新疆地震预警与烈度速报系统建设及效能评估①

魏 斌, 张志斌,2, 乌尼尔, 赵晓成, 丁新娟

(1.新疆维吾尔自治区地震局,新疆 乌鲁木齐 830011; 2.成都理工大学,四川 成都 610059)

地震预警是有效减轻地震灾害的重要手段之一[1],地震预警系统的建设可以追溯到20世纪60年代。世界上第一个地震预警系统建在日本,主要用于铁路系统的预警[2]。随后墨西哥的SASMEX预警系统成为第一个向公众提供地震预警服务的系统,此后日本在全国范围内实施了地震预警系统的建设,目前中国台湾、韩国、土耳其等国家相继开展了预警系统的建设,并对公众提供服务[3-5]。美国的shake alert系统也于2021年启动,用于监测美国西海岸的地震[6]。中国是在2008年汶川8.0级地震后提出了建设全国性地震预警系统的要求。经过地震研究学者长期不断努力,地震预警系统可行性研究以及多套示范系统的验证,中国地震烈度速报与预警工程在2018年底启动实施,该项目总投资19.5亿元,计划用5年的时间完成建设,项目选取了首都圈、南北地震带、东南沿海地区、新疆天山中段和西藏拉萨5个区域做为该系统建设的重点预警区,对外提供预警服务。

新疆地处亚欧大陆腹地,是中国与亚欧各国经济、文化连接的重要窗口,随着“一带一路”倡议不断深入推进,新疆的区位优势愈发突出。同时,新疆也是地震多发区,20世纪以来,新疆境内发生6级以上地震104次,其中7级地震14次;8级地震2次,平均每年发生一次6级以上地震,地震活动主要集中在天山地震带、阿尔泰地震带和西昆仑地震带。国家地震烈度速报与预警工程新疆子项目(以下简称新疆子项目)投资1.7亿元,新疆天山中段作为全疆的政治、经济和文化中心,通过本项目的建设该区域形成地震预警能力,极大提高区域防灾减灾能力。同时,喀什做为“一带一路”中国—中亚—西亚经济走廊主要节点城市,凭借其“五口通八国,一路连欧亚”的地域优势,成为陆上丝绸之路的西大门。由于喀什所处的南天山西段重点地区大震频发,在中国地震局倡导的资金援疆,项目援疆,人才援疆,科技援疆和民生援疆的工作机制下,新疆地震局以项目援疆为契机,在考虑已有的站网布局情况下,充分发挥“三网合一”的技术优势,在南天山西段新建设420个一般站,该项目的建成,使南天山西段具备首台触发10 s内发布地震预警信息的条件,同时使新疆重点预警区的面积进一步的扩大,有效提升全疆的防灾减灾能力。

近5年来,依托国家地震烈度速报与预警工程新疆子项目的建设,在项目组全体人员的共同努力下,新疆建设完成了中亚地区规模最大的地震预警网。本文中将系统性介绍新疆地震烈度速报与预警系统(以下建成新疆预警系统)的总体架构,包含台站观测系统、预警中心系统以及紧急地震信息服务系统,并介绍现阶段预警信息产出的规则,同时评估新疆预警系统的效能,并从实际震例分析其产出结果的准确性,同时探讨现阶段该系统的局限性,为后期更好的提升该系统的稳定性提供一定的实际案例。

1 新疆预警系统的主要构成

新疆预警系统主要由台站观测系统、预警中心处理系统和信息发布系统构成,每个系统相互衔接,且各系统的正常运转对新疆预警系统的正常运转均至关重要。

1.1 台站观测系统

台站观测系统是新疆预警系统的基础,是实现预警信息正确产出的“最先一公里”。台站观测系统的建设,是我区有史以来规模最大的一次地震观测台网建设。在全疆重点区和一般区布设密度不同的观测站点,并优化配置不同类型的观测仪器,通过各类站点实时监测地面运动的速度和加速度,为地震烈度速报和预警产出提供实时、连续、可靠的观测数据。

新疆预警系统台站观测系统共建设1 398个地震台站,站点类型主要为3类,分别为基准站、基本站和一般站。其中新建1 183个,包括基准站114个、基本站169个和一般站900个。改造现有台站215个,其中基准站68个、基本站147个,站点具体分布如图1所示。

图1 新疆预警网台站分布图 Fig.1 Distribution of stations in Xinjiang Early Warning Network

其中基准站配备六通道数据采集器,三分量宽频带地震计和三分量力平衡加速度计;基本站配备三通道数据采集器和三分量力平衡加速度计;一般站配备了低成本的MEMS传感器,并集成了数据采集系统,各类站点传感器性能及相关参数在已有研究中均已介绍[7]。新疆预警系统的大多数站点均布设在人口密集的城市地区,或沿着活动性较强的断裂带布设。对于基准站,由于其是预警网的骨干台站,他们通常安装在基岩和自由场地上,远离相关的建筑结构及可能对台基噪声产生影响的设施。通常采用噪声功率谱密度来定量描述地震台站的噪声水平,但此方法与选取计算数据的时间段密切相关,随着台网密度的增加,该方法难以客观真实地反映台站噪声的整体特征,现阶段均采用无需考虑周边干扰和地震等因素的概率密度函数统计方法[8-9]。因此计算新疆预警站网所有基准站一个月的数据,并叠加绘制每个站的概率密度函数(图2),可以看出新疆预警网所有基准站的台基噪声满足仪器的自身观测频带,具备较好的观测条件。其中高频段的噪声来源主要与人文活动的强度、交通以及工业等密切相关。

图2 基准站速度计台基噪声分布图Fig.2 Datum stations noise power spectrum probability density distribution

基本站是烈度速报的核心台站,辅助开展预警,主要布设在学校、乡政府等场所,安装场地为自有场地,由于被安置在城市及周边人类活动密集的区域,主要测定站点附近的仪器烈度,为后期的烈度速报提供较为准确的信息。基准站和基本站均采用太阳能供电,并采用光纤传输。一般站直接建设在新疆铁塔的基站中,传输链路通过3G/4G无线传输,传输设备为专用的DTU,可以有效保证数据的连续性,降低维护成本。

1.2 预警中心处理系统

目前,新疆地震预警中心系统流程如图3所示。为保证后期站点运维的时效性和便利性,为每个站点独立分配唯一的IP地址,便于后期故障判断及内嵌软件升级。同时为了保证基准站和基本站数据的连续性,采用现阶段较为成熟的MPLS-VPN方式,由站点通过光纤直接传输至新疆地震预警中心。对于一般站,则是由新疆铁塔通过无线传输至上海铁塔云中心,再由上海云中心通过承载网传输至新疆地震预警中心。基准站和基本站均采用双路热备的方式接收,一般站受限于带宽的要求,采用冷备的方式。上述站点数据在预警中心汇聚后同时转发给中国地震台网中心和广东备份中心。

图3 新疆预警中心总体架构Fig.3 General structure of Xinjiang Early Warning Center

由于地震预警对时间的苛刻要求,新疆预警网所有站点均遵循低延迟的数据通讯协议,该通讯协议专门为地震预警系统设计[10]。每个站点实时传输数据均为100 Hz,由于基本站兼顾收集强震动事件的功能,为充分衔接历史强震动资料,所有配备力平衡加速度计的站点均设计本地200 Hz存数功能。为了尽可能缩短实时传输数据延时,数据包的封装模式统一由原来512字节改为256字节。在考虑数据延迟和网络负载的情况下,将数据封装的长度设置为0.5 s。

为保证预警结果的准确性和稳定性,目前新疆地震预警中心实时运行2套地震预警系统,分别为JEEW系统和EEW系统,其中JEEW系统由深圳防灾减灾技术研究院开发,EEW系统由福建省地震局开发。上述2套系统均采用基于网格划分的地震预警算法,根据实时接收的波形数据,以0.5 s为间隔进行连续的地震定位和震级估计。关于上述2个系统在事件检测、震相关联、位置估计已开展过较为详细的研究[11-12]。

目前,这2套系统产出的震级均为面波震级,即为人工测定的大震速报震级(MS)。根据已有的经验公式将测定震级转化为面波震级,该经验公式同时也在地震台网编目中使用:MS=1.13ML-1.08。为了保证预警结果产出的准确性,将2个系统设置首报触发台站为5个,即只有达到5个台站时,每个处理系统才会推送结果到决策系统。随着震后时间的推移,更多的台站到时数据被采纳,系统产出的地震位置、发震时刻和震级估计不断更新,直至达到稳定的结果。

现阶段上述2套系统均采用独立的硬件平台运行,接入的台站数量完全一致。上述任何一套系统产出的结果均发送至二级决策系统,该二级决策系统主要用于不同系统针对同一地震的产出结果进行融合分析,并根据相关规则,产出此次地震的唯一结果,并推送至一级决策系统,一级决策系统根据相同的判断标准,生成此次地震的首报预警信息,随着时间的推移进行后续的更新。各个系统和模块之间的消息交换采用ActiveMQ,集成在wildfly中(JAVA的全功能应用服务器),各预警终端或GUI(用户图形界面)都需要订阅相应的主题,然后通过MQTT(消息队列遥测传输协议)接受预警信息,同时部署专门的维护系统,用于实时监控各系统和终端的健康状态信息,对整个地震预警系统的全链条进行健康监控。

对于某一次单个地震,由于2套系统使用的预警算法不同,或者数据传输的延迟不同,同时会得到2套不同的处理结果。因此,需要预先设定相应的预警信息生成准则,将2套系统产出的结果合并为一个结果并进行一致性检查。在预警信息生成准则中,对于震中位置的确定,分两种情况考虑,第1种当出现定位结果空隙角大于180°时,即偏网地震,融合结果选择空隙角最小的结果;第2种当出现定位结果空隙角小于180°时,即网内地震,选取每个结果的前5个台站,计算平均震中距,取2套系统定位结果的最小平均震中距为基准值,决策系统选择2套系统与最小平均震中距偏差在30%以内的,同时定位台站数目多的产出结果。对于震级的选择,同样也分2种情况,一种为震级偏差在1以内,选用较大震级的产出结果;另一种为震级偏差大于1,选用2套系统产出结果的平均值。对于发震时刻的选择,遵循震中位置,即震中位置采用系统结果,发震时刻同样采用该系统的结果。

为了生成一个高可靠度的首报预警信息,尝试不同的策略设置,例如速度优先策略,只要任何一个系统产出预警结果,且所用台站数超过4个,就发布预警信息。稳定优先策略,预警系统的测定的震级是否稳定为准则,判断是否发布预警信息。在综合上述各种策略的基础上,目前新疆预警网采用的预警信息发布策略是以稳定为前提,在稳定的基础上尽可能快,即假如JEEW系统触发,在短暂等待0.5 s左右。若EEW系统未触发,则会将触发结果上传至二级决策平台,二级决策平台会上传至一级决策平台,一级决策平台会等各二级决策平台结果(中国地震台网中心、灾备系统和新疆预警中心)。若上述都没有产出EEW系统的结果,那么这个地震将不会推送至紧急信息发布平台。若任何一个二级决策系统产出EEW结果,随即生成本次地震的预警信息,推送至紧急信息发布平台,生成首报预警信息。

1.3 新疆预警发布系统建设

新疆预警发布系统的建设遵循“国—省—市”三级发布体系,在重点预警区建设12个市级发布中心,接入紧急地震信息服务终端。

当终端接收到预警信息时,会根据获得的震源参数,利用已知的烈度衰减关系计算当地的烈度,并根据预测烈度的阈值区间,以倒计时的方式发布相应的报警信息。目前,每个终端都预先定义了4个报警级别,分别为红色、橙色、黄色和蓝色。前两者被认为是灾害预警,后两者则是通知预警。对于灾害预警,报警器会发出声音,屏幕会闪烁。否则就不会有声音,终端只会显示地震信息和警报。目前,在全疆机关单位、中小学及相关公众场所部署了约500多个预警终端。由于现阶段新疆预警系统处于试运行状态,各终端并未订阅预警消息主题,只是简单的推送速报信息,随着项目完成验收各终端也将陆续接受,开展对外服务。此外,目前针对新疆预警系统的发布策略还未最终形成,相信随着更多地震事件的积累,新疆预警系统的发布策略定会完善。

2 新疆预警网的业务效能评估

新疆预警网的建成,在全疆形成了“三网合一”(速度计、加速度计和烈度仪)实时传输的地震观测台网,借助这一台网可以实时计算地震破裂过程,实时评估地震灾情,极大地推动实时地震学和灾害学的发展。

2.1 地震预警首报时间评估

在地震定位准确的前提下,由地震定位和测定震级的时间,评估地震预警首报时间。游秀珍等[13]采用网格算法对福建地区的预警首报时间评估,目前该方法在各台网得到了广泛的应用。采用相同的方法对新疆地区预警首报时间进行评估,震源深度采用10 km,考虑首台触发、台站可用率、数据打包时间及网络延时的实际情况,基于至少6台用于触发和2台用于震级计算的条件进行评估,按照10 s为分界线,得出新疆地区重点预警区的分布范围,如图4所示。受限于新疆独特的地形差异,新疆预警网台站主要分布在盆山结合部,在盆地内部和山脊线附近台站分布较少,致使该区域预警时效性较差,因此在重点区内部出现部分区域发生地震无法提供10 s内的地震预警信息。

图4 新疆地震预警首报时间评估图Fig.4 Evaluation of the time to first report of Earthquake Early Warning in Xinjiang

2.2 监测能力分析

地震台网的布局好坏和站点记录地震的能力是衡量一个台网建设质量的重要指标之一,而地震监测能力能很好的反应上述指标,是目前评判地震台网监测水平的重要标志之一[14]。目前关于地震监测能力评估已开展过诸多研究,主要包括“最优拟合度”方法、“完整性震级”方法、基于地震背景噪声水平和震级衰减关系的理论监测能力评估等多种方法[15]。本文中选用焦远碧等[16]的方法,对新疆预警网的监测能力进行分析(图5)。图5(a)展示了新疆预警网建设前新疆地区的监测能力,可以看出在预警网建设前新疆绝大部分区域监测能力只有ML2.0左右,只有在乌鲁木齐周边能实现ML1.0左右的监测能力。新疆预警网的建成,对新疆地区的监测能力有了很大的提升,特别是在天山中段地区,达到了ML1.0,在南天地区监测能力也有小幅提升。

2.3 地震预警最小震级评估

地震预警最小震级评估区别于传统的地震监测能力评估的主要特征为考虑时效性,因此在计算时,只计算网格最近的前3台或前4台测定地震参数[13],新疆地震烈度速报和与预警网预警最小震级评估采用前4台定位测定地震参数。速度计、加速度计和烈度仪融合测定地震预警最小震级的空间分布(图6)。虽然南天山西段同北天山地区一样拥有预警能力,但是其预警最小震级差别较大,在北天山地区,预警最小震级达ML1.5～2.0,只有局部天山山脉的腹部因无站点分布,达到ML3.0左右。而南天山地区则相反,大部分区域为ML3.5～4.0,只有喀什周边达到ML2.0,这反映南天山地区虽然具备预警能力,但受限于基准站数量较少,其预警的震级下线较高,这为后期进一步优化新疆预警网的站点分布提供了科学依据,同时为系统正式运行制定预警信息发布最小震级也提供了相关参考。

图6 新疆预警网预警最小震级评估Fig.6 Minimum magnitude assessment of Xinjiang Early Warning Network

3 新疆地震预警与烈度速报系统震例分析

目前,新疆地震预警与烈度速报系统未正式上线运行,但各系统均在内部实时测试,已有相关研究结果对重点预警区内的预警结果开展分析[17-18],本文中选取在测试期间新疆重点预警区内发生的最大地震为2023年8月29日16时08分42.9秒巴楚MS4.6地震,震中位置如图9所示。此次地震发生后,新疆地震预警与烈度速报系统10 s后产出第一条报预警信息,为分析本次地震2套预警结果的准确性,分别分析震后各系统每次产出震中位置、定位台站数量、预估震级误差和震源深度与正式速报结果的对比(图7)。可以看出无论是在预估震级的误差、震源深度的误差、震中位置的误差和定位台站的个数上,JEEW系统都优于EEW系统,这为后期EEW系统的优化升级提供相关震例分析。同时由图7(a)和(d)可以看出,在震后6 s 左右,JEEW系统产出的震级和震中位置已接近于正式速报结果,因为新疆预警系统设置的发布策略为2套系统均触发,因此在震后10.5 s,EEW产出震中位置,预警系统立即发布预警信息,如果单纯考虑一套系统的触发策略,此次地震在震后6 s左右即能发出预警信息。

图7 2套预警系统定位结果对比分析图(a) 2套系统产出预估震级偏差 (b) 2套系统产出使用台站数量(c) 2套系统产出震源深度误差 (d) 2套系统定位误差Fig.7 Comparison and analysis of positioning results of two early warning systems

地震预警系统的重要产出指标是震中位置和震级,震中位置的测定在台网密度足够的情况下,采用P波到时即能给出较为准确的震中。而震级的测定是利用初至P波预警参数与震级的经验公式实现,是地震预警系统中关键难题之一[19-21]。为此分析此次地震每套系统每个台站定位震级偏差,由于JEEW最终产出震级采用各站点的平均震级,而EEW采用地震烈度和震级的经验公式,因此JEEW产出震级和各子台站测定的震级相关性较高。同时和最终的产出的预警震级偏差也较小,而EEW相关性较差,这可能是由于现阶段系统采用的地震烈度和震级的经验公式为全国的平均模型,而该经验公式在每个区域有一定的独立性,因此后期随着震例的增加,尽快得出新疆区域的地震烈度和震级的经验公式显得尤为必要(图8)。

图8 各台站测定震级与系统震级的偏差(a) JEEW系统产出预警震级和各子台产出震级 (b) EEW系统产出预警震级和各子台产出震级Fig.8 Deviation of measured magnitude from systematic magnitude at each station

此外,对于此次地震产出的烈度速报结果如图9所示,根据产出结果分别绘制PGV、PGA和仪器烈度,可以看出此次地震最大PGV为4.62 cm/s,最大PGA为141.1cm/s2,最大仪器烈度为6.1。此次地震距离震中最近的台站是Q0014,为3.6 km,而它不是烈度最大的站点,这主要是因为不同站点的场地条件不同,致使测定的仪器烈度有所区别,此外还有衰减关系的影响[22]。

图9 PGA(a)、PGV(b)和仪器烈度(c)分布图Fig.9 PGA(a), PGV(b) and instrument intensity(c) distribution maps

4 结 论

经过近5年的建设,新疆地震预警与烈度速报系统建设项目已顺利通过验收,目前正由试运行阶段逐步转为正式运行阶段,向公众提供预警信息服务。本文中详细介绍了新疆地震烈度速报与预警系统的总体构架、建设过程以及建成后的效能评估,并通过实际震例评估该系统的性能。

本文中介绍了新疆预警网的台站观测系统、预警处理系统和信息发布系统,并对预警信息生成规则进行简单描述。为了保证预警结果更加稳定和准确,目前设置较为严格的触发策略,后期随着系统的运行,该策略也将不断的优化完善。此外讨论了该系统在新疆巴楚MS4.6地震过程中的处理性能,以及烈度速报的产出状况。

虽然在试运行期间新疆地震烈度速报与预警系统暴露出了一些局限性,如EEW触发偏慢,部分站点仪器稳定性差等,这需要在未来进一步升级改善,但总体结果表明该系统表现出了较为稳健的性能,特别是在站点分布较为集中的区域,具备可靠的事件检测和预警信息发布的能力。由于地震烈度速报与预警系统的建设是新疆地区有史以来第一次对外提供预警信息服务,需要不断总结相关震例,同时不断的完善和优化该系统,地震预警信息也将更加准确,盲区半径将不断缩小,对重点预警区内发生的大地震做出有减灾时效的预警信息发布。