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地震預警與烈度速報——理論與實踐 版權信息
- ISBN：9787030699176
- 條形碼：9787030699176 ; 978-7-03-069917-6
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
地震預警與烈度速報——理論與實踐 內容簡介
本書以作者及其科技團隊在地震預警與烈度速報領域開展的相關研究工作為主線，結合作者作為總設計師、投資近20億元的“國家地震烈度速報與預警工程”項目建議書及可行性研究報告的編寫，理論結合實際，以理論分析和大量的實例介紹，系統講述了臺網設計、數據處理、運維監控、地震預警與烈度速報相關關鍵技術、地震速報、系統集成等內容。 本書可作為地震部門特別是各省地震局從事地震預警與烈度速報領域工作的科技人員的培訓教材，也可作為高等院校從事地震預警、烈度速報、地震信號處理等相關研究的科技人員及研究生的參考用書。
地震預警與烈度速報——理論與實踐 目錄
目錄
前言
第1章 國內外經驗總結 1
1.1 應對大震巨災挑戰 1
1.2 地震預警發展概況 4
1.3 烈度速報發展現狀 10
1.4 國內創新示范應用 12
1.5 本章小結 15
第2章 地震預警與烈度速報技術系統 17
2.1 總體目標和設計思路 17
2.2 重點區域劃分 19
2.3 建設目標與性能指標 25
2.4 系統構架 27
2.5 中外技術方案分析研究 31
2.6 本章小結 39
第3章 地震觀測臺網的設計與能力評估 40
3.1 傳感器的選擇 40
3.2 地震觀測臺網的空間布局 42
3.3 觀測臺網預警能力的評估 47
3.4 地震烈度速報的評估 50
3.5 中日兩國臺網設計方案對比分析 51
3.6 多網融合，一網多用的服務產品 54
3.7 地震監測能力評估 55
3.8 本章小結 56
第4章 地震觀測數據的實時仿真技術 57
4.1 以地震計原理為基礎的實時仿真技術 57
4.2 由加速度記錄實時仿真特定儀器的加速度、速度、位移時程的遞歸算法 68
4.3 由寬帶速度記錄實時仿真特定儀器加速度、速度、位移的遞歸算法 70
4.4 本章小結 71
第5章 地震觀測臺網運維監控的新方法和新技術 72
5.1 地震噪聲特點分析 73
5.2 臺網噪聲水平評估 77
5.3 臺站異常信號的識別與監控 80
5.4 利用氣槍信號評估數據質量 89
5.5 AI應用于臺站異常分類判斷 92
5.6 利用噪聲監測記錄鐘差 98
5.7 本章小結 106
第6章 地震信號的實時處理技術 107
6.1 P波震相的自動識別 107
6.2 S波震相的自動識別 110
6.3 地震波的偏振特性 118
6.4 波組信號的自動識別 123
6.5 綜合識別與判斷 128
6.6 本章小結 132
第7章 地震預警實時定位技術 134
7.1 地震預警實時定位 134
7.2 臺網布局對三臺和四臺定位的誤差分析 146
7.3 網外地震多臺定位技術 150
7.4 討論兩個問題 155
7.5 本章小結 156
第8章 實時測定地震預警震級 157
8.1 地震預警震級測定的思路與算法 157
8.2 量規函數的地區性特征和臺站校正值 164
8.3 在震級測定中引入人工智能算法的問題 172
8.4 本章小結 172
第9章 地震預警信息發布與信息更新技術 173
9.1 預警信息判定流程和發布標準 174
9.2 地震預警時間和盲區估計 176
9.3 預測烈度與破壞區域估計 185
9.4 地震動場的實時計算 187
9.5 修正大震烈度預測模型 190
9.6 本章小結 191
第10章 利用近場地震波能量時空特征實時反演大震破裂過程 192
10.1 近場強地面運動的主要特征 192
10.2 利用近場強震觀測記錄實時反演大震破裂過程的技術思路 195
10.3 大震破裂分析的前期準備 196
10.4 大震破裂過程的實時反演 197
10.5 實時反演大震破裂過程實例 204
10.6 利用強震包線反演大震破裂過程 223
10.7 本章小結 227
第11章 遠場大震地震預警 229
11.1 遠場大震對重要城市的影響 230
11.2 高樓震感預警的技術思路 231
11.3 面波群速度與預警時間 231
11.4 預測基巖面波*大地動位移和土層放大系數 238
11.5 高層結構動力反應分析 246
11.6 遠場高樓震感預測和震感速報 255
11.7 本章小結 257
第12章 地震儀器（觀測）烈度速報 259
12.1 美日兩國的地震儀器烈度標準 260
12.2 我國制訂的儀器烈度標準 264
12.3 地震動震動圖制作技術 272
12.4 場地校正技術 274
12.5 現場調查烈度與儀器烈度 282
12.6 大震儀器烈度的衰減模型 287
12.7 本章小結 291
第13章 地震參數的自動速報 292
13.1 震級標度的規定 293
13.2 震級速報的科學基礎 295
13.3 速報震級的技術思路 300
13.4 對社會公眾發布的震級 304
13.5 自動速報震級方案 306
13.6 本章小結 309
第14章 高速鐵路的地震預警 310
14.1 高鐵安全運行的地震風險評估 311
14.2 國家地震預警與高鐵預警系統的銜接 319
14.3 高鐵警戒區和處置區等級 321
14.4 多種預警方式和專用服務產品 323
14.5 臺灣海峽6.2級地震對福建沿海高鐵的影響 326
14.6 本章小結 331
第15章 技術系統集成與仿真模擬 332
15.1 技術系統的集成 332
15.2 影響模擬仿真效果的主要因素 336
15.3 地震事件的仿真模擬測試 340
15.4 在線運行環境的測試分析 344
15.5 本章小結 346
第16章 展望 348
16.1 面臨的主要問題 348
16.2 未來發展方向 354
參考題 357
主要參考文獻 361
前言
第1章 國內外經驗總結 1
1.1 應對大震巨災挑戰 1
1.2 地震預警發展概況 4
1.3 烈度速報發展現狀 10
1.4 國內創新示范應用 12
1.5 本章小結 15
第2章 地震預警與烈度速報技術系統 17
2.1 總體目標和設計思路 17
2.2 重點區域劃分 19
2.3 建設目標與性能指標 25
2.4 系統構架 27
2.5 中外技術方案分析研究 31
2.6 本章小結 39
第3章 地震觀測臺網的設計與能力評估 40
3.1 傳感器的選擇 40
3.2 地震觀測臺網的空間布局 42
3.3 觀測臺網預警能力的評估 47
3.4 地震烈度速報的評估 50
3.5 中日兩國臺網設計方案對比分析 51
3.6 多網融合，一網多用的服務產品 54
3.7 地震監測能力評估 55
3.8 本章小結 56
第4章 地震觀測數據的實時仿真技術 57
4.1 以地震計原理為基礎的實時仿真技術 57
4.2 由加速度記錄實時仿真特定儀器的加速度、速度、位移時程的遞歸算法 68
4.3 由寬帶速度記錄實時仿真特定儀器加速度、速度、位移的遞歸算法 70
4.4 本章小結 71
第5章 地震觀測臺網運維監控的新方法和新技術 72
5.1 地震噪聲特點分析 73
5.2 臺網噪聲水平評估 77
5.3 臺站異常信號的識別與監控 80
5.4 利用氣槍信號評估數據質量 89
5.5 AI應用于臺站異常分類判斷 92
5.6 利用噪聲監測記錄鐘差 98
5.7 本章小結 106
第6章 地震信號的實時處理技術 107
6.1 P波震相的自動識別 107
6.2 S波震相的自動識別 110
6.3 地震波的偏振特性 118
6.4 波組信號的自動識別 123
6.5 綜合識別與判斷 128
6.6 本章小結 132
第7章 地震預警實時定位技術 134
7.1 地震預警實時定位 134
7.2 臺網布局對三臺和四臺定位的誤差分析 146
7.3 網外地震多臺定位技術 150
7.4 討論兩個問題 155
7.5 本章小結 156
第8章 實時測定地震預警震級 157
8.1 地震預警震級測定的思路與算法 157
8.2 量規函數的地區性特征和臺站校正值 164
8.3 在震級測定中引入人工智能算法的問題 172
8.4 本章小結 172
第9章 地震預警信息發布與信息更新技術 173
9.1 預警信息判定流程和發布標準 174
9.2 地震預警時間和盲區估計 176
9.3 預測烈度與破壞區域估計 185
9.4 地震動場的實時計算 187
9.5 修正大震烈度預測模型 190
9.6 本章小結 191
第10章 利用近場地震波能量時空特征實時反演大震破裂過程 192
10.1 近場強地面運動的主要特征 192
10.2 利用近場強震觀測記錄實時反演大震破裂過程的技術思路 195
10.3 大震破裂分析的前期準備 196
10.4 大震破裂過程的實時反演 197
10.5 實時反演大震破裂過程實例 204
10.6 利用強震包線反演大震破裂過程 223
10.7 本章小結 227
第11章 遠場大震地震預警 229
11.1 遠場大震對重要城市的影響 230
11.2 高樓震感預警的技術思路 231
11.3 面波群速度與預警時間 231
11.4 預測基巖面波*大地動位移和土層放大系數 238
11.5 高層結構動力反應分析 246
11.6 遠場高樓震感預測和震感速報 255
11.7 本章小結 257
第12章 地震儀器（觀測）烈度速報 259
12.1 美日兩國的地震儀器烈度標準 260
12.2 我國制訂的儀器烈度標準 264
12.3 地震動震動圖制作技術 272
12.4 場地校正技術 274
12.5 現場調查烈度與儀器烈度 282
12.6 大震儀器烈度的衰減模型 287
12.7 本章小結 291
第13章 地震參數的自動速報 292
13.1 震級標度的規定 293
13.2 震級速報的科學基礎 295
13.3 速報震級的技術思路 300
13.4 對社會公眾發布的震級 304
13.5 自動速報震級方案 306
13.6 本章小結 309
第14章 高速鐵路的地震預警 310
14.1 高鐵安全運行的地震風險評估 311
14.2 國家地震預警與高鐵預警系統的銜接 319
14.3 高鐵警戒區和處置區等級 321
14.4 多種預警方式和專用服務產品 323
14.5 臺灣海峽6.2級地震對福建沿海高鐵的影響 326
14.6 本章小結 331
第15章 技術系統集成與仿真模擬 332
15.1 技術系統的集成 332
15.2 影響模擬仿真效果的主要因素 336
15.3 地震事件的仿真模擬測試 340
15.4 在線運行環境的測試分析 344
15.5 本章小結 346
第16章 展望 348
16.1 面臨的主要問題 348
16.2 未來發展方向 354
參考題 357
主要參考文獻 361
展開全部
地震預警與烈度速報——理論與實踐 節選
第1章 國內外經驗總結 進入21世紀僅20多年，人類就已多次遭受大地震災難的考驗。2004年12月26日，印度尼西亞蘇門答臘9.0級大地震及其引發的巨大海嘯奪去約29萬人的生命（趙旭等，2017）；2008年5月12日，我國四川省汶川8.0級地震，截至2008年9月25日，造成69227人死亡，17923人失蹤，374643人受傷（汶川特大地震四川抗震救災志編纂委員會，2017）；2011年3月11日，東日本海9.0級特大地震及其引發的海嘯造成近2萬人的死亡（朱守彪，2020）。尤其是汶川8.0級地震，帶給我們難以磨滅的慘痛記憶，促使我國地震工作者在認真總結反思過去工作的基礎上，學習借鑒國際先進的技術和成功經驗，加強地震研究的科技創新，為有效減輕地震造成的損失、降低地震風險而積極探索實踐。地震預警與烈度速報作為我國應對大震巨災的新型科技手段就是在此背景下應運而生并登上歷史舞臺的。 1.1 應對大震巨災挑戰 1.1.1 我國面臨的地震挑戰 我國陸地面積僅占全球的十五分之一，而20世紀全球三分之一的內陸破壞性地震發生在我國。圖1.1為公元前780年～公元2020年8月我國發生的5.0級以上地震分布圖。1949年以來，我國因地震死亡人數占全部自然災害死亡人數的52％，地震災害已成為我國自然災害的群災之首。21世紀以來，我國及周邊地區進入地震相對活躍期，破壞性地震數量明顯增多。2000年以來我國已發生兩次8.0級以上地震，特別是2008年5月12日四川汶川8.0級地震，造成了巨大的人員傷亡和經濟損失。2013年以來，又相繼發生四川蘆山7.0級、甘肅岷縣漳縣6.6級、云南魯甸6.5級、新疆皮山6.5級等一系列破壞性地震。大震巨災給國家經濟和社會穩定造成了強大沖擊和深遠影響，汶川地震后，災難現場應急救援的實況轉播讓人常常難以忘懷，全國大力支援災后恢復重建的火熱情景仍歷歷在目。面對復雜嚴峻的震情災情形勢，如何加強防震減災工作，有效地減輕人員傷亡和經濟損失，是我國迫切需要解決的重要問題，也是地震工作者義不容辭的責任。 圖1.1 我國5.0級以上歷史地震分布圖（公元前780年～公元2020年8月） 1.1.2 歷史經驗的啟示 地震預報無疑是地震工作者夢寐以求的目標之一，他們期盼在強震來臨之前數小時、數天乃至數月告知民眾，提前轉移人員和財產，進而實現*大限度減少人員傷亡和財產損失的目標。自1966年邢臺6.8級地震至今，科學家始終不懈努力，盡管對少數特定地區的地震做出過有減災實效的預報，但總體上看，離科學準確預報地震的目標仍然很遙遠。究其原因，主要困難有三。一是入地難，人類對埋藏于地下的活動構造，特別是能夠造成大震巨災的深大地震的活動規律知之甚少，目前，連地下介質的精細三維圖像都沒有被完全搞清楚。二是大地震孕育周期通常有數十年乃至數百年之久，從孕育、發展，直至破裂，能量積累的過程很長，而人類開展的地表觀測（目前開展的深井觀測多數在數十米至數百米，極少數達到數公里）的歷史只有百余年（前期只有極少數的臺站），地表前兆觀測的歷史則只有幾十年，這也導致地震孕育過程與地表前兆觀測臺網及其觀測量之間的內在物理關系不甚清楚，無法做到有的放矢。即通過地表前兆觀測臺網的資料分析無法精確識別出地下十余公里（我國地震的震源深度一般在10～30km）處大震臨震破裂的物理量以及兩者的物理邏輯關系，更何況這些觀測資料受人類活動影響較大，干擾排除也日益艱難。三是地震預報至今還停留在以地震活動性為基礎的經驗預報階段，尚未形成能取得實效的物理預報的思路和技術途徑。即使大震之后通過總結分析，發現了一些異常現象，地震學家也不可能像臨床醫生一樣對地球進行解析來確認真正的“病源”，只能根據經驗教訓開出“處方”，更不敢保證對下一次地震就管用。真是“上天易、入地難”！因此我們既要堅定地震預報的信心，積極探索、有所作為，同時更要清醒地認識到，近期要解決地震預報難題，無疑是非常困難的。 提高工程結構的抗震設防水平以及采取相關的減隔震措施無疑是目前減輕地震災害*有效的途徑之一。除了地震引起的海嘯、滑坡、泥石流、火災等次生災害外，地震中的人員傷亡和財產損失主要是建（構）筑物損壞、倒塌引起的。抗震設防的標準是國家根據經濟社會發展的水平及可能遭受的地震風險，在結構使用壽命內，可以接受地震造成損失的*低設防要求。各個地區抗震設防標準不盡相同，但這是國家抗震設計要求的強制性標準，同時也是*低要求。這種設防要求，會隨著經濟社會的發展不斷提高。改革開放以來，我國經濟社會發展的速度超過預期，社會財富快速積累，人的價值觀念發生了深刻變化，以人為本的理念深入人心，按照現在的觀點，地震造成的損失和連帶的經濟影響遠超過社會可接受程度，這往往造成現行抗震設防要求滯后于經濟社會的發展。例如，某城市按現行設計標準，房屋本體造價約3000元/m2，如果在現行設防標準上提高1度，建設成本投入增加約10%，即300元/m2，相對于動輒數萬元的實際房屋價格來說，幾乎可以忽略，這在二十年前是無法想象的。因此在本體造價占房屋價格比重很小的情況下，應著力提高抗震設防標準，讓房屋蓋得更結實，這將是未來的發展方向。已頒布實施的第五代中國地震動參數區劃圖，對城市的設防提出了*低6度的要求，徹底改變了以往我國部分城市不設防的歷史，與過去相比有很大進步，但從未來經濟社會發展的角度看仍偏低，特別是我國20世紀90年代以前城市建設的大量老舊房屋，廣大農村的許多民居設防能力很低或者根本沒設防，要把其改造完需很長的時間。因此，抗震設防的薄弱環節仍然很多，一旦強震來臨，設防不夠的歷史“欠賬”仍然要償還。目前黨和國家已經采取許多措施，積極改造危房舊房，建設新農村新民居，但仍面臨巨大挑戰。未來要單獨對城市民用住房提出新的設防政策，*好將城市*低設防標準提高到7度，經濟發達地區可適度提高，徹底改變設防要求滯后于經濟社會發展的狀況，使城市民居和學校醫院一樣，都有較可靠的地震安全保障。 地震災害既然無法避免，人類就要有備無患積極應對。地震預警與烈度速報是減輕地震災害的有效措施之一，在應對大震巨災方面能發揮重要作用。日本的經驗告訴我們，地震預警可以為民眾逃生避險爭取幾秒至幾十秒的時間，也可為高鐵等行業及時采取措施減少損失贏得時間。烈度速報可為政府應急響應、明確救援重點、在“黃金72小時”救援期內拯救更多生命，提供重要的科技支撐。 1.1.3 科技減災的有效手段 大震巨災對國家公共安全構成嚴峻挑戰，也給經濟社會發展帶來嚴重威脅。地震預警是減輕地震災害的有效手段之一。地震烈度速報是災情判斷和應急救援決策的科學依據。政府在組織抗震救災時，首先要了解災情嚴重程度和分布情況，才可能科學高效開展應急救援。應該汲取汶川地震后，由于交通中斷、信息不暢，幾天還沒有搞清楚哪些城市的災情比較重、嚴重到什么程度的深刻教訓，為應對未來的大震巨災早做準備。 黨和國家歷來對防震減災工作十分重視。汶川地震后，中國地震局高度關注，在實施地震速報自動化的基礎上，積極推進地震預警和烈度速報工作的試點建設。在福建省人民政府的大力支持下，福建省完善地震監測預警臺網和技術系統建設，制訂地方法規和技術標準，進一步推動預警體系建設，科學發布預警，正確引導輿論，有針對性地做好防震減災應急準備。“國家地震烈度速報與預警工程”是國務院批復立項的重大工程，是我國地震預警體系建設的重要組成部分。項目建設是落實國家防震減災工作，提升我國地震安全水平和防震減災基礎能力的需要；是彌補我國地震應急救援體系短板，有效應對我國大震巨災的需要；是維護國家安全和社會穩定，*大限度地保護人民生命財產安全的需要；是加快社會事業協調發展，落實國家經濟社會可持續發展戰略的需要；是為人民群眾應對大震巨災提供*寶貴的逃生避險預警時間、提升各行業地震安全水平的需要。 可以預期，隨著國家地震預警與烈度速報技術系統的建成，將全面提升國家地震應急能力并*大限度減輕地震災害，提高我國在地震科學和防震減災領域的國際科技競爭力，為我國地震科技創新和人才培養等提供豐富的觀測信息資源和完善的創新實踐平臺，也是我國地震科技事業向世界強國邁進的標志性事件。 1.2 地震預警發展概況 世界上已有多個國家和地區建成或正在建設地震預警系統，充分借鑒和吸取他人的經驗教訓，對我們來講是十分重要的。目前，美國、日本、墨西哥、意大利等國家和中國臺灣地區均開展了地震預警實踐或測試等工作（圖1.2），本節重點介紹幾個典型國家和地區的發展概況。 圖1.2 多個國家和地區開展地震預警實踐 MyShake為手機應用軟件，由美國加利福尼亞大學與德意志電信股份有限公司合作開發，利用智能手機內置的加速度計感知地震，并發出警報 1.2.1 日本地震預警系統 日本經濟發達、人口密集，同時又是地震多發國家，長期遭受地震嚴重威脅。在37.8萬km2的國土面積上，居住1.3億人口（截至2019年），探測查明活動斷層有三百多條，發生的7級以上地震約占全球的11%。日本是世界上*早建立地震預警系統的國家，也是目前地震預警應用*廣泛、明顯取得減災實效的國家。在20世紀50年代后期即開始有關研究和系統建設，60～70年代主要在日本鐵路行業應用，為列車安全運行提供保障（UrEDAS）。日本在認真吸取1995年阪神大地震的經驗教訓后，認為要提高地震預報和地震科學研究水平必須首先提高從小震至大震的監測能力，為此開始了大規模的臺網建設，在不到十年的時間內建成了864個高靈敏度測震臺站（Hi-net）、688個井下強震動臺站（KiK-net）、1028個地表強震臺站（K-net）、83個寬頻帶地震臺站（F-net）以及205個JMA地震臺。這種臺網規模在當時世界范圍內都是史無前例的。為強化臺網資料的產出，更好地服務于民眾，大力推進新技術系統的研發，從2003年開始，日本利用約800個Hi-net和日本氣象廳（JMA）200余個臺站（圖1.3）著手研究建設全國性地震預警系統，即緊急地震速報系統。該系統自2004年2月起開始在線測試運行，并于2006年8月開始向特定用戶團體（如煤氣公司等）提供預警服務，2007年10月1日起向普通國民提供預警信息。日本地震預警系統發展歷程如表1.1所示。 圖1.3 日本地震預警臺網 日本公共預警發送方式多種多樣，包括通過電視臺、廣播電臺、專用接收器、公眾擴音系統等，但所有信息的發布均需獲得日本氣象廳的授權。除了公共預警外，大量單位用戶安裝預警終端并將信息引入自動控制與應急反應系統中。部分鐵路公司、工廠、建筑工地、大型公寓、學校、商場、醫院等均能獲得預警信息。從阪神地震后臺網建設到預警正式開展服務日本用了近十年的時間。2011年，日本“3 11”特大地震發生后，緊急地震速報系統運行良好，震中離臺網*近的站點約110km，系統在首臺觸發后，連續產出多報的地震參數，震級逐漸提高，在預測陸地城市烈度達到5度時，發出預警警報，此時“預警盲區”均在海上，也就是在地震發生后且破壞性地震波尚未傳播到陸地時及時發出了警報信息。由于緊急地震速報系統產出的*終震級飽和于8.1，顯著低于真實震級（9.0），造成警報發布區域較為有限。在隨后1周的密集余震序列中，緊急地震速報系統共發布70次，但地震、海嘯等導致部分臺站無法正常運轉以及受系統算法本身影響，其中約63%的警報信息屬于“誤報”。盡管如此，一項針對緊急地震速報系統有用性的調查中，日本全國約82%的民眾給出肯定答案，而在極震區福島、巖手和宮城等縣，這一比例更是高達90%（Hoshiba，2014）。綜上可見，日本地震預警系統是至今為止經過實踐檢驗，技術比較成熟，在世界上有廣泛影響，比較成功的范例。表1.1日本地震預警：緊急地震速報系統發展歷程時間緊急地震速報系統進展20世紀60年代鐵路沿線、海岸線前端閾值報警20世紀80年代UrEDAS系統，現地預警+
地震預警與烈度速報——理論與實踐 作者簡介
金星，曾任福建省地震局局長，二級研究員，從事地震預警和烈度速報相關領域研究20多年，1993年享受國務院政府特殊津貼，1998年被評為國家人事部有突出貢獻的中青年專家，2000年入選百千萬人才工程；獲中國地震局防震減災很好成果獎一等獎一次，二等獎三次，培養博士、碩士研究生40余名；是首批中國地震局地震預警團隊負責人和“國家地震烈度速報與預警工程”總設計師。
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