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南加州地震中心寬帶平臺V14.3模擬方法驗證*

Douglas S Dreger1)，Thomas H Jordan2)

1) Berkeley Seismological Laboratory, University of California，

Berkeley，California 94720 USA

2) Southern California Earthquake Center, University of Southern

California，Los Angeles，California 90089 USA

本專題用8篇論文來描述地震地面運動寬帶模擬方法的最近進(jìn)展以及基于記錄數(shù)據(jù)與經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷脑u價。 在工程地震學(xué)中，“寬帶”就是指周期從小于0.1 s到大于10 s的地震記錄。 科學(xué)研究和工程都對寬帶模擬感興趣, 因為它們在地震動預(yù)測中能提供完整的時間歷程，尤其是對觀測地震記錄圖采樣不好的參數(shù)范圍。

本專題由南加州地震中心(Southern California Earthquake Center，SCEC)負(fù)責(zé)，太平洋地震工程研究(Pacific Earthquake Engineering Research，PEER)中心協(xié)作，目的是驗證寬帶模擬方法在工程應(yīng)用方面采取的重要措施。 該項目受到兩個危險性模擬的驅(qū)動，即美國西南部(South Western United States ，SWUS)的地震動特征項目和太平洋地震工程研究中心的北美中東部下一代衰減(NGA-East)項目。 這兩個項目都需要模擬來補(bǔ)充約束地震動預(yù)測方程(ground-motion prediction equations，GMPEs)并表征其認(rèn)知的不確定性。

Goulet等[1]的第1篇論文描述了本研究的目標(biāo)和計劃。 驗證分兩部分進(jìn)行： 即針對歷史地震記錄(A部分)和受觀測數(shù)據(jù)良好約束的地面運動預(yù)測方程的烈度估計(B部分)。 驗證指標(biāo)完全基于RotD50烈度指標(biāo)，定義5%阻尼比、 水平方向均勻分布的單自由度線性振子的偽譜加速度(pseudospectral acceleration，PSA)響應(yīng)的中值。 因而，RotD50是振子周期的函數(shù)，振子周期變化范圍是0.01～10 s，不依賴記錄水平地面運動的傳感器方向。

本項目只評價重現(xiàn)PSA均值模擬方法的能力，不考慮離差指標(biāo)。 A部分比較了模擬的PSA均值和在加州、 日本與北美東部具有良好記錄的12個地震的數(shù)據(jù)。 每個地震由200 km內(nèi)40個臺站經(jīng)過場地校正的RotD50數(shù)據(jù)表達(dá)。 B部分比較了模擬的PSA值和中等距離(20 km和50 km)的中等震級(MW5.5～6.6)地震的GMPE的平均估值。 0.01～3 s周期的GMPE平均值由2008年NGA-West模型中的4個平均值計算獲得。

本項目評價了4個在2014年3月版的南加州地震中心寬帶平臺(BBP V14.3)上實施的有限斷層模擬方法。 Maechling等[2]描述了這個開源計算平臺的體系結(jié)構(gòu)、 工作流程與文件結(jié)構(gòu)及其基本軟件功能。 該平臺的開發(fā)為使用包括震源表達(dá)和結(jié)構(gòu)模型在內(nèi)的通用輸入?yún)?shù)集的寬帶模擬方法之間的可重現(xiàn)性比較提供了可控的計算環(huán)境。 平臺根據(jù)用戶指定的工作流程安排計算順序，以標(biāo)準(zhǔn)格式輸出模擬結(jié)果----地震圖、 PSA值和各種驗證指標(biāo)。 通過標(biāo)準(zhǔn)化組件之間數(shù)據(jù)交換的文本文件格式來確保異構(gòu)組件代碼之間的互用性。

數(shù)年的軟件研發(fā)已經(jīng)形成了現(xiàn)今成熟的計算平臺，它是可靠的而且足以經(jīng)得起面向工程的各種驗證。 本專題描述的驗證由南加州地震中心軟件工程師在南加州大學(xué)高性能計算中心進(jìn)行，而不是模型研發(fā)者在他們自己的機(jī)器上進(jìn)行。

2013年6月對使用較早版本的南加州地震中心寬帶平臺(BBP V13.6)的美國西南部項目進(jìn)行了初步驗證。 驗證與Goulet等[1]一樣也包含兩部分，但它使用了較大的模擬方法(5個模型)和較小的歷史地震數(shù)據(jù)(7個事件)。 南加州地震中心召集的7名成員組成專家組討論評價了該結(jié)果并且將討論會的書面報告提供給模擬方法的作者[3]，且允許他們修改、重新提交程序代碼并入寬帶平臺(BBP V14.3)。

本專題的論文總結(jié)了4種表現(xiàn)突出的BBP V14.3方法，包括對模型研發(fā)及最近修改模型的原始出版物的引用。 Atkinson和Assatourians[4]使用了跨越整個頻段地震圖的隨機(jī)表達(dá)。 其他3種方法在低頻部分(<1 Hz)使用了確定的格林函數(shù)。 Crempien和Archuleta[5]的方法在很大程度上是確定性的，它根據(jù)動態(tài)破裂模擬導(dǎo)出的運動學(xué)震源參數(shù)之間的相關(guān)函數(shù)生成高頻(>1 Hz)運動。 Graves和Pitarka[6]與Olsen和Takedatsu[7]采用不同隨機(jī)技術(shù)的混合方法模擬高頻。 出于完整性考慮，這里也描述了參與BBP V13.6驗證的第5種方法[8]，但它對V14.3的驗證既沒有修改也沒有做重新評估。

Dreger等[9]給出了南加州地震中心專家組對BBP V14.3的評價結(jié)果。 專家組審查了每個研發(fā)者提供的文件，文件包括方法的技術(shù)信息、 他們方法適應(yīng)性(如，震級和距離范圍)的自我評價和對結(jié)果的評價。 第2次研討會給專家組提供了一次向研發(fā)者提問題并討論技術(shù)細(xì)節(jié)的機(jī)會。 評價標(biāo)準(zhǔn)包括指定的性能閾值、 偏差程度和已經(jīng)出版的GMPE的比較。

根據(jù)既定標(biāo)準(zhǔn)，Dreger等[9]得出結(jié)論： 對加州和類似的活動構(gòu)造區(qū)域，在地震驗證的震級范圍(MW5.4～7.2)內(nèi)，4種BBP V14.3方法適用于0.01～3 s周期的中值PSA寬帶模擬。 推薦應(yīng)用于震源幾何和破裂方向?qū)Φ孛孢\動影響的量化。 他們還得出結(jié)論： BBP V14.3驗證太有限，以至于不能驗證應(yīng)用于像北美中東部這樣穩(wěn)定的大陸地區(qū)的方法，但這些模擬可以用于量化僅用觀測數(shù)據(jù)難以得到的一些相對影響和標(biāo)度關(guān)系。

文獻(xiàn)來源： Douglas S Dreger，Thomas H Jordan. Introduction to the focus section on validation of the SCEC broadband platform V14.3. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1): 15-16. doi:10.1785/0220140233

(甘肅省地震局楊國棟譯)

(譯者電子信箱，楊國棟： yanggd@gsdzj.gov.cn)

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Goulet C A，Abrahamson N A，Somerville P G，et al. The SCEC broadband platform validation exercise for pseudo-spectral acceleration: Methodology for code validation in the context of seismic hazard analyses. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)： 17-26. doi:10.1785/0220140104

[2] Maechling P J，Silva F，Callaghan S，et al. SCEC broadband platform: System architecture and softwar implementation. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)； 27-38. doi:10.17850220140125

[3] Dreger D C，Beroza G C，Day S M，et al. Evaluation of the SCEC broadband platform phase 1 ground motion simulation results. Southern California Earthquake Center Report. 2013: 33

[4] Atkinson G M，Assatourians K. Implementation and validation of EXSIM (a stochastic finite-fault ground-motion simulation algorithm) on the SCEC broadband platform. Seismol.Res. Lett.，2015，86(1)： 48-60. doi:10.1785/0220140097

[5] Crempien J G F，Archuleta R J. UCSB method for broadband ground motion from kinematic simulations of earthquakes. Seismol. Res. Lett., 2015，86(1)： 61-67. doi:10.1785/0220140103

[6] Graves R，Pitarka A. Refinements to the Graves and Pitark (2010) broadband ground motion simulation method. Seismol. Res.Lett.，2015，86(1): 75-80. doi:10.1785/0220140101

[7] Olsen K，Takedatsu R. The SDSU broadband ground motion generation module BBtoolbox Version 1.5. Seismol. Res.Lett.，2015，86(1)： 81-88. doi:10.1785/0220140102

[8] Anderson J G. The composite source model for broadband simulations of strong ground motions. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1): 68-74. doi:10.1785/0220140098

[9] Dreger D C，Beroza G C，Day S M，et al. Validation of the SCEC broadband platform v14.3 simulation methods using pseudo spectral acceleration data. Seismol. Res. Lett.，2015，86(1)： 39-47. doi:10.17850220140118

中圖分類號：P315.8；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.02.010

* 收稿日期：2016-02-02； 采用日期： 2016-02-15。

SRL專題介紹(Ⅰ)

編者按： 2015年Seismological Research Letters共出版了5個專題，《國際地震動態(tài)》分兩期將這5個專題的序言翻譯介紹給讀者。 2016年以后，Seismological Research Letters每出版一個專集，我們會及時將它們介紹給大家。