广东省地震台网地震监测与预警能力评估
熊 成 1,2,3,4 ，
梁 明 2,3 ，
洪玉清 2,3 ，
张严心 2,3 ，
叶世山 2,3 ，
曾晓燕 2,3 ，
汤曜玮 2,3 ，
钱银苹 2,3
1.中国科学院广州地球化学研究所 同位素地球化学国家重点实验室，广州 510640;2.广东省地震局，广州 510070;3.中国地震局地震监测与减灾技术重点实验室，广州 510070;4.中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049
关键词： 广东地震台网 ;台间距 ;监测能力 ;地震预警
Evaluation of Earthquake Monitoring and Early Warning Capability of Guangdong Seismic Network
XIONG Cheng1,2,3,4 ，LIANG Ming2,3 ，HONG Yuqing2,3 ，ZHANG Yanxin2,3 ，YE Shishan2,3 ，ZENG Xiaoyan2,3 ，TANG Yaowei2,3 ，QIAN Yinping2,3
1.State Key Laboratory of Isotope Geochemistry ， Guangzhou Institute of Geochemistry ， Chinese Academy of Sciences， Guangzhou 510640， China;2.Guangdong Earthquake Agency ， Guangzhou 510070， China ;3.Key Laboratory of Earthquake Monitoring and Disaster Mitigation Technology，CEA，Guangzhou 510070， China;4.College of Earth and Planetary Sciences ， University of Chinese Academy of Sciences ， Beijing 100049， China
Keywords： Guangdong Seismic Network ;Station spacing ;Monitoring capacity ;Earthquake early warning
DOI : 10.13512/j.hndz.2024.03.14
国家地震烈度速报与预警工程广东子项目已建设完成，将显著提升广东省防震减灾的服务能力和水平。根据广东子项目的站网建设情况，分析了广东预警台网的地震预警能力，评估了各项关键参数。结果表明：基准站、基本站和一般站三网融合后，广东省地震台网的平均台间距为14.1km，预警重点区内预警台网的平均台间距可达到12.9km；整个广东预警台网可监测全省1.2级地震，预警重点区1.0级地震，局部重点区域监测能力可达到0.0级；全省范围内预警首报时间平均值为5.2s，预警重点区为4.3s；全省范围内烈度速报精度平均值为6.5km，预警重点区为4.4km。此研究可以为广东省预警系统的性能和效果提供合理的预期，也为进一步研究和改进预警系统提供了重要的参考依据。
The “National Seismic Intensity Rapid Reporting and Early Warning Project Guangdong Subproject”has been completed，which will significantly enhance the service capability and level of seismic disaster prevention and mitigation in Guangdong Province. In this paper， based on the construction of the station network in the Guangdong Subproject，the earthquake early warning capability of the Guangdong Seismic Network was analyzed， and several key parameters were evaluated. The results show that after the integration of base stations， basic stations，and general stations，the average station spacing of the Guangdong Seismic Network is 14.1 km，and the average station spacing of the early warning network in key warning areas can reach 12.9 km. The entire Guangdong warning network can monitor earthquakes of magnitude 1.2 throughout the province and earthquakes of magnitude 1.0 in key warning areas， and the monitoring capability in local key areas can reach magnitude 0.0. The average first warning time for the entire province is 5.2 s， and it is 4.3 s in key warning areas. The average accuracy of intensity rapid reporting for the entire province is 6.5 km， and it is 4.4 km in key warning areas. This paper provides reasonable expectations for the performance and effectiveness of the Guangdong warning system， and is an important reference for further research and improvement of the early warning system.
引言
地震是群灾之首，一旦在城市附近发生破坏性地震，将对人民的生命财产、重大基础设施和生命线工程造成严重危害。根据目前的科技水平，准确预报地震依然是短期内难以实现的世界难题。因此，现阶段必须做好地震监测和震害防御工作。基于实时观测台网的地震预警和烈度速报系统是减轻地震灾害的有效措施。地震预警是指在地震发生以后，抢在地震波传播到设防地区前，向设防地区提前几秒至数十秒发出警报，从而有效地减少地震灾害带来的生命财损失。世界上已有多个国家和地区建成或正在建设地震预警系统[1-6] ，积累了许多经验。2015年6月，我国正式启动建设“国家地震烈度速报与预警工程”。工程建成后，预计在震时将为重灾区位置和灾情分布的快速判定，社会公众的紧急逃生避险，各类重大工程的紧急处置和政府救灾决策等提供服务，显著减轻直接地震灾害及次生灾害的损失。
“国家地震烈度速报与预警工程”建设过程中，综合考虑历史地震分布、政治、经济等因素，划分了华北、南北地震带、东南沿海、天山中段和西藏拉萨地区等预警重点区。广东省大部分区域位于东南沿海重点区，因此广东地区的预警项目建设的各项技术指标的标准也相对较高。根据国家地震烈度速报与预警工程广东子项目实施方案，广东子项目（省级预警中心）由台站观测系统、数据处理系统、紧急地震信息服务系统、通信网络系统、技术支持与保障系统组成，现已完成全部建设任务，并于2023年8月23日完成试运行。本文主要阐述了对广东省地震烈度速报与预警工程项目台网布局、台站监测能力、预警首报时间和烈度速报精度等技术指标进行了分析，合理评估台网预警效果的同时，也为进一步研究和改进预警系统提供了重要的参考依据，并为防震减灾工作提供技术服务。
1 研究方法与原理
1.1 台间距
根据台站的分布位置利用三角剖分法将研究区划分为最接近于规则化的三角网，每个台站都位于三角形的顶点，所有三角形互不重叠，没有相交边。将所有三角形边长的平均值作为整个地震台网平均台间距，将每个三角形的顶点所连接的边长的平均值作为该点的台间距。因此，利用三角剖分法划分台网可以定量的描述区域整体和单点的精确台站间距。图1 为计算台间距的示意图，黑色三角形为随机生成的台站位置，利用三角剖分法对台网进行划分，黑色实线和红色实线为台站间距，所有实线的平均值为整个台网的平均台间距，台站sta01连接的5条红色的平均值为该点的平均台间距。
1.2 地震监测能力
利用广东预警台网各站网的噪声水平，可以计算各站网在全省的监测能力。本文根据广东省边界的经纬度范围划定监测范围（109°～118°E， 19°～26°N），然后按照0.05°的固定间距将监测范围网格化，可得到多个网格点。假设每个网格点位震中位置，利用地震台网测定近震体波震级的公式可得到各台站可监测到的最小震级：
式（1）中，Vs 为台站记录的地震体波最大速度，为保证拾取地震事件的准确性，保证地震信号能够清晰识别，本文以台站背景噪声值的4倍计算Vs （即要求信噪比不低于4），其中台站的背景噪声值为台站东西和南北2个水平分量背景噪声水平的算术平均值，由仪器参数和仪器24 h背景噪声记录计算得到。f对应最大速度频率值，一般取2～5 Hz，本文统一设置为4 Hz。R ( Δ )为量规函数，本文采用的R ( Δ )是适用于广东地区的量规函数[7] 。
通常有4个及以上的台站能够同时观测到地震事件时，可以来计算地震的基本参数[8] 。对于每一个网格点（震中位置），台网中各台站按照公式（1）可以计算出每个台站可监测到该网格点的震级，并按照震级从小到大进行排序。我们按照四台定位原则[9] ，并要求定位台站的最大空隙角小于315°，来确定该网格点的监测能力。然后循环每一个网格点可得到所有网格点的监测能力，最终获取研究区理论监测能力的空间分布。
1.3 首报发布时间
和计算监测能力一样将研究区域等间距网格化。假设每个网格点是发震位置，由于广东地区震源深度多在10 km左右，本文在计算中设定震源深度为10 km，根据地震波速度模型可计算其到台站的传播时间，按震中距最近的前四台定位，预警首报时间以发震时刻起算，并考虑数据处理和发布时间，其计算方式为：
t=t4 + tc （2）
式（2）中，t4 为第4个台站触发时间，tc 为数据处理时间和发布时间，本文取1.5 s。采用空间逐点扫描方法循环每一个网格点，可得到预警首报发布时间的空间分布。
1.4 速报精度
和计算监测能力一样将研究区域等间距网格化，假设每个网格点是发震位置。对于单个网格点，取震中距最近的3个台站对烈度进行约束，将这3个震中距的平均值的一半作为烈度速报的精度。
2 广东地震台网概况
广东省位于中国东南沿海地区，处于华南块体东南边界的东南沿海地震带。该地区的地质构造复杂，新构造运动频繁，断裂系统十分发育，具备发生破坏性地震的地质构造条件。自1900年以来，广东省及其近海地区共发生了12次6级以上地震（其中包括2次7级以上地震），这些地震造成了严重的生命财产损失[10] 。现代地震台网数据显示，广东省的地震活动仍然非常活跃（图2 ），结合历史地震记录来看，广东省面临着严重的地震威胁。
图1 台间距计算示意图Fig.1 Station spacing calculation
图2 2008—2020年广东地震分布Fig.2 Distribution of earthquakes in Guangdong from 2008 to 2020
为了在广东省形成快速烈度速报和预警发布能力，满足防灾减灾救灾需求，广东省地震局各实施技术团队积极配合，建成了由1172个台站组成的实时传输地震监测预警台网，包括一般站900个、基本站201个（新建176个，改造25个）、基准站71个（新建26个，改造45个）。同时接入了外省共享台站224个，包括33个基准站，33个基本站和158个基本站。其中基准站配置宽频带速度计和加速度计，地震监测能力强，可记录近场微震。基本站配备加速度计，一般可监测2.5级以上地震，以承担烈度速报为主。一般站配备烈度计，监测能力有限，已承担4.5级以上地震的烈度速报为主。各类台站分布如图3 所示，广东省内一般站的分布除粤北地区外基本达到了1个乡镇1个站点。依据一般站的空间分布和和广东省地震的空间分布，同时考虑行政区划及预警重点区10 s预警的约束，将广东省行政区域划分为预警重点区和预警一般区（图3 红色实线）。
广东省基准站、基本站和一般站的平均台间距分别为57.5 km、36.1 km和14.7 km，三类台站融合后全省监测预警台网的平均台间距为14.1 km （图4 ），达到了国家烈度速报与预警工程广东子项目的设计要求。预警重点区内基准站、基本站和一般站的平均台间距分别为53.3 km， 28.8 km和14.4 km，三类台站融合后预警重点区内监测预警台网的平均台间距可达到12.9 km（图5 ）。
3 广东台网地震监测能力评估
地震监测能力评估是评价地震台网性能的关键技术指标。本文搜集了广东预警台网各台站以及接入的邻省预警台的台基噪声水平，按照1.2节的近震监测能力计算方法得到了各站网在全省的监测能力（图6 ）。按照站点类型计算，基准站、基本站和一般站在全省范围内的地震监测能力分别为1.2级、2.0级和4.5级，在预警重点区的地震监测能力分别为1.0级、2.0级和3.5级。三网融合后，整个广东预警台网可监测全省1.2级地震，预警重点区1.0级地震，大部分地区地震监测能力达到0.8级，局部重点区域如新丰江水库区，监测能力可达到0.0级。总的来说，除了广东省西北区域相对偏弱以外，省内的整体地震监测能力较强，其中基准站的监测能力最强，基本站和一般站对小震的监测能力较弱，但是对西北区域的监测能力提升也有一定贡献。
图3 广东地区预警台和接入邻省共享预警台站点分布图Fig.3 Distribution of early warning stations in Guangdong and shared early warning stations from neighboring provinces
图4 广东预警台网的台间距分布Fig.4 Station spacing distribution in Guangdong early warning network
图5 广东预警重点区站点与台间距分布Fig.5 Distribution of stations and station spacing in warning areas of in Guangdong
图6 广东地震预警台网的地震监测能力分布Fig. 6 Distribution of seismic monitoring capability in Guangdong seismic early warning network
4 广东地震预警首报时间与烈度速报精度
4.1 预警首报时间评估
地震预警首报时间是预警系统的核心参数之一，在台网定位准确的前提下，根据地震定位和系统处理的时间，可以评估地震预警首报时间。本文分别计算了广东省预警台网（包括接入的邻省共享预警台）的基准站网、基本站网、一般站网、基准基本融合站网、基本一般融合站网、基准基本一般融合站网的地震预警首报时间（假设震源深度为10 km）。各种站网地震预警首报时间的空间分布和相应的直方图和累计概率分布如图7 和图8 所示。
图7 为三种类型站网单独计算的地震预警首报时间的空间分布。图7 a是仅利用基准站网计算的结果，全省预警首报时间平均值为12.6 s（即发震时刻后12.6 s），最小值可达到3.7 s，全省有55%的区域具有12.2 s的预警首报时间，有95%的区域具有19.8 s的预警首报时间；在预警重点区内的预警首报时间平均值为11.4 s，最小值为3.7 s，预警重点区有55%的区域达到11.3 s，95%的区域达到17.4 s。图7 b中仅利用基本站网的台站计算时，全省预警首报时间平均值为7.5 s，最小值可达到3.7 s，全省55%及95%区域的预警首报时间分别为7.3 s和11.2 s。图7 c给出了仅使用一般站计算的结果，全省预警首报时间平均值为7.3 s，最小值可达到3.2 s，明显低于单基准站网和单基本站网，尤其是预警重点区内，预警首报时间平均值可达4.6 s，55%及95%区域的预警首报时间分别为6.1s和7.6 s。由于一般站的布设密度高于基准站和基本站，因此一般站网预警首报时间更小。
图7 三种不同类型站网的预警首报时间空间分布Fig.7 Spatial distribution of the first warning time for three different types of station networks
图8 为三种类型站网组合后计算的地震预警首报时间的空间分布。图8 a是基准基本站网融合的计算结果，全省预警首报时间平均值为6.8 s，最小值可达到3.3 s，全省55%的区域具有6.7 s的预警首报时间，95%的区域具有10.1 s的预警首报时间；在预警重点区内的预警首报时间平均值为6.2 s，最小值为3.3 s，预警重点区55%的区域达到6.3 s，95%的区域达到8.2 s。基准站、基本站二网融合后的组合站网测定的预警首报时间相比两个站网单独测定的结果明显要小。图8 b为基本一般站网融合的计算结果，全省预警首报时间平均值为5.5 s，最小值可达到3.2 s，全省55%及95%区域的预警首报时间分别为4.6 s和10.4 s；在预警重点区内的预警首报时间平均值为4.4 s，最小值为3.2 s，预警重点区有55%的区域达到4.3 s，95%的区域达到5.4 s。整体结果要显著强于单独基本站网测定的结果，略优于单独一般站计算的结果。图8 c展示了基准基本一般“三网”融合计算的结果，全省预警首报时间平均值为5.2 s，最小值可达到3.2 s，全省55%及95%区域的预警首报时间分别为4.6 s和9.5 s；预警重点区内，预警首报时间平均值可达4.3 s，55%及95%区域的预警首报时间分别为4.3 s和5.4 s。通过融合不同类型的地震站网，地震预警系统的首报时间在理论上可以显著提前。由于一般站的数量远超过基准站和基本站的数量，因此广东地震预警系统的首报时间受一般站的密度影响最大。预警一般区缺乏一般站的分布，因此预警首报时间较大。
图8 预警重点区不同组合站网的预警首报时间空间分布Fig.8 Spatial distribution of the first warning time for different combinations of station networks in key warning areas
4.2 烈度速报精度评估
烈度速报精度是反映烈度速报结果准确性的参数。图9 为各类站网（包括接入的邻省共享预警台）单独计算的烈度速报精度的空间分布。和预警首报时间类似，一般站和基本站计算得到的烈度速报精度超过基准站。从空间上看，预警重点区的烈度速报精度远高于预警一般区。一般站、基本站和基准站三类站网在全省范围内的平均烈度速报精度分别为11.8 km、11.3 km和20.3 km，在预警重点区内的平均烈度速报精度分别为5.1 km、9.6 km和18.7 km。三网融合后，全省范围内的平均烈度速报精度提升到6.5 km，预警一般区内的平均烈度速报精度为14.3 km，预警重点区内的平均烈度速报精度达到了4.4 km；全省55%区域的烈度速报精度能达到5.1 km，95%区域的烈度速报精度能达到17.2 km；预警重点区内55%区域的烈度速报精度能达到4.4 km，95%区域的烈度速报精度能达到7.3 km。相比于单类型的站网，三网融合后极大地提升了烈度速报精度。
图9 广东台网烈度速报精度的空间分布Fig.9 Spatial distribution of intensity rapid reporting accuracy in Guangdong Seismic Network
5 结论
本文根据国家地震烈度速报与预警工程广东子项目的站网建设情况，分析了广东预警台网的地震预警能力，评估了各项关键参数，得到以下初步结果与结论：
（1）台间距评估。全省基准站、基本站和一般站的平均台间距分别为57.5 km、 36.1 km和14.7 km，三类台站融合后全省预警台网的平均台间距为14.1 km，预警重点区内预警台网的平均台间距可达到12.9 km。
（2）监测能力评估。基准站、基本站和一般站在全省范围内的地震监测能力分别为1.2级、2.0级和4.5级，在预警重点区的地震监测能力分别为1.0级、2.0级和3.5级。三网融合后，整个广东预警台网可监测全省1.2级地震，预警重点区1.0级地震，局部重点区域监测能力可达到0.0级。总的来说，除了广东省西北区域相对偏弱以外，省内的整体地震监测能力较强。
（3）预警首报时间评估。得到了基准站网、基本站网、一般站网、基准基本“二网”融合、基本一般“二网”融合和基准基本一般“三网融合”的地震预警首报时间的最小值、平均值和最大值，以及累计概率为55%和95%对应的预警首报时间。一般站网的预警首报时间明显小于基准站网和基本站网。三网融合后地震预警首报时间进一步减小，全省范围内预警首报时间平均值为5.2 s，预警重点区为4.3 s。
（4）烈度速报精度评估。得到了基准站网、基本站网、一般站网和基准基本一般“三网融合”的烈度速报精度的最小值、平均值和最大值，以及累计概率为55%和95%对应的烈度速报精度。一般站网的烈度速报精度明显高于基准站网和基本站网。三网融合后地震烈度速报精度进一步提升，全省范围内烈度速报精度平均值为6.5 km，预警重点区为4.4 km。
通过对以上参数进行科学评估，可以为预警系统的性能和效果提供合理的预期，这有助于提高地震预警和烈度速报的应用效果。同时，科学评估也为进一步研究和改进预警系统提供了重要的参考依据。
图1 台间距计算示意图Fig.1 Station spacing calculation 图2 2008—2020年广东地震分布Fig.2 Distribution of earthquakes in Guangdong from 2008 to 2020 图3 广东地区预警台和接入邻省共享预警台站点分布图Fig.3 Distribution of early warning stations in Guangdong and shared early warning stations from neighboring provinces 图4 广东预警台网的台间距分布Fig.4 Station spacing distribution in Guangdong early warning network 图5 广东预警重点区站点与台间距分布Fig.5 Distribution of stations and station spacing in warning areas of in Guangdong 图6 广东地震预警台网的地震监测能力分布Fig. 6 Distribution of seismic monitoring capability in Guangdong seismic early warning network 图7 三种不同类型站网的预警首报时间空间分布Fig.7 Spatial distribution of the first warning time for three different types of station networks 图8 预警重点区不同组合站网的预警首报时间空间分布Fig.8 Spatial distribution of the first warning time for different combinations of station networks in key warning areas 图9 广东台网烈度速报精度的空间分布Fig.9 Spatial distribution of intensity rapid reporting accuracy in Guangdong Seismic Network
