南加州地震中心寬帶平臺(tái)V14.3模擬方法驗(yàn)證*

?

南加州地震中心寬帶平臺(tái)V14.3模擬方法驗(yàn)證*

Douglas S Dreger1)，Thomas H Jordan2)

1) Berkeley Seismological Laboratory, University of California，

Berkeley，California 94720 USA

2) Southern California Earthquake Center, University of Southern

California，Los Angeles，California 90089 USA

本專題用8篇論文來(lái)描述地震地面運(yùn)動(dòng)寬帶模擬方法的最近進(jìn)展以及基于記錄數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑u(píng)價(jià)。 在工程地震學(xué)中，“寬帶”就是指周期從小于0.1 s到大于10 s的地震記錄。 科學(xué)研究和工程都對(duì)寬帶模擬感興趣, 因?yàn)樗鼈冊(cè)诘卣饎?dòng)預(yù)測(cè)中能提供完整的時(shí)間歷程，尤其是對(duì)觀測(cè)地震記錄圖采樣不好的參數(shù)范圍。

本專題由南加州地震中心(Southern California Earthquake Center，SCEC)負(fù)責(zé)，太平洋地震工程研究(Pacific Earthquake Engineering Research，PEER)中心協(xié)作，目的是驗(yàn)證寬帶模擬方法在工程應(yīng)用方面采取的重要措施。 該項(xiàng)目受到兩個(gè)危險(xiǎn)性模擬的驅(qū)動(dòng)，即美國(guó)西南部(South Western United States ，SWUS)的地震動(dòng)特征項(xiàng)目和太平洋地震工程研究中心的北美中東部下一代衰減(NGA-East)項(xiàng)目。 這兩個(gè)項(xiàng)目都需要模擬來(lái)補(bǔ)充約束地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程(ground-motion prediction equations，GMPEs)并表征其認(rèn)知的不確定性。

Goulet等[1]的第1篇論文描述了本研究的目標(biāo)和計(jì)劃。 驗(yàn)證分兩部分進(jìn)行： 即針對(duì)歷史地震記錄(A部分)和受觀測(cè)數(shù)據(jù)良好約束的地面運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方程的烈度估計(jì)(B部分)。 驗(yàn)證指標(biāo)完全基于RotD50烈度指標(biāo)，定義5%阻尼比、 水平方向均勻分布的單自由度線性振子的偽譜加速度(pseudospectral acceleration，PSA)響應(yīng)的中值。 因而，RotD50是振子周期的函數(shù)，振子周期變化范圍是0.01～10 s，不依賴記錄水平地面運(yùn)動(dòng)的傳感器方向。

本項(xiàng)目只評(píng)價(jià)重現(xiàn)PSA均值模擬方法的能力，不考慮離差指標(biāo)。 A部分比較了模擬的PSA均值和在加州、 日本與北美東部具有良好記錄的12個(gè)地震的數(shù)據(jù)。 每個(gè)地震由200 km內(nèi)40個(gè)臺(tái)站經(jīng)過(guò)場(chǎng)地校正的RotD50數(shù)據(jù)表達(dá)。 B部分比較了模擬的PSA值和中等距離(20 km和50 km)的中等震級(jí)(MW5.5～6.6)地震的GMPE的平均估值。 0.01～3 s周期的GMPE平均值由2008年NGA-West模型中的4個(gè)平均值計(jì)算獲得。

本項(xiàng)目評(píng)價(jià)了4個(gè)在2014年3月版的南加州地震中心寬帶平臺(tái)(BBP V14.3)上實(shí)施的有限斷層模擬方法。 Maechling等[2]描述了這個(gè)開源計(jì)算平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)、 工作流程與文件結(jié)構(gòu)及其基本軟件功能。 該平臺(tái)的開發(fā)為使用包括震源表達(dá)和結(jié)構(gòu)模型在內(nèi)的通用輸入?yún)?shù)集的寬帶模擬方法之間的可重現(xiàn)性比較提供了可控的計(jì)算環(huán)境。 平臺(tái)根據(jù)用戶指定的工作流程安排計(jì)算順序，以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出模擬結(jié)果----地震圖、 PSA值和各種驗(yàn)證指標(biāo)。 通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化組件之間數(shù)據(jù)交換的文本文件格式來(lái)確保異構(gòu)組件代碼之間的互用性。

數(shù)年的軟件研發(fā)已經(jīng)形成了現(xiàn)今成熟的計(jì)算平臺(tái)，它是可靠的而且足以經(jīng)得起面向工程的各種驗(yàn)證。 本專題描述的驗(yàn)證由南加州地震中心軟件工程師在南加州大學(xué)高性能計(jì)算中心進(jìn)行，而不是模型研發(fā)者在他們自己的機(jī)器上進(jìn)行。

2013年6月對(duì)使用較早版本的南加州地震中心寬帶平臺(tái)(BBP V13.6)的美國(guó)西南部項(xiàng)目進(jìn)行了初步驗(yàn)證。 驗(yàn)證與Goulet等[1]一樣也包含兩部分，但它使用了較大的模擬方法(5個(gè)模型)和較小的歷史地震數(shù)據(jù)(7個(gè)事件)。 南加州地震中心召集的7名成員組成專家組討論評(píng)價(jià)了該結(jié)果并且將討論會(huì)的書面報(bào)告提供給模擬方法的作者[3]，且允許他們修改、重新提交程序代碼并入寬帶平臺(tái)(BBP V14.3)。

本專題的論文總結(jié)了4種表現(xiàn)突出的BBP V14.3方法，包括對(duì)模型研發(fā)及最近修改模型的原始出版物的引用。 Atkinson和Assatourians[4]使用了跨越整個(gè)頻段地震圖的隨機(jī)表達(dá)。 其他3種方法在低頻部分(<1 Hz)使用了確定的格林函數(shù)。 Crempien和Archuleta[5]的方法在很大程度上是確定性的，它根據(jù)動(dòng)態(tài)破裂模擬導(dǎo)出的運(yùn)動(dòng)學(xué)震源參數(shù)之間的相關(guān)函數(shù)生成高頻(>1 Hz)運(yùn)動(dòng)。 Graves和Pitarka[6]與Olsen和Takedatsu[7]采用不同隨機(jī)技術(shù)的混合方法模擬高頻。 出于完整性考慮，這里也描述了參與BBP V13.6驗(yàn)證的第5種方法[8]，但它對(duì)V14.3的驗(yàn)證既沒(méi)有修改也沒(méi)有做重新評(píng)估。

Dreger等[9]給出了南加州地震中心專家組對(duì)BBP V14.3的評(píng)價(jià)結(jié)果。 專家組審查了每個(gè)研發(fā)者提供的文件，文件包括方法的技術(shù)信息、 他們方法適應(yīng)性(如，震級(jí)和距離范圍)的自我評(píng)價(jià)和對(duì)結(jié)果的評(píng)價(jià)。 第2次研討會(huì)給專家組提供了一次向研發(fā)者提問(wèn)題并討論技術(shù)細(xì)節(jié)的機(jī)會(huì)。 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括指定的性能閾值、 偏差程度和已經(jīng)出版的GMPE的比較。

根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)，Dreger等[9]得出結(jié)論： 對(duì)加州和類似的活動(dòng)構(gòu)造區(qū)域，在地震驗(yàn)證的震級(jí)范圍(MW5.4～7.2)內(nèi)，4種BBP V14.3方法適用于0.01～3 s周期的中值PSA寬帶模擬。 推薦應(yīng)用于震源幾何和破裂方向?qū)Φ孛孢\(yùn)動(dòng)影響的量化。 他們還得出結(jié)論： BBP V14.3驗(yàn)證太有限，以至于不能驗(yàn)證應(yīng)用于像北美中東部這樣穩(wěn)定的大陸地區(qū)的方法，但這些模擬可以用于量化僅用觀測(cè)數(shù)據(jù)難以得到的一些相對(duì)影響和標(biāo)度關(guān)系。

文獻(xiàn)來(lái)源： Douglas S Dreger，Thomas H Jordan. Introduction to the focus section on validation of the SCEC broadband platform V14.3. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1): 15-16. doi:10.1785/0220140233

(甘肅省地震局楊國(guó)棟譯)

(譯者電子信箱，楊國(guó)棟： yanggd@gsdzj.gov.cn)

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Goulet C A，Abrahamson N A，Somerville P G，et al. The SCEC broadband platform validation exercise for pseudo-spectral acceleration: Methodology for code validation in the context of seismic hazard analyses. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)： 17-26. doi:10.1785/0220140104

[2] Maechling P J，Silva F，Callaghan S，et al. SCEC broadband platform: System architecture and softwar implementation. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)； 27-38. doi:10.17850220140125

[3] Dreger D C，Beroza G C，Day S M，et al. Evaluation of the SCEC broadband platform phase 1 ground motion simulation results. Southern California Earthquake Center Report. 2013: 33

[4] Atkinson G M，Assatourians K. Implementation and validation of EXSIM (a stochastic finite-fault ground-motion simulation algorithm) on the SCEC broadband platform. Seismol.Res. Lett.，2015，86(1)： 48-60. doi:10.1785/0220140097

[5] Crempien J G F，Archuleta R J. UCSB method for broadband ground motion from kinematic simulations of earthquakes. Seismol. Res. Lett., 2015，86(1)： 61-67. doi:10.1785/0220140103

[6] Graves R，Pitarka A. Refinements to the Graves and Pitark (2010) broadband ground motion simulation method. Seismol. Res.Lett.，2015，86(1): 75-80. doi:10.1785/0220140101

[7] Olsen K，Takedatsu R. The SDSU broadband ground motion generation module BBtoolbox Version 1.5. Seismol. Res.Lett.，2015，86(1)： 81-88. doi:10.1785/0220140102

[8] Anderson J G. The composite source model for broadband simulations of strong ground motions. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1): 68-74. doi:10.1785/0220140098

[9] Dreger D C，Beroza G C，Day S M，et al. Validation of the SCEC broadband platform v14.3 simulation methods using pseudo spectral acceleration data. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)： 39-47. doi:10.17850220140118

中圖分類號(hào)：P315.8；

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.010

* 收稿日期：2016-02-02； 采用日期： 2016-02-15。

SRL專題介紹(Ⅰ)

編者按： 2015年Seismological Research Letters共出版了5個(gè)專題，《國(guó)際地震動(dòng)態(tài)》分兩期將這5個(gè)專題的序言翻譯介紹給讀者。 2016年以后，Seismological Research Letters每出版一個(gè)專集，我們會(huì)及時(shí)將它們介紹給大家。