Voi. 37,No. 2Apr. 2201第37卷，第2期
2201年4月世界地震工程WORLDEARTHQUAKEENGENEERENG 文章编号：107 -6669(2021)02 -0099 -25
2221年2月1日日本福岛阿7・3级
地震潜在破坏区快速估计
汪源，宋晋东，李山有
(中国地震局工程力学研究所，中国地震局地震工程与工程振动重点实验室，黑龙江哈尔滨150087)
摘 要：基于2201年2月13日日本福岛Mp3级地震加速度记录，离线模拟了阈值预警方法在此次
地震中快速估计潜在破坏区的表现。结果显示，该方法能够在台站P 波触发后3s 就快速对台站及
其周边区域进行地震破坏性判断，同时估计的潜在破坏区域也基本与美国地质调查局(USGS )
ShabeMap 震后实测VII 度以上区域吻合，展示了该方法在此次地震中运用的可行性；然而该方法没
有对处在震后实测VII 度以上区域内的宫城县南部沿海以及福岛县小部分东北区域给出准确的潜
在破坏区判断，这一估计偏差为该方法的适应性研究以及下一步优化提供了参考。
关键词：潜在破坏区；地震预警；阈值预警；警报级别
中图分类号:P315.3 文献标识码:A
RapiO estimation of poteatial damage zone foe the Mj7・3 Fukushima
earthquake in Japan on FeCreare 13, 2221
WANG Yuan , SONG Jindona , LI SSanyon
(Institute cf Engineering Mechanice : China EaehquaUe Administration ； Key Laboratoy cf Earthquake Engivee/ng and Engineering
VibraVon cf China EarthquaUe AdministraVon , Harbin 150082 ,China )
Abstrect : Based on tha bccelerahon recorbs of tha M-7. 3 eurthquada in FuUusPimb, Japan on Fe/ruay 1,2021, this papar simulated tha penomiavco of tha thresPold-nasey eurthquada euriy wamina method in qu/hiy estimatina tha pote/tiai Uamaga arex. Tha results show that t
his method can qu/hiy Uetemiiva tha seismic Uestmctivv/ess of tha station and its surynndina arex within 8s aftar tha station ' s P wave is triggered . Mxnwh/a, tha estimated potentiai Uamaga area is basicaliy tha sama as tha area that USGS SSaPeMap MMI > VII, showina tha feasibilita of tha method used in this eurthquada ; but this method faits ta givv an acchrata -ungemeyt of tha pote/tiai Uamapa arex for tha coastai arex of Miyagi and tha northexsteru repion of FuUushima in tha arex that USGS ShadeMap MMI > VII, which pyvibas a yfxxco for tha adaptivv reseurch and improveme/ts of this method.
Key wore ： :20tey/at Uamaga zona ; eurthquada eariy wamina ； thysholdNvX earthquada euriy wamina ； aleR level 引言
地震预警，指的是地震发生后对即将到来的破坏性地震动进行预测和警报，是近年发展起来的防震减灾收稿日期/021 -03 -13；修订日期：2021 -23 -25
基金项目：国家重点研发计划课题(2018YFC1504003)；国家自然科学基金项目(51408564)
作者简介：汪 源(1792-)，男，博士研究生，主要从事地震预警及烈度速报技术研究.E-mait ： 434585644@ qq. cm
通讯作者：李山有(1765 -)男，博士，研究员，博士生导师，主要从事地震预警研究.E-mail : li S Pavyod@ 16. cm
氤氲是什么意思第2期汪源，等：2421年2月4日日本福岛M7.J级地震潜在破坏区快速估计91
有效手段之一J]°世界上多个地震活跃国家或地区已运行或正在发展地震预警系统，如日本、墨西哥、美国、意大利、中国和等J一5°
西出阳关无故人全诗快速准确预测地震发生后的潜在破坏，是地震预警的终极目标，预测烈度并产出与实际烈度接近的结果，也是地震预警系统效能的评判准则⑻°为实现这一目标，地震预警系统发展出两种预警方式，即区域预警与现地预警J]°区域预警基于地震波初期信息快速估计震源参数，再利用地震动衰减关系预测并判断地震可能造成的破坏及其影响范围J]，能够对远场台站提供较多的预警时间，但震源参数估计产生的偏差、地震动衰减关系的不确定性、目标区域的场地条件和大震级事件的破裂尺度等诸多因素都会造成目标场点地震动预测结果的误差⑼"3。现地预警的基本概念是利用地震波初始阶段信息估计台站端地震波的后续地震动峰值，现地预警算法相对简单，且可在震源参数未知情况下对台站处的破坏情况给出判断，因此近场台站能在破坏性地震发生后很快发出警报，然而缺陷之处是对台站之外的区域未能做出判断，提供的预警信息较为有限[16-15]°
在现地地震预警的潜在破坏区(Potenhai Damage Zone,PDZ)判断中，WU等(2005b)在WU等(2005a)
利用P a预测PGV的基础上J4"4]，引入特征周期参数T c，通过T c与化的联合阈值组合判断现地台站的地震潜在破坏°ZOLLO等(2010)延续WU等(2005b)的研究，明确了特征周期t不受距离项的影响，提出了“基于阈值的地震预警方法”：通过预先确立P波触发后3shy与P的阈值，建立“四水准警报分级”的现地台站破坏情况判别模型，同时融合区域预警的优势，提出了不含震级项的P预测方程来预测网格点处的P值，将P=0.hcm等值线内区域定义为潜在破坏区，并根据离线数据模拟展示，潜在破坏区的估计范围与VII度以上区域有很好的重合度J5]°COLOMBELLI等(2012a)利用日本K-net数据同样验证了该方法在日本应用的可行性J5]°该方法在台站触发后6s即可根据台站处的警报级别，在震源位置和震级未知的情况下，对于台站及台站附近区域破坏情况进行判断，同时，联合已经触发的台站信息，实时预测潜在破坏区域，显示了现地警与区域警结的优°
日本当地时间2221年2月4日23时08分，福岛东部海域发生7.3级地震，福岛县和宫城县震感强烈，超109多人受伤。基于日本防灾科学技术研究所K-net强震台网记录到的此次地震加速度记录，运用基于阈值的地震预警方法，离线模拟估计此次地震的潜在破坏区，旨在分析此次地震中阈值地震预警方法快速估计地震潜在破坏区的可行性，为该方法的应用提供更为详实的案例分析，同时发现该方法存在的可提升点，为方法的改进提出建议。
1数据
日本防灾科学技术研究所K-net强震台网在2021年2月4日日本福岛叫7.3级地震中获取加速度记录共325组(975条)[20]，台站位置分布和震中位置如图1所示°为进行本文的研究工作，我们选取竖向未处理加速度数据做如下处理：
(4使用马强等(204)的方法自动捡拾P波到时[21]，并人工对P波到时进行校正来确保P波到时的确°
(2)对加速度记录积分两次，依次获得速度记录和位移记录，接着选用低频截止频率为0.075Ha的巴特沃斯高通滤波器对积分后的速度记录与位移记录进行滤波，以消除因低频部分积分导致的基线漂移。
(3)参考ZOLLO等(2010)选用P(P波触发后6s内速度峰值)〉0.05cm/s的筛选条件来保证强震数据的信噪比满足冗参数的计算需要，对此次地震所有触发台站数据做如图2所示分析。由图2可见：此次地震中台站的P计算值随震中距增加而衰减，当台站震源距超过220km后P计算值衰减到0.25cm/s以下。因此，为了保证冗参数的可靠性，挑选此次地震中震源距220km内台站数据，共83组强震记录用于本文研究，台站分布如图1实心三角所示°
2方法
基于阈值的地震预警方法融合了现地预警和区域预警的特点，从现地台站警报级别的分布和P a预测值的等值线范围两个方面同时对潜在破坏区范围进行实时估计°
92世界地震工程第37卷
风筝结局io-3
102震源距/km 103136° 138° 140°142°
图1 2421年2月4日日本福岛7.3级地震台站分布图
Fig. 1 DisWiduhon of stations duriny the M 7. 3
FuUushima earth q uake io Jayav on Fehmary 4 ,2221图2台站P 计算值随震源距衰减关系Fig- 2 Atexuadon uKdonship betwee/Pa and hypoce/Wai distauce
元旦祝福语大全简短10个字2.1基于现地台站警报分级的潜在破坏区估计
(4参数阈值的确
KANAMORI (2205)在NAKAMURA (1085)通过实时计算地震P 波卓越周期(^)来快速估算震级的基 础上J2]，发展并提出了优化的初始P 波特征周期参数丁严〕，计算公式如下：其中：
6 1 ,
I • (t) dt
r = --------------- (2)6 0I (t) dt
0式中:u(t)和I)分别为竖向位移时程和速度时程；T0为记录从P 波初至开始的时间窗长，一般取3 2°
WU 等(2005a,2007,2008)利用日本、美国 及的地震数据，显示6与震级存在线性相关
性①-25。目前，利用T c 与震级的经验统计关系快速估算震级已经
用 地区地震预警系统中 J 6-07]
ZOLLO 等(2010)利用日本、和意大利的震中距66 km 以内强震动数据建立如下t 与震级M 的线性统计关系式：
lov(T c ) =0.21 • M - 1.22 ±0.25 (3)
据T y 与震级存在线性相关性、且与距离不相关的特性，利用T y 参数表征震级并确定震级6所 的
四级考试流程时间安排6阈值为0.2 s °P a 定义为P 波触发后3 -内的位移幅值最大值，其除了与地震震级、震源距存在线性衰减关系之外J5], 与PGV 存在
的线 J2]°考虑到PGV 与地震烈度存在明显的 ，因此，利用P a 估 PGV 能够快 地震 造成的破坏°
ZOLLO 等(2210)参考WALD 等(1099)的研究，认为当MMI (修正的麦卡利烈度)大于VII 度时，地震会 产生破坏[5]。接着根据VII 度 PGV = W cm/s 和建立的P a 与PGV 统计关系：
loy(PGV ) = 0. 23 • K p CP 』+ 1. 37 ± 0. 21 (4
)
第2期汪源，等:2201年2月11日日本福岛M7.3级地震潜在破坏区快速估计93
最终确定对应的阈值为2. 2cm 。
(2)警 的确
过判断P 波触发后 计算的匕与T 是否超过上述阈值来确定警 地震 及其
区域是否具有破坏性，即利用Pu=2.2cm 与t =2.6s 将地震破 为4 ，建立双参数如图3(b)所示。表1显示了 4级别中匕阈值与t 阈值以及 所 的 情况。随着
震中距的2 P y 计算值会出现衰减，当超过特定的距离后冶站的P y 值将会小于阈值，而由于T 与距离 关的 ，使得理论 地震中的 警 只会出现特定的如图3(a)所示的4种 。
Pa
32
00.6s
(b)
0.2cm 图3预警参数观测值的预警级别与阈值
中国中国鲜红的太阳永不落Fig- 3 Alert levels and threshold vvlues for odseyed ea/y warning parameters
台站 震中距警报级别3
210
101
0表1预警参数观测值的警报级别与阈值
Table 1 Alert levels and threshold values for odseyed ea/y warning parameters
警
阈值对应的影响3t > 0. hs ,Pg > 0. 2cm
无论是距台站近处还是远离台站区域，都会造成破坏2t < 0. hs ,Pg > 0. 2cm
只有在台站附件区域，才会造成破坏1t > 0. hs ,Pg <0. 2cm 只有在远离台站的区域，才会造成破坏
2t < 0. hs ,Pg <0. 2cm
会造 破23基于化预测方程的潜在破坏区估计
为了提供更多的潜在破坏区信息,ZOLL 0等(221)提出了类似于P y 衰减关系的潜在破坏区预测方程, 即利用周期参数与震源距不相关的
，将P y 衰减关系中的震级项替换为T 参数，建立T 、P y 和震源距R 的
元线 归关系：lop(P U ) = 1.93 • lop(7c ) - 1. 93 • lop(R ) + 2. 09 ± 2. 97
(5)基于此预测方程，便可根据实时T 平均值来确定任意P y 等值圈的半径，例如当公式(5)中P y =0.2 cm ，计算得到的R 即为潜在破坏区 ； 据 T 平均值与网格点距震中距离R , 格 的P y
值，结 P y 值 值插值得到更为细致的潜在破坏区。3结果
基于筛选处理后的数据，按照上述方法对于2021年2月13日日本福岛M p.3级地震进行离线模拟，并 给 地震潜在破坏区的
估计结果。4显示了 地震中参与计算的83 •
t 、P u 值与警 的 结果。 到：大约在发震后1s 左右，离震中最近的 依次触 获得3 s 加速度数据，其中 的P 值 但仍未超过0.2c m 阈值，联合t 参数值将最先触发的 警 为3紧接着距震源约12 Um 的
触发(约发震后20s)且其P 值均超过0.2 cm 阈值，达到警
3，即 地震 及其周边区域都会造成破坏2 警报。
5底部的预警 2 的警报为 险提供了约9.5 s 的预警。随着更 触 获得数据，发现触 的P y 值整体随着震
源距的增大而减，其中9 的P 值超过了 0.2 cm 阈值； t 参数，触 的T 值不随震源距的了 9 - 的t 值小于2-hs 阈值之外，其他所有台站的计算结果都超过了 2.0s 阈值。依据冗与巴的计
94世界地震工程第37卷
算结果的确定了的警，9，到了警3,2现警2的情况。根据5所示警3台站的分布情况，可在震源参数未知情况下地震的潜在破坏区范围有着初步估计°在地震中，周期参数不受震源距的，这与ZOLLO等（2010）的研究结果一致，但多数'的P值分布在0.8-0.2cm之间,Pd=2.2cm阈值的设定对于此次地震PGV的预测适合与否仍需结合图5进明。
预警时间/S
图4台站的警报级别及预警参数的时程变化情况
Fig.4Time eveluhon of puupd-moOon measuume/W and the correspondiny alert leveW at diOere/t stations
图5显示了2021年2月4日日本福岛M^.J级地震中阈值地震预警方法的离线仿真结果。为了评判阈值预警方法在地震中估在破坏区的表现，需要选取适当的震后烈度图作为条件°日本给出的 地震烈度分布是最适宜反映地震的破坏情况，然而考虑到本文阈值的建立是以MMI 度为基础，首先SHABESTARI等MMI烈度与日本度（/…a）系的研究MMI=1.95•/jma-2.91J4]，得到MMI烈度VII度对应的厶^=5.8，同时通过将日本气象厅给出的震后烈度图与美国地质局（USGS）ShakeMap给出的烈度分布图进行，证实了MMI烈度VI（度以上区域与日本心人烈度5度强区域基本一致，基，选取ShaPeMap的MMI烈度VI I度的PGV=10cm/s 区域的范围作为评价潜在破坏区预测结果的。图5（a）显示了触的警及SSaPeMap中MMI烈度VI（度的PGV=16cm/s区域范围，到：绝大警3的都位于W cm/s 区域以内，但是W cm/s区域大量警1的，这表明阈值地震预警方法确定的警3与VI（度区域有很好的吻合度，但是VI I度以上区域内现了P a值未超过0.2cm阈值
利给出警3的现象°
参照COLOMBELLI等（20Wb）对潜在破坏区估计的方法J1]，同时考虑到此次地震中触发的台站足够密集且的P a实测值比由公式（5）预测的P a值，在已经触范围内的网格由公
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