仪器地震烈度计算编制说明中国地震局

1、地震行业标准仪器地震烈度计算征求意见稿编制说明一、任务来源、计划编号等基本情况地震烈度速报可在地震发生后通过观测仪器直接提供地震烈度，快速生成地震影响强度和范围，为人员伤亡估计、经济损失评估、应急救援决策和工程抢险修复决策提供依据。地震监测台站越密集，对地震影响场的了解就越全面和详细。仪器地震烈度计算规程是规范、科学进行地震烈度速报工作的基础。目前，日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统，并制订了统一的仪器地震烈度计算方法。2011年5月15日，依据中震法函201114号“关于征集2011年地震标准制修订项目立项建议的通知”，编写组提交了地震行业标准项目建议书“地震仪器烈度

2、”。2011年9月26日，中震函2011351号“关于下达2011年地震行业标准制修订计划的通知”批准制订工作立项，项目“地震仪器烈度”由工程力学研究所负责。二、标准编制的背景、目的和意义国家地震科学技术发展纲要（2007-2020年）重点领域及优先主题“地震应急响应与处置技术”方面，明确指由发展“地震和地震烈度的速报”、“重要工程设施预警与紧急处置”；中华人民共和国防震减灾法明确提由“国家支持全国地震烈度速报系统的建设”，“应当通过全国地震烈度速报系统快速判断致灾程度，为指挥抗震救灾工作提供依据”。国家防震减灾规划（2006-2020年）提由我国2020年防震减灾总体目标，并明确将“建设地震

3、预警技术系统，为重大基础设施和生命线工程地震紧急自动处置提供实时地震信息服务”作为防震减灾工作的一项主要任务。2010年国务院关于进一步加强防震减灾工作的意见明确提由，到2015年，要“在人口稠密经济发达地区初步建成地震烈度速报网，20分钟内完成地震烈度速报”；到2020年，要“建成较为完善的地震预警系统，地震监测能力、速报能力、预测预警能力显著增强”。本项工作是落实防震减灾法及国家和行业相关规划的一项重要举措。目前我国地震观测台网发展迅速，基于实际地震观测地震动记录的仪器烈度速报已经开展，但缺少统一的计算方法和计算标准。而日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统，并制订了统

4、一的仪器地震烈度计算方法。如日本自上世纪90年代初开始建设密集的强震动观测台网和烈度计网，1996年正式启动地震烈度速报系统，可以在中强以上地震发生后2-3分钟给由各地的仪器地震烈度和地震动峰值等，并通过网络、电视、广播等向政府有关部门和公众发布。2011年日本3.11特大地震中，日本分别在震后2分钟和7分钟在网站上发布了详细的烈度速报分布图，并在15分钟给生了更详细的推测烈度分布图。美国自1994年开始运行震动图生成系统（ShakeMa。，实现了在中强地震发生后3-5分钟内给由仪器地震烈度分布图、地震动峰值等值线分布图、不同周期反应谱等值线图，并通过网络发布。我国台湾地区自1992年开始实施

5、“强地震动观测计划（TSM旧”，并建设了地震信息快速发布系统（RTD,可在地震发生后数分钟内生成烈度分布图、地震动峰值分布图等，并通过多种方式及时传送至相关部门。我国在本世纪初尝试进行仪器地震烈度速报工作。2012年福建省地震局制定了地方标准DB35/T1308-2012地震仪器烈度表，于2012年11月27日发布，2013年3月1日起实施。但目前尚没有专门的行业计算标准作为建设依据，不能满足未来发展的需求，为此，提生了仪器地震烈度标准的制定工作。随着近年来强震动观测记录的积累，近年来我国仪器地震烈度计算方法研究较多，利用我国近年来获取的强震动记录及其对应的震后调查烈度资料数据，建立了多种地震

6、动参数（包括峰值参数、傅里叶参数、反应谱参数、持时、滤波参数等）与地震烈度之间的统计关系，将部分参数的统计关系与国内外研究进行了对比。基本具备了开展标准制订的条件。三、工作简况（一）工作组的组成单位制订主要参加单位：中国地震局工程力学研究所，福建省地震局、中国地震局地球物理研究所。（二）主要工作过程、工作组会议的主要议题和结论2011年10月30日，编制组签订了地震行业标准制修订项目任务书。项目启动至今共召开了五次主要工作会议，一次重要评审会议，多次函件征求专家意见，对仪器地震烈度相关工作进行了充分讨论。自2014年2014年8月3日云南省鲁甸县6.5级地震后，中国地震局工程力学研究所开始采用

7、编制组初步成果，应用强震动记录开展仪器地震烈度应急工作，并经过了20余次破坏性地震的实际检验。2015年2月28日，中国地震局印发了仪器地震烈度计算暂行规程中震测发201518号，规定自2015年3月1日起施行编制组制订的本规程。各次会议及评审的时间、主要议题及成果如下。第一次会议。2012年10月26日，中国地震局监测预报司在河北燕郊组织了“标准制修定项目研讨会”（中震测函2012204号）。编制组汇报了制订准备工作，提由了多种可能的技术路线，与与会专家进行了充分讨论。第二次会议。2013年7月11日，中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了制订工作地

8、震动参数统计进展、标准方案，与会专家与编制组进行了充分讨论，并对制订工作给由了若干建议。第三次会议。2013年10月26日，中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了国内外研究进一步进展、增加强震动记录后的地震动参数统计进展、与福建地方标准的对比结果等，与会专家与编制组进行了充分讨论。第四次会议。2014年7月24日，中国地震局监测预报司在黑龙江省哈尔滨组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了利用大量强震动观测记录的统计结果、统计方法及确定的技术方案等，与会专家与编制组进行了充分讨论，同意把复杂问题简单化，确定了目标路线。第五次会议。2014年1

9、1月23日，在福建省福州国家地震烈度速报与预警工程启动会上（中震测函201493号），汇报了标准初稿，编制组汇报了标准制订成果。第一次评审会议。2015年2月2日，中国地震局监测预报司在哈尔滨组织召开了“地震仪器烈度计算规程编制讨论和预评审工作”会议（中震测函201513号），监测预报司、政策法规司、震害防御司、应急救援司主要负责人参加会议，组成了以高孟潭研究员为组长的20人专家组，对地震仪器烈度计算规程（以下简称规程）进行了技术评审。专家组审阅了规程文本及编制说明，听取了编制组对编制过程及内容的汇报，肯定了编制思路、技术路线、试验数据、技术指标、计算方法、规程结构；肯定了规程与现有相关标准协

10、调，及对业务发展最新需求和现状的考虑，通过了评审。并建议修改“地震仪器烈度”为“仪器地震烈度”。此外，编制组还多次与袁一凡、张敏政、赵宗和、孙景江等老专家进行邮件讨论和当面咨询，并在多次学术研讨会期间与专家进行讨论，专家的合理建议纳入了编写思路中。5四、标准规范的对象和范围本标准规定了仪器地震烈度的计算流程、地震动记录的选取和处理、仪器地震烈度计算方法及等级划分。本规程适用于地震烈度速报中仪器地震烈度的计算。五、标准编制原则1）科学性烈度标准中所提由的指标应建立在充分强震动观测数据、震后震害数据、现有变准和各类科学研究成果的基础上，以保证科学、合理地计算仪器地震烈度。2）继承性和一致性继承、拓

11、展并衔接中国地震烈度表（GB/T177422008）、中国地震动参数区划图（GB/T18306-2015）等相关标准，保持仪器地震烈度等级刻度不变，但表示方式变为阿拉伯数字，并保留小数点后一位数字。3）可操作性标准采用易于计算和理解的加速度峰值和速度峰值作为表征仪器地震烈度的地震动参数，计算方便，可操作性强。六、确定标准主要技术内容的依据和过程（一）主要研究过程1.数据来源研究应用了我国大陆地区12次破坏性地震中139个强震动观测台站获得的加速度记录及实地调查资料确定的各台站所处地区的地震烈度作为数据统计源。每个台站的强震记录均包含三个分量（两个水平分量和一个竖直分量），烈度区范围为VI度-X

12、度。12次地震的地震事件信息及台站分布情况如表1和图1所示。止匕外，本报告利用了我国414次地震共计11853条地震动观测记录对仪器地震烈度计算方法进行了分析和验证。由于所用的强震动记录汶JI地震所占比例较大，且VI度区和VII度区的面积较大、台站较多，为了较为精细的刻画记录点所在的烈度区，本报告以雷建成等（2007）根据四川及其临近地区的地震动数据拟合得到的我国西南地区烈度衰减关系为参考依据，对汶川地震的VI度区和VII度区设置半度等震线。表1所用地震事件及数据分布表地震时间震级震中烈度VI度VII度VIII度IX度X度汶川地震2008-05-12M8.0XI542084187芦山地震201

13、3-04-20M7.0IX5712攀枝花地震2008-08-30M6.1VIII224宁洱地震2007-06-03M6.4VIII213盈江地震2008-08-21M5.8VIII11姚安地震2009-07-09M6.0VIII11乌恰地震2008-10-05M6.8VII213岷县地震2013-07-22M6.6VIII314鲁甸地震2014-08-03M6.5IX6118景谷地震2014-10-07M6.6VIII3115康定地震2014-10-22M6.3VIII33康定地震2014-10-25M5.8VIII341885381051139图1统计分析用的12次破坏性地震及VI以上台站分

14、布2.地震动参数及滤波频带选取本报告主要对常用的地震动峰值、频谱等24种地震动参数与震后调查烈度进行了统计关系。1）地震动峰值参数地震动峰值参数有加速度峰值PGA速度峰值PGV口位移峰值PGD（包括三个单方向、水平方向合成和三方向合成）、日本气象厅计测烈度使用的0.3秒持时对应的等效峰值加速度/和福建仪器地震烈度计算方法中的0.5秒持时对应的等效峰值加速度A,2）地震动频谱参数频谱参数是能够体现地震动频率特性的参数，本报告选取了反应谱峰值、有效峰值、谱烈度、均方根速度反应谱、反应谱均值等参数，介绍如下。三种阻尼比。眼。下的加速度反应谱谱峰值PSA速度反应谱谱峰值PS而位移反应谱谱峰值PSD19

15、78年美国应用技术委员会(ATC)编制的抗震设计样板规范(ATC-3)中采用的有效峰值速度EPAf有效峰值速度EPV来度量地震强度。有效峰值加速度与有效峰值速度的定义为:EPA电2.5式中，工为阻尼比为5%勺加速度反应谱在周期0.10.5s之间的平均值；为阻尼比为5%勺速度反应谱在1s周期附近的平均值。阿尔亚斯强度(AriasIntensity),其定义为:T02.IAatdt2g0式中，门为地震动加速度时程；又为加速度时程的持续时间；g为重力加速度。Housner谱烈度，其定义为：1 2.5SIh240.18dT式中，T为周期；为阻尼比，通常取0或0.2；Sv为阻尼比为时的单质点弹性体系的相

16、对速度反应谱。Clough谱烈度，其定义为：1.0SIc0.1svT,dT(5)式中，通常取0、0.05和0.10。Nau-Hall谱烈度，其定义为:12.0S3,02858dT(6)式中，通常取0、0.05和0.10。Boatwright(2001)将周期在1s附近的速度反应谱的均方根值PSV作为地震强度的度量，其定义为：2 13.0o_PSVrPsV2TPSVy2TdT式中，PSVxT和PSVyT表示地震动的两个水平分量的相对速度反应谱，t是35个不等间隔的采样点，T取0.3,0.32,0.34,，0.5,0.55,0.6,，1.0,1.1,1.2,2.0,2.2,2.4,-3.0秒。袁一

17、凡(1998)提由的地震烈度模糊判别法，该方法使用了4个有代表性的频率对应的反应谱值的平均值(分别记为PSA环口PSVs)参与烈度的统计分析，考虑到我国绝大部分建筑的自振频率的范围，4个频率在高频段取8Hz和5Hz,在低频段取1Hz和2Hz。3)其他参数累计绝对速度CAV,其定义为：tmaxCAV0atdt(8)式中，at为加速度时程，人是记录的时间长度。标准累计绝对速度cavs,其定义为：NiCAVSHPGAA0i1atdt(9)i1i10式中，at为加速度时程，N为加速度时程中不重叠的1秒间隔的数量，PGAi为第i秒的加速度峰值，s为设定的阈值,通常取25gal,Hx为单位阶跃函数，如下式

18、所示：(10)0x0Hx1x0日本学者Nakamura(1998)提由DestructiveIntensity(简称DI)的概念，通过计算地震动加速度(单位为gal)和速度(单位为cm/s)的内积来估计地震的危险程度。DI的定义为：DIlgav(11)式中，a为加速度分量，v为速度分量；DI表达的是功率”的概念。均方根加速度arms,其定义为：1/21T2.armsa2tdt(12)iiiis0上式中，门为加速度时程；T为计算时所取的时间窗，通常用整个加速度时程的持续时间。持续加速度峰值PGAc：c110cai/amax(13)10i1PGAccamax(14)式中，amax为加速度峰值；ai

19、为加速度时程中最大的10个幅值11Husid(1969)提由用积分0a2t出来定量表示地震动能量随时间的增长。式中at为地震动加速度记录时程;定的积分时段。其正规化的值可表示为It2atdt/0t表示给o'2tdt式甲T为地震动总持时，1t是一个从0到1的函数。则90%!后量持时为TdT2T1,式中Ti和T2由下式确定:ITi0.05(15)IT20.95(16)加速度傅里叶谱峰值，其定义为：对加速度时程进行0.120Hz带通滤波后，进行傅里叶变换，将平滑后的傅里叶谱峰值作为AFFT乍为加速度傅里叶谱峰值。4)滤波频带的选取对工程抗震而言，地震动的特性可以通过其三要素来描述，即频谱、幅

20、值和持时。地震动的不同频率成分对各类建筑结构的影响程度不同。考虑到地震动的主要频率成分以及我国主要建筑结构的自振周期范围，本文在计算不同地震动参数时对强震记录进行了0.110Hz的带通滤波。3 .地震动参数与烈度的相关性分析1)数据拟合方法VI度区由于我国大陆地区获得的强震动记录有限，本文所用记录大部分分布在VI和VII度区，X度区只有一组强震动记录,XI度以上无强震动记录，造成了统计分析中数据的分布不均。如使用常规的最小二乘法进行回归分析，每个台站记录所占权重相同，其拟合结果主要由强震动记录较多的12和VII度区的数据控制，更高烈度区的数据难以起控制作用,因此，本文采用了以下的权重选取方法：

21、考虑到所有地震动参数与地震烈度之间的对应关系离散性较大，但地震动参数的均值与地震烈度具有良好的相关性，在选取权重时对每个烈度区域：取烈度区内区所有地震动参数值PGAi的均值;取烈度区所有地震动参数值PGAi与其均值Pd的绝对差值PGAiPGAiMean(PGA).统计时的权重为(17)W|ij1PGAij1式中分母加数值1是为了防止PGAIi数值过小2）不同地震动参数拟合结果本文通过用最小二乘法24种地震动参数与地震烈度（VI度至X度）的回归公式。回归公式形式如下：Ialog0（Y）b（18）式甲I为地震烈度，a,b为拟合系数，Y为不同地震动参数。表2列举了与烈度相关性最好的10个地震动参数与

22、烈度的相关系数。图2为参与本文统计的各地震动参数与烈度的相关系数和标准方差的对比直方图。拟合结果显示，5%ffi尼比的水平向速度反应谱均值PSVs及峰值速度PGVf地震烈度的相关性最好，相关系数均在0.7以上，峰值加速度PGA以合结果较差，离散性较大。13表2地震烈度与地震动参数拟合结果地震动参数PSVs0.7025PGV0.7001PSAs0.6935SIc0.6903A0.30.6887PSV0.6804SIh0.6795PGA0.6782A0.50.6758PGAc0.6756图2不同地震动参数与烈度的相关系数及标准方差分布直方图3)PG街口PGV以合结果14考虑规程的易用性,拟采用PG

23、用PG诙合作为仪器地震烈度计算。地震烈度与PG网PGV勺拟合关系图如图3-8所示。其与中国烈度表以及美国ShakeMa双器地震烈度的对比如图9-10所示。从图中可以看由本文计算烈度较ShakeMa两法计算结果偏高，与中国烈度表给定的参考值较为接近。W*i/ioaio3W嵯值加速度PG8：分向合成）三分向合成PGA与烈度关系O/M0HzlL|一化权重）7654£度灵感黑图3地震烈度与三分向合成PGM系（PGA位gal）水平向合成PGA与烈度美系（0L1OHZ归一化权重）10*1&110*峰值加速度PGA（水平向合成）图4地震烈度与水平向合成PGM系（PGA位gal）152*w&

24、#39;w3104峰值加速度PGA（水平向单分量）水叼可单分量PGA与烈度关系0/M0HZ归化权堂图5地震烈度与单水平向PGA烈度关系（PG*i位gal）11水平向单分量PGV与烈度关系（01J0HZ归一化权重）ew舞谑会峰节速度PGV（三分向合成）图6地震烈度与三分向合成PGV关系（PGV单位cm/s）水平向合成PGV与烈度关系I0J-10H2归一化权重）g,io*Hi（E峰值速度PGV（水平向合成图7地震烈度与水平向合成PGV关系（PGV单位cm/s）16水平回合成PGV与烈度关系f01-10HZ归一化极重）Id图8地震烈度与单水平向PGV关系（PGV-位cm/s）不同方法PGA与烈变关系

25、时比（O.VIOHz）QrdFT，*?寓三方而言成rO；didii2iflaE峰值摭速度PGA图9地震烈度与加速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比17不同方法PGV与烈空关系时比(OJCOHz)10"'103峰值加速度PGV图10地震烈度与速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比4)仪器地震烈度计算通过对比分析日本、美国、我国大陆地区以及我国台湾地区等多个国家和地区的地震烈度标准及相关的仪器烈度计算方法，并考虑到仪器烈度计算的易用性，选取PG/WPGV联合作为仪器烈度计算的特征参数。本文利用收集的汶川地震、芦山地震等

26、发生在我国大陆地区的12次破坏地震共计139组强震动记录及宏观调查烈度资料，通过加权最小二乘法统计得到了PG俘口PGVf宏观调查烈度间的经验公式如式(19)和式(20)所示，PGA勺单位是m/s2,PGV勺单位是m/s。比较公式的方差可以发现，仪器烈度计算时PG棒数比PG座数更为稳定，且三分向合成的计算结果优于水平向合成和单水平分量的计算结果。3.166log10PGA6.5911.036二方向廿成PGAPGA3.204log10PGA6.5921.058两水平方向合成PGA(19)3.228log10PGA6.8241.079单水平方向PGA3.004log10PGV9.7680.857二方

27、向合成PGVPGV2.964logioPGV9.7830.865两水平方向合成PGV(20)3.110log10PGV10.2070.927单水平方向PGV18本文利用收集的汶川地震序列、芦山地震等发生在我国大陆地区的411次地震中获取的共计11853组强震动记录，使用上文得到的PGA?PGVT烈度的经验公式分别进行了仪器地震烈度计算，并进行对比得到的结果如图10所示。由于使用的强震动记录来自不同的地震，包括小震、破坏性大震和特大地震等，记录的频谱特征差别较大，采用PG网PG,算的得到的仪器烈度值也随着地震震级以及震中距的不同，而呈现由不同的规律。考虑到小震近震中高频成分和大震低频成分对烈度的

28、影响，在高烈度区（nVI）采用PGVf算烈度,在低烈度区（VI）则采用PG刷PGVf算烈度值的加权结果，具体计算过程如下。图11三分向合成PG用DPG时算烈度对比二00仪器地震烈度计算主要步骤:（a）使用频带为0.110Hz的带通滤波器对地震动加速度时程分别进行带通滤波。19(b)由滤波后的加速度时程通过积分得到速度时程，并将三分向地震动加速度时程和速度时程进行矢量合成，如式(21)、式(22)所示。a(t)Ja(t)ewa(t)nsa(t)ud(21)v(t).v(ti)Ew2v(ti)NS2v(t)uD2(22)(c)采用式(23)计算地震动加速度峰值，利用式(24)计算地震动速度峰值；P

29、GAmaxa(t)(23)PGVmaxv(ti)(24)(d)将计算得到的PG刷PG国别代入式(19)和式(20)中计算，得到仪器烈度5和5；(e)仪器地震烈度，如果Ipga和Ipgv均大于等于6,则仪器烈度h取IP*其它情况取Ipga和Ipgv的算术平均，如式(25)所示:IPGV(IPGA+IPGV)/2IPGA6.0旦IPGV6.0IPGA<6.0或IPGAV6.0(25)(f)仪器地震烈度以阿拉伯数字表示，取值保留一位小数。如II值小于1.0时取1.0,如II值大于12.0时取12.05)近期破坏性地震计算实例2014年8月3日云南鲁甸地震20云南鲁闻6.5级地震仪器烈度分布图I

30、QFEIQ#1RIDFEIMF|淤新学T中3小丁餐45日医CflRq.i图12云南鲁甸地震仪器地震烈度分布图（最高烈度为9度，北北西走向，6度区及以上总面积为11000平方千米）云南鲁甸65%地震烈度圉图13方南鲁甸地震震后调查烈度分布图（最高烈度为IX度，北北西走向，V1度区及以上总面积为10350平方千米）2014年10月7日景谷6.6级地震2114玄云南景答6.6级地震烈度图眦HR：«EII*JfiXStlMi日图15云南景谷甸地震震后调查烈度分布图2014年10月22日康定6.3级地震22四川康定6.3皴地震仪器烈度分布图*4）苣ij«tewriareIM.1fIC

31、l*EM-J'E修1EIUJ二工*口工事*聿th.，rfllTVff.HtI=.T:二均图16四川康定地震仪器地震烈度分布图匹川康定也3级地震测度图2例尺之图时画典”如口门白图17四川康定地震震后调查烈度分布图4 .结论和讨论本文以国内多次破坏性地震中的部分强震数据及其对应的宏观地震烈度资料为基础，对地震动参数与地震烈度的关系进行了统计分析，结果表明：1）由于地震烈度定义的模糊性、地震破坏及地震动记录本身的复杂性，地震烈度与地震动参数之间目前还难以找23到明确的物理关系，所有地震动参数与地震烈度之间的对应关系离散性较大，但地震动参数的均值与地震烈度具有良好的相关性，这与目前的研究结果相

32、符。2）地震动水平向的值与烈度的相关性普遍好于竖直向，三分向合成略好于两水平向合成。3）相比较于峰值加速度PGA峰值速度PGVf烈度的相关性更好。目前国内外多种研究结果同样表明峰值速度PGV与地震破坏程度相关性较好。4）由于资料限制，本文所用强震动观测资料均处于VI-X度区（XI度及以上尚未取得过强震动记录，VI度以下无现场调查结果），其统计关系仅能代表VI-X度，对于此区域外具有参考意义。5）文中所用震后烈度调查资料是一定区域范围内的平均或延伸，而统计分析使用的强震数据只是个别点上的数据，若进一步针对强震动台站周边进行详细的调查，应可降低统计关系的离散性。（二）标准依据说明1 .滤波频带选取滤波频带的选取主要考虑仪器地震烈度计算时对小震、破坏性大震、特大地震的适用性，采用了大量地震记录对频带进行了分析，并根据不同地震PG网PG诙系，定滤波频带为0.1-10Hzo利用收集的我国大陆地区多个地震包括汶川地震主余震序列等共计11853条地震动观测记录对地震记录的频率成分进行分析，通过傅里叶变换得到加速度和速度时程24的傅里叶幅度谱，如图1和图2所示。从图中可以看由加速度的主要频率范围为0.1-30HZ,速度的主要频率范围为0.05-10HZo分