一种有限台站接收到有限段地震波后地震动分布图估计 方法，持续对地震可能影响区的地震动分布图进行预测。5.1地震动估计概述地震动，有时称为地面运动，是由震源释放出来的地震波引起的地表6附近土层的震动（胡聿贤，2006）。不同的地震动参数反应了地震影响的不同特征，地震动参数的估计是 地震工程学的重点研究内容， 主要目的是为抗震设计提供一个定量的设计标准。在地震工程上对地震动的估计一般有三种途径，第一种由地震烈度估计；第二种由地震动衰减规律确定；第三种通过理论计算来得到。在地震预警中，对工程地震动参数的估计是为震害快速评估服务并进而进行预警决策的， 也就是说我们需要在破坏性地震动到达之前估计地震动的大小和和特征，进而估计对各种结构的