地震早期預(yù)警方法綜述

------------------------------------------------------------------------地震早期預(yù)警方法綜述地震早期預(yù)警方法綜述中國(guó)是大陸強(qiáng)震最多的國(guó)家，在全球7%的國(guó)土上發(fā)生了全球33%的大陸強(qiáng)震。1949年以來(lái)，我國(guó)自然災(zāi)害造成人員死亡比例中，地震災(zāi)害所占比例高達(dá)54%，是我國(guó)造成人員死亡最多的自然災(zāi)害。一次災(zāi)害性地震的發(fā)生，往往猝不及防地把城市夷為平地，不但損害國(guó)民經(jīng)濟(jì)，更會(huì)給人民的生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)巨大損失。雖然有很多科學(xué)家致力于研究地震預(yù)報(bào)的方法或探討地震前兆現(xiàn)象，但由于地震的孕震、發(fā)生、發(fā)展的過(guò)程十分復(fù)雜，且震源區(qū)細(xì)節(jié)無(wú)法直接探測(cè)，所以不能保證在地震發(fā)生前對(duì)地震時(shí)空強(qiáng)三要素做出非常準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。但由于數(shù)字化地震儀、數(shù)字通訊、數(shù)據(jù)處理等現(xiàn)代科技的發(fā)展非常迅速，建立地震實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)成為了可能，所以越來(lái)越多的國(guó)家投入到地震早期預(yù)警系統(tǒng)的研究。地震預(yù)警是指地震發(fā)生后，在破壞性地震波尚未到達(dá)前數(shù)秒或數(shù)十秒的時(shí)間內(nèi)，將震中區(qū)或極震區(qū)接收到的大震信號(hào)迅速用電信號(hào)向外界發(fā)布警告，則距震中一定距離之外的人們可以獲得一個(gè)寶貴的避難時(shí)間。以汶川8.0級(jí)大地震為例，如圖4.1、4.2中所描繪的地震縱波和橫波所對(duì)應(yīng)的走時(shí)可以看出，離震中區(qū)較近的區(qū)域?yàn)闊o(wú)效區(qū)域，不具備預(yù)警時(shí)間，但離震中區(qū)幾十公里外的區(qū)域則可以獲得數(shù)秒或數(shù)十秒的預(yù)警時(shí)間。圖4.1地震早期預(yù)警有效區(qū)示意圖---以汶川8.0級(jí)大震為例(考慮地震縱波情形,圖中的數(shù)字為地震預(yù)警有效時(shí)間,單位為秒)。圖4.2地震早期預(yù)警有效區(qū)示意圖--以汶川8.0級(jí)大震為例(考慮地震橫波破壞情形，圖中的數(shù)字為地震預(yù)警有效時(shí)間，單位為秒)。早在100多年前，美國(guó)加州理工學(xué)院的Cooper（1868）教授就提出了地震早期預(yù)警的想法。原理是具有破壞性的S波傳播速度比P波慢，而地震波傳播速度又遠(yuǎn)小于電磁波。100多年后，日本才在其子彈列車(chē)（新干線）上安裝預(yù)警系統(tǒng)，為最早使用地震預(yù)警系統(tǒng)的國(guó)家。最近幾十年，很多國(guó)家和地區(qū)才開(kāi)始地震早期預(yù)警系統(tǒng)的使用，如：日本、中國(guó)臺(tái)灣、墨西哥、美國(guó)南加州、意大利、羅馬尼亞等。地震預(yù)警系統(tǒng)由數(shù)字化地震臺(tái)網(wǎng)檢測(cè)系統(tǒng)、地震信號(hào)通訊系統(tǒng)、中央處理控制系統(tǒng)和對(duì)用戶(hù)的警報(bào)系統(tǒng)4部分組成。最終的預(yù)警時(shí)間是每一部分的處理時(shí)間之和與地震波走時(shí)之差。1地震預(yù)警系統(tǒng)的分類(lèi)地震早期預(yù)警在理論上通常分為兩大類(lèi)，并有不同的定位算法與之相對(duì)應(yīng)。（1）區(qū)域預(yù)警系統(tǒng)（front-detectionEWS）：一種比較傳統(tǒng)的方法，即將地震儀安裝在“震中區(qū)”，在地震發(fā)生后，使用地震臺(tái)網(wǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)快速確定地震震級(jí)和地動(dòng)強(qiáng)度，對(duì)遠(yuǎn)距離的城市區(qū)域進(jìn)行早期預(yù)警。Nakamura(1984)首次將該方法用于日本鐵道部門(mén)。（2）當(dāng)?shù)氐卣痤A(yù)警系統(tǒng)（onsiteEWS）：由于P波比S波的傳播速度快，所以在預(yù)警的目標(biāo)區(qū)建立觀測(cè)網(wǎng)，由P波的初期震動(dòng)（2s~4s）確定震源參數(shù)（地震大小、震中位置），預(yù)測(cè)S波到達(dá)后會(huì)出現(xiàn)的更嚴(yán)重地面破壞情況，從而提出預(yù)警。UrEDAS系統(tǒng)和ElarmS用的就是這種方法。Front-detectionEWS系統(tǒng)比較復(fù)雜，需要用S波的信息來(lái)確定震源參數(shù)，因?yàn)檫@樣比較精確。但是等S波到達(dá)，需要花費(fèi)很多時(shí)間，對(duì)震中距較近的區(qū)域就失去了預(yù)警的意義。臺(tái)灣的預(yù)警系統(tǒng)就是一個(gè)典型的例子，臺(tái)灣中央氣象局使用Front-detectionEWS預(yù)警系統(tǒng)，大約可以在地震發(fā)生后22秒內(nèi)提供資訊，但只能對(duì)離震中區(qū)70公里以外的城市和重大工程發(fā)布預(yù)警信息，震級(jí)的誤差為±0.25級(jí)，顯然這種方法具有很大的局限性。后來(lái)由于技術(shù)的發(fā)展和臺(tái)網(wǎng)的密集，臺(tái)灣可以實(shí)現(xiàn)對(duì)離震中位置30公里以外的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。日本和墨西哥的預(yù)警系統(tǒng)也是這種類(lèi)型。只是墨西哥使用的預(yù)警系統(tǒng)有些不同，他們是對(duì)震中距300km以外的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。OnsiteEWS系統(tǒng)則比較迅速，可以對(duì)離震中距較近的區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。根據(jù)P波和S波的走時(shí)信息，人們可以獲得一個(gè)寶貴的時(shí)間差：，n為地震初至P波記錄的時(shí)間，為計(jì)算時(shí)間和預(yù)警延遲時(shí)間，是地震初至P波傳播至臺(tái)站的走時(shí)，為S波傳播到臺(tái)站的走時(shí)。此方法已經(jīng)由Erik通過(guò)大量真實(shí)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，地震震級(jí)完全可以用P波前幾秒時(shí)間窗內(nèi)的信息進(jìn)行估測(cè)，所以這種方法對(duì)離震中距較近的區(qū)域提供地震早期預(yù)警是非常有效的。近年來(lái)，Kanamori（2005）改進(jìn)了Nakamura(1988)和AllenandKanamori(2003)所提出的方法，提出了反映地震初至P波到達(dá)后前3秒震動(dòng)大小的參數(shù)，使地震早期預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展又上了一個(gè)臺(tái)階。關(guān)于此方法在下文中會(huì)有詳細(xì)介紹。2各國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀日本、美國(guó)、墨西哥以及中國(guó)臺(tái)灣都位于地震活躍的板塊邊界上，災(zāi)害性地震頻發(fā)，所以也成為率先發(fā)展地震預(yù)警系統(tǒng)的國(guó)家和地區(qū)。他們?cè)谶@方面所做的工作對(duì)我國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展有很大的借鑒作用。2.1日本的地震預(yù)警系統(tǒng)早在1960年，日本就開(kāi)始使用地震預(yù)警系統(tǒng)，成為最早使用地震預(yù)警的國(guó)家。為了使高速運(yùn)行中的列車(chē)在受到地震波強(qiáng)烈沖擊之前及時(shí)停止，以免釀成翻車(chē)的危險(xiǎn)，1992年，日本將最新型的UrEDAS(UrgentEarthquakeDetectionandAlarmSystem)地震預(yù)警系統(tǒng)安裝在新干線上。1995年，發(fā)生的神戶(hù)地震，死亡人數(shù)超過(guò)6000人，并造成了200億美元的損失，帶動(dòng)了全國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展。自從這次事件后，日本在全國(guó)范圍內(nèi)都布設(shè)了固定的地震臺(tái)網(wǎng)（包括800個(gè)高密度臺(tái)站，1000個(gè)地面強(qiáng)震儀和70個(gè)寬頻帶地震儀，并將UrEDAS系統(tǒng)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)其他領(lǐng)域，同時(shí)還研發(fā)出了一個(gè)更快速的預(yù)警系統(tǒng)，稱(chēng)之為“CompactUrEDAS”，在1998年應(yīng)用于鐵路和地鐵系統(tǒng)。UrEDAS是新一代的智能型預(yù)警系統(tǒng)，兼具有P和S兩波段式的地震監(jiān)測(cè)警報(bào)系統(tǒng)，也是最早設(shè)計(jì)出的商業(yè)化地震預(yù)警系統(tǒng)，其最大特點(diǎn)是可以由單個(gè)地震臺(tái)站的P波初始振幅確定震源參數(shù)。UrEDAS系統(tǒng)主要利用P波初始震動(dòng)的偏振性和振幅信息確定地震參數(shù)，由P波初始震動(dòng)的卓越周期確定震級(jí)，因此UrEDAS可以只通過(guò)P波初始震動(dòng)的信息來(lái)確定地震參數(shù)，從而獲取更多的地震預(yù)警時(shí)間，當(dāng)S波到達(dá)后則可以提供更準(zhǔn)確的地震參數(shù)。2004年，日本新瀉縣中越地區(qū)發(fā)生了Ms6.6級(jí)地震，并發(fā)生在新干線的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)。地震發(fā)生時(shí)，震中區(qū)有4輛列車(chē)在運(yùn)行，但只有一輛出軌。在地震發(fā)生后2.9秒，P波傳至“CompactUrEDAS”系統(tǒng)，在1秒后就發(fā)出了地震預(yù)警，系統(tǒng)自動(dòng)切斷了列車(chē)電源并啟動(dòng)了剎車(chē)系統(tǒng)。S波在預(yù)警后2.5秒到達(dá)了列車(chē)，一秒鐘后發(fā)生了劇烈的震動(dòng)。雖然列車(chē)出軌了，但除了一節(jié)車(chē)廂，其余均留在鐵軌上，大大降低了損失。目前日本的地震預(yù)警系統(tǒng)形成了一個(gè)覆蓋全國(guó)的網(wǎng)絡(luò)，臺(tái)站間距20km。日本氣象局（JMA）的公眾預(yù)警包括很多方面：廣播系統(tǒng)被要求從電視和電臺(tái)上發(fā)布預(yù)警，國(guó)內(nèi)多個(gè)警報(bào)系統(tǒng)也用來(lái)向大眾發(fā)布預(yù)警。公眾預(yù)警系統(tǒng)都是自動(dòng)控制的，在緊急情況下自己做出反映。但是，日本氣象局不可能做到為每個(gè)特定地點(diǎn)提供預(yù)警并作出緊急反映（如一些大型的私人場(chǎng)所），而日本的私人服務(wù)商可以做到。私人服務(wù)商可以根據(jù)JMA提供的信息為某些私人地點(diǎn)提供一系列服務(wù)，例如：確定地震強(qiáng)度、發(fā)布預(yù)警時(shí)間、做出一些應(yīng)急措施等。一個(gè)典型的例子是“家庭型地震儀”，可以翻譯JMA的信號(hào)，并利用內(nèi)部的微電子機(jī)械系統(tǒng)傳感器，提供P波監(jiān)測(cè)，從而進(jìn)行OnsiteEWS地震預(yù)警。這個(gè)裝置安裝在墻上，插頭接入交流電源或Internet/Ethernet上，地震時(shí)可以發(fā)出預(yù)警，并進(jìn)行倒計(jì)時(shí)?，F(xiàn)在日本大約有650個(gè)家庭型地震儀被使用，其中包括500所學(xué)校。2.2墨西哥的地震預(yù)警系統(tǒng)墨西哥市研發(fā)出目前唯一直接對(duì)公共場(chǎng)所發(fā)布地震預(yù)警的系統(tǒng)，也是目前地震早期預(yù)警成功的特殊案例。墨西哥的安全保證系統(tǒng)（SAS）是基于1985年9月19日8.1級(jí)大地震而建立的。破壞性的地震發(fā)生在遠(yuǎn)離墨西哥300km以外的太平洋海岸俯沖帶上，造成了1萬(wàn)多人喪生，3萬(wàn)多人受傷。因此，若能在太平洋海岸上建立臺(tái)站進(jìn)行預(yù)警，在地震發(fā)生后利用無(wú)線電信號(hào)對(duì)墨西哥市發(fā)出警告，人們將有充分的時(shí)間避難。1991年8月，SAS系統(tǒng)開(kāi)始為一小群使用者提供預(yù)警，包括25所學(xué)校和地鐵系統(tǒng)。1993年5月，他準(zhǔn)確預(yù)警了一次6.0級(jí)的地震。1993年8月，這個(gè)系統(tǒng)開(kāi)始在墨西哥市廣泛使用，成為世界上首個(gè)被廣泛使用的公眾預(yù)警系統(tǒng)。他的使用者主要是小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)、緊急和安全部門(mén)、政府大樓、民防組織和地鐵系統(tǒng)。地震發(fā)生后，除了可以使用電視和電臺(tái)，SAS系統(tǒng)還可以通過(guò)e-mail和SAS網(wǎng)站向公眾提供預(yù)警。1995年9月14日，7.3級(jí)的地震帶動(dòng)了SAS系統(tǒng)的發(fā)展，可以在S波到達(dá)前72秒向公眾發(fā)布預(yù)警，地鐵可在S波到達(dá)前50秒停止運(yùn)行，學(xué)?？梢杂杏?jì)劃的進(jìn)行疏散。從1991年10月至2009年5月，SAS系統(tǒng)共提供了13次公眾預(yù)警和52次預(yù)防預(yù)警。提供公眾預(yù)警和預(yù)防預(yù)警的地震級(jí)別分別為：4.8-7.3級(jí)；4.1-7.3級(jí)。其中有兩次地震（6.3級(jí)和6.7級(jí)）沒(méi)有做出預(yù)警并在1993年11月16日做出了一次錯(cuò)誤的預(yù)警，當(dāng)時(shí)公眾警報(bào)做出了預(yù)警但是地震沒(méi)有發(fā)生。2.3美國(guó)的地震預(yù)警系統(tǒng)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局（USGS）始建于1879年3月，隸屬美國(guó)內(nèi)政部，是美國(guó)內(nèi)政部八個(gè)局中唯一的一個(gè)科學(xué)信息與研究機(jī)構(gòu)。USGS從事地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)已經(jīng)有40多年的歷史。當(dāng)1989年舊金山地震發(fā)生后，USGS隨即研發(fā)出一套簡(jiǎn)單的地震預(yù)警系統(tǒng)。1991年，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)建議科研單位應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地震預(yù)警的研究，以能實(shí)際應(yīng)用于地震防震減災(zāi)。1998年美國(guó)國(guó)會(huì)立法要求USGS加速發(fā)展地震速報(bào)及早期預(yù)警系統(tǒng)，為此，USGS建立了美國(guó)國(guó)家地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)系統(tǒng)ANSS(AdvancedNationalSeismicSystem)，由國(guó)家、區(qū)域、城市和結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)臺(tái)站組成，主體是由高質(zhì)量、寬頻帶、均勻分布的臺(tái)站組成，是一個(gè)由至少7000個(gè)布設(shè)在地面和建筑物內(nèi)的振動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)組成的全國(guó)性地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。此外，在南加州地區(qū)，還建立了一套快速地震預(yù)警系統(tǒng)。美國(guó)地質(zhì)勘測(cè)局預(yù)測(cè)了在未來(lái)30年里，加州地區(qū)發(fā)生超過(guò)6.7地震的概率達(dá)到了99%。其開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)當(dāng)檢測(cè)出地震發(fā)生時(shí)，還可以在3s內(nèi)精確的預(yù)測(cè)出地面震動(dòng)分布圖，這意味著舊金山和奧蘭多在10s后就可以獲取地震預(yù)警信息。2.4中國(guó)臺(tái)灣的地震預(yù)警系統(tǒng)臺(tái)灣位于地震頻發(fā)的環(huán)太平洋地震帶上，地震活動(dòng)非常頻繁，災(zāi)害性地震也時(shí)常發(fā)生，所以經(jīng)過(guò)1986年11月15日花蓮6.8（7.8）級(jí)地震的慘痛教訓(xùn)后，臺(tái)灣開(kāi)始設(shè)計(jì)地震早期預(yù)警系統(tǒng)。該地震的震中區(qū)雖然在花蓮地區(qū)，但是主要的震災(zāi)卻發(fā)生在120公里以外的臺(tái)北地區(qū)。根據(jù)地震波走時(shí)資料，S波由花蓮地區(qū)傳播至臺(tái)北地區(qū)至少需要30s的時(shí)間，如果地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能在30秒內(nèi)提供震源的發(fā)震地點(diǎn)和震級(jí)，則可以在破壞性地震波到達(dá)之前爭(zhēng)取數(shù)秒或數(shù)十秒的預(yù)警時(shí)間，用于緊急減災(zāi)應(yīng)變。因此，臺(tái)灣中央氣象局在1994年開(kāi)始投入地震預(yù)警系統(tǒng)的研究工作。1995年，臺(tái)灣中央氣象局開(kāi)始安裝由三分向遙測(cè)加速度儀和寬頻帶地震儀組成的即時(shí)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，為地震速報(bào)系統(tǒng)做準(zhǔn)備。至2003年，臺(tái)灣的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展到了732個(gè)臺(tái)站。為了加強(qiáng)運(yùn)用即時(shí)的強(qiáng)震信號(hào)，地震預(yù)警系統(tǒng)也在積極地發(fā)展中，采用、區(qū)域地震子網(wǎng)或虛擬子網(wǎng)的地震預(yù)警方法，可以在地震發(fā)生后20秒的時(shí)間內(nèi)計(jì)算出地震參數(shù)，對(duì)離震中區(qū)70公里之外的地區(qū)提供不同程度的預(yù)警，但對(duì)于震中區(qū)70公里以?xún)?nèi)的地區(qū)無(wú)法發(fā)布預(yù)警。以臺(tái)灣吳逸民、鄧大量和Kanamoil為首的科學(xué)家們，通過(guò)不斷努力，發(fā)現(xiàn)地震發(fā)生后7秒左右，至少有4-6個(gè)觀察臺(tái)站記錄到了P波到達(dá)后前3秒的信號(hào)，所以他們利用這3秒的信號(hào)可對(duì)離震中區(qū)30公里以外的區(qū)域發(fā)布地震預(yù)警，并將提供地震預(yù)警的時(shí)間縮短到地震發(fā)生后的10秒。2.5中國(guó)大陸的地震預(yù)警系統(tǒng)根據(jù)文獻(xiàn)可知：我國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)技術(shù)的研發(fā)最早始于70年代后期，經(jīng)過(guò)“八五”、“九五”期間的努力，中國(guó)已建成了數(shù)字化地震觀測(cè)系統(tǒng)，并達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)的地震觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)生了根本性的變革。"十五"期間，又提出了更加宏偉的臺(tái)網(wǎng)建設(shè)藍(lán)圖，分國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)、流動(dòng)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)建設(shè)。新擴(kuò)建國(guó)家數(shù)字地震臺(tái)站108個(gè)，將"九五"期間建設(shè)的30個(gè)區(qū)域數(shù)字臺(tái)的數(shù)據(jù)采集精度由16位數(shù)采提高到24位，同時(shí)加強(qiáng)臺(tái)網(wǎng)中心在線大容量數(shù)據(jù)接收、處理和存儲(chǔ)能力；新建12個(gè)、擴(kuò)建20個(gè)區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)中心，新建200個(gè)左右的數(shù)字地震子臺(tái)，改建300個(gè)模擬地震子臺(tái)為數(shù)字地震子臺(tái)，同時(shí)加強(qiáng)區(qū)域臺(tái)網(wǎng)中心數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)能力；建設(shè)有1000套寬頻帶流動(dòng)數(shù)字地震儀組成的流動(dòng)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)，設(shè)立流動(dòng)數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)觀測(cè)與數(shù)據(jù)處理中心，臺(tái)網(wǎng)中心配置大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及服務(wù)設(shè)備和數(shù)據(jù)計(jì)算處理設(shè)備?？傊壳拔覈?guó)區(qū)域數(shù)字地震臺(tái)網(wǎng)處理網(wǎng)內(nèi)地震的時(shí)間較長(zhǎng)，金星等編制了一套實(shí)時(shí)地震速報(bào)軟件，測(cè)試表明：對(duì)于網(wǎng)內(nèi)地震，處理結(jié)果基本達(dá)到中國(guó)地震局地震速報(bào)評(píng)比滿(mǎn)分的要求，速報(bào)時(shí)間縮短至30～50s。盡管地震預(yù)警在國(guó)外已有了近50年的實(shí)踐歷史，我國(guó)自1990年代以來(lái)，在地震預(yù)警技術(shù)方面也開(kāi)展了相關(guān)的研究和實(shí)驗(yàn)工作，但我國(guó)大陸無(wú)論是理論還是實(shí)踐，相關(guān)的研究都比較少。3用于地震預(yù)警系統(tǒng)中的快速定位方法根據(jù)文獻(xiàn)可知：地震早期預(yù)警系統(tǒng)的研究共涉及四個(gè)方面：（1）地震實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)；（2）地震事件判定方法；（3）直達(dá)P波震相的準(zhǔn)確自動(dòng)識(shí)別；（4）地震時(shí)空強(qiáng)三要素的判定。其中最核心的技術(shù)是如何利用地震初至P波到達(dá)后前幾秒的信息快速實(shí)現(xiàn)地震震級(jí)及震中位置的判定，這是評(píng)價(jià)地震預(yù)警系統(tǒng)是否有效的一個(gè)重要標(biāo)志。3.1方法由臺(tái)灣中央氣象局開(kāi)發(fā)的地震早期預(yù)警系統(tǒng)，在目前發(fā)展較為成熟。他們采用實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行地震早期預(yù)警。Wu等（1998）研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地震震級(jí)大于5.0的地震，可以通過(guò)震中距最近的臺(tái)站接收到初至P波第一個(gè)15秒的信息來(lái)完成震源位置和震級(jí)的判定。一般來(lái)說(shuō)，在初至P波到達(dá)后30秒的時(shí)窗內(nèi)，大地震會(huì)比小地震的幅度調(diào)整值大，而一些小地震在初至P波到達(dá)后的15s到30s內(nèi)仍會(huì)存在較大的幅度調(diào)整值，所以選取初至P波第一個(gè)10秒的地震波形序列，預(yù)警系統(tǒng)并不能確定最后的震級(jí)大小。但是，在最開(kāi)始的時(shí)窗中，一般情況下，小地震會(huì)存在小的調(diào)整值，大地震會(huì)存在較大的調(diào)整值，這樣看來(lái)最終確定的地震震級(jí)和開(kāi)始估測(cè)的震級(jí)會(huì)存在一定的關(guān)系。為了找出這種關(guān)系，Wu等采用震中距最近的臺(tái)站記錄到的P波第一個(gè)10秒的信息，來(lái)進(jìn)行地震震級(jí)估測(cè)，稱(chēng)之為。和最終震級(jí)具有以下線性關(guān)系：(4.1)Wu等研究結(jié)果表明，使用震級(jí)測(cè)定方法和虛擬子網(wǎng)技術(shù)，臺(tái)灣中央氣象局的實(shí)時(shí)地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以通過(guò)初至P波到達(dá)后第一個(gè)10秒的信號(hào)，在20s內(nèi)估測(cè)出臺(tái)網(wǎng)內(nèi)發(fā)生地震的震源位置和地震震級(jí)，從而提出地震早期預(yù)警，允許測(cè)定參數(shù)在一定誤差范圍內(nèi)。3.2.1、方法原理傳統(tǒng)的估測(cè)震級(jí)大小主要依據(jù)特征頻率地震波的最大振幅經(jīng)過(guò)距離校正得到的。但當(dāng)觀測(cè)到最大振幅時(shí)，已經(jīng)沒(méi)有了預(yù)警時(shí)間。所以，傳統(tǒng)震級(jí)測(cè)定方法并不適用于現(xiàn)在的地震早期預(yù)警。經(jīng)過(guò)前人的研究發(fā)現(xiàn)，地震越大時(shí)地震信號(hào)的震動(dòng)周期越長(zhǎng)。且Wu等分析了臺(tái)灣地區(qū)和美國(guó)南加州的大震記錄發(fā)現(xiàn)，初至P波到達(dá)后的前3秒，最大位移振幅（）與地動(dòng)的速度峰值（）呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系，所以，可以采用初至P波的震動(dòng)周期來(lái)確定地震震級(jí)大小。Wu等采用法來(lái)確定地震震級(jí)，是平均震動(dòng)周期，是由前3秒初至P波信號(hào)的地動(dòng)位移（）和速度（）的積分比（r）得到的，即用前3秒的P波信號(hào)確定初始震動(dòng)周期，從而確定地震的震級(jí)大小。公式可以表示為：（4.2）時(shí)間域?yàn)椋?，），P波到達(dá)后，一般取前3秒的時(shí)窗。經(jīng)過(guò)Parseval理論上式可以改寫(xiě)為：（4.3）上式中為在頻率域的函數(shù)，是平均頻率。所以，可以定義為：（4.4）通過(guò)的計(jì)算我們可以用初至P波前3秒的信號(hào)推算出地震震級(jí)的大小，誤差在0.3個(gè)單位內(nèi)。另一種有效的方法是使用初至P波到達(dá)后前3秒中最大位移振幅估計(jì)地震震級(jí)。使用臺(tái)灣的數(shù)據(jù)，WuandKanamori發(fā)現(xiàn)，最大位移振幅、地動(dòng)速度峰值（PGV）和震中距（R）有很大的相關(guān)性。用公式可以表示為：（4.9）A、B、C是用地震事件初至P波回歸分析時(shí)用到的常量。這里暫時(shí)不考慮震中距R所帶來(lái)的影響。3.2.2、方法算例下面給出方法的兩個(gè)算例。2005年，WuandKanamori選取了臺(tái)灣地區(qū)12次級(jí)且震源深度小于35km的地震進(jìn)行研究，計(jì)算初至P波到達(dá)后3秒的值。發(fā)現(xiàn)的平均值和震級(jí)之間有如下對(duì)數(shù)關(guān)系：（4.5）即：（4.6）研究結(jié)果顯示，當(dāng)秒時(shí)，就可能發(fā)生級(jí)的地震，而大部分級(jí)的破壞性地震（只有一個(gè)例外），都具有秒的特征（如圖4.3（a））。即使只使用一個(gè)臺(tái)站的觀測(cè)資料，其定位結(jié)果也是相當(dāng)好的。2007年Wu等將方法應(yīng)用于美國(guó)南加州的地震預(yù)警系統(tǒng)中。根據(jù)加利福尼亞地震臺(tái)網(wǎng)431個(gè)地震記錄的數(shù)據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，值和之間有如下對(duì)數(shù)關(guān)系：（4.7）（4.8）得出所有地震事件的震級(jí)平均偏差為0.39級(jí)（如圖4.3b）。每個(gè)事件至少保證有3個(gè)以上的地震記錄，才進(jìn)行求取平均值。圖3（a）圖3（b）圖3（a）計(jì)算臺(tái)灣地區(qū)12次地震事件得到的平均值與震級(jí)的關(guān)系；（b）南加州地區(qū)，由加速度值大于2.5G的431個(gè)地震記錄得到的與震級(jí)的關(guān)系。（注：圖（a）選自參考文獻(xiàn)[87]圖5（a）；圖（b）選自參考文獻(xiàn)[129]圖2）從上面兩個(gè)研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，根據(jù)美國(guó)南加州地震臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)計(jì)算得到的比在臺(tái)灣（同樣等級(jí)的地震）計(jì)算得到的值小。在臺(tái)灣M>5級(jí)的地震，>1；但在南加州M>6級(jí)的地震，>1（如圖4.3）。這可能是由于兩個(gè)地區(qū)的信噪比不同造成的，特別是一些小地震。當(dāng)發(fā)生大地震事件時(shí)，兩地的值的差距會(huì)減小。在實(shí)際的地震早期預(yù)警中，人們一般比較關(guān)注M>6級(jí)的地震。為了減小用初至P波估測(cè)地震震級(jí)和地動(dòng)強(qiáng)度的不準(zhǔn)確性，可以通過(guò)在離震源30km以?xún)?nèi)的地方增加臺(tái)站個(gè)數(shù)來(lái)增加觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而在計(jì)算平均值時(shí)加強(qiáng)精度。同時(shí)，在震中距150km以?xún)?nèi)時(shí)，對(duì)距離不存在依賴(lài)性，但當(dāng)震中距大于150km時(shí)，值會(huì)與距離成正比。為了忽略距離對(duì)值的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，Wu等一般采取震中距在100km以?xún)?nèi)的臺(tái)站的數(shù)據(jù)。綜上所述，法可以為地震震級(jí)判定、快速辨認(rèn)災(zāi)害性地震提供一個(gè)預(yù)警值，當(dāng)秒時(shí)，有可能發(fā)生破壞性地震，當(dāng)秒時(shí)，極有可能發(fā)生強(qiáng)破壞性地震。下面給出方法的兩個(gè)算例。通過(guò)分析臺(tái)灣地區(qū)46次地震事件的記錄，Wu等（2006）發(fā)現(xiàn)，對(duì)于來(lái)說(shuō)最佳擬合關(guān)系式為：（4.10）所以在地震早期預(yù)警實(shí)際資料中，可以通過(guò)P波信號(hào)進(jìn)行地震參數(shù)的確定。震中距R有效時(shí)，震級(jí)可以通過(guò)來(lái)判定。有如下關(guān)系式：（4.11）研究結(jié)果表示，當(dāng)>0.5cm時(shí)，就有可能發(fā)生災(zāi)害性地震。2007，Wu等使用美國(guó)南加州的數(shù)據(jù)計(jì)算得出，隨著震中距R的增加，的衰減和震級(jí)M呈現(xiàn)以下關(guān)系：（4.12）（4.13）他們的結(jié)果表明，震級(jí)小于6.5級(jí)的地震平均偏差是0.18級(jí)。所以在加利福尼亞用的方法來(lái)為地震早期預(yù)警確定地震震級(jí)，是一個(gè)很強(qiáng)健的方法。通過(guò)以上兩個(gè)例子發(fā)現(xiàn)，初至P波到達(dá)后的前3秒最大位移振幅（）與地動(dòng)的速度峰值（）呈對(duì)數(shù)線性關(guān)系，并且南加州與臺(tái)灣地區(qū)的結(jié)果呈現(xiàn)相似的趨勢(shì)（如圖4.4）。但是，南加州的數(shù)據(jù)計(jì)算得到地動(dòng)值相對(duì)較小的。綜合臺(tái)灣和南加州地區(qū)震中距小于30km的199個(gè)地震記錄的數(shù)據(jù)，我們可以得到一個(gè)對(duì)數(shù)關(guān)系式：（4.14）其中單位：cm/sec，單位：cm。圖4.4南加州及臺(tái)灣199個(gè)震中距小于30km地震記錄中初始位移和加速度值的關(guān)系。其中黑點(diǎn)代表南加州的數(shù)據(jù)，灰點(diǎn)代表臺(tái)灣的數(shù)據(jù)（注：選自參考文獻(xiàn)圖3）2008年WuandKanamori采用實(shí)時(shí)強(qiáng)地動(dòng)信號(hào)發(fā)展地震早期預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，綜合了震中距在30km以?xún)?nèi)的臺(tái)灣、日本和美國(guó)南加州的54個(gè)地震事件，其中每個(gè)地震事件都至少有4次記錄。計(jì)算得到的平均值如圖4.5所示，每個(gè)M>6.0級(jí)的地震都具有>1s的特征。的平均值與震級(jí)可用如下公式表示：（4.15）（4.16）計(jì)算所有地震事件得到的平均誤差為0.41級(jí)。圖4.6給出了日本、臺(tái)灣、美國(guó)南加州震中距小于30km的780個(gè)地震記錄，計(jì)算得到的初至P波到達(dá)后前3秒最大位移振幅（）與地動(dòng)的速度峰值（）的關(guān)系。用公式可以表示為：（4.17）其中單位：cm/sec，單位：cm。圖4.5對(duì)日本（黑色三角）、南加州（黑球）和臺(tái)灣（黑色方框）的54個(gè)地震事件采用最近的臺(tái)站數(shù)據(jù)計(jì)算得到的值。線段符合表示每個(gè)事件的標(biāo)準(zhǔn)偏差。黑色實(shí)線表示最小二乘擬合值，兩條黑色虛線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差的范圍。圖4.6對(duì)日本（黑色三角）、南加州（黑球）和臺(tái)灣（黑色方框）的震中距小于30km的780個(gè)地震記錄，計(jì)算得到的3秒最大位移振幅（）與地動(dòng)的速度峰值（）的關(guān)系圖。黑色實(shí)線表示最小二乘擬合值，兩條黑色虛線表示標(biāo)準(zhǔn)偏差的范圍。通過(guò)以上日本、南加州、臺(tái)灣的算例表明，使用及方法可以識(shí)別災(zāi)難性地震，從而提出地震預(yù)警。當(dāng)時(shí)，則可能發(fā)生災(zāi)難性地震。依據(jù)此原理，可以將地震震級(jí)大小的判定時(shí)間縮短至10秒內(nèi)，從而有效爭(zhēng)取更多救援時(shí)間，對(duì)離震中位置30公里外的區(qū)域都可以提供地震早期預(yù)警。同樣，及方法可以應(yīng)用于單臺(tái)定位中。但是在計(jì)算實(shí)際資料時(shí)，確定一個(gè)比較準(zhǔn)確的M和、和的關(guān)系仍需要很長(zhǎng)時(shí)間。即：通過(guò)初至波前幾秒的信息計(jì)算、兩個(gè)參數(shù)來(lái)快速確定地震的震級(jí)，并根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)確定M和、和的關(guān)系，這是不太準(zhǔn)確的。所造成M和PGV的誤差可能會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的預(yù)警或者根本沒(méi)有進(jìn)行預(yù)警。如何解決地震早期預(yù)警中出現(xiàn)的這兩個(gè)問(wèn)題至關(guān)重要的。在實(shí)際早期預(yù)警中，必須要確定M和、和準(zhǔn)確的關(guān)系，在此文中我們不做討論。4.3.3依靠Ｐ波卓越周期確定預(yù)警震級(jí)依據(jù)小地震造成小斷層滑動(dòng)形成高頻能量散射，而大地震破裂規(guī)模大，散射能量頻率較低的特點(diǎn)，在地震早期預(yù)警中，很多人采用依靠P波卓越周期的方法來(lái)確定地震震級(jí)。這些研究發(fā)現(xiàn)，初至P波到達(dá)后的前幾秒（一般是3-4秒）的平均卓越周期隨著震級(jí)在增加，即使是在的時(shí)窗內(nèi)破裂還沒(méi)有完全形成的大地震中。這些結(jié)果說(shuō)明了可以作為一個(gè)重要的參數(shù)，快速確定地震震級(jí)，從而進(jìn)行地震早期預(yù)警。在區(qū)間段內(nèi)中被定義為：（4.18）字符上面的橫線表示了在區(qū)間內(nèi)的平均值。用常數(shù)間隔進(jìn)行離散數(shù)據(jù)采樣時(shí)，在此時(shí)間域內(nèi)可以表示成：（4.19）是范圍內(nèi)的振幅，例如：對(duì)于任一點(diǎn)：（4.20）雖然通常被定義為公式（4.18），其實(shí)與等式（4.19）和（4.20）具有相同意義。通過(guò)遞歸關(guān)系也可以定義卓越周期與時(shí)間的關(guān)系式：（4.21）其中（4.22）（4.23）為第i秒時(shí)的卓越周期，是平滑后的地動(dòng)速度平方值，是記錄到的地動(dòng)速度值，是平滑后的地面速度導(dǎo)數(shù)平方值,是一個(gè)平滑常量0.999。具有高頻能量的小震相比大震可以在P波到達(dá)后更短的時(shí)間內(nèi)確定震級(jí)，所以，震級(jí)越小的地震判定震級(jí)的速度越快。小震級(jí)地震可以使用以下關(guān)系式（4.24）進(jìn)行估測(cè)：（4.24）試驗(yàn)證明該關(guān)系式測(cè)定震級(jí)的平均絕對(duì)誤差為0.3級(jí)。對(duì)于震級(jí)較大的地震（震級(jí)>4.5），雖然可以使用P波到達(dá)后的1、2、3秒的數(shù)據(jù)快速估測(cè)地震震級(jí)，但使用4ｓ后的數(shù)據(jù)會(huì)更準(zhǔn)確。估測(cè)大震的公式為：（4.25）震級(jí)的平均絕對(duì)誤差為0.67級(jí)。ElarmS可以同時(shí)使用和估測(cè)最佳震級(jí)。首先，臺(tái)站記錄到地震事件1秒后，就開(kāi)始通過(guò)估測(cè)震級(jí)，2ｓ后的數(shù)據(jù)如果有效，則再次更新震級(jí)。最后估測(cè)的震級(jí)是每個(gè)臺(tái)站估測(cè)震級(jí)的平均值。當(dāng)震級(jí)大于4級(jí)時(shí)，就要進(jìn)行計(jì)算，最終確定的震級(jí)是所有臺(tái)站和的平均值。所以，測(cè)定到的臺(tái)站越多，估測(cè)的震級(jí)也越準(zhǔn)確。例如：通過(guò)震中距最近的一個(gè)臺(tái)站記錄到的估測(cè)震級(jí)，平均絕對(duì)誤差為0.7級(jí)，如果使用震中距最近的10個(gè)臺(tái)站記錄，平均絕對(duì)誤差可以達(dá)到0.35級(jí)。通過(guò)這種方法，當(dāng)震中距為30公里時(shí)，可提前S波8秒確定震級(jí)，當(dāng)震中距為60公里時(shí)，可提前S波16秒確定震級(jí)。雖然可以依據(jù)初至波前幾秒（一般是3-4秒）的卓越周期來(lái)快速估測(cè)地震震級(jí)，但是，卓越周期和震級(jí)之間的關(guān)系是不準(zhǔn)確的。例如:OlsonandAllen(2005)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)他們用估測(cè)震級(jí)時(shí)，會(huì)存在級(jí)的誤差。Wolfe(2006)的研究結(jié)果顯示，若存在噪音，可能是估測(cè)結(jié)果不理想的一個(gè)影響因素。并且，在循環(huán)關(guān)系中，使用每個(gè)臺(tái)站測(cè)定的來(lái)估測(cè)震級(jí)會(huì)存在很多誤差，因?yàn)檫@個(gè)估計(jì)量同時(shí)受振幅譜和相位譜的影響。但使用初至P波進(jìn)行地震早期預(yù)警是很有潛力的，以后可以通過(guò)詳細(xì)分析譜的特征，實(shí)現(xiàn)此方法的優(yōu)化。此文中不再深入探討。4.3.4單臺(tái)P波確定震源參數(shù)方法很多地震早期預(yù)警系統(tǒng)是通過(guò)地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)來(lái)確定地震震級(jí)和震源位置的。一般要依靠增加地震臺(tái)網(wǎng)密度來(lái)提高預(yù)警的準(zhǔn)確性，但在實(shí)際地震預(yù)警中，運(yùn)行和維護(hù)一個(gè)高密度臺(tái)網(wǎng)需要用到大量的人力、物力、財(cái)力，所以此方法具有一定困難。如果能使用單個(gè)臺(tái)網(wǎng)記錄到的初至P波前幾秒的信號(hào)判定地震的震級(jí)和震源位置，則可以消減大量開(kāi)支，在實(shí)際運(yùn)用中也將會(huì)是一個(gè)很好的發(fā)展方向。早在1988年，Nakamura就研發(fā)了一個(gè)系統(tǒng)--UrEDAS，可以使用單臺(tái)記錄到的P波初動(dòng)來(lái)估測(cè)地震參數(shù)。后來(lái)又有大批學(xué)者投入到單臺(tái)地震早期預(yù)警系統(tǒng)的研究中。LockmanandAllen（2005）提出了一個(gè)非常新奇的方法，該方法使用單臺(tái)就能確定較為準(zhǔn)確的預(yù)警參數(shù)（即：震級(jí)、震中距和后方位角），并使用美國(guó)南加州的地震資料進(jìn)行了驗(yàn)證。Wu等（2006）也使用單臺(tái)P波初動(dòng)來(lái)估測(cè)地震的震級(jí)和震中距，并使用臺(tái)灣的地震資料進(jìn)行驗(yàn)證。在判定地震震級(jí)時(shí)，LockmanandAllen采用的是P波卓越周期的方法，Wu等采用的是和方法。這兩種方法分別在4.3.2、4.3.3節(jié)中做了詳細(xì)說(shuō)明，此處不再重復(fù)。在用單臺(tái)判定震中距時(shí)，LockmanandAllen使用了Nakamura在UrEDAS系統(tǒng)中所用的公式：(4.26)其中為P波振幅，R表示震中距，、、是將要被確定的3個(gè)常量。使用南加州單臺(tái)記錄到的數(shù)據(jù)，通過(guò)最小二乘法確定的這3個(gè)常量值分別為：-0.51118、-0.18298、1.59766。利用觀測(cè)值和，通過(guò)最佳擬合關(guān)系，就可以確定每個(gè)“地震--臺(tái)站”對(duì)的震中距R。LockmanandAllen在后方位角的確定中，使用了類(lèi)似Nakamura的方法，可以表示為：（4.27）其中（4.28）（4.29）、、分別是在第i時(shí)刻記錄到的水平、南北、東西3個(gè)方向上的分量，為估計(jì)的后方位角，是一個(gè)平滑常量。后方位角的計(jì)算是使用初至P波第一個(gè)0.5s的信號(hào)，在這個(gè)時(shí)間域里，連續(xù)計(jì)算，最終結(jié)果取的平均值。LockmanandAllen在計(jì)算后方位角時(shí)，選取南加州的一個(gè)臺(tái)站記錄到的5個(gè)事件（每次事件都大于5.0級(jí)），結(jié)果表明，后方位角的計(jì)算偏差非常大，有的平均誤差低到，有的臺(tái)站高達(dá)。依靠單臺(tái)記錄到的P波前幾秒時(shí)窗內(nèi)的信息確定震源參數(shù)的方法，為需要提供地震預(yù)警卻沒(méi)有高密度地震臺(tái)網(wǎng)的地區(qū)提供了預(yù)警的可能性。單臺(tái)或低密度地震臺(tái)網(wǎng)可以得到一個(gè)花費(fèi)較小的抗震減災(zāi)方法。LockmanandAllen證明可以利用單臺(tái)記錄到的P波初動(dòng)進(jìn)行地震預(yù)警，在南加州TriNet臺(tái)網(wǎng)中，大約25%的臺(tái)站能夠用單臺(tái)估測(cè)震源參數(shù)并發(fā)布有用的預(yù)警信息，存在震級(jí)誤差0.3級(jí)、震中位置誤差±15km、后方位角誤差±20°。但其他75%的臺(tái)站存在很大的誤差，并且他們的估測(cè)無(wú)效。因?yàn)?，一個(gè)臺(tái)站具有較好的震級(jí)和震中距的估測(cè)，主要依據(jù)與震級(jí)相對(duì)的的觀測(cè)值。臺(tái)站之間后相位角的計(jì)算、震級(jí)和震中距的估測(cè)是無(wú)關(guān)的。所以單臺(tái)地震預(yù)警在實(shí)際應(yīng)用中一定要提高震源參