CN108562933A - 一种融合多类数据源的震级快速估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种融合多类数据源的震级快速估计方法。针对多种预警震级计算方法适用范围的不同，提出联合利用高频GPS、强震动及测震多类型数据快速测定震级的方法。解决了仅使用单一方法测定震级时容易出现误报的问题，以及利用P波初始记录测定震级时出现震级的饱和问题，实现地震震级的动态、持续测定，最大程度的提高了震级估计的准确性，能够应用于地震预警系统，从而有效的降低系统的误报率。

Description

一种融合多类数据源的震级快速估计方法

技术领域

本发明涉及防震减灾技术领域，特别是一种融合多类数据源的震级快速估计方法。

背景技术

我国是世界上多地震国家之一，近几年强震频发，2008年5月12日汶川8.0级地震、2010年4月14日玉树7.1级地震和2013年4月20日芦山7.0级地震的发生，对当地的经济社会发展产生了巨大的影响，对人民生命和财产造成了严重的损失。

地震预报没有实现重大突破的今天，地震预警系统是世界上公认的能够有效减轻地震灾害的新技术手段之一。地震预警系统利用地震波传播速度远小于电磁波的原理，通过快速分析地震监测台网实时数据，在具有破坏性的S波到达预警目标区之前发布地震预警信息，提醒人们紧急避险，同时对重要工程设施进行紧急处置，从而达到减轻地震灾害的目的。

震级(M_s)的快速估计是地震预警系统中最关键的部分，同时也是最困难的技术环节。预警震级估计的准确性直接影响到极震区及预警区的烈度预测，从而关乎是否对预警区发布预警信息的策略选择，是地震预警系统产生误报和漏报的重要因素。然而，由于预警信息发布的实时性要求，预警震级的计算仅能使用最先触发的几个台站初至波数据，传统常规的利用多个台站的面波信息计算震级的方法并不适用于地震预警系统，因此震级的快速估计也成为地震预警系统中最困难的技术环节。

目前，国际上比较常用的测定实时震级的方法主要分为两种，即利用测震或强震动台站记录的P波前几秒数据的卓越周期计算震级的τ_c方法和量取P波前几秒数据最大幅值计算震级的P_d方法。两种方法均可以在地震破裂过程没有结束之前，快速估计整个地震的震级规模。从τ_c和P_d方法适用范围来看，独立使用一种方法测定震级存在一定的局限性。

(1)τ_c方法更适用于震级偏高的地震事件，对于中强以下的地震(M_s≤4.5)不敏感。P_d方法受到震中距的影响，对于部分震中台站较少记录的地震事件，测定的震级信度较低。

(2)对于计算的较大地震(M_s≥6.5)，两种方法都会出现震级饱和的现象，计算得到的震级偏低，识别率不稳定，容易出现误报的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种融合多类数据源的震级快速估计方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种融合多类数据源的震级快速估计方法，利用测震、强震动及高频GPS实时数据，当检测到第一个站点地震事件后，进入以下地震震级测定步骤：

1、阈值触发判断

首先对测震及强震动台站产出实时数据流进行地震事件触发判断，在满足三个触发台站的空间集中性后，对测震与强震动垂直向数据分别进行一次和二次积分得到位移记录，并利用Butterworth高通滤波器对数据进行滤波处理，检测触发的三个台站中是否有一个台站同时满足τ_c和P_d阈值(对于M_s＝3.0级地震，设定τ_c和P_d的阈值分别为0.2s和5μm)，τ_c为记录数据的卓越周期，P_d为记录数据的最大幅值，τ_c计算公式见式(1)：

式中，u和分别代表高通滤波后台站垂直向地动位移和速度；

如果有一个台站达到阈值条件，将锁定此事件为一个需要发布地震预警的地震事件，随后计算各个触发台站的τ_c和P_d；

2、逐秒震级计算

当锁定一个地震事件后，对触发台站的实时数据流中的每一秒的数据包进行分析，计算τ_c和P_d，去除超出一倍标准差的异常数据，计算预测震级，是根据触发各个台站τ_c的平均值计算得到的震级，计算公式见式(2)：

M_pd是根据震中距80km以内的所有触发台站的最大P_d值计算得到的震级，计算公式见式(3)：

式中，Δ为震中距；

取和M_pd均值作为实时震级M_re；

3、GPS震级校正

当M_re≥6.5时，搜索震中附近是否有GPS台站触发，如有GPS台站触发，获取GPS台站的最大地面位移，由震中距得量规函数值，计算各个台站的GPS震级M_GPS，M_GPS计算公式见式(4)：

M_GPS＝Log(A/T)+1.66Log(Δ)+3.3 (4)

式中，A为绝对位移的最大振幅，T为最大振幅对应的周期，Δ为震中距；

取各个台站M_GPS均值对原发布震级进行更新校正；

4、震级最终确定

当所有触发台站的数据长度满3s，将计算得到的各个GPS台站M_GPS均值作为最终震级M_re发布。

优选地，式(2)与τ_c的统计关系由中国大陆247条地震记录计算得到。

优选地，式(3)与P_d的统计关系由中国大陆247条地震记录计算得到。

与现有技术相比，本发明有益效果：

本发明针对多种预警震级计算方法适用范围的不同，提出联合利用高频GPS、强震动及测震多类型数据快速测定震级的方法。解决了仅使用单一方法测定震级时容易出现误报的问题，以及利用P波初始记录测定震级时出现震级的饱和问题，实现地震震级的动态、持续测定，最大程度的提高了震级估计的准确性，能够应用于地震预警系统，从而有效的降低系统的误报率。

附图说明

图1是本发明震级快速估计方法流程图。

图2是2013年4月20日四川芦山7.0级地震震级快速估计过程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种融合多类数据源的震级快速估计方法，包括以下步骤：

步骤1：阈值触发判断

首先对测震及强震动台站产出实时数据流进行地震事件触发判断，在满足三个触发台站的空间集中性后，对测震与强震动垂直向数据分别进行一次和二次积分得到位移记录，并利用Butterworth高通滤波器对数据进行滤波处理，检测触发的三个台站中是否有一个台站同时满足τ_c和P_d阈值(对于M_s＝3.0级地震，设定τ_c和P_d的阈值分别为0.2s和5μm)；

τ_c为记录数据的卓越周期，P_d为记录数据的最大幅值，τ_c计算公式见式(1)：

式中，u和分别代表高通滤波后台站垂直向地动位移和速度；

如果至少有一个台站达到阈值条件，将锁定此事件为一个需要发布地震预警的地震事件，随后计算各个触发台站的τ_c和P_d；

步骤2：逐秒震级计算

当锁定一个地震事件后，对触发台站的实时数据流中的每一秒的数据包进行分析，计算全部触发台站的τ_c，去除超出一倍标准差的异常数据，取τ_c平均值，计算预测震级计算公式见式(2)：

计算震中距80km以内的所有触发台站的最大P_d值，计算预测震级M_pd，计算公式见式(3)：

式中，Δ为震中距；

取和M_pd均值作为实时震级M_re；

步骤3：GPS震级校正

当M_re≥6.5时，搜索震中附近是否有GPS台站触发，如有GPS台站触发，获取GPS台站的最大地面位移，由震中距得量规函数值，计算各个台站的GPS震级M_GPS，M_GPS计算公式见式(4)：

M_GPS＝Log(A/T)+1.66Log(Δ)+3.3 (4)

式中，A为绝对位移的最大振幅，T为最大振幅对应的周期，Δ为震中距；

取各个台站M_GPS均值对原发布震级进行更新校正；

步骤4：震级最终确定

当所有触发台站的数据长度满3s，将计算得到的各个GPS台站M_GPS均值作为最终震级M_re发布。

图2是2013年4月20日四川芦山7.0级地震震级快速估计过程图，图中4行数据分别为距离震中最近的宝兴台测震仪垂直向速度记录、距离震中最近的宝兴台强震仪垂直向加速度记录、距离震中最近的芦山站GPS三分项记录以及实时震级变化过程。图中可以清晰的看出，实时震级在测震与强震台站触发后，开始逐秒计算，计算结果为与的均值。第一秒计算震级为6.2，第二秒计算震级为7.6，第三秒计算震级为7.5。此时，震中附近GPS台站震级计算完成，计算震级为6.9。第四秒将作为最终震级进行更新修正。

显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种融合多类数据源的震级快速估计方法，其特征在于，利用测震、强震动及高频GPS实时数据，当检测到第一个站点地震事件后，进入以下地震震级测定步骤：

1)、阈值触发判断

首先对测震及强震动台站产出实时数据流进行地震事件触发判断，在满足三个触发台站的空间集中性后，对测震与强震动垂直向数据分别进行一次和二次积分得到位移记录，并利用Butterworth高通滤波器对数据进行滤波处理，检测触发的三个台站中是否有一个台站同时满足τ_c和P_d阈值，τ_c为记录数据的卓越周期，P_d为记录数据的最大幅值，τ_c计算公式见式(1)：

式中，u和分别代表高通滤波后台站垂直向地动位移和速度；

如果有一个台站达到阈值条件，将锁定此事件为一个需要发布地震预警的地震事件，随后计算各个触发台站的τ_c和P_d；

2)、逐秒震级计算

当锁定一个地震事件后，对触发台站的实时数据流中的每一秒的数据包进行分析，计算τ_c和P_d，去除超出一倍标准差的异常数据，计算预测震级。是根据触发各个台站τ_c的平均值计算得到的震级，计算公式见式(2)：

M_pd是根据震中距80km以内的所有触发台站的最大P_d值计算得到的震级，计算公式见式(3)：

式中，Δ为震中距；

取和M_pd均值作为实时震级M_re；

3)、GPS震级校正

当M_re≥6.5时，搜索震中附近是否有GPS台站触发，如有GPS台站触发，获取GPS台站的最大地面位移，由震中距得量规函数值，计算各个台站的GPS震级M_GPS，M_GPS计算公式见式(4)：

M_GPS＝Log(A/T)+1.66Log(Δ)+3.3 (4)

式中，A为绝对位移的最大振幅，T为最大振幅对应的周期，Δ为震中距；

取各个台站M_GPS均值对原发布震级进行更新校正；

4)、震级最终确定

当所有触发台站的数据长度满3s，将计算得到的各个GPS台站M_GPS均值作为最终震级M_re发布。

2.根据权利要求1所述的震级快速估计方法，其特征在于，所述τ_c和P_d的阈值设定为M_S＝3.0级地震时的τ_c和P_d值，分别为0.2s和5μm。

3.根据权利要求1所述的震级快速估计方法，其特征在于，所述式(2)中与τ_c的统计关系由中国大陆247条地震记录计算得到。

4.根据权利要求1所述的震级快速估计方法，其特征在于，所述式(3)中与P_d的统计关系由中国大陆247条地震记录计算得到。