作者介绍
金星，二级研究员，国家地震烈度速报与预警工程总设计师，曾任福建省地震局局长、黑龙江省地震局局长、中国地震局工程力学研究所副所长等，从事地震预警和烈度速报相关领域研究20 多年，1993 年享受国务院政府津贴，1998 年被评为人事部有突出贡献的中青年专家，2000 年入选百千万人才工程｡获中国地震局防震减灾优秀成果奖一等奖2 次，二等奖3 次，先后培养博士、硕士研究生50 余名｡
目前国家地震烈度速报与预警工程（简称预警工程）已进入建设收尾期，2024 年进入项目验收和正式运行｡许多软件正在加紧研发，有些已进入系统测试或示范运行并产出预警结果｡我本人也经常参加中国地震局监测预报司和中国地震台网中心组织的一些技术方案论证、有关省局项目建设的检查评估等工作，十分关注项目的进展，对预警工程面临的技术风险要有清醒的认识，更要勇于面对，感到有必要也有责任介绍目前国内外此领域研究的最新进展，把握好技术系统风险控制的关键环节，供奋战在预警工程一线的同志们参考｡
因此，编写 《 》 （金星著. 北京：科学出版社，2024. 3；以下简称本书）的目的之一就是在前期《 》 （科学出版社，2021 年）的基础上，以地震预警与烈度速报技术系统面临的技术风险和风险管控技术措施为主线，通过总结日本、美国、中国在地震预警与烈度速报出现的问题，特别是重点解析了预警系统产生“误报” 和“漏报” 的原因，提出了进一步完善系统软件的技术措施｡尤其是针对目前世界各国地震预警系统在处理双震、序列震、软件测试震例和提高地震预警系统预测烈度精度等方面遇到的难题，以及目前在推进我国仪器烈度速报实用化特别是震后制作大震烈度空间分布图遇到的问题，重点介绍了自己及所指导的研究团队近期取得的一系列重要进展和研究成果，提出了解决问题的详细技术方案｡另外，本书作为高级培训教材还重点介绍了日本在改进地震预警和烈度速报技术系统软件方面所做的努力以及所提出的改进方法，有些技术值得总结借鉴｡中日两国在此方面的努力，尽管总体思路、研究方法、技术措施等各不相同，但解决问题的目标是一致的，对比分析两者的异同，对从事此领域研究的研究生和科技人员也是有启发的｡
编写本书的目的之二就是尽到指导老师的责任，将其作为地震预警团队高级培训教程，通过学术讲座、内部交流、研究讨论，进一步提高中国地震台网中心地震预警团队和福建省地震局地震预警团队的总体科技水平，分析预警工程技术系统近期面临的技术风险，提出技术控制方法，明确下一步科研重点与软件开发完善的努力方向｡这一套高级讲座教材，也兼顾了各省级地震部门相关科技人员的需求，特别是本书的第2 章和第3 章回答了从事地震预警工程科技人员普遍关心的有关问题，对于那些有一定地震预警和烈度速报专门知识的科技人员，进一步学习深造而有所帮助｡期望他们能开拓视野，增长知识，提高水平，在理论和实践的结合过程中不断思考，不断进步，成为国家地震预警和烈度速报领域的年轻高级人才，为监测预警事业的发展真正迈入公共服务的新阶段做出新的历史性贡献｡
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《 》 共分十章｡前后章节之间有紧密的逻辑关系，为方便读者有选择性地阅读，每一章的内容比较翔实，相对独立｡本书初稿已先期发给预警团队使用，并进行了研究讨论，根据大家所提的问题做了多次修改，但书中错误在所难免，敬请批评指正｡目前，各省地震部门监测预警业务化体系正在逐步形成，为了保障预警工程项目高质量运维、高时效反应、最可靠产出，福建预警团队已研发监测预警台网数据质量监控系统，对地震预警和烈度速报系统软件进行了系统化改进，其方法涵盖了本书第1 章至第10 章的主要内容以及《 》 的相关内容。
第1 章，主要介绍预警工程建成后，地震观测台网将由过去比较单一的测震（地震计）台网扩展为地震计、强震仪、烈度计构成的综合性高密度融合台网，观测物理量由地震计的速度拓展至加速度（强震仪与烈度计），而地震计和烈度计的加速度峰值的噪声水平一般相差3 个数量级以上，以往地震计监测能力评估的传统方法难以满足新台网的要求，需要创新发展新的评估方法。在已知传感器动态范围特别是近场记录震级上限的情形下，监测能力的评估就转化为近场能监测震级为多小的地震即监测能力下限的评估。当然这种监测能力评估并不需要考虑时效性而只与台站分布和传感器日常噪声水平有关，但是对于监测预警能力的评估，则是在满足预警时效性和可靠性的前提下，重点分析利用震中附近3 ~4 台P 波记录产出地震参数的首报时间和与之相匹配能监测多小的地震，在制订地震预警公共服务准则时，监测预警能力评估结果可以作为震级下限供其参考。针对上述问题，提出新的分析评估方法就是将各类传感器噪声记录仿真为DD-1 记录，利用站点分布和其DD-1 噪声记录统一对台网监测能力和监测预警能力进行评估，该方法具有科学可靠、通用性好、简单实用的特点，可应用于各种传感器组网的地震监测与预警能力评估。
▲ 福建三网融合的预警首报时间估计(震后)
如果以震后首报时间评估，如图所示，福建全省所有区域的预警首报时间平均为5. 1s，在重点区域可实现4. 7s 左右的预警首报时间；全省有55%的区域具有5. 0s 的预警首报时间，全省有95%的区域具有5. 9s 的预警首报时间，预警盲区约为20km
第2 章，主要介绍数据质量监控软件四大模块即噪声数据评估、事件波形数据分析、站网通信延迟、站网时钟一致性的主要功能任务，以发现异常台站、评估系统性能、改进理论模型为主线，以影响地震预警定位和震级测定的关键环节为重点，利用地震事件前的站点噪声数据和地震事件后的波形数据着重检查系统时间服务准确性、站点参数配置正确性（台站坐标、灵敏度配置）、通信时间延迟等指标；根据各类站点得到的地震观测数据，分析评估观测数据与观测仪器安装质量，分析计算场地校正因子；分析评估系统软件安装的走时模型、烈度经验衰减模型及震级量规函数与当地观测数据是否适配的问题，以及相应的改进方法；分析评估地震预警事件产出信息是否科学、可靠等问题，这也是各省市地震部门科技人员的技术短板，普遍缺乏相应的分析思路和方法。
第3 章，简要介绍了国内外地震预警系统曾经出现过比较严重的“误报” 和“漏报”地震事件，分析了产生问题的根源以及美国、日本两国所提出的改进方法，总结了我国地震预警技术系统面临的技术风险。针对各国预警处理软件不能识别仪器灵敏度配置错误、不能识别地震信号与非地震信号（特别是标定等异常信号）、不能区分近场与远场地震信号、缺乏地震波场情景模拟等问题，提出了加强噪声监测和产出结果科学性判断、近场和远场地震动峰值和周期频谱检测、构建多层并行处理虚拟台网、地震虚拟与真实场景比对等一系列相应的技术管控措施，提升了预警信息的可靠性，降低了技术风险。
第4 章，针对大震前后序列震的处理是目前世界地震预警系统存在的重大技术风险隐患这一现实，基于序列震都可以分解为一系列发震时间相差数秒至数百秒，震中位置相距一定距离的前后两个地震（即双震序列）的处理，将双震第一报和后续报作为两个重要问题分别进行讨论。本章研究了双震处理主要与双震震级、双震震中距离D、双震发震时间差ΔT0 和台网平均台间距d 等因素有关，而震级的影响主要体现在影响观测的空间范围和影响记录震动的持续时间，提出用双震首台距离Dc 和触发时间差ΔTp 快速估计D 和ΔT0的方法。本章还强调了评估前震对后续震影响的重要性，也就是利用前震首报地震参数和加速度峰值PGA （M，Δ）衰减规律估计前震的空间影响范围；利用台站P 波到时和台站记录震动持续时间Td （M，Δ）估计前震对台网观测的影响时间，为处理双震奠定坚实基础。本章重点介绍双震第一报的处理思路和处理方法，提出了双震产生的判断条件以及可独立处理双震的条件；针对可独立处理双震、原地重复双震（D≤2d）、非原地重复双震（D>2d 三种类型，研究了相应的处理技术，制订首报处理方案。
第5 章，重点介绍了在双震预警第一报的基础上，如何处理非原地重复双震后续报的问题（至于原地重复双震后续报的处理将在第6 章原地重复序列震处理中介绍）。在极坐标系框架下，以双震震中距离D、发震时间差ΔT0 以及双震各自定位和测定震级的安全时间间隔Δt 等为参数，推导了双震各自P 波和S 波不受另一个地震P 波污染的安全区及边界方程，证明P 波安全区边界方程满足双曲线方程、S 波安全区边界方程满足椭圆方程，双震震中连线为椭圆的长轴方向、双震震中都在各自S 波椭圆长轴内，P 波双曲线方程的顶点在双震震中连线上并在S 波安全区边界椭圆外侧，讨论了D、ΔT0 和Δt 变化对双震P波和S 波安全区边界方程的影响，从理论上阐明了在遇到双震部分台站波形互有干扰时在近场为何只能用双震各自震中附近的台站地震观测记录参与双震震源参数处理的原理。依据P 波到时拾取误差估计以及测定P 波震级的要求，对于P 波定位一般取Δt 为0. 5s 或1s，对于P 波测定震级一般取Δt 为3s 或4s；利用S 波测定地震参数时，Δt 取值也可做类似考虑。只有在双震各自安全区内的台站才能参与双震后续报的震源参数测定。第4 章和第5 章所提出的双震处理方法和技术，不但对地震预警有重要意义，而且对自动速报、人工速报和编目处理双震问题都有重要参考价值，也为处理序列震奠定了重要的理论与技术基础。
▲ 原地重复序列震的处理实例
图为2023 年5 月12 日4 时32 分四川台网记录的泸定原地重复双震，震中相差仅为2. 3km，发震时刻相差6. 3s；第一个地震为四川泸定3. 4 级地震，有50 个台站记录；第二个地震为四川泸定4. 2 级地震，有23 个台站记录。由于两个地震震中位置相差较近，发震时刻有一定时差，且第二个地震震级大于第一个地震，符合两个地震独立处理要求。两个地震信号均能观测到，虽然第二个地震的P 还受第一个地震的后续波组影响，但部分台站还是能观测到比较清晰的信号。图中：(a) 第一个地震台站记录P 波和S 波情况；(b) 第二个地震台站记录P 波和S 波情况；(c) 部分台站实际记录情况
第6 章，重点介绍了处理序列震的总体技术要求、总体处理思路、总体技术构架；强调了要切实把握好处理序列震的科学基础，也就是任何地震激发的地震波都遵守地震波能量（峰值）的衰减规律、地震震动持续时间的变化规律、波组的走时规律，这三条规律划定了地震对观测台网在空间上的影响范围、对台网观测的影响时间以及空间和时间的对应关系；强调了要处理好序列震必须知道台站何时触发开始记录地震波形，更要判定地震记录何时结束淹没于噪声，这与单个地震处理有着本质的区别；强调要以双震处理技术为基础，通过充分运用多网融合并行处理技术、多时间窗技术、人工智能技术等共同应对、协同处理序列震，重点介绍了原地重复序列震和非原地重复序列震的处理方法和技术方案。
第7 章，简要介绍在序列震的处理过程中，如果按照前后地震波组是否会相互影响分类，可将其分成单源地震（前后地震波组互不影响）、双源地震（前后两个地震波组互有影响）、三源地震（前震与后两个地震波组互有影响）等，单源地震处理占多数，双源地震处理占少数，三源地震处理占极少数。以同时处理发震时间相近、震中相隔一定距离、波组互有影响的三源地震参数为代表，重点介绍了处理多源地震问题的总体思路、技术途径和主要方法。在处理O1、O2、O3 三源地震时，可将其分解为O1 和O2、O1 和O3、O2 和O3三个双源地震的处理，通过建立三个局部坐标系充分运用双震首报和后续报处理结果并连续进行二次坐标变换，可得到三个地震各自的P 波和S 波安全区及边界方程，只有在三个震源各自P 波和S 波安全区内的台站才能参加三个震源参数首报和后续报的测定。
第8 章，介绍了日本预警系统处理序列震的粒子集成滤波方法（简称IPF 方法），粒子伴随地震的发生而产生，承载着地震激发的能量并传播至台站，粒子模型参数就是地震的基本震源参数，它遵循地震波能量衰减规律和波组走时规律；重点介绍了构建初始粒子群模型、台站理论触发状态分析、粒子集成概率计算、粒子滤波、粒子重采样等五个关键技术环节。在首台触发的一定区域内播撒一群粒子（相当于设定了多源初始震源模型），在假定台站观测峰值服从对数正态分布的条件下，依据上述五个环节，不断搜索寻找目标粒子，使目标粒子预测的台站触发状态和理论预测峰值与台网真实触发状态和台网站点观测峰值吻合度最高、概率最大。这一方法将概率方法和确定性方法有机结合，将定位和测定震级融为一体，这明显有别于先定位后测定震级的传统方法，而且目标粒子是由粒子群按照上述五个环节通过多次粒子重采样演变而来，从理论上讲可以处理多源地震问题。在分析总结了该方法的优缺点后，特别是其存在对大震震级测定具有局限性、对台站触发状态缺乏震动结束的时间判定（这意味着不能较好地处理原地重复序列震）等先天缺陷，期望将我国处理序列震的技术与日本处理序列震的技术有机结合，提出了相应的思路和改进方法。
第9 章，重点介绍了目前我国预警工程建成后台网积累的地震震例尚少的情况下，为了进一步检测地震预警与烈度速报软件的功能和技术性能，在点源和大震破裂模型的理论框架下，提出了人工合成现有地震观测台网各台站的观测波形的技术和方法。在构建点源经验格林函数时，充分吸取了地震工程学家对强震地震波谱和包线函数的研究成果；在构建大震强地面运动时，充分吸取了地震学家对地震定标律、拐角频率以及破裂过程的研究成果。这种波形模拟技术将地震工程学和地震学的有关研究成果融为一体，不仅符合P 波和S 波的走时模型，而且符合地震学家对震源过程的认识，满足地震动参数的经验衰减规律，经检测，通过人造地震波场得到各台站的地震波形所测定的地震参数和破裂模型参数与设定的地震参数和破裂模型参数基本一致。只要设定震源模型和参数，这一套地震波场的模拟技术和方法可以任意构造地震观测台网各台站波形记录和多种复杂震例（7 级以上大震、双源地震、三源地震、序列震）以及震源和台网波形数据库，可以对地震预警和烈度速报技术系统做性能测试和极限条件下的检测。这一套地震波场仿真模拟技术，还可应用于对潜在活动断层破裂引起的强地面运动和工程灾害的估计，以及大震发生后对烈度空间分布图的修正等领域，其应用前景十分广阔。
▲ 预测烈度与烈度速报技术构架
第10 章，简要总结了日本在地震预警和烈度速报方面的主要经验，对比分析了中日两国在地震预警和烈度速报方面的异同，剖析日本预警系统在提高预测烈度精度方面所做的努力，特别是利用烈度在局部范围内不衰减的特性所提出的局部无阻尼运动传播（PLUM）方法，这一方法最突出的优点就是在预测烈度时不需要考虑震源特性的影响，只利用预测点周围30km 以内的观测站点的记录。由于中日两国对烈度的定义不同，衰减一度的距离差异较大，在进一步改进完善PLUM 方法的基础上，将其引入我国地震预警系统，以提高实时预测烈度的精度，使预测烈度和站点烈度空间分布散点图最终转化为烈度速报制作的烈度空间分布散点图，提高了烈度速报的时效性。针对目前我国在仪器烈度空间分布图制作方面存在的主要问题，特别是7 级以上大震震中区台站密度不足难以精准控制震中区烈度等值线展布，提出要三次加工修改制作的技术要求，重点强调了要在震后10min 内，利用台站观测烈度和插值网格烈度空间分布散点图，第一次初步勾画烈度空间分布图；要在震后1h 内，利用系统软件初步解算断层方向，并结合站点观测烈度拟合本次地震烈度衰减模型，进行第二次修改，制作烈度空间分布图；对于6 级特别是7 级以上大震，要在24h 内进一步收集汇总大震余震震中空间分布图、多家机构大震破裂分析等研究结果，重新构建大震破裂模型并确定相关参数。利用人造点源经验格林函数或者选用震中附近强余震的台站记录作为经验格林函数，以及反演得到的大震破裂模型和人造地震波场的波形模拟技术，合成大震产生的5 度区以内站点和插值网格点的观测波形，并结合主震地表站点观测记录和场地校正技术，对插值网格点记录进行修正，第三次修改制作仪器烈度的空间分布图，使烈度图的总体空间形态展布更加逼近真实的破裂过程。最后依据观测台网站点空间分布和台站局部密度与均匀度，对仪器烈度空间分布图制图质量提出相应的评估方法。以泸定6. 8 级地震为例，利用人工点源格林函数和主震震中附近的强余震台站观测记录作为经验格林函数，以及我国科学家反演得到的泸定6. 8 级地震破裂模型，重塑了主震在5 度区以内的强地面运动，制作了相应的烈度空间分布图，与现场调查的烈度空间分布图基本一致。
2022 年在编写本书的过程中，恰逢我的硕士生导师胡聿贤院士百年华诞，借此机会对胡先生表示崇高敬意。回想自己1986 ~1992 年在中国地震局工程力学研究所（简称工力所）攻读硕士和博士期间，深得胡聿贤院士、廖振鹏院士（我的博士生导师）两位导师的教诲，他们做人做事的态度、诲人不倦的精神、严谨求实的学风，对学生的严格要求，乃至倡导的多学科融合的理念，已深入学生的内心，让人至今难以忘怀，感谢二位导师的培养教育。当年工力所主楼夜晚的灯火通明，刻苦钻研的浓厚学术风气，名师专家严谨的课堂授课，举办的各种国内外学术研讨会，聆听谢礼立院士、袁一凡、张敏政等诸多老师的精彩报告，也是我青年时代最美好的回忆，感谢工力所和各位老师。
本书在编写过程中，得到地震预警团队李军、张红才、林彬华、蔡辉腾、康兰池、韦永祥、王士成、王青平等在算例、绘图、文献查阅等多方面的帮助，对他们的辛勤工作表示感谢。本书的出版得到中国地震局监测预报司的资助和福建省地震局的支持，在此一并致谢。
本文摘编自《地震预警与烈度速报：风险与控制》（金星著. 北京：科学出版社，2024. 3）一书“前言”。
京图字：GS 京（2024）0438 号
ISBN 978-7-03–0
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