宋晉東，教聰聰，李山有，侯寶瑞，汪 源

(中國地震局工程力學(xué)研究所 中國地震局地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150080)

地震預(yù)警指的是在地震發(fā)生后，利用震源附近地震臺站觀測到的地震波初期信息，快速估計(jì)地震參數(shù)并預(yù)測地震對周邊地區(qū)的影響，搶在破壞性地震波到達(dá)震中周邊地區(qū)之前，發(fā)布各地地震動(dòng)強(qiáng)度和到達(dá)時(shí)間的預(yù)警信息，向目標(biāo)區(qū)域提供數(shù)秒至數(shù)十秒的預(yù)警時(shí)間，使企業(yè)和公眾能夠提早采取地震緊急處置措施，進(jìn)而減輕地震人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，是近年來發(fā)展起來的減輕地震災(zāi)害的有效手段之一[1-3]。地震預(yù)警的關(guān)鍵技術(shù)包括震級快速估算、定位、烈度預(yù)測等[4]。世界上現(xiàn)有多個(gè)國家和地區(qū)已建立或正在測試地震預(yù)警系統(tǒng)，如日本[5-6]、墨西哥[7]、美國[8-9]、意大利[10-11]、中國[12-13]、中國臺灣[14-15]等，也取得了一定的減災(zāi)效益[16-17]。對于高速鐵路，地震是一種發(fā)生概率較小、但對行車安全有極大危害的自然災(zāi)害，高速鐵路發(fā)達(dá)國家如日本、法國等均建立了地震緊急處置系統(tǒng)[18]，中國是地震多發(fā)國家、且高速鐵路發(fā)展迅速，迫切需要建設(shè)高速鐵路地震緊急處置系統(tǒng)。

高速鐵路地震緊急處置均應(yīng)實(shí)現(xiàn)三級地震警報(bào)，由低到高分為Ⅰ級、Ⅱ級和Ⅲ級，不同的處置等級分別對應(yīng)相應(yīng)的緊急處置措施，相應(yīng)的實(shí)測或預(yù)測加速度值分別為40 cm/s2、80 cm/s2、120 cm/s2 [19]。一般來說，當(dāng)實(shí)測加速度峰值(此處為低通5Hz濾波后水平向加速度記錄的合成值[20]，下文中用PGA表示)達(dá)到40 cm/s2時(shí)，破壞性地震波已經(jīng)到來[21]，留給高速鐵路緊急處置的時(shí)間較短，若能利用地震P波預(yù)測地震最終是否將會達(dá)到預(yù)先設(shè)定的地震警報(bào)PGA閾值，即可以提高緊急處置的時(shí)效性。

高速鐵路地震緊急處置的工作方式主要采用區(qū)域和現(xiàn)地兩種。區(qū)域方式在快速估計(jì)出震源參數(shù)后，主要利用地震動(dòng)衰減關(guān)系判斷地震對鐵路沿線可能造成的破壞，但地震動(dòng)衰減關(guān)系的不確定性[22]、目標(biāo)區(qū)域的場地條件[23]、大震級事件時(shí)的破裂尺度[24]等諸多因素都會造成預(yù)測結(jié)果的誤差，同時(shí)，高速鐵路的地震監(jiān)測臺站布設(shè)較為稀疏，也不利于區(qū)域方式這樣的工作模式?，F(xiàn)地方式主要利用地震動(dòng)參數(shù)的P波段與全波段統(tǒng)計(jì)關(guān)系[25-26]，但僅僅通過幅值類參數(shù)進(jìn)行預(yù)測，難以區(qū)分小震近震與大震遠(yuǎn)震，因此，適用于高速鐵路緊急處置的現(xiàn)地地震動(dòng)預(yù)測方法值得進(jìn)一步研究。

本文以準(zhǔn)確、快速預(yù)測高速鐵路Ⅰ級地震警報(bào)為目標(biāo)，利用日本K-net強(qiáng)震數(shù)據(jù)，基于能夠表征地震破裂輻射能量的地震動(dòng)參數(shù)速度平方積分IV2與加速度峰值PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，通過P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗IV2對應(yīng)的Ⅰ級地震警報(bào)閾值預(yù)測地震動(dòng)是否能夠達(dá)到40 cm/s2。同時(shí)，引入能夠穩(wěn)定估計(jì)震級M的參數(shù)特征周期τc，以P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗τc的閾值表征大震級事件，以此體現(xiàn)預(yù)測模型中震級對預(yù)測結(jié)果的影響，旨在探索一種具有理論地震學(xué)依據(jù)的高速鐵路Ⅰ級地震警報(bào)預(yù)測方式。

1 數(shù) 據(jù)

從日本K-net強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)中，選擇了2007年10月至2015年10月發(fā)生于陸地的地震事件作為研究對象，對強(qiáng)震數(shù)據(jù)做如下處理與篩選：

(1) 選取震源深度10 km以內(nèi)、震中距100 km以內(nèi)的強(qiáng)震數(shù)據(jù)，對于5級以上地震，補(bǔ)充100～200 km范圍的強(qiáng)震記錄；

(2) 對強(qiáng)震數(shù)據(jù)進(jìn)行P波到時(shí)自動(dòng)識別[27]，并做人工P波到時(shí)撿拾校正；

(3) 對加速度記錄積分一次得到速度記錄、速度記錄積分一次得到位移記錄，積分后的記錄作0.075 Hz巴特沃斯高通濾波以消除積分帶來的低頻漂移現(xiàn)象；

(4) 計(jì)算τc需要地震記錄滿足一定的信噪比要求，選取P波觸發(fā)后3秒內(nèi)的速度幅值大于0.05 cm/s作為信噪比的選取標(biāo)準(zhǔn)篩選數(shù)據(jù)[28]。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)處理流程后，共篩選出1 258次地震、共5 439組(16 317條)強(qiáng)震數(shù)據(jù)供本文進(jìn)行研究。圖1顯示了本文所選取地震的震中及記錄臺站分布圖，震級與震中距的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖2。由圖2可見，本文選取強(qiáng)震數(shù)據(jù)的震級范圍3.0～8.0、震中距范圍0～200 km。

圖1 本研究中的地震震中(空心圓，直徑與震級大小成比例)及K-net臺站分布圖(灰色三角形)
Fig.1 Locations of the epicenters (red open circles,size in proportion to magnitude) and K-net stations (grey solid triangles) in this study

2 方 法

2.1 四水準(zhǔn)預(yù)測方法模型

本文方法的主要思想是預(yù)測接收到地震波的臺站能否達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)對應(yīng)的PGA閾值，在利用IV2預(yù)測PGA的基礎(chǔ)上，引入τc參數(shù)表征震級M的影響，依據(jù)P波段τc閾值和IV2閾值分為4個(gè)預(yù)測水準(zhǔn)，分別為0，1，2，3，圖3顯示了本文提出的四水準(zhǔn)預(yù)測方法模型，各個(gè)預(yù)測水準(zhǔn)的定義如下

圖2 強(qiáng)震數(shù)據(jù)的震中距及震級分布圖Fig.2 Distribution of the number of strong ground motion records as a function of the magnitude and epicentral distance

0：小震級事件，PGA預(yù)測值小于40 cm/s2，在臺站周邊不會發(fā)生地震破壞；

1：大震級事件，PGA預(yù)測值小于40 cm/s2，在遠(yuǎn)離臺站處可能發(fā)生地震破壞，即大震遠(yuǎn)震；

2：小震級事件，PGA預(yù)測值大于40 cm/s2，在臺站周邊可能產(chǎn)生破壞，即小震近震；

3：大震級事件，PGA預(yù)測值大于40 cm/s2，在臺站周邊和遠(yuǎn)離臺站處都會產(chǎn)生破壞，即大震近震。

由于地震震級越大所造成的地震破壞也可能隨之增大，本文從預(yù)測準(zhǔn)確性的角度考慮，選取預(yù)測水準(zhǔn)3即P波段τc和IV2同時(shí)大于預(yù)先確定的閾值時(shí)，預(yù)測會達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)、即PGA會達(dá)到40 cm/s2。因此，首先需要利用本文篩選并處理的強(qiáng)震數(shù)據(jù)建立兩個(gè)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，即τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系、PGA與IV2的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，并以這兩個(gè)統(tǒng)計(jì)關(guān)系作為預(yù)測方程，確定震級M=6對應(yīng)的τc閾值、以及PGA=40 cm/s2對應(yīng)的IV2閾值。

圖3 本文提出的四水準(zhǔn)預(yù)測Ⅰ級地震警報(bào)方法模型Fig.3 Four alert levels for predicting first-level earthquake alarm of high-speed railway proposed by this paper

2.2 速度平方積分IV2與PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系及其閾值確定

速度平方積分IV2是一個(gè)與地震早期輻射能量緊密相關(guān)[29]的震級估計(jì)參數(shù)[30]，同時(shí)，Brondi等[31]的研究結(jié)果顯示出IV2與峰值速度、豪斯納烈度存在很高的相關(guān)性，王子珺等也驗(yàn)證了IV2與峰值加速度、峰值速度、譜烈度的高相關(guān)性，因此速度平方積分IV2可以快速評判地震破壞，IV2的計(jì)算公式如下

(1)

式中:v為速度記錄，t0為積分的起始點(diǎn)，一般為P波的觸發(fā)點(diǎn)，Δt為積分計(jì)算的時(shí)間窗長。

在本研究中將PGA作為預(yù)測的地震動(dòng)參數(shù)對象，利用本文收集處理的K-net強(qiáng)震數(shù)據(jù)，分別建立P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下IV2與PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系。如圖4所示，灰色圓點(diǎn)表示每條強(qiáng)震記錄的IV2值，實(shí)線表示擬合后得到的PGA與IV2線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，虛線分別表示線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系的±1σ標(biāo)準(zhǔn)差。從安全冗余的角度考慮，借鑒Zollo等的方法，選取+1σ標(biāo)準(zhǔn)差PGA與IV2線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，轉(zhuǎn)換得到PGA=40 cm/s2時(shí)對應(yīng)的P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下IV2閾值，詳見表1和圖4。

表1P波觸發(fā)后1s、2s、3s時(shí)間窗下PGA=40cm/s2對應(yīng)的IV2閾值
Tab.1ThresholdsofIV2referencetoPGA=40cm/s2fortimewindowsof1s,2sand3safterP-wavearrival

P波觸發(fā)后的時(shí)間窗/sIV2/(cm2·s-1)10.0120.0230.04

圖5顯示了選取+1σ標(biāo)準(zhǔn)差PGA與IV2線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)lg PGA估計(jì)值與lg PGA真實(shí)值誤差的概率密度函數(shù)，其整體服從正態(tài)分布，概率密度函數(shù)的形狀也隨著時(shí)間窗的增長呈現(xiàn)陡度增加的趨勢，P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下lg PGAest-lg PGA的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.35，0.31，0.29，這與線性關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差吻合、且有隨時(shí)間窗增長而減小的趨勢，這些都表明了PGA與IV2有著很強(qiáng)的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，由于選定了+1σ標(biāo)準(zhǔn)差的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，因此+1σ標(biāo)準(zhǔn)差的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系所對應(yīng)的概率為85%，如圖5陰影部分所示，依據(jù)Zollo等的研究結(jié)果，+1σ標(biāo)準(zhǔn)差即85%的概率可以滿足方法的可靠性要求。

2.3 特征周期τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系及其閾值確定

地震觸發(fā)后P波初期的頻率成分是地震預(yù)警中常用的一種估算震級M參數(shù)，一般通過建立其與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系進(jìn)行震級的快速估算。該方法由Nakamura(1988)提出并應(yīng)用于日本新干線UrEDAS地震緊急處置系統(tǒng)，Allen等(2003)將此方法運(yùn)用于美國南加州的地震預(yù)警系統(tǒng)測試，Kanamori[32]在Nakamura方法的基礎(chǔ)上提出了τc參數(shù)估算震級，τc的計(jì)算公式如下

圓點(diǎn)表示每條強(qiáng)震記錄的IV2計(jì)算結(jié)果；實(shí)線表示擬合后得到的PGA與IV2的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系；虛線分別表示線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系的±1σ標(biāo)準(zhǔn)差；圖中還標(biāo)出了+1σ標(biāo)準(zhǔn)差PGA=40 cm/s2時(shí)對應(yīng)的IV2閾值

圖4 P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下PGA與IV2的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系
Fig.4 Empirical scaling relationships between PGA and IV2 from time windows of 1s,2s and 3s after P-wave arrival

圖5 P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗+1σ標(biāo)準(zhǔn)差PGA與IV2線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)lg PGA估計(jì)值與lg PGA真實(shí)值誤差的概率密度函數(shù)Fig.5 The probability density function (pdf) of lg PGAest-lg PGA allowing for the 1+σ error bounds of empirical scaling relationships between PGA and IV2 from time windows of 1 s,2 s and 3 s after P-wave arrival

(2)

其中，

(3)

0為P波到時(shí)點(diǎn)，τ0為積分計(jì)算的時(shí)間窗長，一般取3 s，v(t)表示豎向速度時(shí)程，u(t)表示豎向位移時(shí)程。由計(jì)算公式可以得出，τc表征的是地震波的特征周期，同時(shí)也是0-τ0積分步長內(nèi)的平均周期。本文分別選擇P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗分別計(jì)算τc值。

利用本文收集處理的K-net強(qiáng)震數(shù)據(jù)，分別建立1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，如圖6所示，圓點(diǎn)表示每條強(qiáng)震記錄的τc值，實(shí)線表示擬合后得到的τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，虛線分別表示線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系的±1σ標(biāo)準(zhǔn)差。

Zollo等(2010)的研究結(jié)果表明，τc隨震中距的變化并不顯著，即τc是只與M相關(guān)的參數(shù)、與震中距不相關(guān)，因此，可以將τc作為可以穩(wěn)定表征震級M大小的參數(shù)。本文依據(jù)Zollo等的研究結(jié)果將震級M=6時(shí)定義為大震級事件，從安全冗余的角度考慮，借鑒Zollo等的方法，選取-1σ標(biāo)準(zhǔn)差τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，轉(zhuǎn)換得到震級M=6時(shí)對應(yīng)的P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下τc閾值，詳見表2和圖6。

表2P波觸發(fā)后1s、2s、3s時(shí)間窗下震級M=6對應(yīng)的τc閾值
Tab.2ThresholdsofτcreferencetoM=6fortimewindowsof1s,2sand3safterP-wavearrival

P波觸發(fā)后的時(shí)間窗/sτc/s10.6020.6530.72

圖7顯示了選取-1σ標(biāo)準(zhǔn)差τc與M線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)M估計(jì)值與M真實(shí)值誤差的概率密度函數(shù)，其整體同樣服從正態(tài)分布，但概率密度函數(shù)的形狀并未出現(xiàn)隨著時(shí)間窗的增長而陡度明顯增加的趨勢，表明P波觸發(fā)后1 s即可獲得穩(wěn)定的震級估計(jì)結(jié)果，這與宋晉東等[33]的研究結(jié)果一致。P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下Mest-M的標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.89、0.82、0.79，這與線性關(guān)系標(biāo)準(zhǔn)差吻合、且有隨時(shí)間窗增長而減小的趨勢，這些都表明了τc與M有著很強(qiáng)的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，由于選定了-1σ標(biāo)準(zhǔn)差的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，因此-1σ標(biāo)準(zhǔn)差的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系所對應(yīng)的概率為85%，如圖7陰影部分所示，依據(jù)Zollo等的研究結(jié)果，-1σ標(biāo)準(zhǔn)差即85%的概率可以滿足方法的可靠性要求。

圓點(diǎn)表示每條強(qiáng)震記錄；實(shí)線表示擬合后得到的τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系；虛線分別表示線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系的±1σ標(biāo)準(zhǔn)差；圖中還標(biāo)出了-1σ標(biāo)準(zhǔn)差震級M=6時(shí)對應(yīng)的τc閾值

圖6 P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下τc與震級M的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系
Fig.6 Empirical scaling relationships betweenτcand magnitude from time windows of 1 s,2 s and 3 s after P-wave arrival

圖7 P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗-1σ標(biāo)準(zhǔn)差τc與M線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)M估計(jì)值與M真實(shí)值誤差的概率密度函數(shù)Fig.7 The probability density function (PDF) of Mest-M allowing for the -1σ error bounds of empirical scaling relationships between τc and magnitude from time windows of 1 s,2 s and 3 s after P-wave arrival

3 2016年4月14日熊本6.5級地震震例分析

2016年4月14日21時(shí)26分(日本標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間)，日本熊本縣熊本地方發(fā)生6.5級(Mj)地震，震源深度11 km。九州新干線一列6節(jié)車廂編組的新干線800系電力動(dòng)車組(時(shí)速80 km/h)從熊本站開往熊本綜合車輛所的回廠過程中發(fā)生脫軌，脫軌地點(diǎn)距離熊本站南側(cè)1.3 km，距離震中約14 km。

日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)布設(shè)的K-net強(qiáng)震觀測臺網(wǎng)中，共有10個(gè)臺站位于九州新干線沿線，圖8顯示了此次熊本地震的震中位置(五角星)、九州新干線列車脫軌位置(叉形)、以及九州新干線沿線K-net臺站位置(菱形)以及記錄到的PGA最大值(臺站編號后的括號內(nèi))。其中，編號KMM006的K-net臺站記錄到了最大PGA值521.1 cm/s2，該臺站在這10個(gè)臺站中距離震中位置最近，震中距為6.4 km。共有5個(gè)臺站的實(shí)測PGA值超過了40 cm/s2，按照PGA值由小到大順序排列，臺站編號分別為FKO011(62.7 cm/s2)、KMM003(76.3 cm/s2)、KMM012(156.8 cm/s2)、KMM008(290.7 cm/s2)、KMM006(521.1 cm/s2)，即這5個(gè)K-net臺站都至少達(dá)到了Ⅰ級地震警報(bào)的水準(zhǔn)。列車脫軌的位置位于KMM008臺站與KMM006臺站之間，這兩個(gè)臺站記錄到的PGA值在九州新干線沿線10個(gè)K-net臺站中，分別為最大和第二大。表3列出了九州新干線沿線10個(gè)K-net臺站P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s的τc與IV2的計(jì)算結(jié)果。

在2016年4月14日熊本6.5級地震震例分析中，主要驗(yàn)證本文方法的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。在準(zhǔn)確性分析中，主要利用九州新干線沿線10個(gè)K-net臺站數(shù)據(jù)，預(yù)測各個(gè)臺站是否會達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)。在時(shí)效性分析中，基于KMM006與KMM008臺站數(shù)據(jù)，分析在這兩個(gè)臺站在P波觸發(fā)后多長時(shí)間窗內(nèi)可以預(yù)測出達(dá)到40 cm/s2的Ⅰ級地震警報(bào)，并比較預(yù)測達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)的時(shí)刻、列車脫軌時(shí)刻、氣象廳緊急地震速報(bào)發(fā)出時(shí)刻的先后順序。

3.1 準(zhǔn)確性

在準(zhǔn)確性分析中，主要基于九州新干線沿線10個(gè)K-net臺站，計(jì)算每個(gè)臺站P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗的τc和IV2值，基于本文分析得到的τc閾值和IV2閾值，依據(jù)本文提出的預(yù)測水準(zhǔn)方法模型，預(yù)測各個(gè)臺站是否會達(dá)到40 cm/s2的Ⅰ級地震警報(bào)，并與臺站的實(shí)測PGA進(jìn)行比較，分析預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。圖9中，實(shí)心方框表示臺站的實(shí)測PGA<40 cm/s2，空心方框表示臺站的實(shí)測PGA>40 cm/s2，臺站邊的數(shù)字表示該臺站的預(yù)測水準(zhǔn)。

表3 P波觸發(fā)后1 s、2 s、3 s時(shí)間窗下τc與IV2的計(jì)算值Tab.3 Calculating values of τc and IV2 for K-net stations along Kyushu Shinkansen from time

當(dāng)每個(gè)臺站P波觸發(fā)1 s時(shí)，距離震中最近的KMM006臺站達(dá)到預(yù)測水準(zhǔn)3，即表明可以預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)。10個(gè)沿線K-net臺站中，預(yù)測準(zhǔn)確的臺站數(shù)為6個(gè)，F(xiàn)KO011臺站、KMM003臺站、KMM008臺站為漏報(bào)，KGS012臺站為誤報(bào)。

當(dāng)每個(gè)臺站P波觸發(fā)2 s時(shí)，距離震中最近的KMM006臺站達(dá)到預(yù)測水準(zhǔn)3，即表明可以預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)。10個(gè)沿線K-net臺站中，預(yù)測準(zhǔn)確的臺站數(shù)為8個(gè)，F(xiàn)KO011臺站為漏報(bào)，KGS012臺站為誤報(bào)。

當(dāng)每個(gè)臺站P波觸發(fā)3 s時(shí)，距離震中最近的KMM006臺站達(dá)到預(yù)測水準(zhǔn)3，即表明可以預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)。10個(gè)沿線K-net臺站中，預(yù)測準(zhǔn)確的臺站數(shù)為9個(gè)，KGS012臺站為誤報(bào)。

需要注意的是，水準(zhǔn)2也可以表征PGA預(yù)測值大于40 cm/s2，但由于其代表小震級事件，而地震震級越大所造成的地震破壞也可能隨之增大，故本文從預(yù)測準(zhǔn)確性的角度考慮，選取了預(yù)測水準(zhǔn)3作為達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)的標(biāo)準(zhǔn)。雖然在準(zhǔn)確性分析中沒有出現(xiàn)預(yù)測水準(zhǔn)2的案例，但是對于預(yù)測水準(zhǔn)2是否適合作為預(yù)測的標(biāo)準(zhǔn)，還值得進(jìn)一步分析。

同時(shí)我們發(fā)現(xiàn)，在P波觸發(fā)后的初期，5個(gè)實(shí)測PGA值超過40 cm/s2的臺站出現(xiàn)了一定程度的漏報(bào)，但是隨著P波觸發(fā)后預(yù)測時(shí)間窗的增長，預(yù)測的結(jié)果趨向于實(shí)測。這主要是由于本文選取的速度平方積分IV2是一個(gè)與地震破裂輻射能量密切相關(guān)的地震動(dòng)參數(shù)，大地震事件需要較長的時(shí)間才能夠釋放其累積的能量，其破裂前期釋放的能量較少，因此在一個(gè)較短的時(shí)間窗內(nèi)，僅能反映地震破裂的一部分能量，隨著時(shí)間窗的增長，包含的能量信息也隨之增加，從而使得預(yù)測結(jié)果越來越接近實(shí)測值[34]，這也符合此次地震的震源破裂過程[35]。此外，九州新干線沿線10個(gè)K-net臺站中，位于最南端、距離脫軌位置最遠(yuǎn)的KGS012臺站出現(xiàn)了誤報(bào)，通過τc值與IV2值計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)KGS012臺站τc與IV2的計(jì)算結(jié)果都偏大，我們推測可能的原因是KGS012臺站周邊的場地條件導(dǎo)致了這種現(xiàn)象，雖然KGS012臺站距離震中位置和脫軌位置最遠(yuǎn)，離震中最近的KMM006臺站也可以迅速做出準(zhǔn)確預(yù)測，誤報(bào)在此次地震中所帶來的影響會相對較小，但是在高速鐵路緊急處置中保證警報(bào)的準(zhǔn)確性尤為重要，因此，優(yōu)化本文方法、降低誤報(bào)與漏報(bào)幾率是下一步工作需要重點(diǎn)考慮的問題。

五角星表示地震震中；鐵軌線表示九州新干線線路；菱形表示九州新干線沿線K-net臺站位置；叉形表示九州新干線列車在此次地震中的脫軌位置

圖8 2016年4月14日熊本6.5級(Mj)地震九州新干線沿線K-net臺站分布
Fig.8 Locations of K-net stations (diamonds) along Kyushu Shinkansen (rail line) in 2016 Kumamoto earthquake (Mj=6.5)

圖9 2016年4月14日熊本6.5級(Mj)地震九州新干線Ⅰ級地震警報(bào)預(yù)測結(jié)果Fig.9 The predicting results to first-level earthquake alarm using K-net stations data along Kyushu Shinkansen in 2016 Kumamoto earthquake (Mj=6.5)

3.2 時(shí)效性

在時(shí)效性分析中，主要分析KMM006與KMM008臺站在P波觸發(fā)后多長時(shí)間窗內(nèi)可以預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)，并將這個(gè)時(shí)刻與九州新干線脫軌時(shí)刻、氣象廳緊急地震速報(bào)時(shí)刻放在同一個(gè)絕對時(shí)間軸下，進(jìn)行先后順序?qū)Ρ取?/p>

首先分析距離震中位置最近的KMM006臺站，因?yàn)樵撆_站距離震中位置最近，且在熊本地震中獲得最大PGA值。圖10(a)顯示了KMM006臺站豎向未濾波加速度記錄，記錄的起始時(shí)間為2016年4月14日21時(shí)26分21秒，圖10(b)以KMM06臺站的PGA時(shí)程為基礎(chǔ)，并在34 s～43 s范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)部放大。由圖10(b)可知，KMM006臺站的P波到時(shí)點(diǎn)為21:26:36.66秒，依據(jù)有效性分析結(jié)果，P波觸發(fā)后1 s即21:26:37.66秒可預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)，臺站實(shí)測達(dá)到40 cm/s2的時(shí)刻為21:26:38.8秒。依據(jù)中村豐(2016)推測，九州新干線在21:26:40.5秒時(shí)列車司機(jī)感受到了強(qiáng)烈震動(dòng)而選擇手動(dòng)剎車，大約在21:26:41.0秒列車開始脫軌[36]。日本氣象廳緊急地震速報(bào)系統(tǒng)在21:26:42.5秒時(shí)發(fā)出預(yù)警第1報(bào)，預(yù)測震級為6.5級(Mj)[37]。因此對于KMM006臺站，可以在脫軌前3.34 s預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)、且警報(bào)預(yù)測時(shí)刻比氣象廳緊急地震速報(bào)提前4.84 s。

接著分析KMM008臺站，因?yàn)樵撆_站獲得的PGA值僅次于KMM006臺站，且脫軌位置位于該臺站與KMM006之間。圖11(a)顯示了KMM008臺站豎向未濾波加速度記錄，記錄的起始時(shí)間為2016年4月14日21時(shí)26分23秒，圖11(b)以KMM008臺站的PGA時(shí)程為基礎(chǔ)，并在36 s～45 s范圍內(nèi)進(jìn)行細(xì)部放大。圖11(b)可知，KMM008臺站的P波到時(shí)點(diǎn)為21:26:37.95秒，依據(jù)有效性分析結(jié)果，P波觸發(fā)后2 s即21:26:39.95秒可預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)，臺站實(shí)測達(dá)到40 gal的時(shí)刻為21:26:41.28秒。因此對于KMM008臺站，可以在脫軌前1.05 s預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)、且警報(bào)預(yù)測時(shí)刻比氣象廳緊急地震速報(bào)提前2.55 s。雖然能夠提前的時(shí)間較KMM006臺站相對減少，但是KMM008臺站的震中距也大于脫軌位置與震中的距離，同時(shí)，KMM006臺站預(yù)測Ⅰ級地震警報(bào)的時(shí)刻比KMM008臺站提前近3 s，因此本文方法具有很高的時(shí)效性。

圖10 2016年4月14日熊本6.5級(Mj)地震中KMM006臺站Ⅰ級地震警報(bào)的預(yù)測時(shí)刻Fig.10 The prediction time for first-level earthquake alarm on K-net KMM006 station in 2016 Kumamoto earthquake (Mj=6.5)

圖11 2016年4月14日熊本6.5級(Mj)地震中KMM008臺站Ⅰ級地震警報(bào)的預(yù)測時(shí)刻Fig.11 The prediction time for first-level earthquake alarm on K-net KMM008 station in 2016 Kumamoto earthquake (Mj=6.5)

4 結(jié) 論

本文以準(zhǔn)確、快速預(yù)測高速鐵路Ⅰ級地震警報(bào)為目標(biāo)，提出了一種基于地震早期輻射P波能量的四水準(zhǔn)預(yù)測40 cm/s2方法。

該方法利用日本K-net強(qiáng)震數(shù)據(jù)，基于能夠表征地震破裂輻射能量的地震動(dòng)參數(shù)速度平方積分IV2與PGA的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，通過P波段IV2對應(yīng)的Ⅰ級地震警報(bào)閾值預(yù)測地震動(dòng)是否能夠達(dá)到40 cm/s2。同時(shí)，引入能夠穩(wěn)定估計(jì)震級M的參數(shù)特征周期τc，以P波段τc的閾值表征大震級事件，以此體現(xiàn)震級對預(yù)測結(jié)果的影響?；贗V2閾值與τc閾值，建立了四水準(zhǔn)預(yù)測Ⅰ級地震警報(bào)的方法模型。確定預(yù)測水準(zhǔn)3、即P波段τc和IV2同時(shí)大于預(yù)先確定的閾值時(shí)，預(yù)測會達(dá)到Ⅰ級地震警報(bào)。

以2016年4月14日熊本6.5級(Mj)地震為例，基于九州新干線沿線K-net臺站強(qiáng)震數(shù)據(jù)，進(jìn)行了地震警報(bào)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性分析。結(jié)果表明，本文方法可以在距離震中最近的KMM006臺站P波觸發(fā)后1 s預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)，預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)的時(shí)刻較九州新干線脫軌時(shí)刻和氣象廳緊急地震速報(bào)發(fā)布時(shí)刻分別提前了3.34 s和4.84 s。對于KMM008臺站，也可以在脫軌前1.05 s、氣象廳緊急地震速報(bào)前2.55 s預(yù)測出Ⅰ級地震警報(bào)，雖然能夠提前的時(shí)間較KMM006臺站相對減少，但是KMM008臺站的震中距也大于脫軌位置與震中的距離，同時(shí)，KMM006臺站預(yù)測Ⅰ級地震警報(bào)的時(shí)刻比KMM008臺站提前近3 s，因此本文方法具有很高的時(shí)效性。

由于速度平方積分IV2是一個(gè)與地震破裂輻射能量密切相關(guān)的地震動(dòng)參數(shù)，準(zhǔn)確性分析的研究結(jié)果也表明大地震的震源破裂過程、局部場地條件都有可能引起該方法的漏報(bào)、誤報(bào)問題，因此，優(yōu)化本文方法、降低誤報(bào)與漏報(bào)幾率是下一步工作需要重點(diǎn)考慮的問題。

致謝

日本防災(zāi)科學(xué)技術(shù)研究所(NIED)為本研究提供了數(shù)據(jù)支持，所有數(shù)據(jù)均從K-net網(wǎng)站下載(網(wǎng)址：http://www.kyoshin.bosai.go.jp/(最后登陸日期：2016年12月31日))，文中圖件使用通用制圖工具GMT(Genetic Mapping Tools)繪制。