白立新 成云輝 張 杰 馬士振 何榮帥 馮 剛

（北京市地震局，北京 100080）

引言

國內(nèi)外重大地震災害救援行動的經(jīng)驗和教訓表明，震后政府的快速有效應急響應是破壞性地震發(fā)生后保持社會穩(wěn)定的重要因素。破壞性地震發(fā)生后，應急管理部門、公用事業(yè)和其他相關管理機構最迫切的需求是了解地震造成破壞的相關信息，并依此做出快速的應急響應和科學的救災決策，最大程度減少人員災害損失，盡可能在較短的時間內(nèi)恢復社會秩序。傳統(tǒng)的強震動臺網(wǎng)是獲取地震破壞分布信息的手段之一，但是，大規(guī)模、高密度強震動臺網(wǎng)存在著諸如建設成本高昂和運維難度大等困難。Evans等（2005）提出了基于低成本微機電系統(tǒng)（MEMS）烈度儀建設地震臺網(wǎng)的設想，用以彌補傳統(tǒng)強震動臺網(wǎng)由于臺站間距大、獲取的地震災害分布信息分辨率低的缺點。近年來，研究人員對烈度儀與傳統(tǒng)強震動儀記錄的數(shù)據(jù)進行了大量對比研究，探討了烈度儀用于地震監(jiān)測的可行性和可靠性。觀測實驗結果表明，烈度儀具備中強以上地震觀測的能力（D’Alessandro等，2013；王浩等，2013；Evans等，2014）。由于烈度儀價格低廉、布設方便、維護成本低，一些國家和地區(qū)近年來相繼開展了高密度烈度儀觀測臺網(wǎng)建設，以期通過建設高密度烈度儀臺網(wǎng)提升獲取地震烈度分布信息的時效性和可靠性（Cochran等，2011；Hsieh等，2014；Clayton等，2015；于海英等，2017；Wu等，2018）。

2015年北京市地震局開展了“簡易烈度儀地震預警示范項目”建設，在北京建設了40個烈度儀臺站。2018年2月12日河北永清發(fā)生M4.3地震，北京市行政區(qū)范圍內(nèi)普遍有感。地震發(fā)生后，北京市地震局立即對烈度儀臺網(wǎng)獲得的地震動記錄數(shù)據(jù)進行了處理，其中，有35個烈度儀臺站獲得了有效的震動記錄。本文將對北京烈度儀臺網(wǎng)獲得的此次地震記錄進行了初步分析。

1 烈度儀臺站

烈度儀臺站均建設在土層場地上，布設地點主要為北京地震臺網(wǎng)內(nèi)已經(jīng)停測或無法實時傳輸?shù)膹娬饎优_站，烈度儀采用地面安裝方式。利用無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)實時傳輸，數(shù)據(jù)采樣率為100Hz，并通過JOPENS軟件系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯集。

2 記錄情況

2018年2月12日河北永清M4.3地震中，北京烈度儀臺網(wǎng)35個臺站共獲得105條記錄，另外5個臺站由于電源故障或設備死機，未獲取記錄。在此次地震中，北京烈度儀臺網(wǎng)記錄峰值加速度最大的臺站是豐臺地震臺（D0001），峰值加速度10.76cm/s2，方向為東西向，該臺站距震中約61km。距震中最遠的烈度儀臺站為懷柔三塊石臺（M0004），距震中約158km，峰值加速度為2.13cm/s2。圖1為豐臺地震臺和三塊石臺烈度儀記錄的地震波形。此次地震35個臺站記錄的初至震相均清晰可辨認，顯示烈度儀臺站具備良好的獲取地震記錄的能力。

圖1 烈度儀臺加速度記錄 Fig.1 Accelaration record from the seismic intensity meter station

3 儀器烈度計算

根據(jù)《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預報司，2015），首先對獲取的記錄應進行基線校正處理，采用4階巴特沃斯（Butterworth）帶通濾波器對每個分向記錄進行0.1—10Hz帶通濾波，通過積分加速度記錄獲得速度時程。儀器烈度計算公式如下：

其中，PGA為合成三方向加速度峰值，PGV為三方向合成速度峰值。如果IPGA和IPGV均大于等于6.0，則儀器地震烈度I取IPGV值，否則I取IPGA和IPGV的算術平均值。

通過計算，產(chǎn)出了本次地震的儀器烈度分布圖，結果顯示烈度儀臺站儀器烈度最大的為豐臺地震臺，儀器烈度為Ⅲ度，分布于平原區(qū)的烈度儀臺站儀器烈度多為Ⅱ度，北部山區(qū)儀器烈度為Ⅰ度（圖2），顯示出儀器烈度隨震中距增加而逐漸減小的特征。

圖2 烈度儀臺站儀器烈度分布 Fig.2 The distribution of intensities from intensity meter stations

4 與強震動臺站記錄對比分析

為驗證烈度儀臺站獲取地震動記錄的能力以及記錄結果的可靠性，在南口中學臺（11NKZ）、大華山臺（11DHS）和三塊石臺（11SKS）安裝了烈度儀，烈度儀臺編號為K0001（南口中學臺）、N0004（大華山臺）和M0004（三塊石臺）。3個臺站的強震動儀數(shù)據(jù)采集器型號均為Reftek 130-ren，加速度傳感器型號為SLJ-100；烈度儀為北京港震儀器設備有限公司生產(chǎn)的GL-P2B型烈度儀。烈度儀和強震動儀主要性能指標見表1。在此次地震中3個臺站的強震動儀和烈度儀均獲得了記錄，11NKZ、11DHS和11SKS臺站的震中距分別為108km、106km和158km。

表1 烈度儀和強震動儀主要參數(shù)指標 Table1 The main specifications of seismic intensity meters and acceleration meters

圖3為強震動儀與烈度儀的原始記錄波形，數(shù)據(jù)記錄按同一起始時刻截取。由圖3可見，強震動儀與烈度儀記錄的地震波形及峰值加速度十分相近，相應通道記錄的峰值最大偏差均小于0.1cm/s2。為定量評價強震動儀與烈度儀獲取的地震記錄在時域和頻域上的相關程度，采用式（3）計算強震動儀與烈度儀記錄的時域皮爾森（Pearson）相關系數(shù)，用式（4）計算強震動儀與烈度儀記錄的幅度平方相干系數(shù)。

其中，rxy為相關系數(shù)，反映的是兩過程在時域上的線性相關程度，相關系數(shù)越接近于1，相關性越強，conv（x，y）為x和y的協(xié)方差，σx、σy分別為x和y的標準偏差；Cxy為幅度平方相干系數(shù)，反映的是兩過程在各頻率上分量間的線性相關程度，Cxy為1時，表示2個時程信號完全相干，Pxy為x和y的互功率譜密度，Pxx，Pyy分別為x和y的自功率譜密度。

通過計算得到南口中學臺（11NKZ，K0001）EW、NS、UD分向的皮爾森相關系數(shù)分別為0.98、0.98、0.97；大華山臺（11DHS，N0004）EW、NS、UD分向的相關系數(shù)分別為0.96、0.97、0.92；三塊石臺（11SKS，M0004）EW、NS、UD分向的相關系數(shù)分別為0.97、0.96、0.89。計算結果表明強震動儀與烈度儀的地震記錄在時域上是強相關的。

圖4為3個臺站的強震動儀與烈度儀記錄在頻域上的相干性結果，其中南口中學臺和大華山臺強震動儀與烈度儀的3個分向的波形記錄在1—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強相關性，而三塊石臺強震動儀與烈度儀的3個分向的波形記錄在2—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強相關性。三塊石臺站（11SKS、M0004）的相干頻帶小于其它2個臺站，可能與震中距較大（158km）、地震記錄信號衰減過大有關。

圖3 同臺址烈度儀與強震動儀原始記錄波形 Fig.3 Uncorrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station

圖4 同臺址強震動儀與烈度儀原始記錄幅度平方相干性結果 Fig.4 Magnitude squared coherence between seismic intensity meter and acceleration meter at same station

圖5對比了同臺址強震動儀與烈度儀記錄的3個分向數(shù)據(jù)的信噪比，結果顯示，在0.1—20Hz范圍內(nèi)，3個烈度儀臺站事件（用實線表示，下同）與噪聲（用虛線表示，下同）的信噪比遠低于同臺址的強震動儀記錄事件與噪聲的信噪比，尤其是低頻信號記錄能力明顯比同臺址的強震動儀低。

依據(jù)《儀器地震烈度計算暫行規(guī)程》（中國地震局監(jiān)測預報司，2015）對數(shù)據(jù)記錄進行0.1—20Hz帶通濾波，計算了3個臺站的儀器烈度。11NKZ、K0001臺站儀器烈度計算結果為Ⅱ度，11DHS、N0004、11SKS、M0004臺站儀器烈度為Ⅰ度，表明強震動儀與烈度儀的儀器烈度具有較高的一致性。

為了解烈度儀獲取加速度記錄的可積分性，通過積分計算3個臺站的強震動儀和烈度儀記錄的速度和位移時程，并采用4階巴特沃斯帶通濾波器對數(shù)據(jù)記錄進行濾波。依據(jù)幅度平方相干性結果，11NKZ、K0001和11DHS、N0004臺站濾波頻帶取1—20Hz，11SKS、M0004臺站濾波頻帶取2—20Hz。濾波后，強震動儀與烈度儀的峰值加速度均有所降低，表明地震記錄存在一定程度的高頻成分。采用式（3）計算了3個臺站的的強震動儀與烈度儀加速度記錄積分后獲得的速度和位移的相關系數(shù)，其中11NKZ與K0001臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關系數(shù)為0.99、0.99、0.98；位移記錄相關系數(shù)為0.99、0.99、0.99。11DHS與N0004臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關系數(shù)為0.99、0.96、0.97；位移記錄相關系數(shù)為0.96、0.97、0.97。11SKS與M0004臺站EW、NS、UD分向的速度記錄相關系數(shù)為0.98、0.98、0.96；位移記錄相關系數(shù)為0.97、0.97、0.97。

圖5 同臺址未校正烈度儀與強震儀記錄的信號及噪聲譜 Fig.5 Singnal and noise spectra of intensity meter and acceleration meter at same station

計算結果表明，強震動儀與烈度儀的地震記錄積分后獲得的速度和位移在時域上是強相關的，烈度儀加速度時程具有一定的可積分性。圖6給出了3個臺站的垂直向校正加速度記錄以及積分得到的速度和位移時程。

圖6 烈度儀與強震動儀校正記錄波形 Fig.6 Corrected record of seismic intensity meter and acceleration meter at same station

5 結論

本文對2018年2月12日河北永清M4.3地震的北京烈度儀臺網(wǎng)記錄情況進行了討論，對同臺址強震動儀和烈度儀的記錄波形進行了對比，結果表明：

（1）距震中158km的臺站清晰地記錄了此次地震，北京烈度儀臺網(wǎng)具備記錄中強地震的能力。

（2）同臺址強震動儀和烈度儀地震記錄在時域上是強相關的，南口中學臺（11NKZ、K0001）和大華山臺（11DHS、N0004）強震動儀與烈度儀3個分向的波形記錄在1—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強相關性，而三塊石臺（11SKS、M0004）強震動儀與烈度儀3個分向的波形記錄在2—20Hz頻率范圍內(nèi)具有強相關性。三塊石臺（11SKS、M0004）的相干頻帶小于其它2個臺站，可能是因其震中距較大，導致地震信號衰減過大。

（3）強震動儀的信噪比遠高于同臺址的烈度儀，烈度儀記錄低頻信號能力明顯低于同臺址強震動儀。

（4）烈度儀產(chǎn)出的儀器烈度結果與強震動儀一致。

（5）烈度儀加速度時程具有一定的可積分性。

綜上所述，在烈度儀設備穩(wěn)定運行的前提下，烈度儀臺可用于進行烈度速報，通過建設價格相對低廉的烈度儀臺網(wǎng)提高烈度速報時效性是一條可行的途徑。在建設烈度儀臺網(wǎng)時，需考慮烈度儀的動態(tài)范圍指標，避免烈度儀臺站功能單一化。

致謝：本文采用了北京市強震動臺網(wǎng)提供的地震數(shù)據(jù)，中國地震局工程力學研究所國家強震動臺網(wǎng)中心提供的強震數(shù)據(jù)處理軟件，并利用matplotlib開源軟件進行圖件繪制；審稿專家提出了寶貴的修改建議，在此一并表示感謝。