蔣長(zhǎng)勝，劉瑞豐
（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京 100081）
摘 要： 我國(guó)已啟動(dòng)的“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”，將建設(shè)世界上規(guī)模最大、總數(shù)超過(guò)10000個(gè)臺(tái)站的地震烈度速報(bào)與預(yù)警觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，這將顯著提升國(guó)家防震減災(zāi)的服務(wù)能力和水平。對(duì)建設(shè)中的國(guó)家烈預(yù)工程與現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展關(guān)系進(jìn)行科學(xué)的分析，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。研究表明，國(guó)家烈預(yù)工程將在地球科學(xué)研究、地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面為現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)帶來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇。國(guó)家烈預(yù)工程建設(shè)中已顯現(xiàn)出一些新的問(wèn)題，包括系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性、烈度儀數(shù)據(jù)的可用性、觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用、以及跨學(xué)科數(shù)據(jù)共享服務(wù)等。此外，為做好國(guó)家烈預(yù)工程建成后的運(yùn)行和服務(wù)工作，需要從地震觀測(cè)學(xué)科角度開(kāi)展大型觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行模式研究，以進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)震臺(tái)站布局；同時(shí)，需要開(kāi)展地震預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)和檢測(cè)系統(tǒng)等實(shí)用化研究工作。
關(guān)鍵詞： 地震早期預(yù)警；烈度速報(bào)；地震監(jiān)測(cè)；測(cè)震臺(tái)網(wǎng)
我國(guó)地處環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶的交會(huì)地區(qū)，地震活動(dòng)頻繁，一旦在城市附近發(fā)生破壞性地震，將對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)、重大基礎(chǔ)設(shè)施和生命線工程造成嚴(yán)重危害，因此，必須高度重視地震監(jiān)測(cè)和震害防御工作，采取有效措施切實(shí)減輕地震所造成的災(zāi)害損失。基于實(shí)時(shí)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的地震早期預(yù)警（earthquake early warning system，簡(jiǎn)稱(chēng)“EEWS”）和烈度速報(bào)系統(tǒng)日益受到重視，已成為國(guó)際上主要的防震減災(zāi)手段，20世紀(jì)末和21世紀(jì)初，美國(guó)、日本、墨西哥、土耳其和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)已相繼建立了實(shí)用的地震早期預(yù)警系統(tǒng)［1-8］，其中的一些系統(tǒng)已經(jīng)經(jīng)受了地震考驗(yàn)，積累了許多成功經(jīng)驗(yàn)［9-10］。2015年 6月，國(guó)家發(fā)改委正式批復(fù)“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”建議書(shū)，8月 20日，“國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“國(guó)家烈預(yù)工程”）建設(shè)啟動(dòng)會(huì)在北京召開(kāi)，這標(biāo)志著世界最大規(guī)模地震烈度速報(bào)與預(yù)警網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)正式開(kāi)始。
近20年來(lái)，我國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)得到了迅速的發(fā)展。通過(guò)“中國(guó)數(shù)字地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”、“中國(guó)數(shù)字地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”和“中國(guó)地震背景場(chǎng)探測(cè)”這3個(gè)項(xiàng)目的實(shí)施，我國(guó)的數(shù)字測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)已初具規(guī)模。目前我國(guó)現(xiàn)有的地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)包括由 167個(gè)臺(tái)站組成的國(guó)家測(cè)震臺(tái)網(wǎng)（含緬甸、老撾 4個(gè)境外國(guó)家臺(tái)）、881個(gè)臺(tái)站組成的32個(gè)省級(jí)區(qū)域測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、27個(gè)臺(tái)站組成的3個(gè)地震臺(tái)陣、33個(gè)臺(tái)站組成的6個(gè)火山臺(tái)網(wǎng)、以及建設(shè)在印度尼西亞、巴基斯坦、薩摩亞等國(guó)的境外測(cè)震臺(tái)網(wǎng)等。正在推進(jìn)的國(guó)家烈預(yù)工程將以強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)為基礎(chǔ)，與新建測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、高頻 GPS臺(tái)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)“多網(wǎng)融合”，達(dá)到“一網(wǎng)多用”。大規(guī)模的覆蓋式臺(tái)站建設(shè)在顯著提升國(guó)家防震減災(zāi)服務(wù)能力和水平的同時(shí)，也為現(xiàn)有測(cè)震臺(tái)網(wǎng)帶來(lái)了難得的發(fā)展機(jī)遇。在我國(guó)乃至世界的地震觀測(cè)史上，尚未建立過(guò)如此大規(guī)模、高密集的地震觀測(cè)系統(tǒng)，而無(wú)論是從減輕地震災(zāi)害的角度，還是推動(dòng)地震觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的角度，這樣的觀測(cè)系統(tǒng)勢(shì)必將給相關(guān)領(lǐng)域帶來(lái)較大的沖擊和新的發(fā)展機(jī)遇。如何把握國(guó)家烈預(yù)工程建設(shè)的新契機(jī)、實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的跨越式發(fā)展，進(jìn)一步提升該工程對(duì)推動(dòng)地球科學(xué)研究、地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)及國(guó)防外交等方面的服務(wù)能力，已成為無(wú)法回避、值得深入思考的課題。
劉瑞豐（1962-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)榈卣鸨O(jiān)測(cè)技術(shù)。E-mail： liurf@seis.ac.cn
1.1 國(guó)家烈預(yù)工程簡(jiǎn)介
地震早期預(yù)警的主要目標(biāo)是：在地震破裂的早期階段檢測(cè)到地震信號(hào)，并在致災(zāi)的剪切波和面波到達(dá)之前的數(shù)秒到1分鐘時(shí)間里，將快速預(yù)測(cè)的地面運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度傳達(dá)給用戶，以便對(duì)生命線工程和重大設(shè)施采取緊急處置措施，以及規(guī)避地震災(zāi)害、實(shí)現(xiàn)人員生命的挽救。國(guó)家烈預(yù)工程采用測(cè)震、強(qiáng)震、烈度儀和高頻 GPS“多網(wǎng)融合、一網(wǎng)多用”的建設(shè)原則，計(jì)劃建成1800個(gè)配置寬頻帶地震儀和加速度儀的基準(zhǔn)站、3600個(gè)配置加速度儀的基本站、超過(guò)10000個(gè)配置烈度計(jì)的臺(tái)站。此外，整個(gè)工程將統(tǒng)籌規(guī)劃、節(jié)約資源，進(jìn)行國(guó)家、省市、市縣（區(qū)）的上下對(duì)接，實(shí)現(xiàn)行業(yè)、企業(yè)的平行發(fā)展，并充分利用學(xué)校、氣象、通訊等公共資源。工程建成后，將為重災(zāi)區(qū)位置和災(zāi)情分布的快速判定，社會(huì)公眾的避震逃生，城市供氣供電系統(tǒng)、核電站、水庫(kù)大壩、大型變電站及輸油輸氣管線、高速鐵路等重大工程的制動(dòng)、關(guān)閉的緊急處置等提供服務(wù)，減輕直接地震災(zāi)害及次生災(zāi)害的損失。
由國(guó)家烈預(yù)工程計(jì)劃建設(shè)的臺(tái)站分布圖可見(jiàn)（圖 1①【注】圖1引自《國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程項(xiàng)目建議書(shū)》（中國(guó)地震局發(fā)展與財(cái)務(wù)司、監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司主編，2016年）。圖中的基準(zhǔn)站、基本站和重點(diǎn)地震預(yù)警區(qū)僅為項(xiàng)目的初步設(shè)計(jì)結(jié)果。，），在華北地震區(qū)、南北地震帶、東南沿海和新疆西北部這4個(gè)地震預(yù)警區(qū)，平均臺(tái)站間距在 25km以內(nèi)，其中，北京、天津地區(qū)平均臺(tái)站間距縮至 10km左右；中東部地區(qū)平均臺(tái)站間距為 50km左右；青藏地區(qū)和新疆南部地區(qū)平均臺(tái)站間距達(dá)90km左右。
這是我國(guó)有史以來(lái)規(guī)模最大的一次地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)建設(shè)，工程完成以后，臺(tái)站數(shù)量和局部臺(tái)站密度均將達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。從地震觀測(cè)角度看，工程的建設(shè)為實(shí)現(xiàn)“全頻帶”、“全動(dòng)態(tài)”的地震觀測(cè)創(chuàng)造了有利的條件，將對(duì)我國(guó)的地震監(jiān)測(cè)帶來(lái)難得的發(fā)展機(jī)遇。因此，一方面要科學(xué)規(guī)劃測(cè)震臺(tái)站和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的總體布局，積極推進(jìn)項(xiàng)目的實(shí)施；另一方面，要努力解決在工程實(shí)施中出現(xiàn)的地震學(xué)問(wèn)題和技術(shù)問(wèn)題，積極探索大型綜合觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行管理模式、以及大數(shù)據(jù)的分析處理、管理與服務(wù)模式，充分發(fā)揮該項(xiàng)目的總體效能。
1.2 測(cè)震學(xué)以及中國(guó)的測(cè)震相關(guān)工作
早期的“測(cè)震”概念，受到觀測(cè)技術(shù)和對(duì)地震現(xiàn)象認(rèn)識(shí)不足的限制，僅僅局限于測(cè)量大地質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)相關(guān)的理論研究和儀器制造技術(shù)。自20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著現(xiàn)代地震觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展，尤其是逐漸從模擬觀測(cè)發(fā)展到數(shù)字觀測(cè)后，現(xiàn)代測(cè)震學(xué)的研究領(lǐng)域得到了極大的拓展。除一般意義上的地震觀測(cè)與儀器外，現(xiàn)代測(cè)震學(xué)的研究還包括：地震觀測(cè)方法和技術(shù)研究（例如密集和超密集地震臺(tái)陣、小孔徑臺(tái)陣、深井觀測(cè)）、地震信號(hào)采集傳輸和記錄技術(shù)、實(shí)時(shí)地震學(xué)（real-time seismology）、地震數(shù)據(jù)的共享服務(wù)等等。隨著地震學(xué)的發(fā)展，一些新的發(fā)現(xiàn)和方法創(chuàng)新也在不斷地豐富測(cè)震學(xué)的內(nèi)涵，例如非火山顫動(dòng)（tremor）和“間歇性滑動(dòng)與顫動(dòng)”（ETS，或“寂靜地震”）的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，以及利用地震噪聲互相關(guān)方法提取格林函數(shù)（NCF）的技術(shù)等等。國(guó)際上的“測(cè)震”實(shí)際上也對(duì)應(yīng)著“地震觀測(cè)與解釋”（Seismological Observation and Interpretation，簡(jiǎn)稱(chēng)“SOI”），相應(yīng)的科學(xué)組織包括國(guó)際地震學(xué)與地球內(nèi)部物理學(xué)協(xié)會(huì)（IASPEI）中設(shè)立的“地震觀測(cè)與解釋委員會(huì)”（CoSOI）等，這些“測(cè)震”相關(guān)的機(jī)構(gòu)和科學(xué)組織在地震震級(jí)的測(cè)定、地震震相的命名等方面發(fā)揮了重要的科學(xué)組織與協(xié)調(diào)作用。
目前關(guān)于“測(cè)震”觀測(cè)的內(nèi)容尚存一定爭(zhēng)議。在我國(guó)，“測(cè)震”的觀測(cè)內(nèi)容通常既包括速度型和位移型地震觀測(cè)，也包括加速度記錄的強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)，而在其他國(guó)家，對(duì)是否區(qū)分強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一。地震所產(chǎn)生的地面位移的振幅小到數(shù)納米（1nm=10-9m），大到數(shù)米，跨越 11個(gè)數(shù)量級(jí)；相應(yīng)的，頻率跨越約為7個(gè)量級(jí)，即從周期達(dá)104s的固體潮、103s的地球自由振蕩、102s的長(zhǎng)周期面波、10s的長(zhǎng)周期體波，到1s的短周期體波、在震中地區(qū) 10-1s的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)、10-2s地殼的小地震。受到儀器的動(dòng)態(tài)范圍、增益水平的限制，并考慮到實(shí)際的效費(fèi)比，需要建立主要觀測(cè)周期和頻率不同的觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，尤其是中低頻觀測(cè)的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和近場(chǎng)高頻的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)。
圖1 國(guó)家地震烈度速報(bào)與預(yù)警工程擬建設(shè)的臺(tái)站分布圖
自20世紀(jì)70年代現(xiàn)代地震觀測(cè)規(guī)模化以來(lái)，我國(guó)的“測(cè)震”學(xué)科及其觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)得到了飛速的發(fā)展。目前，已建有以速度型寬頻帶地震儀為主的地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)和加速度記錄的強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)，各自的臺(tái)站數(shù)量均超過(guò) 1000個(gè)。1993年，中國(guó)地震局成立了“測(cè)震學(xué)科技術(shù)協(xié)調(diào)組”（CGSOI），并開(kāi)展了追蹤國(guó)內(nèi)外科技前沿、編制發(fā)展規(guī)劃、推動(dòng)測(cè)震基礎(chǔ)理論研究與應(yīng)用、監(jiān)控評(píng)比觀測(cè)資料、編寫(xiě)各類(lèi)教材和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、組織人員培訓(xùn)等工作，發(fā)揮著專(zhuān)家智囊團(tuán)和技術(shù)管理組織的作用。此外，協(xié)調(diào)組還下設(shè)“測(cè)震學(xué)科技術(shù)管理組”負(fù)責(zé)具體的運(yùn)行維護(hù)工作。
國(guó)家烈預(yù)工程的實(shí)施將實(shí)現(xiàn)全國(guó)性的地震烈度速報(bào)以及對(duì)4個(gè)重點(diǎn)區(qū)域的地震預(yù)警，從總體上提升我國(guó)防震減災(zāi)能力、拓展防震減災(zāi)公共服務(wù)領(lǐng)域，而且，該工程在地球科學(xué)研究、地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等方面也將發(fā)揮重要的作用。
2.1 地球科學(xué)研究
我國(guó)防震減災(zāi)工作中地震學(xué)仍面臨諸多科學(xué)挑戰(zhàn)［11］，區(qū)域構(gòu)造塊體的相互作用與地震的關(guān)系、地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)和動(dòng)力過(guò)程與地震的關(guān)系等等重大科學(xué)問(wèn)題的解決，均需要一個(gè)現(xiàn)代化的地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)作為支撐。國(guó)家烈預(yù)工程建成后，每天可輸出約400GB的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將在推動(dòng)我國(guó)的地球科學(xué)研究方面發(fā)揮重要的作用。
第一，基準(zhǔn)站配備寬頻帶地震儀和加速度儀，主要布設(shè)在低環(huán)境噪聲基巖場(chǎng)地或井下，背景噪聲低，可以同時(shí)記錄地面運(yùn)動(dòng)的速度量和加速度量，可以準(zhǔn)確記錄從微震到強(qiáng)震的地震波形數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)“全頻帶”、“全動(dòng)態(tài)”的地震觀測(cè)，使近場(chǎng)小地震和遠(yuǎn)場(chǎng)大地震記錄清晰，且近場(chǎng)強(qiáng)震不限幅，數(shù)據(jù)可用于地球物理、地震學(xué)及地震工程研究。
第二，基本站配備加速度儀，布設(shè)在人口聚集區(qū)內(nèi)環(huán)境噪聲相對(duì)較高的地表場(chǎng)地，記錄加速度量，其觀測(cè)數(shù)據(jù)可準(zhǔn)確確定臺(tái)站所在場(chǎng)地的地震地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)（如加速度峰值、速度峰值、反應(yīng)譜等），數(shù)據(jù)同時(shí)也可用于地震工程學(xué)和地震學(xué)研究。
第三，利用密集臺(tái)站的地震波形數(shù)據(jù)、頻譜數(shù)據(jù)可建立地球三維速度結(jié)構(gòu)的圖像，并研究介質(zhì)的衰減、散射、孔隙度等地球介質(zhì)特性參數(shù)和各向異性等問(wèn)題；利用短周期地震波研究中、小尺度介質(zhì)結(jié)構(gòu)，以獲取區(qū)域高分辨三維速度結(jié)構(gòu)；利用密集臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震長(zhǎng)周期面波可研究全球深部及大尺度精細(xì)結(jié)構(gòu)；利用局部密集臺(tái)站波形數(shù)據(jù)，可研究特定地區(qū)的區(qū)域性地質(zhì)、地球物理事件，如震源區(qū)的深部構(gòu)造背景、介質(zhì)應(yīng)力狀態(tài)、地震過(guò)程、火山地?zé)岙惓^(qū)的深部結(jié)構(gòu)等。
第四，近場(chǎng)寬頻帶數(shù)據(jù)和強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取，為精細(xì)研究地震的震源破裂過(guò)程、復(fù)雜的地震震源的時(shí)-空過(guò)程、地震震源特性、地震矩張量反演、非均勻震源面的描述、區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的變化等科學(xué)問(wèn)題創(chuàng)造了有利條件；利用密集臺(tái)站記錄的遠(yuǎn)震長(zhǎng)周期面波，開(kāi)展全波段波形擬合，可研究大尺度應(yīng)力場(chǎng)分布及其隨時(shí)間的演化過(guò)程，探討板塊運(yùn)動(dòng)規(guī)律。
第五，通過(guò)綜合利用全球地震臺(tái)網(wǎng)的波形數(shù)據(jù)，可研究地球內(nèi)部大尺度不均勻性和各向異性，為推動(dòng)全球構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)研究，如板塊俯沖、消減帶、縫合線以及地幔對(duì)流等創(chuàng)造了有利條件。
這些寬頻帶數(shù)據(jù)、強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)和烈度計(jì)數(shù)據(jù)的綜合利用，將有助于顯著提升我國(guó)地震科研的整體水平。
2.2 地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置
國(guó)家烈預(yù)工程建成的高密度臺(tái)網(wǎng)，還將有效地提高中國(guó)大陸及周邊地區(qū)的地震監(jiān)測(cè)能力，提高地震基本參數(shù)的測(cè)定精度，為地震應(yīng)急輸出更加豐富的數(shù)據(jù)結(jié)果。
一、該工程能顯著提高地震的監(jiān)測(cè)能力。一方面，該工程形成覆蓋中國(guó)大陸的高密度、高精度的地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在重點(diǎn)地震監(jiān)視區(qū)的臺(tái)站平均間距達(dá)到23km左右，京津地區(qū)達(dá)到10km左右，這樣高密度的臺(tái)網(wǎng)可明顯提高對(duì)小地震的監(jiān)測(cè)能力；另一方面，測(cè)震臺(tái)站與強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站觀測(cè)資料的聯(lián)合應(yīng)用，全面加強(qiáng)了對(duì)近場(chǎng)大震的監(jiān)測(cè)能力，避免了強(qiáng)震近場(chǎng)“燈下黑”現(xiàn)象的出現(xiàn)。
二、該工程能顯著提高地震參數(shù)的測(cè)定精度。有效利用數(shù)量眾多的加速度計(jì)和烈度計(jì)的到時(shí)數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定地震的發(fā)震時(shí)刻、震中的經(jīng)緯度和震源深度，地震定位精度得到明顯改善；有效利用寬頻帶地震儀記錄的波形數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確測(cè)定地震的震級(jí)，這些資料的聯(lián)合應(yīng)用就可以有效提高地震基本參數(shù)的測(cè)定精度。
三、該工程能顯著提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)出能力。利用近場(chǎng)高密度臺(tái)站實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)可以動(dòng)態(tài)產(chǎn)出余震的精確定位結(jié)果，得出震源區(qū)三維震中分布圖，勾畫(huà)出余震的空間展布；近場(chǎng)測(cè)震臺(tái)站和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的聯(lián)合使用，能夠精細(xì)研究地震的震源破裂過(guò)程；此外，可以使用多種方法產(chǎn)出震源機(jī)制解、地震烈度分布、地震庫(kù)倫破裂靜應(yīng)力變化、震區(qū)歷史地震震源機(jī)制解分布圖、震區(qū)歷史地震分布圖等形式多樣的地震應(yīng)急數(shù)據(jù)產(chǎn)品，為震后地震趨勢(shì)判斷、地震應(yīng)急救援和災(zāi)害損失評(píng)估提供更加豐富的數(shù)據(jù)產(chǎn)品。
2.3 地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)
從服務(wù)地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的角度，國(guó)家烈預(yù)工程的建設(shè)將帶來(lái)以下五方面的發(fā)展機(jī)遇：一，高密度臺(tái)網(wǎng)的布設(shè)，將顯著提升重點(diǎn)區(qū)域的微震監(jiān)測(cè)能力，直接為年度重點(diǎn)地震危險(xiǎn)區(qū)、重點(diǎn)監(jiān)視防御區(qū)的震情跟蹤提供更為充分的地震觀測(cè)數(shù)據(jù)的支撐；二，高頻的加速度記錄，將為獲得強(qiáng)震和巨大地震破裂過(guò)程的細(xì)節(jié)，以及活動(dòng)斷裂帶上未破裂凹凸體的分布提供可能；三，高密集臺(tái)站的近震中觀測(cè)，將為監(jiān)測(cè)強(qiáng)震前的破裂成核過(guò)程、開(kāi)展相關(guān)的理論研究提供重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐；四，距離震中更近的大動(dòng)態(tài)、不限幅的加速度記錄觀測(cè)，將為強(qiáng)震后更為完整地識(shí)別余震提供可能，這將為余震序列跟蹤、強(qiáng)余震預(yù)測(cè)等提供重要的數(shù)據(jù)支撐，而此前，主震后發(fā)生的余震往往被大量遺漏；五，逐步完善的地震參數(shù)自動(dòng)化處理技術(shù)，在顯著提升實(shí)時(shí)地震學(xué)的同時(shí)，為震情跟蹤尤其是短臨跟蹤、地震序列跟蹤等提供了更為及時(shí)快捷的數(shù)據(jù)支持。
國(guó)家烈預(yù)工程的建設(shè)和相應(yīng)臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行離不開(kāi)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的結(jié)合與支持。由于地震觀測(cè)的振幅和頻率寬譜帶、大動(dòng)態(tài)的客觀需求，國(guó)際上通用的做法是建設(shè)兩種類(lèi)型的地震觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)，即測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)主要測(cè)量微小地震和較遠(yuǎn)的地震，用于監(jiān)測(cè)地震活動(dòng)性，測(cè)定地震的震源參數(shù)，研究地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、地震成因，探索地震發(fā)生規(guī)律。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)要求儀器具有很高的靈敏度，主要配置短周期儀器、寬頻帶儀器或甚寬頻帶儀器。強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)主要用于監(jiān)測(cè)強(qiáng)烈地震震中附近的近場(chǎng)地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程，以研究強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)的特征，配置有加速度儀器。測(cè)震臺(tái)網(wǎng)和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)互為補(bǔ)充，兩者結(jié)合后既可記錄微弱地震，又可記錄強(qiáng)烈地震。
基于地震預(yù)警和地震烈度速報(bào)的實(shí)際需求，國(guó)家烈預(yù)工程對(duì)原有地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的建設(shè)、運(yùn)行提出了更高的要求：
一、系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。對(duì)于地震預(yù)警而言，震區(qū)附近的臺(tái)站就像反應(yīng)靈敏的“哨兵”，必須穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行。每一個(gè)臺(tái)站的到時(shí)數(shù)據(jù)幅度記錄信息對(duì)于地震定位和震級(jí)估算至關(guān)重要，要達(dá)到首臺(tái)臺(tái)站監(jiān)測(cè)到地震P波5～10秒后即可給出地震預(yù)警信息的目標(biāo)。因此，需要對(duì)觀測(cè)儀器質(zhì)量、臺(tái)站建設(shè)質(zhì)量、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理方式、信息發(fā)布方式、系統(tǒng)運(yùn)行管理模式等環(huán)節(jié)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃，以確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定、可靠。
二、烈度儀數(shù)據(jù)的可用性。該工程要建設(shè)超過(guò)10000臺(tái)的烈度儀臺(tái)站，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)測(cè)震臺(tái)站和強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的數(shù)量，烈度儀記錄的數(shù)據(jù)將在地震預(yù)警和烈度速報(bào)中發(fā)揮重要作用。臺(tái)站密度達(dá)到一定程度，會(huì)使地震定位的速度和精度達(dá)到較高水平，而如何利用烈度儀觀測(cè)的數(shù)據(jù)估算地震的震級(jí)是一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。例如：2015年 9月 14日，河北昌黎發(fā)生了 4.2級(jí)地震，自動(dòng)地震速報(bào)系統(tǒng)在震后6s就測(cè)定出地震的位置和發(fā)震時(shí)刻，但自動(dòng)地震速報(bào)系統(tǒng)不兼容加速度儀器觀測(cè)的數(shù)據(jù)和烈度儀器觀測(cè)的數(shù)據(jù)，因此只能等接收到寬頻帶儀器數(shù)據(jù)后才能開(kāi)始計(jì)算震級(jí)。
三、觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用。該工程中涉及的儀器有寬頻帶地震儀、加速度儀、烈度儀和高頻GPS儀。由于多方面的原因，測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)和GPS臺(tái)網(wǎng)由不同部門(mén)管理，系統(tǒng)運(yùn)行分散在不同的單位。為實(shí)現(xiàn)全國(guó)性地震烈度速報(bào)和區(qū)域性地震預(yù)警的功能，強(qiáng)化地震速報(bào)和震源參數(shù)速報(bào)的功能，需要寬頻帶地震儀、加速度儀、烈度儀和高頻GPS儀在同一平臺(tái)上運(yùn)行。只有實(shí)現(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一處理、統(tǒng)一應(yīng)用，才能充分發(fā)揮EEWS系統(tǒng)的總體效能。
四、跨學(xué)科數(shù)據(jù)共享服務(wù)。隨著“虛擬地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)研究院”的建立，地球科學(xué)研究的不斷發(fā)展， 利用測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)、烈度計(jì)臺(tái)網(wǎng)和 GPS臺(tái)網(wǎng)的多種觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)同一物理過(guò)程進(jìn)行協(xié)同研究，成為現(xiàn)代地學(xué)研究的重要方向。因此，應(yīng)建立統(tǒng)一、協(xié)同工作的多元數(shù)據(jù)匯集與共享平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一管理與同步共享，為地球物理多學(xué)科的交叉研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)服務(wù)。
國(guó)家烈預(yù)工程所面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題、運(yùn)行管理模式等，對(duì)工程建設(shè)和地震觀測(cè)學(xué)科都提出了新的挑戰(zhàn)，同時(shí)也為學(xué)科發(fā)展提供了難得的機(jī)遇。為做好國(guó)家烈預(yù)工程建設(shè)與原有地震監(jiān)測(cè)臺(tái)網(wǎng)的協(xié)調(diào)發(fā)展，需要探索和解決的新問(wèn)題如下：
一、大型觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行模式研究。該工程建成以后，我國(guó)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)、強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)和烈度儀臺(tái)網(wǎng)“三網(wǎng)融合”的臺(tái)站總數(shù)將達(dá)到15000個(gè)，重點(diǎn)省市及地區(qū)的臺(tái)站數(shù)量將超過(guò)1000個(gè)，地震預(yù)警和地震烈度速報(bào)業(yè)務(wù)的需求對(duì)臺(tái)站運(yùn)行和產(chǎn)出提出了更高的要求。為此，需要建立：對(duì)多種觀測(cè)臺(tái)站組成的大型觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)的現(xiàn)代運(yùn)行管理的新模式；完善的系統(tǒng)運(yùn)行、儀器運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、儀器維護(hù)維修系統(tǒng)；儀器參數(shù)同步、數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)；科學(xué)、高效的數(shù)據(jù)處理和信息發(fā)布系統(tǒng)；技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、能夠滿足不同需求的數(shù)據(jù)管理和服務(wù)系統(tǒng)。
二、測(cè)震臺(tái)站布局的進(jìn)一步優(yōu)化。該工程中，測(cè)震臺(tái)站配置有寬頻帶地震儀和強(qiáng)震儀，不但在地震定位中發(fā)揮作用，更重要的是在震級(jí)測(cè)定中發(fā)揮著基準(zhǔn)作用。因此，可以在觀測(cè)環(huán)境好、背景噪聲低的地區(qū)建設(shè)部分“納米級(jí)”的精品地震臺(tái)站，使這些臺(tái)站在地震預(yù)警中起到“以一當(dāng)十”的作用；同時(shí)，需要進(jìn)一步優(yōu)化華北地震區(qū)、南北地震帶、東南沿海和新疆西北部這4個(gè)地震預(yù)警區(qū)域的測(cè)震臺(tái)站布局，確保震級(jí)測(cè)定的準(zhǔn)確性；此外，由于新疆北部、云南、遼寧等地的特殊地理位置，這些地區(qū)的測(cè)震臺(tái)站將在周邊國(guó)家和地區(qū)地震災(zāi)害與特殊事件的監(jiān)測(cè)工作中發(fā)揮獨(dú)特的作用。
三、實(shí)用化研究工作的開(kāi)展。針對(duì)國(guó)家烈預(yù)工程的實(shí)際需求，為確保預(yù)警信息的準(zhǔn)確性，需開(kāi)展震相自動(dòng)識(shí)別、自動(dòng)地震定位、震級(jí)估算、預(yù)警信息發(fā)布等實(shí)用化研究；建立技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)與儀器檢測(cè)接口，逐步建立觀測(cè)儀器質(zhì)量檢測(cè)與入網(wǎng)許可機(jī)制，不斷提高觀測(cè)儀器的質(zhì)量；通過(guò)分析對(duì)比寬頻帶地震儀、強(qiáng)震儀和烈度儀實(shí)際地震記錄數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在同一平臺(tái)的運(yùn)行；研制針對(duì)多種類(lèi)型觀測(cè)儀器的數(shù)據(jù)質(zhì)量檢測(cè)軟件，賦予其儀器方位角檢測(cè)、儀器幅頻特性曲線與相頻特性曲線繪制、波形斷記統(tǒng)計(jì)、臺(tái)基噪聲功率譜分析等功能，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量；利用寬頻帶、加速度及GPS數(shù)據(jù)優(yōu)化地震震級(jí)算法，構(gòu)建虛擬預(yù)警平臺(tái)，針對(duì)地震預(yù)警過(guò)程中可能遇到的小震誤警、大震漏警、稀疏臺(tái)網(wǎng)等現(xiàn)象開(kāi)展離線虛擬預(yù)警試驗(yàn)；以城市群、破壞性地震頻發(fā)區(qū)為主要實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地，建設(shè)粗線條預(yù)警情景構(gòu)建與預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)系統(tǒng)，模擬震后15分鐘內(nèi)，預(yù)警區(qū)房屋、人員、功能性建筑等受影響及響應(yīng)警報(bào)的情況，針對(duì)多種輸入條件，探索預(yù)警受惠和誤警受損的概率分布分析方法。
表1 國(guó)家地震烈度速報(bào)和預(yù)警臺(tái)網(wǎng)建設(shè)工程給傳統(tǒng)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)帶來(lái)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
國(guó)家烈預(yù)工程帶來(lái)的機(jī)遇 國(guó)家烈預(yù)工程面臨的問(wèn)題 帶來(lái)的科技增益 對(duì)測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的發(fā)展要求地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置（1）顯著提高微震監(jiān)測(cè)能力、全面加強(qiáng)近場(chǎng)大震監(jiān)測(cè)能力。（2）顯著提高地震參數(shù)的測(cè)定精度。（3）顯著提高數(shù)據(jù)產(chǎn)品的產(chǎn)出能力。（1）系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性與可靠性。（2）對(duì)烈度儀數(shù)據(jù)估算震級(jí)基準(zhǔn)作用。（3）觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用、統(tǒng)一處理。（1）建設(shè)的主要功能和目標(biāo)。（2）科學(xué)服務(wù)國(guó)家防震減災(zāi)目標(biāo)。（1）優(yōu)化測(cè)震臺(tái)站布局、震級(jí)測(cè)定發(fā)揮基準(zhǔn)作用、建設(shè)“納米級(jí)”精品臺(tái)站。（2）多種數(shù)據(jù)分析對(duì)比、同平臺(tái)運(yùn)行。（3）盤(pán)活人力沉淀，實(shí)現(xiàn)地震監(jiān)測(cè)隊(duì)伍一專(zhuān)多能。地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)（1）顯著提升年度危險(xiǎn)區(qū)、重防區(qū)微震監(jiān)測(cè)能力。（2）為獲得未破裂凹凸體分布提供可能。（3）使監(jiān)測(cè)強(qiáng)震前的破裂成核過(guò)程、更完整識(shí)別主震后大量遺漏的余震成為可能。（1）現(xiàn)有測(cè)震臺(tái)網(wǎng)的運(yùn)行質(zhì)量。（2）進(jìn)一步優(yōu)化測(cè)震臺(tái)網(wǎng)布局。（1）顯著延伸預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的行業(yè)服務(wù)功能。（2）提升預(yù)警臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)的利用率、成果產(chǎn)出和轉(zhuǎn)化率。（1）更高的數(shù)據(jù)連續(xù)率和信噪比。（2）與預(yù)警臺(tái)網(wǎng)在數(shù)據(jù)處理能力、處理速度進(jìn)行匹配。（3）提升事件類(lèi)型快速判斷、多樣化的產(chǎn)品產(chǎn)出功能。地球科學(xué)及資源、能源、環(huán)境、災(zāi)害研究（1） “全頻帶”、“全動(dòng)態(tài)”觀測(cè)，精確測(cè)定地震地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)。（2）密集觀測(cè)有助建立精細(xì)三維速度結(jié)構(gòu)，研究介質(zhì)參數(shù)和各向異性、區(qū)域地質(zhì)和地球物理事件。（3）近場(chǎng)數(shù)據(jù)有助研究震源破裂過(guò)程、非均勻震源面、區(qū)域和大尺度應(yīng)力場(chǎng)變化。（1）與預(yù)警臺(tái)網(wǎng)相匹配的分析處理能力。（2）跨學(xué)科數(shù)據(jù)共享服務(wù)。（1）顯著拓展預(yù)警臺(tái)網(wǎng)的科技附加值。（2）提升預(yù)警臺(tái)網(wǎng)數(shù)據(jù)的利用率、成果產(chǎn)出和轉(zhuǎn)化率。（1）與預(yù)警臺(tái)網(wǎng)在數(shù)據(jù)處理能力、處理速度進(jìn)行匹配。（2）優(yōu)化測(cè)震臺(tái)站布局、震級(jí)測(cè)定發(fā)揮基準(zhǔn)作用、建設(shè)“納米級(jí)”精品臺(tái)站。（3）多種數(shù)據(jù)分析對(duì)比、同平臺(tái)運(yùn)行。
從國(guó)家層面解決地震相關(guān)的重大科學(xué)問(wèn)題和具有現(xiàn)實(shí)意義的戰(zhàn)略問(wèn)題（例如美國(guó)開(kāi)展的“國(guó)家地震災(zāi)害的恢復(fù)力”戰(zhàn)略研究［12］），在近二十年來(lái)已逐漸成為美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家政府的重要課題。重大科學(xué)計(jì)劃、科學(xué)工程的實(shí)施過(guò)程中，利用系統(tǒng)化思維考慮不同層面的關(guān)聯(lián)問(wèn)題，從而建成體系、形成國(guó)家能力也亦成為必要的“工程環(huán)節(jié)”。國(guó)家烈預(yù)工程的實(shí)施，從其帶來(lái)的發(fā)展機(jī)遇、提出的帶有積極性的挑戰(zhàn)、“上升一個(gè)層面看問(wèn)題、下降一個(gè)層面看細(xì)節(jié)”等多角度來(lái)看，都將直接并顯著地推進(jìn)現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的自身優(yōu)化和科學(xué)效益的進(jìn)一步發(fā)揮。就此意義而言，對(duì)工程戰(zhàn)略研究的分析和討論，或許將對(duì)推進(jìn)這種“進(jìn)化過(guò)程”、厘清國(guó)家烈預(yù)工程與現(xiàn)有地震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的關(guān)系有所裨益。
在分析國(guó)家烈預(yù)工程帶來(lái)的機(jī)遇時(shí)，筆者僅討論了服務(wù)地震速報(bào)與地震應(yīng)急處置、地震預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、地球科學(xué)研究等角度。事實(shí)上，地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的影響遠(yuǎn)不止于此，現(xiàn)代化和高質(zhì)量的地震觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)區(qū)域和全球的環(huán)境變化監(jiān)測(cè)、國(guó)家安全、地震海嘯預(yù)警等也同樣重要［13］。
本文選題得到中國(guó)地震局監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)司的指導(dǎo)，思路和編寫(xiě)過(guò)程得到全國(guó)測(cè)震學(xué)科技術(shù)協(xié)調(diào)組的幫助。相關(guān)工作得到中國(guó)地震局“監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)改革設(shè)計(jì)研究——預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展設(shè)計(jì)”專(zhuān)項(xiàng)支持，在此謹(jǐn)表謝意。
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中圖分類(lèi)號(hào)： P315
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 1674-4969（2016）03-0250-08
DOI： 10.3724/SP.J.1224.2016.00250
收稿日期： 2016-04-05； 修回日期： 2016-05-04
作者簡(jiǎn)介：蔣長(zhǎng)勝（1979-），男，博士，研究員，研究方向?yàn)榈卣痤A(yù)測(cè)基礎(chǔ)理論。E-mail： jiangcs@cea-igp.ac.cn
National Seismic Intensity Rapid Reporting and Early Warning Project：Opportunity and Challenge of Seismic Network
Jiang Changsheng， Liu Ruifeng
（Institute of Geophysics， China Earthquake Administration， Beijing 100081， China）
Abstract: China has already started the “National Seismic Intensity Rapid Reporting and Early Warning”project （called the “National Early Warning project” for short）， which will build the world largest seismic intensity rapid reporting and early warning observation system with a total of more than 10000 stations， and will enhance the national earthquake disaster mitigation capacity and improve the service level significantly. It will be of great practical significance to analyze the relationship between the “National Early Warning project” and the existing seismic monitoring network. Studies have indicated that the “National Early Warning project” would bring a rare development opportunity to the existing seismic monitoring network， including service in earth science research，earthquake emergency response， and earthquake forecasting. Some new problems have been put forward， including the stability and reliability of the system operation， the availability of the intensity data， the comprehensive utilization of the observed data， and sharing service of the cross subject data. In order to conduct the “National Early Warning project” successfully， from the point of view of seismic observation subject， we also need to carry out the research on the operation mode for the mass observation network and optimizing seismic networks， key technology， detection system and practical work for earthquake early warning.
Keywords: earthquake early warning； intensity rapid report； earthquake monitoring； seismic network
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