使用P波快速測定國家臺網(wǎng)大震標準震級1

翟璐媛 楊 陳

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使用P波快速測定國家臺網(wǎng)大震標準震級1

翟璐媛 楊 陳

（中國地震臺網(wǎng)中心，北京100045）

本文針對國家臺網(wǎng)速報面波震級測定時間偏長和中深源地震震級速報有一定偏差的問題，采用IASPEI推薦的寬頻帶體波震級B及寬頻帶P波矩震級WP對2009—2013年國家臺網(wǎng)地震速報的大震進行了對比分析。對于經(jīng)過轉(zhuǎn)換成W后的B和WP震級來說，其結(jié)果均與我國速報地震發(fā)布的震級有一定的偏差，一般表現(xiàn)為偏小。其中，對于6.0—6.9級地震，B偏差相對較小，但離散度相對較大（整體偏差要比平均偏差大不少）；對于7.0—7.9級地震，WP偏差相對較小；而對于8.0級以上地震，由于震級飽和等原因，B偏差較大，但WP偏差相對較小，一般主要表現(xiàn)為偏小?？傮w來說，W(WP)的穩(wěn)定性要比W(B)更好一些（線性回歸的相關(guān)系數(shù)更大，標準誤差更?。?。對于綜合B和WP震級來說，由于采取分段平均的方法，結(jié)果的穩(wěn)定性有了一定的提高，但較大地震仍以偏小為主，如果在綜合震級P上加0.2，則可以得出與震級較為接近的結(jié)果。通過W(B)、W(WP)、P()、與W(GCMT)的對比，可以驗證綜合標準震級P()和國家臺網(wǎng)速報震級具備一定的可信度，而P()可作為P波快速測定的震級，所以用P()作為大震速報初報震級，在某種程度上是可行的。

P波震級 體波震級B寬頻帶P波矩震級WP標準震級

引言

目前，根據(jù)“地震速報技術(shù)管理規(guī)定”（中國地震局監(jiān)測預報司，2013），國家臺網(wǎng)地震速報使用的震級是中華人民共和國國家標準即《國家標準震級（GB 17740-1999）》（中華人民共和國國家標準，1999）。對于淺源地震，通常以測定面波震級S作為國家標準震級；而對于中深源地震，通常以測定體波震級B表示，然后通過公式轉(zhuǎn)換成國家標準震級。這在實際運用過程中往往會存在以下兩方面的問題：第一種是體波震級B在轉(zhuǎn)換后與最終速報震級存在一定的偏差，這種偏差與震源深度及震級大小有關(guān)，要么表現(xiàn)為中小地震的最終速報震級偏小，要么表現(xiàn)為大地震的最終速報震級偏大；第二種是面波震級S等待時間較長，尤其是對于發(fā)生在遠距離的地震，其等待時間更長。

造成第一種現(xiàn)象的主要原因是，現(xiàn)有的地震速報系統(tǒng)所使用的體波震級B的計算公式為模擬公式，并未針對數(shù)字地震記錄進行更新，僅在數(shù)學上做了計算速度記錄的處理，其使用的值資料并不符合目前所使用的寬頻帶數(shù)字地震儀的需求。造成第二種現(xiàn)象的原因與面波震級S的性質(zhì)有關(guān)，盡管使用面波測量震級較為穩(wěn)定，但由于其傳播速度的限制，已經(jīng)滿足不了對時間要求越來越高的地震速報需求，尤其是對于遠震表現(xiàn)的更為突出。

針對上述兩種現(xiàn)象，本文試圖利用IASPEI（International Association of Seismology and Physics of the Earth's Interior，國際地震學與地球內(nèi)部物理學協(xié)會）推薦的寬頻帶體波震級B及寬頻帶P波矩震級WP，對滿足國家臺網(wǎng)地震速報的大震案例進行分析，并通過一定的方式進行轉(zhuǎn)換，以求得到滿足地震速報的P波快速測定震級的方法。

1 原理及方法

1.1 寬頻帶體波震級B測定方法

IASPEI新標準推薦的寬頻帶體波震級B的計算公式為（Bormann等，2008）：

B=lg()max+(,) 0.2s<<30s，21°<<100° （1）

式中，為體波質(zhì)點運動最大速度所對應的地動位移的最大振幅，單位為μm；為相應的周期，單位為s；(，)為震中距和震源深度的函數(shù)。

當?shù)孛孢\動速度=2π/時，一般在實際計算中使用：

B=lg(max/2π)+(,) （2）

在減去可能的偏移值后，直接用與速度成正比的地震圖計算出最大速度的振幅max。根據(jù)IASPEI（2005）的規(guī)定：測算寬頻帶體波震級B的時間窗必須包含P波波列的最大振幅，包括P波、pP波、sP波，另外還有PcP波以及它們的尾波，但最好在PP波前結(jié)束。

1.2 P波矩震級WP的測定方法

寬頻帶P波矩震級是從遠場P波或pP波位移的垂直分量計算出的（Tsuboi，2000）。而矩震級WP的引入是基于這樣的假設(shè)，即可以從寬頻帶位移波形u的P波段獲取地震矩0，其計算公式為：

式中，和為P波沿傳播路徑的密度和波速；為震中距；P為輻射圖形。

對于通常采用不加儀器響應校正的STS-1型寬頻帶地震儀獲取的地震圖，在積分速度之前需要十分小心地消除偏差。為了包含較遲的波至（如pP波），還需讀取合成位移地震圖中的第二峰，然后取第一峰和第二峰的差值，并將其與第一峰比較，取兩者中較大的來確定矩震級WP，這樣式（3）應寫為：

其中，P1和P2分別為積分位移地震圖中P波的第一峰和第二峰值。

由于每個地震臺站計算的矩震級WP都沒有加P校正，所以采用的標準矩震級計算公式為：

（5）

其中，0的單位為N·m，然后將W平均后加0.2，即得到WP。這是因為。為此需要對平均的0乘以2以補償，這就等同于對W加0.2，即WP=W+0.2。

2 數(shù)據(jù)選取及預處理

由于本文是針對國家臺網(wǎng)大震速報進行的P波快速測定震級的研究，所以筆者選取了2009年1月1日至2013年12月31日期間，國家地震臺網(wǎng)中心速報的全球6.0級以上地震共計698條作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（全國地震速報目錄，2014），其震中分布圖1所示。

為保證對比結(jié)果的一致，對于這698條地震目錄，筆者使用國家地震臺站的波形數(shù)據(jù)，采用地震速報時所用的震中位置（只計算震級，不進行定位），并利用第一節(jié)中的方法計算了對應的B及WP，然后將其轉(zhuǎn)換成各自對應的W震級，最后使用轉(zhuǎn)換后的W震級與地震速報時采用的震級進行對比。同時為了適合國家臺網(wǎng)震級的快速測定，筆者對B的計算并沒有限制震中距；而對于WP的計算，也并未對儀器種類進行限制，其原因是目前中國國家臺網(wǎng)所使用的地震計以CTS-1系列和BBVS-120為主，并沒有使用STS-1型地震計。

筆者使用Saul等（2007）和Whitmore等（2002）給出的W震級轉(zhuǎn)換公式：

W(B)=1.33B-2.34 （6）

W(WP)=1.31WP-1.91 （7）

3 計算結(jié)果對比分析

3.1 寬頻帶體波震級B計算結(jié)果分析

在完成測定體波震級B后，可根據(jù)Saul等（2007）給出的計算公式再轉(zhuǎn)換成W，這樣即可進行W與的對比，圖2為具體的對比結(jié)果。

從圖2可以看出，由B轉(zhuǎn)換成的W震級與相比，平均偏小了0.18，整體偏差（絕對值）為0.25，其計算結(jié)果的離散度較大。當在6.0—6.5之間時，兩者的偏差較為接近；而當＞7.5級尤其是8級以上時，W(B)偏差就小得多，但由于B沒有8級以上的，所以這與B的飽和有一定的關(guān)系。表1為W(B)與分區(qū)間震級差。

表1 不同震級區(qū)間的震級差

從表1可以看出，隨著震級的增加，兩者的偏差隨之變大，平均偏差和整體偏差均是一樣；而對于8.0級以上地震，由于樣本較少和B震級飽和的原因，偏差較大達到1.06。

利用本文的數(shù)據(jù)并結(jié)合線性回歸的方法，筆者得到的兩者之間的轉(zhuǎn)換公式為：

=0.89W(B)+0.87 （8）

其中，相關(guān)系數(shù)為0.8337；截距和斜率的標準誤差分別為0.1407和0.0224。

由于以上僅使用了國家臺網(wǎng)的數(shù)據(jù)測定B，為了檢測B震級的方向性，筆者以西安（108.94°E，34.26°N）為中心，分四個象限對W(B)與進行了對比，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，對于測定的698條地震，W(B)與四個象限的對比并無明顯區(qū)別，與總體的對比結(jié)果基本一致。

3.2 P波矩震級WP計算結(jié)果分析

在完成測定寬頻帶P波矩震級WP后，可根據(jù)Whitmore等（2002）給出的計算公式轉(zhuǎn)換成W，再利用W與進行對比，圖4為具體的對比結(jié)果。

從圖4可以看出，由WP轉(zhuǎn)換成的W震級與震級相比，平均偏小0.25，整體偏差（絕對值）為0.28，其計算結(jié)果以W(WP)偏小為主，尤其當為6—7級時，W(B)偏小較多，但當＞7.5級時，與W(B)相比偏小的程度要少一些。表2為W(WP)與分區(qū)間震級偏差。

表2 不同震級區(qū)間的震級差

從表2可以看出，在6.0—6.9級區(qū)間的震級偏差較大，平均偏差和整體偏差均是一樣的；7.0—7.9級區(qū)間的震級偏差相對較小，而對于8.0級以上地震，平均偏差和整體偏差均為0.43，這與WP僅使用P波階段測量有一定的關(guān)系，同時與樣本數(shù)較少也有關(guān)系。

利用本文的數(shù)據(jù)并結(jié)合線性回歸的方法，筆者得到的兩者之間的轉(zhuǎn)換公式為：

=0.81W(WP)+1.45 （9）

其中，相關(guān)系數(shù)為0.9275；截距和斜率的標準誤差分別為0.0767和0.0123。

3.3 結(jié)合B和WP的綜合分析

對于同一地震，取W(B)和W(WP)平均值，再與進行對比，對比結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出，相對于W(B)和W(WP)單獨的對比，如果簡單地取兩者的平均，對于7.5級以下地震，其震級的偏差有一定程度的提高，但仍以偏小為主；而對于7.5級以上地震，由于B本身飽和等因素的影響，這部分震級的偏差要比單獨的WP大。針對這種情況，筆者對震級進行了分段處理，具體原則為：對于W(WP)震級小于7.5級的地震，取W(B)和W(WP)的平均值；而對于W(WP)震級大于等于7.5級的地震，直接取W(WP)的值。筆者將此平均值命名為P（P波震級），再與進行對比，其結(jié)果如圖6所示。

從圖6可以看出，與單獨的W(B)和W(WP)以及它們簡單的平均值相比，其結(jié)果的離散程度要好一些。對于大地震的震級偏差也相應的較小，其平均偏差為0.21，整體偏差為0.23。如果要以此作為速報震級的快速產(chǎn)出來說，直接在P上加0.2，則可以得出較為可靠的結(jié)果，這對于較大震級的地震也不會有太大的偏差，即可用P()=P+0.2表示。

3.4W(B)、W(WP)、P()、與Global CMT震級的對比分析

對于全球6級以上的地震，Global CMT的目錄中已經(jīng)提供了W震級，它是通過擬合全球臺網(wǎng)波形數(shù)據(jù)得到的結(jié)果，在國際上具有一定的認知度和權(quán)威性，Bormann等（2009）使用中國臺網(wǎng)48個臺站的資料進行了多種震級的對比。為了進一步驗證使用P波快速測定的W(B)、W(WP)、綜合震級P()以及國家臺網(wǎng)大震速報震級的結(jié)果，筆者將這四種震級與W(GCMT)進行了對比。在全部698條國家臺網(wǎng)速報目錄中找到了與Global CMT震級對應的687條，其對比結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出，相對于同國家臺網(wǎng)速報震級的對比，W(B)和W(MP)與W(GCMT)的對比結(jié)果要更好一些，但總體偏差仍不小；而轉(zhuǎn)換后的P波綜合震級P()和國家臺網(wǎng)速報震級與W(GCMT)對比的結(jié)果偏差較小，但P()仍有個別點的偏差較大，如日本“3·11”大地震與P波階段震級測定偏小有一定關(guān)系。

使用線性回歸可得出四種震級與W(GCMT)的轉(zhuǎn)換公式，如表3所示。

表3 四種轉(zhuǎn)換公式

4 討論與結(jié)論

對于經(jīng)過轉(zhuǎn)換成W后的B和WP震級來說，其結(jié)果均與我國速報地震發(fā)布的震級有一定的偏差，總體表現(xiàn)為偏小。其中，對于6.0—6.9級地震，B偏差相對較小，但離散度相對較大，整體偏差要比平均偏差大不少；對于7.0—7.9級地震，WP偏差相對較?。欢鴮τ?.0級以上地震，由于震級飽和等原因，B偏差較大，WP偏差相對較小，但仍以偏小為主?？傮w來說，W(WP)的穩(wěn)定性要比W(B)更好一些（線性回歸的相關(guān)系數(shù)更大，標準誤差更?。?。

對于綜合B和WP震級來說，由于采取分段平均的方法，結(jié)果的穩(wěn)定性有了一定的提高，但對于較大地震仍以偏小為主，但如果在綜合震級P上加0.2，則可以得出與震級較為接近的結(jié)果。筆者設(shè)想如果對兩者合成的權(quán)重進行調(diào)整，有可能會得出更加合理的結(jié)果。

通過W(B)、W(WP)、P()、與W(GCMT)的對比后發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換后的P波綜合震級P()和國家臺網(wǎng)速報震級與W(GCMT)的對比結(jié)果偏差較小，說明這兩種結(jié)果具有一定程度的可信度，而P()作為P波快速測定的震級，用其作為大震速報震級的初步結(jié)果，這在某種層度上來說是可行的。

由于受統(tǒng)計樣本數(shù)量的限制，尤其是較大地震的樣本數(shù)較少，所以本文對較大地震的統(tǒng)計還存在一定的偶然性，如果在較大地震的樣本數(shù)足夠多的情況下再進行分析，則可能得出更加合理的結(jié)論。

致謝：國家地震臺網(wǎng)中心為本文提供了數(shù)據(jù)資料，審稿專家對本文提出了有益的建議，在此一并表示感謝！

全國地震速報目錄（OL），2014．http://10.5.160.37:8080/index.jsp（內(nèi)網(wǎng)地址）．

中華人民共和國國家標準，1999．地震震級的規(guī)定（GB 17740-1999）．北京：中國標準出版社．

中國地震局監(jiān)測預報司，2013．地震速報技術(shù)管理規(guī)定（2013修訂版）［2013］26．北京：中國地震局．

Bormann P. and Saul J., 2008. The New IASPEI Standard Broadband MagnitudeB.Seismol. Res. Lett., 79 (5): 698—705.

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Rapid Determination of Standard Magnitude in National Network by Using P Wave

Zhai Luyuan and Yang Chen

(China Earthquake Networks Center，Beijing 100045，China)

Usually the determinate time of surface wave is long and the magnitude of deep source earthquake is instable when National network earthquake information releases. In order to solve this problem we used body wave magnitudeBwhich IASPEI recommends and broadband P wave moment magnitudeWPcontrast the standard magnitudewhich National network determinate during 2009—2013. For the converted magnitudeWbyBandWP, the results have a certain deviation to National network earthquake information releases standard magnitude, are characterized by small. For magnitude from 6.0 to 6.9,Bdeviation is relatively smaller, but the discrete degree is relatively larger (the overall deviation is greater than the average deviation); for magnitude from 7.0 to 7.9,WPdeviation is relatively smaller; for the magnitude more than 8.0, due to the reason such as magnitude saturation, the deviation ofBis relatively larger than that ofWP, but is still smaller than. In general, the stability ofW(WP) is better thanW(B) (the linear regression correlation coefficient is bigger, and the standard error is smaller). For the magnitude comprehensiveBandWP, due to the piecewise average method, the stability of the results is improved in certain degree, but is still smaller for large earthquakes. If add 0.2 to the comprehensive magnitudeP, we can get results close to the standard magnitude. By comparison withW(GCMT)，we can verifyP() and(CENC) have a certain degree of credibility.P() as a rapid determination of P-wave, serve as a preliminary result of quick report of great earthquake is also possible.

P wave magnitude; Body wave magnitude mB; Broad band P wave moment magnitudeWP; Standard magnitude

中國地震局測震臺網(wǎng)青年骨干培養(yǎng)專項（20130217）

2014-12-05

翟璐媛，女，生于1982年。2006年畢業(yè)于中國科技大學，工程師。主要從事地震監(jiān)測及臺網(wǎng)管理等工作。 E-mail：zly@seis.ac.cn

楊陳，男，生于1979年。高級工程師。主要從事地震監(jiān)測與地震預警方面的研究。E-mail：yangchen@seis.ac.cn