單臺地震預警實時方位角估算應用分析

朱夏樂+柴森+劉超+彭宇

摘要：地震動的預測需要地震的震中位置信息，實時監(jiān)測地震波并快速給出地震的準確定位信息，可以在地震發(fā)生時盡快地給出地震可能影響的范圍。單臺站方位角估算可以在地震P波到達的幾秒內就給出估算的方位角結果，能夠滿足地震預警時效性的要求。本文將偏振分析計算方位角算法應用到實際工程中，并分析了誤差出現(xiàn)的原因以及改進的思路。

Abstract： Earthquake prediction requires location information of earthquake epicenter， and real-time monitoring of the earthquake wave and accurate location information of the earthquake can give the scope of earthquake affected. as soon as possible when the earthquake occurs. Single-station azimuth estimation can give the estimated azimuth angle results in a few seconds after the earthquake P wave arrival， and can meet the requirements of earthquake early warning timeliness. In this paper， the polarization analysis algorithm is applied to the practical engineering， and the reason of the error and the improvement of the method are analyzed.

關鍵詞：地震預警；方位角；協(xié)方差矩陣

Key words： earthquake early warning；azimuth；covariance matrix

中圖分類號：P315 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）29-0220-02

0 引言

地震震中位置估算的準確性直接影響到后續(xù)地震影響范圍的估計，因此其研究具有重要意義。主流的地震定位方式為保證定位準確性，一般依賴于3臺及以上的臺站數(shù)據(jù)進行多臺站定位。但多臺估算方法對于實時、快速地震定位來說受到耗時高、算法原理本身（速度模型，拾取誤差）等因素制約。而單臺站具有耗時少，計算快的特點[1][2]，因此研究單臺站方位角估算是具有意義的。

1 數(shù)據(jù)來源

本文所用的數(shù)據(jù)如表1所示，選自2014年四川省崇義地震臺站（N30.9095，E103.7251）所記錄的25組三分量地震加速度數(shù)據(jù)，震級為3.0～6.3級，震中距為50～400km，方位角為10°～350°所有數(shù)據(jù)均通過STA/LTA方法[3]、AIC方法[4]進行拾取。

2 方法原理

3 算法測試

對于方位角計算，對三分向地震數(shù)據(jù)經(jīng)過4階Butterworth（0.5～5Hz）帶通濾波處理，直接采用加速度進行方位角計算，計算所得到的結果與真實值的對比如表2所示。

本次測試利用偏振方法估算方位角效果較好，測試結果的最大偏差為160°，最小誤差為0.6°，平均誤差32.42°。

將計算結果成圖進行對比，如圖1所示，圖1（a）中虛線之間表示估算誤差允許的范圍（-30°～30°），圖1（b）為誤差折線圖。圖1中可以直觀看出，除少量數(shù)據(jù)的計算結果有較大的誤差外，其余偏差基本在30°以內。

4 結論

在上文試驗計算結果中，分析估算結果誤差較大的原因如下：SNR較低的數(shù)據(jù)定位結果誤差較大，該方法本質是基于統(tǒng)計的方法，計算數(shù)據(jù)長度根據(jù)經(jīng)驗選擇（3s），數(shù)據(jù)內噪聲強度會影響定位結果。從加速度計正南或者正北方向傳達的地震波引起數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣偏振不明顯，會出現(xiàn)導致定位誤差較大的情況。

為進一步改進預測結果，可采用以下兩種措施進行算法改進：對于不同的地震，采用不同的時間窗口進行研究，例如考慮采用地震P波到達以后的半個周期的數(shù)據(jù)長度進行方位角估算?？梢詫⒓铀俣葦?shù)據(jù)積分到速度或者位移進行方位角的計算。

綜上，單臺協(xié)方差矩陣求方位角有一定的準確性，估算結果離散性較大。但是，該方法可以快速地估算地震方位角，并且能夠通過后續(xù)的數(shù)據(jù)信息對結果進行修正。因此可以作為多臺站（特別是臺網(wǎng)呈線性分布）實時地震定位的輔助手段。

參考文獻：

[1]野田俊太，山本俊六，佐藤新二.早期地震検知における地震諸元推定方法の精度および即時性向上[J].鉄道総研報告，2011，25（7）.

[2]劉西強，李霞，蔡寅，趙瑞，李紅，周彥文，等.基于單臺P波初始記錄的地震震中和震級快速測定方法研究[J].地震研究，2011，

35（4）.

[3]Allen R M， Kanamori H. 2003. The potential for earthquake early warning in southern California [J]. Science， 300（5620）：786- 789.

[4]宋維琪，呂世超.基于小波分解與Akaike信息準則的微地震初至拾取方法[J].石油物探，2011，50（1）：15-21.

[5]Alessandtini， B.， M. Cattaneo， M. Demartin， M. Gasperini， and V. Lanza. A simple P-wave polarization application to earthquake location， Ann. Geofisc.[J]. 1994，37：883-897.