CN108089225B - 一种基于单台站初至p波的震级快速估算方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法，通过对检测到的初始1.5秒P波信号进行时域和频域分析，得到由时域幅值参数和频域周期参数组成的综合多种参数的震级估算公式，利用日本强震动记录和差分进化算法回归震级估算公式中各参数的系数，给出震级的最终估算公式。本发明方法仅需单台站初至1.5秒的P波数据估算震级，具有良好的准确性、时效性和易用性，适用于地震监测和地震预警。

Description

一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法
技术领域
本发明涉及一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法，主要用于利用初始的地震P波数据估算震级。
背景技术
地震灾害可造成人员伤亡、毁坏人工结构物、又可引发火灾、洪水、泥石流、海啸、核泄漏等次生灾害，严重危害社会经济发展。尽管地震预报至今仍是世界性的难题，但地震预警作为震灾预防的新技术，在很多地震多发国家和地区引起重视并得到应用。地震预警技术是指在地震发生后，在破坏性的地震波到达设防地区前，快速确定地震参数(震级、震中距、震源深度等)，对设防地区发出报警的一种技术。地震预警技术分为多台站地震预警和单台站地震预警，多台站地震预警是利用多个监测台站确定地震参数，可用数据多，准确性较高，但时效性差；单台站地震预警是利用单个监测台站确定地震参数，可用数据少，准确性较差，但时效性好。单台地震预警技术能够为设防地区提供更长的预警时间，因此如何提高单台站地震预警的准确性，是地震预警技术的一个重要研究内容。震级的准确性至关重要，决定了地震影响的大小和范围，当前地震预警中震级估算普遍采用Pd法、τc法、τp法等，这些方法的不足在于：1)小地震的震级估算结果偏大，大地震的震级估算结果震级饱和，准确性低；2)需要利用初至3秒以上的P波数据进行计算，在时效性上仍难以满足实时的地震预警系统需求。因此，发展一种准确、高效、易用的单台站震级快速估算方法成为地震预警的一个亟需解决的难题。
发明内容
针对震级估算方法的前述现状和不足，本发明提供了一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法，通过对检测到的初始1.5秒P波信号进行时域和频域分析，得到由时域幅值参数和频域周期参数组成的综合多种参数的震级估算公式，利用日本强震动记录和差分进化算法回归震级估算公式中各参数的系数，给出震级的最终估算公式。本发明方法仅需单台站初至1.5秒的P波数据估算震级，具有良好的准确性、时效性和易用性，适用于地震监测和地震预警。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
1)计算初始1.5秒P波数据的时域参数：求出三个方向加速度数据的合成加速度(平方和开根号)的最大值PGA；求出竖向加速度的最大值ZPGA；对竖向加速度数据进行积分得到速度数据和位移数据，求出速度最大值ZPGV和位移最大值ZPGD；对竖向加速度数据的绝对值进行积分得到累积绝对速度数据，求出最大值CAV。
2)计算初始1.5秒P波数据的频域参数：按公式(1)计算最大卓越周期TPmax；按公式(2)计算平均卓越周期Tc。
公式(1)和公式(2)中，v是速度数据，u是位移数据，t数据时程时间，i是离散数据点序号，N离散数据点总数，T数据总时间长。
3)通过1)和2)的所有求参数，建立震级公式(3)。
公式(4)中，Mag是待估算震级，a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8,a9是待回归系数。
5)利用日本NIED强震动记录(K-NET，Kik-net：震中距20km～200km，震级大于3.5级，震源深度小于100km,P波到时明确的记录)的初始1.5秒P波数据和差分进化算法对公式(3)进行系数回归，得到震级估算经验公式(4)
本发明方法的优点：
1)本发明方法综合多种时域参数和频域参数建立的震级估算公式，兼顾了多方面信息，并利用日本NIED的高质量强震动数据和差分进化算法回归系数，可大幅提高震震级估算的准确性高；
2)本发明方法使震级估算时间由3秒降低到1.5秒，满足实时或秒级的地震数据处理系统的要求，时效性好；
3)本发明方法原理简单，易于编程实现，计算效率高，可广泛地应用地震监测和地震预警的各种软硬件系统中，易用性好。
附图说明
图1为一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法。
具体实施方式
实施例：
下面结合实施例对本发明做进一步说明，但本发明并不限于以下实施例。
本发明所提供的基于单台站初至P波的震级快速估算方法的具体实施流程如下：
1)三分向(东西方向、南北方向和竖直方向)加速度数据采集仪器检测到P波信号后，缓冲1.5秒P波数据，对1.5秒数据进行基线处理(基线处理方法为：1.5秒P波数据减去P波到时之前几秒内噪声数据的平均值。)。
2)计算时域参数：计算三个方向加速度数据的合成加速度(平方和开根号)的最大值PGA；计算竖向加速度的最大值ZPGA；对竖向加速度数据进行积分求出速度数据，并求出最大值ZPGV；对速度数据再次积分求出位移数据，并求出最大值ZPGD；对竖向加速度数据的绝对值进行积分得到累积绝对速度数据，求出最大值CAV。
3)计算频域参数：按公式(1)计算最大卓越周期TPmax；按公式(2)计算平均卓越周期Tc。
4)计算震级：按公式(4)计算震级。

Claims (1)

1.一种基于单台站初至P波的震级快速估算方法，其特征在于具体步骤为：
1)计算初始1.5秒P波数据的时域参数：求出三个方向加速度数据的合成加速度(平方和开根号)的最大值PGA；求出竖向加速度的最大值ZPGA；对竖向加速度数据进行积分得到速度数据和位移数据，求出速度最大值ZPGV和位移最大值ZPGD；对竖向加速度数据的绝对值进行积分得到累积绝对速度数据，求出最大值CAV；
2)计算初始1.5秒P波数据的频域参数：按公式(1)计算最大卓越周期TPmax，按公式(2)计算平均卓越周期Tc：
公式(1)和公式(2)中，v是速度数据，u是位移数据，t数据时程时间，i是离散数据点序号，N离散数据点总数，T数据总时间长；
3)通过步骤1)和2)的所有求参数，建立震级公式(3)：
公式(3)中，Mag是待估算震级，a1,a2,a3,a4,a5,a6,a7,a8是待回归系数；
4)从日本NIED的K-net和Kik-net选取强震动记录，选取条件为震中距20km～200km，震级大于3.5级，震源深度小于100km，P波到时明确的记录，利用所选记录的初始1.5秒P波数据和差分进化算法对公式(3)进行系数回归，得到震级估算经验公式(4)：
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