基于閾值預警的2022年1月8日青海門源Ms6.9級地震潛在破壞區(qū)估計

何 斌，朱景寶，李山有，宋晉東

（1.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080；2.地震災害防治應急管理部重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080）

引言

地震預警是近幾年發(fā)展起來的最有效的防震減災手段之一［1］。目前各式各樣的地震預警系統(tǒng)已經(jīng)在世界上的多個國家和地區(qū)得到了快速的發(fā)展和應用，如日本、墨西哥、美國、意大利、中國等［2-7］。

從當前的預警方式來看，可以大致將地震預警劃分為現(xiàn)地預警和區(qū)域預警2 種方式［1］?，F(xiàn)地地震預警技術是利用臺站記錄到地震波初期的信息對后續(xù)即將到來的地震動峰值進行預測，因此該方法利用近場的幾個臺站可以實現(xiàn)在震源參數(shù)未知的情況下對臺站附近地區(qū)的地震破壞情況做出判斷，并快速的發(fā)出警報；然而該方法的一個顯著缺點是提供的預警信息較為有限，并且不能對離臺站較遠的地區(qū)做出判斷［8-9］。在現(xiàn)地地震預警中WU 等在其原來利用Pd預測PGV的研究基礎之上引入一個新的特征周期參數(shù)τc，并將其與幅值參數(shù)Pd聯(lián)合，通過與預先設定閾值進行比較從而實現(xiàn)對臺站附近的地震破壞情況進行判斷［10-11］。

區(qū)域預警技術首先利用臺站檢測到地震波初期的信息快速估算出震源參數(shù)，然后再根據(jù)這些參數(shù)利用地震動衰減關系來預測出地震動的影響范圍［12］，故該方法能夠為遠場地區(qū)提供更多的預警信息和時間，但由于震源參數(shù)的誤差、地震動衰減關系和場地的不確定性等因素的影響可能會造成最終的地震動預測結果與真實結果之間出現(xiàn)較大的偏差，并且在近場地區(qū)存在一定的預警盲區(qū)［13-16］。ZOLLO 等［12］延續(xù)WU等的研究，提出了一種“基于閾值的地震預警方法”，即：通過事先確定好臺站在觸發(fā)后3 s時間窗內τc和Pd這2個參數(shù)的閾值，并以此建立起只針對臺站端的地震破壞情況判別模型，然后又融合區(qū)域預警的優(yōu)勢提出了一種類似于衰減關系的Pd預測方程來預測目標場點處的Pd值，并將預測出Pd=0.2 cm 的等值圈內的區(qū)域定義為潛在破壞區(qū)，經(jīng)過多次地震的離線模擬顯示，預測出的潛在破壞區(qū)范圍與MMI（修正的麥卡利烈度）對應在Ⅶ度以上的區(qū)域有很好的吻合程度。CARRANZA 等［18］、PICOZZI 等［19］、PENG 等［20］、宋晉東等［21］、汪源等［22］也多次驗證了該方法在地震預警中應用的可行性，通過現(xiàn)有的多次離線驗證結果來看，該方法能夠在臺站觸發(fā)3 s后，在震源參數(shù)未知的情況下快速對臺站附近地區(qū)的地震破壞情況進行判斷，并根據(jù)已觸發(fā)臺站的信息利用預測方程實現(xiàn)對潛在破壞區(qū)范圍的實時估計，體現(xiàn)了2種預警方式相結合的優(yōu)勢。

北京時間2022 年1 月8 日1 時45 分，根據(jù)中國地震臺網(wǎng)中心的測定在青海省門源縣發(fā)生了Ms6.9 級地震，此次地震的震中位置大約在北緯37.77°、東經(jīng)101.26°，震源深度約為10 km。事后從當?shù)氐牡卣鹦侣劙l(fā)布會上得知，截至1 月11 日22 時，此次地震造成海北州門源、祁連、剛察和海晏等4 個縣27 個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共17 069人受災，10 人受傷。除此之外經(jīng)初步排查，此次地震還造成大量的房屋倒塌，部分非住宅用房、農牧業(yè)、工業(yè)、服務業(yè)和公共基礎設施等也都受到了不同程度的損傷。

此次地震由于在震中附近的強震記錄儀只有1臺，而烈度計數(shù)量較多，故為了防止由于儀器原因引起的誤報，因此文中根據(jù)ZOLLO 等人提出的基于閾值的地震預警方法采用由烈度計記錄的加速度數(shù)據(jù)，通過離線模擬的方式估計了此次地震的潛在破壞區(qū)范圍，旨在分析該方法應用于此次地震預警中的表現(xiàn)，并初步探索將烈度計應用于地震預警中的可行性。

1 數(shù)據(jù)

中國地震臺網(wǎng)在2022年1月8日青海門源Ms6.9級地震中共獲取了496組（1 488條）加速度記錄，其中烈度計臺站495組（1 485條）、強震儀臺站1組（3條），震中和臺站分布位置如圖1所示。

圖1 震中和臺站分布Fig.1 Distribution of epicenter and stations

由于強震儀的數(shù)量只有1臺，為了方便文中接下來的研究工作，我們選取全部由烈度計記錄的豎向加速度記錄，并進行如下處理：

（1）采用馬強等［23］提出的STA/LTA 和AIC 算法結合的方式對P 波到時進行自動撿拾，并采用人工復核的方式對P波到時點不準確的記錄進行重新校正以確保到時的準確性；對于記錄不完全或無法識別到時的記錄直接進行剔除文中不再使用。

（2）對到時點準確的加速度記錄進行積分得到速度記錄，再對速度記錄進行積分得到位移記錄，然后對2 次積分后的數(shù)據(jù)采用頻率為0.075 Hz 的高通濾波器進行濾波來進行基線校正。

（3）為保證參與計算的數(shù)據(jù)信噪比滿足需要，我們參考ZOLLO等（2010）的研究，選取Pv（P波觸發(fā)后3 s內的速度峰值）＞0.05 cm/s的數(shù)據(jù)進行計算。為此我們對此次地震數(shù)據(jù)的Pv值和震源距做如圖2所示的統(tǒng)計分析。通過分析可知：在此次地震中被觸發(fā)臺站的Pv值隨震源距的增加而快速減小，當烈度計臺站的震源距增加到54 km 時其Pv值首次降低到0.05 cm/s以下。因此我們挑選了震源距在54 km 以內、記錄完全且到時準確并由烈度計記錄的數(shù)據(jù)用于本次研究，共計有20組，其具體分布情況如圖3所示。

圖2 Pv值隨震源距的衰減關系Fig.2 Attenuation relationship between Pv and hypocentral distance

圖3 震中和選用臺站分布Fig.3 Distribution of epicenter and selected stations

2 方法

基于閾值的地震預警方法在僅使用臺站觸發(fā)后3 s時間窗內的數(shù)據(jù)時，就可以根據(jù)各觸發(fā)臺站對應的警報級別及其分布情況并利用由Pd預測方程預測出Pd=0.2 cm的等值圈范圍，2個方面同時對地震的潛在破壞區(qū)進行估計，融合了現(xiàn)地預警和區(qū)域預警2種方式的優(yōu)勢。

2.1 現(xiàn)地臺站的參數(shù)、閾值及警報級別確定

（1）參數(shù)及閾值的確定

特征周期參數(shù)τc是KANAMORI（2005）在NAKAMURI（1998）的研究基礎之上發(fā)展出的一種在P 波初始階段的特征周期參數(shù)［24-25］，其具體的計算公式如下：

式中：

式中：u(t)和分別為豎向的位移和速度時程；τ0為從P波到時點開始的時間窗長度，一般取3 s。

由于特征周期參數(shù)τc和震級M之間存在明顯的線性相關性，故采用ZOLLO 等（2010）利用意大利、日本等地的強震數(shù)據(jù)建立起來的τc和M之間的線性統(tǒng)計關系：

確定，當震級M為6時所對應的τc值為0.6 s。

參數(shù)Pd為臺站觸發(fā)后3 s內豎向的最大位移幅值，其計算公式如下：

由于參數(shù)Pd與震級、震源距和PGV之間都有良好的線性相關性［15，26］，而地震烈度又與PGV密切相關，因此可以用參數(shù)Pd來表示地震造成的破壞程度。ZOLLO等（2010）參考WALD等（1999）的研究，確定當MMI＞Ⅶ度時，地震會造成破壞［27］，而此時所對應的PGV=16 cm/s，故根據(jù)建立的Pd與PGV的統(tǒng)計關系：

確定，當MMI=Ⅶ度時，對應的Pd閾值為0.2 cm。

（2）警報級別的劃分

警報級別的劃分是通過臺站在觸發(fā)后，前3 s 時間窗內Pd與τc的計算值是否超過上述閾值來確定的，根據(jù)Pd=0.2 cm 與τc=0.6 s 的閾值組合可以將地震的破壞情況劃分為4個等級，如圖4 所示，并由此可以判斷出地震的類型及其破壞情況。表1 顯示了不同警報級別對應的Pd和τc閾值及其對應的地震類型和破壞情況。

表1 警報級別對應的閾值及其影響Table 1 Threshold corresponding to alarm level and impact

圖4 警報級別與閾值的關系Fig.4 Relationship between alert level and threshold

2.2 潛在破壞區(qū)的估計

為了得到更多有關于潛在破壞區(qū)的信息，ZOLLO 等（2010）利用周期參數(shù)τc與震級M相關但與距離不相關的特性，將τc、Pd和震源距R這3 個參數(shù)聯(lián)合提出了一種類似于Pd衰減關系的潛在破壞區(qū)預測方程，如下：

根據(jù)式（6）便可由已觸發(fā)臺站的實時τc平均值來確定任意震源距R處的Pd值或任意Pd值所對應的震源距，如：當式（6）中的Pd值為0.2 cm時，計算得到的R值即為潛在破壞區(qū)等值圈的震源距半徑［28］。

3 結果

利用篩選處理后的烈度計數(shù)據(jù)，按照上述方法對2022 年1 月8 日青海門源Ms6.9 級地震進行離線模擬，得到此次地震潛在破壞區(qū)的估計結果如圖5所示。

從圖5 中可以看出參與此次計算的20 個臺站各自對應的τc和Pd值及其對應的警報判定結果。在地震發(fā)生后約6 s左右，距離震中最近的3 個臺站分別被觸發(fā)并依次獲得3 s的地震加速度數(shù)據(jù)，經(jīng)計算3 個臺站的Pd和τc值均超過預先設定的閾值，因此這3個臺站的警報級別均被判定為3，這表明此次地震的類型為大震近震，對這幾個臺站及其附近的區(qū)域都會造成破壞?？v向對比時間軸和震源距發(fā)現(xiàn)，由于這幾個臺站距離震中位置太近，所能提供的預警時間有限，大約只有0.5 s 左右。隨著時間的增加獲取到的信息增多，我們發(fā)現(xiàn)在整體上參數(shù)Pd隨著震源距的增大而減小，而τc值與震源距之間無明顯的線性關系存在較大的離散性，這與ZOLLO 等（2010）的研究結果相符。根據(jù)τc與Pd值的計算結果確定各臺站的警報級別，最終有13個臺站達到了3級，7個臺站達到了1 級，沒有2 級和0 級的情況，且所有的1 級警報都是由于Pd小于0.2 cm 的閾值造成。此外，至于τc=0.6 s 和Pd=0.2 cm的閾值設定是否合理還需結合圖6進一步分析。

圖5 各臺站的警報級別及相關參數(shù)Fig.5 Alarm level and relevant parameters of each station

圖6 離線模擬結果Fig.6 Offline simulation results

為了評估用烈度計記錄的地震數(shù)據(jù)使用基于閾值的地震預警方法在此次地震中估計潛在破壞區(qū)的表現(xiàn)，我們選取由中國地震局針對此次地震發(fā)布的震后烈度圖作為評價標準。然而考慮到文中使用的所有閾值均是以MMI烈度為基礎建立的，因此參照《中國地震烈度表》中推薦的PGV和烈度的關系：

確定當MMI 烈度為Ⅶ度（即：PGV=16 cm/s）時，對應的中國地震烈度為I=7.37，因此我們選擇在本次地震中對應烈度在Ⅶ度及其以上的區(qū)域作為評價此次地震的潛在破壞區(qū)預測結果的對照組。

圖6顯示了在2022年1月8日青海門源Ms6.9級地震中使用基于閾值的地震預警方法離線模擬的結果。從圖6中可以看出各時間段所觸發(fā)臺站的數(shù)量及其對應的警報級別在各烈度區(qū)內的分布情況以及潛在破壞區(qū)的范圍。圖6（a）顯示了首臺觸發(fā)3 s后，共有8個臺站被觸發(fā)，警報級別均被判定為3；從圖6（a）～（c）顯示了隨著觸發(fā)臺站的增多，逐漸出現(xiàn)警報級別為1的現(xiàn)象；從圖6（d）來看，當所有選用的臺站都被觸發(fā)后，警報級別為3的臺站全部都分布在Ⅶ區(qū)以內，并且在該區(qū)域內僅有2個警報級別為1的臺站，這表明由烈度計記錄的地震數(shù)據(jù)使用基于閾值的地震預警方法判定警報級別為3的臺站分布范圍與烈度在Ⅶ度以上的區(qū)域有很好的重合度。

對于臺站外的區(qū)域我們利用式（6）根據(jù)已觸發(fā)臺站的實時τc平均值預測出Pd=0.2 cm的潛在破壞區(qū)范圍（如圖6中黑色的虛線圓圈所示）。圖6（a）顯示了首臺觸發(fā)3 s后，基于閾值的地震預警方法預測出潛在破壞區(qū)的范圍，通過與震后烈度圖對比發(fā)現(xiàn)烈度在Ⅶ度以上的區(qū)域全部位于潛在破壞區(qū)內；從圖6（a）～（d）顯示隨著觸發(fā)的臺站增多一直到所選用的臺站全部觸發(fā)，由預測公式估計的潛在破壞區(qū)范圍在逐步縮小，逐漸與Ⅶ度以上的區(qū)域出現(xiàn)較好的重合效果，這表明當所有烈度計臺站接收到3 s地震波信息時，通過閾值確定的警報級別和計算得到的潛在破壞區(qū)范圍逐漸趨于穩(wěn)定并呈現(xiàn)出較好的結果，但從圖6（d）的結果來看預測出的潛在破壞區(qū)范圍并沒有完全與實際的Ⅶ度以上的區(qū)域重合，仍存在一些被高估和低估的區(qū)域。

4 結論與討論

文中利用從中國地震臺網(wǎng)中心獲取到的地震記錄，采用基于閾值的地震預警方法，對2022年1月8日青海門源Ms6.9級地震進行離線模擬，最終得出如下結論：

（1）在地震發(fā)生后約6 s 左右，距離震中最近的3 個臺站被觸發(fā)后給出的警報級別均為3，但由于距離震中位置太近，大約為臺站附近的地區(qū)提供的預警時間只有0.5 s。

（2）在首個臺站觸發(fā)后3 s后，基于閾值的地震預警方法可以大致的判斷出潛在破壞區(qū)的范圍，并且隨著時間的增加一直到所有選用的臺站被全部觸發(fā)，預測出的潛在破壞區(qū)范圍在逐漸縮小、穩(wěn)定，最終與中國地震局發(fā)布的震后烈度圖中Ⅶ度以上的區(qū)域基本重合。

（3）由于本次離線模擬所使用的地震數(shù)據(jù)均由烈度計記錄，所以通過以上的結果分析發(fā)現(xiàn)在此次地震中，烈度計可以在地震預警的應用中，但是否擁有普適性還需更多的案例去驗證。

（4）在對本次地震的離線模擬結果中發(fā)現(xiàn)基于閾值的地震預警方法雖然可以在臺站僅接受到P 波觸發(fā)臺站后3 s時間窗內的地震波數(shù)據(jù)時，通過預先設定的2個參數(shù)閾值和潛在破壞區(qū)預測方程對地震的破壞情況進行判斷，且最終結果也與烈度圖中Ⅶ度以上的區(qū)域比較吻合。但是在該區(qū)域內仍然存在2 個警報級別為1的臺站，并且在沿著斷層破裂的方向上也存在著低估的現(xiàn)象。造成以上2個情況的原因可能是：首先對于大震而言通常具有復雜而又漫長的破裂過程，而使用的P波觸發(fā)臺站后前3 s時間窗內的數(shù)據(jù)很可能未包含地震破裂的全部信息，從而造成在預測PGV時出現(xiàn)較為嚴重的低估，進而導致預測出的潛在破壞區(qū)范圍偏小和警報級別偏低；其次由于大震破裂時的方向性效應，在沿斷層破裂的方向上也會造成PGV的低估；最后我們需要注意到的是文中所使用的基于閾值的地震預警方法是ZOLLO 等人利用意大利和日本的強震數(shù)據(jù)并以MMI 烈度為基礎建立的，然而本次地震所使用的數(shù)據(jù)均由我國烈度計記錄，因此考慮到數(shù)據(jù)質量和場地等方面的因素，在應用到此次地震中時可能還需對幾個經(jīng)驗公式和閾值進行重新校正。

致謝：感謝中國地震臺網(wǎng)中心測震臺網(wǎng)部為本研究提供數(shù)據(jù)支持。