地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)
——以內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)為例

張珂 王鑫 郝美仙 蘇柱金 劉芳

1)內(nèi)蒙古自治區(qū)地震局，呼和浩特 010080 2)廣東省地震局，廣州 510070

0 引言

地震速報(bào)是省級(jí)區(qū)域測震臺(tái)網(wǎng)的一項(xiàng)基本產(chǎn)出，它直接體現(xiàn)了地震部門防震減災(zāi)工作成效，而衡量地震速報(bào)工作質(zhì)量最重要的因素是速報(bào)人員能否快速準(zhǔn)確地測定地震事件的三要素并完成初報(bào)(鄭黎輝等，2009；張帆等，2017；郁建芳等，2014；劉平仁等，2017；劉軍等，2013；劉方斌等，2018)。在地震速報(bào)分析處理過程中，要求速報(bào)人員必須了解本省地震速報(bào)范圍并于第一時(shí)間判識(shí)出已發(fā)生地震是否屬于本省地震速報(bào)范圍。地震速報(bào)范圍是中國地震局對我國各省級(jí)測震臺(tái)網(wǎng)中心進(jìn)行地震速報(bào)工作的區(qū)域劃分(劉勝國等，2012)。

現(xiàn)階段，各省級(jí)區(qū)域測震臺(tái)網(wǎng)中心普遍通過JOPENS地震業(yè)務(wù)系統(tǒng)的Msdp地震分析與處理模塊和全國速報(bào)數(shù)據(jù)交換平臺(tái)EQIM軟件進(jìn)行地震事件分析和初報(bào)。判識(shí)省界附近及省界外地震是否屬于本臺(tái)網(wǎng)中心速報(bào)范圍仍利用上述已有的技術(shù)系統(tǒng)，即是對已發(fā)生地震進(jìn)行震相識(shí)別并采用外掛定位程序給出定位結(jié)果，然后通過EQIM軟件調(diào)取定位計(jì)算結(jié)果，在軟件的矢量化震中地圖中手動(dòng)量取震中位置距本省邊界的距離，根據(jù)震級(jí)大小和速報(bào)規(guī)定，人工判斷是否需要速報(bào)，完成初報(bào)流程。上述判斷速報(bào)范圍的方法嚴(yán)重影響了地震速報(bào)的時(shí)效性。尤其對于內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)，其行政區(qū)域邊界極不規(guī)則，速報(bào)責(zé)任區(qū)較大，內(nèi)鄰8個(gè)省份，外接蒙古、俄羅斯，且速報(bào)范圍內(nèi)的地震震相特征也較為復(fù)雜(郝美仙等，2015、2016；宋曉燕等，2018)，速報(bào)人員需要花費(fèi)較多時(shí)間去完成地震事件的分析處理。目前人工判識(shí)省界附近及省界外地震是否屬于本臺(tái)網(wǎng)中心速報(bào)范圍的方式大大降低了內(nèi)蒙古臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)的效率和質(zhì)量，與地震速報(bào)要求的“快”與“準(zhǔn)”相違背(吳國瑞等，2015)。

當(dāng)前關(guān)于地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的研究相對較少，且只有廣東省地震局在JOPENS系統(tǒng)內(nèi)的Msdp6.0模塊外掛了關(guān)于速報(bào)范圍的程序。其原理是利用谷歌地球(Google Earth)軟件自定義生成KML策略文件，該文件中包含多個(gè)速報(bào)范圍，并且針對每一個(gè)速報(bào)范圍可設(shè)置速報(bào)方式和震級(jí)閾值(蘇柱金等，2014；劉軍等，2011)，從而在Msdp中對地震速報(bào)范圍實(shí)現(xiàn)可視化。該方法基于谷歌地球軟件緩沖區(qū)功能實(shí)現(xiàn)，只能在Msdp6.0中應(yīng)用，而當(dāng)前全國各省臺(tái)網(wǎng)中心應(yīng)用Msdp5.2仍較多，無法實(shí)現(xiàn)地震速報(bào)范圍可視化的功能。

本文基于快速判斷確定速報(bào)責(zé)任區(qū)，在Msdp5.2系統(tǒng)中開發(fā)部署精準(zhǔn)快速的地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能，省去人工處理的環(huán)節(jié)，提高速報(bào)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

1 速報(bào)區(qū)域自動(dòng)化的原理與步驟

根據(jù)《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定(2015年修訂版)》(1)中國地震局震害防御司，2015，《地震速報(bào)技術(shù)管理規(guī)定(2015年修訂版)》，內(nèi)部資料(中震測發(fā)[2015]51號(hào)).對內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)中心地震速報(bào)范圍的規(guī)定：10min內(nèi)完成呼和浩特市M≥2.5地震、15min內(nèi)完成本行政區(qū)內(nèi)(呼和浩特市區(qū)除外)M≥2.7地震、本行政區(qū)邊線外50km范圍內(nèi)(不含本行政區(qū))M≥3.0地震、100km范圍內(nèi)(不含本行政區(qū))M≥4.0地震、200km范圍內(nèi)(不含本行政區(qū))M≥5.0 地震、300km范圍內(nèi)(不含本行政區(qū))M≥6.0地震的初報(bào)(聞軍等，2007)，利用幾何學(xué)中的包絡(luò)線原理，基于Matlab在Msdp軟件中實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)。

1.1 原理

內(nèi)蒙古地震速報(bào)區(qū)域在Msdp中的自動(dòng)確認(rèn)是基于帶有內(nèi)蒙古速報(bào)范圍的jpg格式地圖，在Msdp中完成對速報(bào)范圍的呈現(xiàn)。當(dāng)速報(bào)人員拾取地震事件的震相特征并進(jìn)行定位后，即可在Msdp的定位信息中清晰地看到震中位置所屬的速報(bào)范圍，并結(jié)合相應(yīng)的速報(bào)震級(jí)立刻判斷該事件是否需要速報(bào)。因此，地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的關(guān)鍵在于：①自動(dòng)生成具有內(nèi)蒙古地震速報(bào)范圍的地圖；②地震定位后在Msdp軟件中實(shí)現(xiàn)將震中位置顯示于帶有地震速報(bào)范圍的地圖中。

(1)

(2)

因包絡(luò)線和Cs在切點(diǎn)處的切向量互相平行，有

(3)

(4)

由式(3)、式(4)消去h′(s)，得

(5)

由式(5)可求得h(s)，從而求得包絡(luò)線方程。

根據(jù)上述原理，可在Matlab中利用一維插值函數(shù) interp1進(jìn)行3次樣條插值運(yùn)算(蘇金明等，2004；陳寶柱等，2011)，并編寫相應(yīng)算法將距離內(nèi)蒙古邊界外一定距離的包絡(luò)線繪出，取其作為相應(yīng)的速報(bào)范圍圈。

(2)生成具有地震速報(bào)范圍的地圖后，還需將其應(yīng)用在Msdp軟件中。Msdp軟件是一種地震交互分析處理軟件，由廣東省地震局在“九五”、“十五”數(shù)字測震臺(tái)網(wǎng)建成后開發(fā)(孫業(yè)君，2015)。該軟件兼有地震速報(bào)、地震編目和數(shù)據(jù)服務(wù)等功能(蘇莉華等，2012；翁少林，2007；戚浩等，2011)。為了能夠在Msdp定位系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)，需修改與完善Msdp的map與Main.cfg文件。

1.2 步驟

基于上述原理，在Matlab軟件中實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)主要分為3個(gè)步驟(圖1)：

圖 1 地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)流程

(1)以內(nèi)蒙古行政區(qū)域邊界數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，基于Matlab軟件，應(yīng)用包絡(luò)線原理，編寫相應(yīng)算法依次將省邊界外50km、100km、200km、300km的邊界繪出，并生成相應(yīng)的離散坐標(biāo)點(diǎn)文件；

(2)將Matlab產(chǎn)出的坐標(biāo)點(diǎn)文件做相關(guān)處理，在Mapsis中繪出具有本區(qū)地震速報(bào)范圍的地圖，該圖的分辨率為(3770×2724)px，經(jīng)度90°～135°E，緯度 33°～56°N；

(3)在生成速報(bào)范圍地圖的基礎(chǔ)上，解譯Msdp地震分析軟件的數(shù)據(jù)接口，編寫接口程序，將地圖外掛到Msdp程序內(nèi)的map文件內(nèi)，編寫地圖的PAR文件(圖2)，并設(shè)置msdp中main.cfg文件的Default.map、Default.map Ctl、Local. Map與Local. Map Ctl參數(shù)，從而可在Msdp中運(yùn)行該地圖，實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古地震速報(bào)范圍在msdp軟件中的自動(dòng)生成。

圖 2 地震速報(bào)區(qū)域地圖的PAR文件結(jié)構(gòu)示意圖

2 應(yīng)用與分析

為檢驗(yàn)地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的應(yīng)用效果，從內(nèi)蒙古臺(tái)網(wǎng)記錄到的地震事件中挑選出與內(nèi)蒙古接壤的2個(gè)國家的地震和7個(gè)鄰省地震(表1)。在Msdp中對挑選地震進(jìn)行重新定位，利用地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能，判定地震事件是否屬于本臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)范圍。同時(shí)，利用原有手動(dòng)量取震中位置與本省邊界間距離的方式，再次判斷是否需要對地震進(jìn)行速報(bào)，對比分析二者的一致性。

表1 內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)記錄到的9個(gè)邊界地震事件

2.1 速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的應(yīng)用

在Msdp中分別對挑選的9個(gè)地震進(jìn)行震相分析與定位，定位結(jié)果見圖3～7，定位后可在點(diǎn)陣地圖中生成可視化的地震速報(bào)范圍。各地震的定位結(jié)果如表2 所示，可清晰看出：①蒙古地震距離內(nèi)蒙邊界100km，位于M≥4.0的速報(bào)范圍圈內(nèi)(圖3)，其震級(jí)M為4.8，需要快速初報(bào)；②吉林地震距離內(nèi)蒙邊界200km，位于M≥5.0的速報(bào)范圍圈內(nèi)(圖4)，其震級(jí)M為5.3，需要快速初報(bào)；③俄羅斯地震、甘肅景泰地震、寧夏靈武地震、陜西榆林塌陷、山西大同地震、河北張北地震、黑龍江呼瑪?shù)卣鹁嚯x內(nèi)蒙邊界50km，位于M≥3.0的速報(bào)范圍圈內(nèi)(圖5～7)，其中俄羅斯地震、甘肅景泰地震、黑龍江呼瑪?shù)卣鸬恼鸺?jí)M分別為3.1、3.7、3.9，需要快速初報(bào)，而寧夏靈武地震、陜西榆林塌陷、山西大同地震、河北張北地震的震級(jí)M分別為2.7、2.2、1.1、1.7，不需要快速初報(bào)。

圖 3 Msdp軟件中蒙古地震(a)與吉林寧江地震(b)的定位結(jié)果

圖 4 Msdp軟件中俄羅斯地震(a)與甘肅景泰地震(b)的定位結(jié)果

圖 5 Msdp軟件中寧夏靈武地震(a)與陜西榆林塌陷(b)的定位結(jié)果

圖 6 Msdp軟件中山西大同地震(a)與河北張北地震(b)的定位結(jié)果

圖 7 Msdp軟件中黑龍江呼瑪?shù)卣鸬亩ㄎ唤Y(jié)果

表2 地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)方式與手動(dòng)量取方式判斷結(jié)果

圖 8 手動(dòng)測量震中位置與內(nèi)蒙邊界間距離

2.2 傳統(tǒng)手動(dòng)量取的應(yīng)用

將上述地震數(shù)據(jù)加載到Msdp中，分別進(jìn)行震相分析與定位，在確定地震三要素后，利用外掛定位程序產(chǎn)出定位計(jì)算結(jié)果，通過EQIM軟件調(diào)取定位計(jì)算結(jié)果文件，然后在軟件的矢量化震中地圖界面中手動(dòng)量取震中位置距本省邊界的距離(圖8)。根據(jù)速報(bào)規(guī)定，并結(jié)合每次地震震級(jí)，從而判斷各邊界地震是否需要快速初報(bào)。由表2 可知，蒙古地震、俄羅斯地震、甘肅景泰地震、黑龍江呼瑪?shù)卣?、吉林地震需要速?bào)，而寧夏靈武地震、陜西榆林塌陷、山西大同地震、河北張北地震則無需速報(bào)。

通過速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)功能與手動(dòng)量取方式的應(yīng)用對比，可以看出，速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能在地震三要素確定后，便可直觀清晰地看到地震所屬的速報(bào)范圍，無需調(diào)用其它程序，相較于手動(dòng)量取方法更加方便有效。同時(shí)，通過分析二者結(jié)果的一致性，進(jìn)一步驗(yàn)證了地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的可靠性。因此，實(shí)現(xiàn)速報(bào)范圍的智能化不僅能為速報(bào)人員減少速報(bào)用時(shí)，還可提高速報(bào)準(zhǔn)確度。

3 結(jié)論

通過對內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)功能的應(yīng)用，得到以下結(jié)論：

(1)對比分析地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能與目前普遍采用的手動(dòng)量取方式的應(yīng)用效果，發(fā)現(xiàn)速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能在判斷地震是否需要速報(bào)方面更加直觀與省時(shí)，且判別結(jié)果也較為可靠。因此，在Msdp軟件中實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)，解決了速報(bào)人員需人工手動(dòng)量取來判斷地震是否在本臺(tái)網(wǎng)速報(bào)責(zé)任區(qū)的實(shí)際問題，可提高測震臺(tái)網(wǎng)速報(bào)業(yè)務(wù)軟件系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。

(2)在Msdp中實(shí)現(xiàn)內(nèi)蒙古地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能，縮短了速報(bào)人員對本臺(tái)網(wǎng)的地震速報(bào)時(shí)間，同時(shí)也可改善地震速報(bào)后相關(guān)圖件的產(chǎn)出質(zhì)量，提高內(nèi)蒙古測震臺(tái)網(wǎng)地震速報(bào)工作的效率與質(zhì)量。

(3)速報(bào)范圍圈的精度會(huì)影響地震速報(bào)區(qū)域自動(dòng)確認(rèn)的應(yīng)用效果，本文地震速報(bào)區(qū)域的自動(dòng)確認(rèn)功能在判斷區(qū)外地震是否屬于本區(qū)速報(bào)范圍方面仍存在一定的誤差。今后將進(jìn)一步優(yōu)化算法，以期給出較為精確的地震速報(bào)范圍，使地震速報(bào)范圍的智能化在Msdp軟件中達(dá)到更佳的應(yīng)用效果。