新疆地震預警與烈度速報系統建設及效能評估①

魏 斌, 張志斌,2, 烏尼爾, 趙曉成, 丁新娟

(1.新疆維吾爾自治區地震局,新疆 烏魯木齊 830011; 2.成都理工大學,四川 成都 610059)

地震預警是有效減輕地震災害的重要手段之一[1],地震預警系統的建設可以追溯到20世紀60年代。世界上第一個地震預警系統建在日本,主要用于鐵路系統的預警[2]。隨后墨西哥的SASMEX預警系統成為第一個向公眾提供地震預警服務的系統,此后日本在全國范圍內實施了地震預警系統的建設,目前中國臺灣、韓國、土耳其等國家相繼開展了預警系統的建設,并對公眾提供服務[3-5]。美國的shake alert系統也于2021年啟動,用于監測美國西海岸的地震[6]。中國是在2008年汶川8.0級地震后提出了建設全國性地震預警系統的要求。經過地震研究學者長期不斷努力,地震預警系統可行性研究以及多套示范系統的驗證,中國地震烈度速報與預警工程在2018年底啟動實施,該項目總投資19.5億元,計劃用5年的時間完成建設,項目選取了首都圈、南北地震帶、東南沿海地區、新疆天山中段和西藏拉薩5個區域做為該系統建設的重點預警區,對外提供預警服務。

新疆地處亞歐大陸腹地,是中國與亞歐各國經濟、文化連接的重要窗口,隨著“一帶一路”倡議不斷深入推進,新疆的區位優勢愈發突出。同時,新疆也是地震多發區,20世紀以來,新疆境內發生6級以上地震104次,其中7級地震14次;8級地震2次,平均每年發生一次6級以上地震,地震活動主要集中在天山地震帶、阿爾泰地震帶和西昆侖地震帶。國家地震烈度速報與預警工程新疆子項目(以下簡稱新疆子項目)投資1.7億元,新疆天山中段作為全疆的政治、經濟和文化中心,通過本項目的建設該區域形成地震預警能力,極大提高區域防災減災能力。同時,喀什做為“一帶一路”中國—中亞—西亞經濟走廊主要節點城市,憑借其“五口通八國,一路連歐亞”的地域優勢,成為陸上絲綢之路的西大門。由于喀什所處的南天山西段重點地區大震頻發,在中國地震局倡導的資金援疆,項目援疆,人才援疆,科技援疆和民生援疆的工作機制下,新疆地震局以項目援疆為契機,在考慮已有的站網布局情況下,充分發揮“三網合一”的技術優勢,在南天山西段新建設420個一般站,該項目的建成,使南天山西段具備首臺觸發10 s內發布地震預警信息的條件,同時使新疆重點預警區的面積進一步的擴大,有效提升全疆的防災減災能力。

近5年來,依托國家地震烈度速報與預警工程新疆子項目的建設,在項目組全體人員的共同努力下,新疆建設完成了中亞地區規模最大的地震預警網。本文中將系統性介紹新疆地震烈度速報與預警系統(以下建成新疆預警系統)的總體架構,包含臺站觀測系統、預警中心系統以及緊急地震信息服務系統,并介紹現階段預警信息產出的規則,同時評估新疆預警系統的效能,并從實際震例分析其產出結果的準確性,同時探討現階段該系統的局限性,為后期更好的提升該系統的穩定性提供一定的實際案例。

1 新疆預警系統的主要構成

新疆預警系統主要由臺站觀測系統、預警中心處理系統和信息發布系統構成,每個系統相互銜接,且各系統的正常運轉對新疆預警系統的正常運轉均至關重要。

1.1 臺站觀測系統

臺站觀測系統是新疆預警系統的基礎,是實現預警信息正確產出的“最先一公里”。臺站觀測系統的建設,是我區有史以來規模最大的一次地震觀測臺網建設。在全疆重點區和一般區布設密度不同的觀測站點,并優化配置不同類型的觀測儀器,通過各類站點實時監測地面運動的速度和加速度,為地震烈度速報和預警產出提供實時、連續、可靠的觀測數據。

新疆預警系統臺站觀測系統共建設1 398個地震臺站,站點類型主要為3類,分別為基準站、基本站和一般站。其中新建1 183個,包括基準站114個、基本站169個和一般站900個。改造現有臺站215個,其中基準站68個、基本站147個,站點具體分布如圖1所示。

圖1 新疆預警網臺站分布圖 Fig.1 Distribution of stations in Xinjiang Early Warning Network

其中基準站配備六通道數據采集器,三分量寬頻帶地震計和三分量力平衡加速度計;基本站配備三通道數據采集器和三分量力平衡加速度計;一般站配備了低成本的MEMS傳感器,并集成了數據采集系統,各類站點傳感器性能及相關參數在已有研究中均已介紹[7]。新疆預警系統的大多數站點均布設在人口密集的城市地區,或沿著活動性較強的斷裂帶布設。對于基準站,由于其是預警網的骨干臺站,他們通常安裝在基巖和自由場地上,遠離相關的建筑結構及可能對臺基噪聲產生影響的設施。通常采用噪聲功率譜密度來定量描述地震臺站的噪聲水平,但此方法與選取計算數據的時間段密切相關,隨著臺網密度的增加,該方法難以客觀真實地反映臺站噪聲的整體特征,現階段均采用無需考慮周邊干擾和地震等因素的概率密度函數統計方法[8-9]。因此計算新疆預警站網所有基準站一個月的數據,并疊加繪制每個站的概率密度函數(圖2),可以看出新疆預警網所有基準站的臺基噪聲滿足儀器的自身觀測頻帶,具備較好的觀測條件。其中高頻段的噪聲來源主要與人文活動的強度、交通以及工業等密切相關。

圖2 基準站速度計臺基噪聲分布圖Fig.2 Datum stations noise power spectrum probability density distribution

基本站是烈度速報的核心臺站,輔助開展預警,主要布設在學校、鄉政府等場所,安裝場地為自有場地,由于被安置在城市及周邊人類活動密集的區域,主要測定站點附近的儀器烈度,為后期的烈度速報提供較為準確的信息?；鶞收竞突菊揪捎锰柲芄╇?并采用光纖傳輸。一般站直接建設在新疆鐵塔的基站中,傳輸鏈路通過3G/4G無線傳輸,傳輸設備為專用的DTU,可以有效保證數據的連續性,降低維護成本。

1.2 預警中心處理系統

目前,新疆地震預警中心系統流程如圖3所示。為保證后期站點運維的時效性和便利性,為每個站點獨立分配唯一的IP地址,便于后期故障判斷及內嵌軟件升級。同時為了保證基準站和基本站數據的連續性,采用現階段較為成熟的MPLS-VPN方式,由站點通過光纖直接傳輸至新疆地震預警中心。對于一般站,則是由新疆鐵塔通過無線傳輸至上海鐵塔云中心,再由上海云中心通過承載網傳輸至新疆地震預警中心?；鶞收竞突菊揪捎秒p路熱備的方式接收,一般站受限于帶寬的要求,采用冷備的方式。上述站點數據在預警中心匯聚后同時轉發給中國地震臺網中心和廣東備份中心。

圖3 新疆預警中心總體架構Fig.3 General structure of Xinjiang Early Warning Center

由于地震預警對時間的苛刻要求,新疆預警網所有站點均遵循低延遲的數據通訊協議,該通訊協議專門為地震預警系統設計[10]。每個站點實時傳輸數據均為100 Hz,由于基本站兼顧收集強震動事件的功能,為充分銜接歷史強震動資料,所有配備力平衡加速度計的站點均設計本地200 Hz存數功能。為了盡可能縮短實時傳輸數據延時,數據包的封裝模式統一由原來512字節改為256字節。在考慮數據延遲和網絡負載的情況下,將數據封裝的長度設置為0.5 s。

為保證預警結果的準確性和穩定性,目前新疆地震預警中心實時運行2套地震預警系統,分別為JEEW系統和EEW系統,其中JEEW系統由深圳防災減災技術研究院開發,EEW系統由福建省地震局開發。上述2套系統均采用基于網格劃分的地震預警算法,根據實時接收的波形數據,以0.5 s為間隔進行連續的地震定位和震級估計。關于上述2個系統在事件檢測、震相關聯、位置估計已開展過較為詳細的研究[11-12]。

目前,這2套系統產出的震級均為面波震級,即為人工測定的大震速報震級(MS)。根據已有的經驗公式將測定震級轉化為面波震級,該經驗公式同時也在地震臺網編目中使用:MS=1.13ML-1.08。為了保證預警結果產出的準確性,將2個系統設置首報觸發臺站為5個,即只有達到5個臺站時,每個處理系統才會推送結果到決策系統。隨著震后時間的推移,更多的臺站到時數據被采納,系統產出的地震位置、發震時刻和震級估計不斷更新,直至達到穩定的結果。

現階段上述2套系統均采用獨立的硬件平臺運行,接入的臺站數量完全一致。上述任何一套系統產出的結果均發送至二級決策系統,該二級決策系統主要用于不同系統針對同一地震的產出結果進行融合分析,并根據相關規則,產出此次地震的唯一結果,并推送至一級決策系統,一級決策系統根據相同的判斷標準,生成此次地震的首報預警信息,隨著時間的推移進行后續的更新。各個系統和模塊之間的消息交換采用ActiveMQ,集成在wildfly中(JAVA的全功能應用服務器),各預警終端或GUI(用戶圖形界面)都需要訂閱相應的主題,然后通過MQTT(消息隊列遙測傳輸協議)接受預警信息,同時部署專門的維護系統,用于實時監控各系統和終端的健康狀態信息,對整個地震預警系統的全鏈條進行健康監控。

對于某一次單個地震,由于2套系統使用的預警算法不同,或者數據傳輸的延遲不同,同時會得到2套不同的處理結果。因此,需要預先設定相應的預警信息生成準則,將2套系統產出的結果合并為一個結果并進行一致性檢查。在預警信息生成準則中,對于震中位置的確定,分兩種情況考慮,第1種當出現定位結果空隙角大于180°時,即偏網地震,融合結果選擇空隙角最小的結果;第2種當出現定位結果空隙角小于180°時,即網內地震,選取每個結果的前5個臺站,計算平均震中距,取2套系統定位結果的最小平均震中距為基準值,決策系統選擇2套系統與最小平均震中距偏差在30%以內的,同時定位臺站數目多的產出結果。對于震級的選擇,同樣也分2種情況,一種為震級偏差在1以內,選用較大震級的產出結果;另一種為震級偏差大于1,選用2套系統產出結果的平均值。對于發震時刻的選擇,遵循震中位置,即震中位置采用系統結果,發震時刻同樣采用該系統的結果。

為了生成一個高可靠度的首報預警信息,嘗試不同的策略設置,例如速度優先策略,只要任何一個系統產出預警結果,且所用臺站數超過4個,就發布預警信息。穩定優先策略,預警系統的測定的震級是否穩定為準則,判斷是否發布預警信息。在綜合上述各種策略的基礎上,目前新疆預警網采用的預警信息發布策略是以穩定為前提,在穩定的基礎上盡可能快,即假如JEEW系統觸發,在短暫等待0.5 s左右。若EEW系統未觸發,則會將觸發結果上傳至二級決策平臺,二級決策平臺會上傳至一級決策平臺,一級決策平臺會等各二級決策平臺結果(中國地震臺網中心、災備系統和新疆預警中心)。若上述都沒有產出EEW系統的結果,那么這個地震將不會推送至緊急信息發布平臺。若任何一個二級決策系統產出EEW結果,隨即生成本次地震的預警信息,推送至緊急信息發布平臺,生成首報預警信息。

1.3 新疆預警發布系統建設

新疆預警發布系統的建設遵循“國—省—市”三級發布體系,在重點預警區建設12個市級發布中心,接入緊急地震信息服務終端。

當終端接收到預警信息時,會根據獲得的震源參數,利用已知的烈度衰減關系計算當地的烈度,并根據預測烈度的閾值區間,以倒計時的方式發布相應的報警信息。目前,每個終端都預先定義了4個報警級別,分別為紅色、橙色、黃色和藍色。前兩者被認為是災害預警,后兩者則是通知預警。對于災害預警,報警器會發出聲音,屏幕會閃爍。否則就不會有聲音,終端只會顯示地震信息和警報。目前,在全疆機關單位、中小學及相關公眾場所部署了約500多個預警終端。由于現階段新疆預警系統處于試運行狀態,各終端并未訂閱預警消息主題,只是簡單的推送速報信息,隨著項目完成驗收各終端也將陸續接受,開展對外服務。此外,目前針對新疆預警系統的發布策略還未最終形成,相信隨著更多地震事件的積累,新疆預警系統的發布策略定會完善。

2 新疆預警網的業務效能評估

新疆預警網的建成,在全疆形成了“三網合一”(速度計、加速度計和烈度儀)實時傳輸的地震觀測臺網,借助這一臺網可以實時計算地震破裂過程,實時評估地震災情,極大地推動實時地震學和災害學的發展。

2.1 地震預警首報時間評估

在地震定位準確的前提下,由地震定位和測定震級的時間,評估地震預警首報時間。游秀珍等[13]采用網格算法對福建地區的預警首報時間評估,目前該方法在各臺網得到了廣泛的應用。采用相同的方法對新疆地區預警首報時間進行評估,震源深度采用10 km,考慮首臺觸發、臺站可用率、數據打包時間及網絡延時的實際情況,基于至少6臺用于觸發和2臺用于震級計算的條件進行評估,按照10 s為分界線,得出新疆地區重點預警區的分布范圍,如圖4所示。受限于新疆獨特的地形差異,新疆預警網臺站主要分布在盆山結合部,在盆地內部和山脊線附近臺站分布較少,致使該區域預警時效性較差,因此在重點區內部出現部分區域發生地震無法提供10 s內的地震預警信息。

圖4 新疆地震預警首報時間評估圖Fig.4 Evaluation of the time to first report of Earthquake Early Warning in Xinjiang

2.2 監測能力分析

地震臺網的布局好壞和站點記錄地震的能力是衡量一個臺網建設質量的重要指標之一,而地震監測能力能很好的反應上述指標,是目前評判地震臺網監測水平的重要標志之一[14]。目前關于地震監測能力評估已開展過諸多研究,主要包括“最優擬合度”方法、“完整性震級”方法、基于地震背景噪聲水平和震級衰減關系的理論監測能力評估等多種方法[15]。本文中選用焦遠碧等[16]的方法,對新疆預警網的監測能力進行分析(圖5)。圖5(a)展示了新疆預警網建設前新疆地區的監測能力,可以看出在預警網建設前新疆絕大部分區域監測能力只有ML2.0左右,只有在烏魯木齊周邊能實現ML1.0左右的監測能力。新疆預警網的建成,對新疆地區的監測能力有了很大的提升,特別是在天山中段地區,達到了ML1.0,在南天地區監測能力也有小幅提升。

2.3 地震預警最小震級評估

地震預警最小震級評估區別于傳統的地震監測能力評估的主要特征為考慮時效性,因此在計算時,只計算網格最近的前3臺或前4臺測定地震參數[13],新疆地震烈度速報和與預警網預警最小震級評估采用前4臺定位測定地震參數。速度計、加速度計和烈度儀融合測定地震預警最小震級的空間分布(圖6)。雖然南天山西段同北天山地區一樣擁有預警能力,但是其預警最小震級差別較大,在北天山地區,預警最小震級達ML1.5～2.0,只有局部天山山脈的腹部因無站點分布,達到ML3.0左右。而南天山地區則相反,大部分區域為ML3.5～4.0,只有喀什周邊達到ML2.0,這反映南天山地區雖然具備預警能力,但受限于基準站數量較少,其預警的震級下線較高,這為后期進一步優化新疆預警網的站點分布提供了科學依據,同時為系統正式運行制定預警信息發布最小震級也提供了相關參考。

圖6 新疆預警網預警最小震級評估Fig.6 Minimum magnitude assessment of Xinjiang Early Warning Network

3 新疆地震預警與烈度速報系統震例分析

目前,新疆地震預警與烈度速報系統未正式上線運行,但各系統均在內部實時測試,已有相關研究結果對重點預警區內的預警結果開展分析[17-18],本文中選取在測試期間新疆重點預警區內發生的最大地震為2023年8月29日16時08分42.9秒巴楚MS4.6地震,震中位置如圖9所示。此次地震發生后,新疆地震預警與烈度速報系統10 s后產出第一條報預警信息,為分析本次地震2套預警結果的準確性,分別分析震后各系統每次產出震中位置、定位臺站數量、預估震級誤差和震源深度與正式速報結果的對比(圖7)?？梢钥闯鰺o論是在預估震級的誤差、震源深度的誤差、震中位置的誤差和定位臺站的個數上,JEEW系統都優于EEW系統,這為后期EEW系統的優化升級提供相關震例分析。同時由圖7(a)和(d)可以看出,在震后6 s 左右,JEEW系統產出的震級和震中位置已接近于正式速報結果,因為新疆預警系統設置的發布策略為2套系統均觸發,因此在震后10.5 s,EEW產出震中位置,預警系統立即發布預警信息,如果單純考慮一套系統的觸發策略,此次地震在震后6 s左右即能發出預警信息。

圖7 2套預警系統定位結果對比分析圖(a) 2套系統產出預估震級偏差 (b) 2套系統產出使用臺站數量(c) 2套系統產出震源深度誤差 (d) 2套系統定位誤差Fig.7 Comparison and analysis of positioning results of two early warning systems

地震預警系統的重要產出指標是震中位置和震級,震中位置的測定在臺網密度足夠的情況下,采用P波到時即能給出較為準確的震中。而震級的測定是利用初至P波預警參數與震級的經驗公式實現,是地震預警系統中關鍵難題之一[19-21]。為此分析此次地震每套系統每個臺站定位震級偏差,由于JEEW最終產出震級采用各站點的平均震級,而EEW采用地震烈度和震級的經驗公式,因此JEEW產出震級和各子臺站測定的震級相關性較高。同時和最終的產出的預警震級偏差也較小,而EEW相關性較差,這可能是由于現階段系統采用的地震烈度和震級的經驗公式為全國的平均模型,而該經驗公式在每個區域有一定的獨立性,因此后期隨著震例的增加,盡快得出新疆區域的地震烈度和震級的經驗公式顯得尤為必要(圖8)。

圖8 各臺站測定震級與系統震級的偏差(a) JEEW系統產出預警震級和各子臺產出震級 (b) EEW系統產出預警震級和各子臺產出震級Fig.8 Deviation of measured magnitude from systematic magnitude at each station

此外,對于此次地震產出的烈度速報結果如圖9所示,根據產出結果分別繪制PGV、PGA和儀器烈度,可以看出此次地震最大PGV為4.62 cm/s,最大PGA為141.1cm/s2,最大儀器烈度為6.1。此次地震距離震中最近的臺站是Q0014,為3.6 km,而它不是烈度最大的站點,這主要是因為不同站點的場地條件不同,致使測定的儀器烈度有所區別,此外還有衰減關系的影響[22]。

圖9 PGA(a)、PGV(b)和儀器烈度(c)分布圖Fig.9 PGA(a), PGV(b) and instrument intensity(c) distribution maps

4 結 論

經過近5年的建設,新疆地震預警與烈度速報系統建設項目已順利通過驗收,目前正由試運行階段逐步轉為正式運行階段,向公眾提供預警信息服務。本文中詳細介紹了新疆地震烈度速報與預警系統的總體構架、建設過程以及建成后的效能評估,并通過實際震例評估該系統的性能。

本文中介紹了新疆預警網的臺站觀測系統、預警處理系統和信息發布系統,并對預警信息生成規則進行簡單描述。為了保證預警結果更加穩定和準確,目前設置較為嚴格的觸發策略,后期隨著系統的運行,該策略也將不斷的優化完善。此外討論了該系統在新疆巴楚MS4.6地震過程中的處理性能,以及烈度速報的產出狀況。

雖然在試運行期間新疆地震烈度速報與預警系統暴露出了一些局限性,如EEW觸發偏慢,部分站點儀器穩定性差等,這需要在未來進一步升級改善,但總體結果表明該系統表現出了較為穩健的性能,特別是在站點分布較為集中的區域,具備可靠的事件檢測和預警信息發布的能力。由于地震烈度速報與預警系統的建設是新疆地區有史以來第一次對外提供預警信息服務,需要不斷總結相關震例,同時不斷的完善和優化該系統,地震預警信息也將更加準確,盲區半徑將不斷縮小,對重點預警區內發生的大地震做出有減災時效的預警信息發布。