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地震预警与烈度速报——理论与实践 版权信息
- ISBN：9787030699176
- 条形码：9787030699176 ; 978-7-03-069917-6
- 装帧：一般胶版纸
- 册数：暂无
- 重量：暂无
- 所属分类：>>
地震预警与烈度速报——理论与实践 内容简介
本书以作者及其科技团队在地震预警与烈度速报领域开展的相关研究工作为主线，结合作者作为总设计师、投资近20亿元的“国家地震烈度速报与预警工程”项目建议书及可行性研究报告的编写，理论结合实际，以理论分析和大量的实例介绍，系统讲述了台网设计、数据处理、运维监控、地震预警与烈度速报相关关键技术、地震速报、系统集成等内容。 本书可作为地震部门特别是各省地震局从事地震预警与烈度速报领域工作的科技人员的培训教材，也可作为高等院校从事地震预警、烈度速报、地震信号处理等相关研究的科技人员及研究生的参考用书。
地震预警与烈度速报——理论与实践 目录
目录
前言
第1章 国内外经验总结 1
1.1 应对大震巨灾挑战 1
1.2 地震预警发展概况 4
1.3 烈度速报发展现状 10
1.4 国内创新示范应用 12
1.5 本章小结 15
第2章 地震预警与烈度速报技术系统 17
2.1 总体目标和设计思路 17
2.2 重点区域划分 19
2.3 建设目标与性能指标 25
2.4 系统构架 27
2.5 中外技术方案分析研究 31
2.6 本章小结 39
第3章 地震观测台网的设计与能力评估 40
3.1 传感器的选择 40
3.2 地震观测台网的空间布局 42
3.3 观测台网预警能力的评估 47
3.4 地震烈度速报的评估 50
3.5 中日两国台网设计方案对比分析 51
3.6 多网融合，一网多用的服务产品 54
3.7 地震监测能力评估 55
3.8 本章小结 56
第4章 地震观测数据的实时仿真技术 57
4.1 以地震计原理为基础的实时仿真技术 57
4.2 由加速度记录实时仿真特定仪器的加速度、速度、位移时程的递归算法 68
4.3 由宽带速度记录实时仿真特定仪器加速度、速度、位移的递归算法 70
4.4 本章小结 71
第5章 地震观测台网运维监控的新方法和新技术 72
5.1 地震噪声特点分析 73
5.2 台网噪声水平评估 77
5.3 台站异常信号的识别与监控 80
5.4 利用气枪信号评估数据质量 89
5.5 AI应用于台站异常分类判断 92
5.6 利用噪声监测记录钟差 98
5.7 本章小结 106
第6章 地震信号的实时处理技术 107
6.1 P波震相的自动识别 107
6.2 S波震相的自动识别 110
6.3 地震波的偏振特性 118
6.4 波组信号的自动识别 123
6.5 综合识别与判断 128
6.6 本章小结 132
第7章 地震预警实时定位技术 134
7.1 地震预警实时定位 134
7.2 台网布局对三台和四台定位的误差分析 146
7.3 网外地震多台定位技术 150
7.4 讨论两个问题 155
7.5 本章小结 156
第8章 实时测定地震预警震级 157
8.1 地震预警震级测定的思路与算法 157
8.2 量规函数的地区性特征和台站校正值 164
8.3 在震级测定中引入人工智能算法的问题 172
8.4 本章小结 172
第9章 地震预警信息发布与信息更新技术 173
9.1 预警信息判定流程和发布标准 174
9.2 地震预警时间和盲区估计 176
9.3 预测烈度与破坏区域估计 185
9.4 地震动场的实时计算 187
9.5 修正大震烈度预测模型 190
9.6 本章小结 191
第10章 利用近场地震波能量时空特征实时反演大震破裂过程 192
10.1 近场强地面运动的主要特征 192
10.2 利用近场强震观测记录实时反演大震破裂过程的技术思路 195
10.3 大震破裂分析的前期准备 196
10.4 大震破裂过程的实时反演 197
10.5 实时反演大震破裂过程实例 204
10.6 利用强震包线反演大震破裂过程 223
10.7 本章小结 227
第11章 远场大震地震预警 229
11.1 远场大震对重要城市的影响 230
11.2 高楼震感预警的技术思路 231
11.3 面波群速度与预警时间 231
11.4 预测基岩面波*大地动位移和土层放大系数 238
11.5 高层结构动力反应分析 246
11.6 远场高楼震感预测和震感速报 255
11.7 本章小结 257
第12章 地震仪器（观测）烈度速报 259
12.1 美日两国的地震仪器烈度标准 260
12.2 我国制订的仪器烈度标准 264
12.3 地震动震动图制作技术 272
12.4 场地校正技术 274
12.5 现场调查烈度与仪器烈度 282
12.6 大震仪器烈度的衰减模型 287
12.7 本章小结 291
第13章 地震参数的自动速报 292
13.1 震级标度的规定 293
13.2 震级速报的科学基础 295
13.3 速报震级的技术思路 300
13.4 对社会公众发布的震级 304
13.5 自动速报震级方案 306
13.6 本章小结 309
第14章 高速铁路的地震预警 310
14.1 高铁安全运行的地震风险评估 311
14.2 国家地震预警与高铁预警系统的衔接 319
14.3 高铁警戒区和处置区等级 321
14.4 多种预警方式和专用服务产品 323
14.5 台湾海峡6.2级地震对福建沿海高铁的影响 326
14.6 本章小结 331
第15章 技术系统集成与仿真模拟 332
15.1 技术系统的集成 332
15.2 影响模拟仿真效果的主要因素 336
15.3 地震事件的仿真模拟测试 340
15.4 在线运行环境的测试分析 344
15.5 本章小结 346
第16章 展望 348
16.1 面临的主要问题 348
16.2 未来发展方向 354
参考题 357
主要参考文献 361
前言
第1章 国内外经验总结 1
1.1 应对大震巨灾挑战 1
1.2 地震预警发展概况 4
1.3 烈度速报发展现状 10
1.4 国内创新示范应用 12
1.5 本章小结 15
第2章 地震预警与烈度速报技术系统 17
2.1 总体目标和设计思路 17
2.2 重点区域划分 19
2.3 建设目标与性能指标 25
2.4 系统构架 27
2.5 中外技术方案分析研究 31
2.6 本章小结 39
第3章 地震观测台网的设计与能力评估 40
3.1 传感器的选择 40
3.2 地震观测台网的空间布局 42
3.3 观测台网预警能力的评估 47
3.4 地震烈度速报的评估 50
3.5 中日两国台网设计方案对比分析 51
3.6 多网融合，一网多用的服务产品 54
3.7 地震监测能力评估 55
3.8 本章小结 56
第4章 地震观测数据的实时仿真技术 57
4.1 以地震计原理为基础的实时仿真技术 57
4.2 由加速度记录实时仿真特定仪器的加速度、速度、位移时程的递归算法 68
4.3 由宽带速度记录实时仿真特定仪器加速度、速度、位移的递归算法 70
4.4 本章小结 71
第5章 地震观测台网运维监控的新方法和新技术 72
5.1 地震噪声特点分析 73
5.2 台网噪声水平评估 77
5.3 台站异常信号的识别与监控 80
5.4 利用气枪信号评估数据质量 89
5.5 AI应用于台站异常分类判断 92
5.6 利用噪声监测记录钟差 98
5.7 本章小结 106
第6章 地震信号的实时处理技术 107
6.1 P波震相的自动识别 107
6.2 S波震相的自动识别 110
6.3 地震波的偏振特性 118
6.4 波组信号的自动识别 123
6.5 综合识别与判断 128
6.6 本章小结 132
第7章 地震预警实时定位技术 134
7.1 地震预警实时定位 134
7.2 台网布局对三台和四台定位的误差分析 146
7.3 网外地震多台定位技术 150
7.4 讨论两个问题 155
7.5 本章小结 156
第8章 实时测定地震预警震级 157
8.1 地震预警震级测定的思路与算法 157
8.2 量规函数的地区性特征和台站校正值 164
8.3 在震级测定中引入人工智能算法的问题 172
8.4 本章小结 172
第9章 地震预警信息发布与信息更新技术 173
9.1 预警信息判定流程和发布标准 174
9.2 地震预警时间和盲区估计 176
9.3 预测烈度与破坏区域估计 185
9.4 地震动场的实时计算 187
9.5 修正大震烈度预测模型 190
9.6 本章小结 191
第10章 利用近场地震波能量时空特征实时反演大震破裂过程 192
10.1 近场强地面运动的主要特征 192
10.2 利用近场强震观测记录实时反演大震破裂过程的技术思路 195
10.3 大震破裂分析的前期准备 196
10.4 大震破裂过程的实时反演 197
10.5 实时反演大震破裂过程实例 204
10.6 利用强震包线反演大震破裂过程 223
10.7 本章小结 227
第11章 远场大震地震预警 229
11.1 远场大震对重要城市的影响 230
11.2 高楼震感预警的技术思路 231
11.3 面波群速度与预警时间 231
11.4 预测基岩面波*大地动位移和土层放大系数 238
11.5 高层结构动力反应分析 246
11.6 远场高楼震感预测和震感速报 255
11.7 本章小结 257
第12章 地震仪器（观测）烈度速报 259
12.1 美日两国的地震仪器烈度标准 260
12.2 我国制订的仪器烈度标准 264
12.3 地震动震动图制作技术 272
12.4 场地校正技术 274
12.5 现场调查烈度与仪器烈度 282
12.6 大震仪器烈度的衰减模型 287
12.7 本章小结 291
第13章 地震参数的自动速报 292
13.1 震级标度的规定 293
13.2 震级速报的科学基础 295
13.3 速报震级的技术思路 300
13.4 对社会公众发布的震级 304
13.5 自动速报震级方案 306
13.6 本章小结 309
第14章 高速铁路的地震预警 310
14.1 高铁安全运行的地震风险评估 311
14.2 国家地震预警与高铁预警系统的衔接 319
14.3 高铁警戒区和处置区等级 321
14.4 多种预警方式和专用服务产品 323
14.5 台湾海峡6.2级地震对福建沿海高铁的影响 326
14.6 本章小结 331
第15章 技术系统集成与仿真模拟 332
15.1 技术系统的集成 332
15.2 影响模拟仿真效果的主要因素 336
15.3 地震事件的仿真模拟测试 340
15.4 在线运行环境的测试分析 344
15.5 本章小结 346
第16章 展望 348
16.1 面临的主要问题 348
16.2 未来发展方向 354
参考题 357
主要参考文献 361
展开全部
地震预警与烈度速报——理论与实践 节选
第1章 国内外经验总结 进入21世纪仅20多年，人类就已多次遭受大地震灾难的考验。2004年12月26日，印度尼西亚苏门答腊9.0级大地震及其引发的巨大海啸夺去约29万人的生命（赵旭等，2017）；2008年5月12日，我国四川省汶川8.0级地震，截至2008年9月25日，造成69227人死亡，17923人失踪，374643人受伤（汶川特大地震四川抗震救灾志编纂委员会，2017）；2011年3月11日，东日本海9.0级特大地震及其引发的海啸造成近2万人的死亡（朱守彪，2020）。尤其是汶川8.0级地震，带给我们难以磨灭的惨痛记忆，促使我国地震工作者在认真总结反思过去工作的基础上，学习借鉴国际先进的技术和成功经验，加强地震研究的科技创新，为有效减轻地震造成的损失、降低地震风险而积极探索实践。地震预警与烈度速报作为我国应对大震巨灾的新型科技手段就是在此背景下应运而生并登上历史舞台的。 1.1 应对大震巨灾挑战 1.1.1 我国面临的地震挑战 我国陆地面积仅占全球的十五分之一，而20世纪全球三分之一的内陆破坏性地震发生在我国。图1.1为公元前780年～公元2020年8月我国发生的5.0级以上地震分布图。1949年以来，我国因地震死亡人数占全部自然灾害死亡人数的52％，地震灾害已成为我国自然灾害的群灾之首。21世纪以来，我国及周边地区进入地震相对活跃期，破坏性地震数量明显增多。2000年以来我国已发生两次8.0级以上地震，特别是2008年5月12日四川汶川8.0级地震，造成了巨大的人员伤亡和经济损失。2013年以来，又相继发生四川芦山7.0级、甘肃岷县漳县6.6级、云南鲁甸6.5级、新疆皮山6.5级等一系列破坏性地震。大震巨灾给国家经济和社会稳定造成了强大冲击和深远影响，汶川地震后，灾难现场应急救援的实况转播让人常常难以忘怀，全国大力支援灾后恢复重建的火热情景仍历历在目。面对复杂严峻的震情灾情形势，如何加强防震减灾工作，有效地减轻人员伤亡和经济损失，是我国迫切需要解决的重要问题，也是地震工作者义不容辞的责任。 图1.1 我国5.0级以上历史地震分布图（公元前780年～公元2020年8月） 1.1.2 历史经验的启示 地震预报无疑是地震工作者梦寐以求的目标之一，他们期盼在强震来临之前数小时、数天乃至数月告知民众，提前转移人员和财产，进而实现*大限度减少人员伤亡和财产损失的目标。自1966年邢台6.8级地震至今，科学家始终不懈努力，尽管对少数特定地区的地震做出过有减灾实效的预报，但总体上看，离科学准确预报地震的目标仍然很遥远。究其原因，主要困难有三。一是入地难，人类对埋藏于地下的活动构造，特别是能够造成大震巨灾的深大地震的活动规律知之甚少，目前，连地下介质的精细三维图像都没有被完全搞清楚。二是大地震孕育周期通常有数十年乃至数百年之久，从孕育、发展，直至破裂，能量积累的过程很长，而人类开展的地表观测（目前开展的深井观测多数在数十米至数百米，极少数达到数公里）的历史只有百余年（前期只有极少数的台站），地表前兆观测的历史则只有几十年，这也导致地震孕育过程与地表前兆观测台网及其观测量之间的内在物理关系不甚清楚，无法做到有的放矢。即通过地表前兆观测台网的资料分析无法精确识别出地下十余公里（我国地震的震源深度一般在10～30km）处大震临震破裂的物理量以及两者的物理逻辑关系，更何况这些观测资料受人类活动影响较大，干扰排除也日益艰难。三是地震预报至今还停留在以地震活动性为基础的经验预报阶段，尚未形成能取得实效的物理预报的思路和技术途径。即使大震之后通过总结分析，发现了一些异常现象，地震学家也不可能像临床医生一样对地球进行解析来确认真正的“病源”，只能根据经验教训开出“处方”，更不敢保证对下一次地震就管用。真是“上天易、入地难”！因此我们既要坚定地震预报的信心，积极探索、有所作为，同时更要清醒地认识到，近期要解决地震预报难题，无疑是非常困难的。 提高工程结构的抗震设防水平以及采取相关的减隔震措施无疑是目前减轻地震灾害*有效的途径之一。除了地震引起的海啸、滑坡、泥石流、火灾等次生灾害外，地震中的人员伤亡和财产损失主要是建（构）筑物损坏、倒塌引起的。抗震设防的标准是国家根据经济社会发展的水平及可能遭受的地震风险，在结构使用寿命内，可以接受地震造成损失的*低设防要求。各个地区抗震设防标准不尽相同，但这是国家抗震设计要求的强制性标准，同时也是*低要求。这种设防要求，会随着经济社会的发展不断提高。改革开放以来，我国经济社会发展的速度超过预期，社会财富快速积累，人的价值观念发生了深刻变化，以人为本的理念深入人心，按照现在的观点，地震造成的损失和连带的经济影响远超过社会可接受程度，这往往造成现行抗震设防要求滞后于经济社会的发展。例如，某城市按现行设计标准，房屋本体造价约3000元/m2，如果在现行设防标准上提高1度，建设成本投入增加约10%，即300元/m2，相对于动辄数万元的实际房屋价格来说，几乎可以忽略，这在二十年前是无法想象的。因此在本体造价占房屋价格比重很小的情况下，应着力提高抗震设防标准，让房屋盖得更结实，这将是未来的发展方向。已颁布实施的第五代中国地震动参数区划图，对城市的设防提出了*低6度的要求，彻底改变了以往我国部分城市不设防的历史，与过去相比有很大进步，但从未来经济社会发展的角度看仍偏低，特别是我国20世纪90年代以前城市建设的大量老旧房屋，广大农村的许多民居设防能力很低或者根本没设防，要把其改造完需很长的时间。因此，抗震设防的薄弱环节仍然很多，一旦强震来临，设防不够的历史“欠账”仍然要偿还。目前党和国家已经采取许多措施，积极改造危房旧房，建设新农村新民居，但仍面临巨大挑战。未来要单独对城市民用住房提出新的设防政策，*好将城市*低设防标准提高到7度，经济发达地区可适度提高，彻底改变设防要求滞后于经济社会发展的状况，使城市民居和学校医院一样，都有较可靠的地震安全保障。 地震灾害既然无法避免，人类就要有备无患积极应对。地震预警与烈度速报是减轻地震灾害的有效措施之一，在应对大震巨灾方面能发挥重要作用。日本的经验告诉我们，地震预警可以为民众逃生避险争取几秒至几十秒的时间，也可为高铁等行业及时采取措施减少损失赢得时间。烈度速报可为政府应急响应、明确救援重点、在“黄金72小时”救援期内拯救更多生命，提供重要的科技支撑。 1.1.3 科技减灾的有效手段 大震巨灾对国家公共安全构成严峻挑战，也给经济社会发展带来严重威胁。地震预警是减轻地震灾害的有效手段之一。地震烈度速报是灾情判断和应急救援决策的科学依据。政府在组织抗震救灾时，首先要了解灾情严重程度和分布情况，才可能科学高效开展应急救援。应该汲取汶川地震后，由于交通中断、信息不畅，几天还没有搞清楚哪些城市的灾情比较重、严重到什么程度的深刻教训，为应对未来的大震巨灾早做准备。 党和国家历来对防震减灾工作十分重视。汶川地震后，中国地震局高度关注，在实施地震速报自动化的基础上，积极推进地震预警和烈度速报工作的试点建设。在福建省人民政府的大力支持下，福建省完善地震监测预警台网和技术系统建设，制订地方法规和技术标准，进一步推动预警体系建设，科学发布预警，正确引导舆论，有针对性地做好防震减灾应急准备。“国家地震烈度速报与预警工程”是国务院批复立项的重大工程，是我国地震预警体系建设的重要组成部分。项目建设是落实国家防震减灾工作，提升我国地震安全水平和防震减灾基础能力的需要；是弥补我国地震应急救援体系短板，有效应对我国大震巨灾的需要；是维护国家安全和社会稳定，*大限度地保护人民生命财产安全的需要；是加快社会事业协调发展，落实国家经济社会可持续发展战略的需要；是为人民群众应对大震巨灾提供*宝贵的逃生避险预警时间、提升各行业地震安全水平的需要。 可以预期，随着国家地震预警与烈度速报技术系统的建成，将全面提升国家地震应急能力并*大限度减轻地震灾害，提高我国在地震科学和防震减灾领域的国际科技竞争力，为我国地震科技创新和人才培养等提供丰富的观测信息资源和完善的创新实践平台，也是我国地震科技事业向世界强国迈进的标志性事件。 1.2 地震预警发展概况 世界上已有多个国家和地区建成或正在建设地震预警系统，充分借鉴和吸取他人的经验教训，对我们来讲是十分重要的。目前，美国、日本、墨西哥、意大利等国家和中国台湾地区均开展了地震预警实践或测试等工作（图1.2），本节重点介绍几个典型国家和地区的发展概况。 图1.2 多个国家和地区开展地震预警实践 MyShake为手机应用软件，由美国加利福尼亚大学与德意志电信股份有限公司合作开发，利用智能手机内置的加速度计感知地震，并发出警报 1.2.1 日本地震预警系统 日本经济发达、人口密集，同时又是地震多发国家，长期遭受地震严重威胁。在37.8万km2的国土面积上，居住1.3亿人口（截至2019年），探测查明活动断层有三百多条，发生的7级以上地震约占全球的11%。日本是世界上*早建立地震预警系统的国家，也是目前地震预警应用*广泛、明显取得减灾实效的国家。在20世纪50年代后期即开始有关研究和系统建设，60～70年代主要在日本铁路行业应用，为列车安全运行提供保障（UrEDAS）。日本在认真吸取1995年阪神大地震的经验教训后，认为要提高地震预报和地震科学研究水平必须首先提高从小震至大震的监测能力，为此开始了大规模的台网建设，在不到十年的时间内建成了864个高灵敏度测震台站（Hi-net）、688个井下强震动台站（KiK-net）、1028个地表强震台站（K-net）、83个宽频带地震台站（F-net）以及205个JMA地震台。这种台网规模在当时世界范围内都是史无前例的。为强化台网资料的产出，更好地服务于民众，大力推进新技术系统的研发，从2003年开始，日本利用约800个Hi-net和日本气象厅（JMA）200余个台站（图1.3）着手研究建设全国性地震预警系统，即紧急地震速报系统。该系统自2004年2月起开始在线测试运行，并于2006年8月开始向特定用户团体（如煤气公司等）提供预警服务，2007年10月1日起向普通国民提供预警信息。日本地震预警系统发展历程如表1.1所示。 图1.3 日本地震预警台网 日本公共预警发送方式多种多样，包括通过电视台、广播电台、专用接收器、公众扩音系统等，但所有信息的发布均需获得日本气象厅的授权。除了公共预警外，大量单位用户安装预警终端并将信息引入自动控制与应急反应系统中。部分铁路公司、工厂、建筑工地、大型公寓、学校、商场、医院等均能获得预警信息。从阪神地震后台网建设到预警正式开展服务日本用了近十年的时间。2011年，日本“3 11”特大地震发生后，紧急地震速报系统运行良好，震中离台网*近的站点约110km，系统在首台触发后，连续产出多报的地震参数，震级逐渐提高，在预测陆地城市烈度达到5度时，发出预警警报，此时“预警盲区”均在海上，也就是在地震发生后且破坏性地震波尚未传播到陆地时及时发出了警报信息。由于紧急地震速报系统产出的*终震级饱和于8.1，显著低于真实震级（9.0），造成警报发布区域较为有限。在随后1周的密集余震序列中，紧急地震速报系统共发布70次，但地震、海啸等导致部分台站无法正常运转以及受系统算法本身影响，其中约63%的警报信息属于“误报”。尽管如此，一项针对紧急地震速报系统有用性的调查中，日本全国约82%的民众给出肯定答案，而在极震区福岛、岩手和宫城等县，这一比例更是高达90%（Hoshiba，2014）。综上可见，日本地震预警系统是至今为止经过实践检验，技术比较成熟，在世界上有广泛影响，比较成功的范例。表1.1日本地震预警：紧急地震速报系统发展历程时间紧急地震速报系统进展20世纪60年代铁路沿线、海岸线前端阈值报警20世纪80年代UrEDAS系统，现地预警+
地震预警与烈度速报——理论与实践 作者简介
金星，曾任福建省地震局局长，二级研究员，从事地震预警和烈度速报相关领域研究20多年，1993年享受国务院政府特殊津贴，1998年被评为国家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很好成果奖一等奖一次，二等奖三次，培养博士、硕士研究生40余名；是首批中国地震局地震预警团队负责人和“国家地震烈度速报与预警工程”总设计师。
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