0 引言

地震预警，更准确的称谓应是“地震警报”，其是利用地震P波和S波速度差、电磁波和地震波的速度差，在地震发生后、破坏性地震波尚未到达的数秒至数十秒之前对特定地区进行地震警报(马强，2008；张晁军等，2022)。世界上已有多个国家和地区建成和正在建设地震预警系统，例如墨西哥运行的异地地震预警系统SAS和SASO、日本研发建设的为新干线铁路系统服务的UrEDAS系统和为民众服务的紧急地震速报系统、美国加州建设的地震预警系统ShakeAlert、意大利依托IsNet台网实时观测数据而设计的地震预警系统Preto等(金星，2021；马强，2008；张红才，2013；Peng et al，2019)。

20世纪我国发生的内陆破坏性地震占全球的三分之一。1949年以来，我国的地震死亡人数占全部自然灾害死亡人数的52%。我国的地震灾害不仅破坏性大，而且发生频繁，汶川8.0级地震、芦山7.0级地震均造成重大人员伤亡和经济损失。因此，“国家地震烈度速报与预警工程”成为国务院批复立项的重大工程，我国地震预警与烈度速报系统从2010—2016年创新设计和技术示范，到2017—2021年全面建设和形成能力，再到目前已进入全面开放和产生效益的阶段。2018年，根据中国地震局统筹安排，在地震频发的四川省开展国家地震烈度速报与预警工程的“先行先试”工作，于2021年6月提前进行四川地震烈度速报与预警系统试运行，并逐步向社会提供地震预警信息服务。

2022年6月1日17时0分，四川省雅安市芦山县发生6.1级地震，震源深度17km，震中位于巴颜喀拉块体东边界双石—大川断裂带(30.37°N，102.94°E)。截至2022年6月10日，芦山6.1级地震余震序列共记录到900余次地震。震中所在地区地震活动频发，自1900年以来，震中200km范围内发生M≥6.0地震21次，其中2013年芦山7.0级地震震中距离本次地震震中9km。本次地震造成4人死亡，42人受伤，14427人受灾，芦山县及其周边区域多处建筑和道路受损，成都、绵阳及重庆等多地震感强烈。本次地震发生后6s，四川地震预警台网成功推送本次地震预警信息，为雅安、眉山、乐山和成都等地区提供了0~60s的地震预警时间。利用此次地震，对四川地震预警台网内台站数据产出质量和部署的JEEW、EEW两套地震预警系统进行预警处理能力评估，有助于对四川地震预警台网部署的地震预警系统进行优化升级，进一步提升地震预警能力和发挥减灾效能。

1 四川地震预警台网

地震预警台网的空间布局首先考虑的是该地区的活动构造和地震活动性的空间分布。对于中小地震，因其发生频率较高，发生地点存在随机性，因此台站的空间布局要有一定的均匀性，使得在大范围空间尺度可以有效监测地震；对于强震和大震，因其发生主要受活动断裂带影响，因此台站的空间布局要在主要活动断裂带附近密集观测，使得台站尽可能靠近震中，提高首台获取地震信息的能力，提高地震预警效率(金星，2021)。本次芦山6.1级地震发生在南北地震带中的龙门山断裂带，此区域内四川地震预警台网的台站布局均匀、密度较高，台间距控制在10km内。

“地震烈度速报与预警工程”项目在四川省共建设各类地震监测台站1639个，其中基准站239个、基本站317个、一般站1083个，平均台间距14km，南北地震带和部分地震多发区台间距达到10km(图 1)。基准站作为地震预警骨干台站，按照测震台站建设标准，布设在基岩场地，安装地震计、力平衡式加速度计和数据采集器；基本站作为地震预警和烈度速报骨干台站，按照强震动台站建设标准，布设在中小学、乡镇政府等人口稠密地区，安装力平衡式加速度计和数据采集器；一般站作为基准站和基本站的补充，布设在乡镇政府内自由地表、通信铁塔站点，安装使用MEMS芯片传感器的烈度仪。基准站、基本站、一般站的观测数据均通过网络实时传输至四川省地震局预警中心(李萍萍等，2022)。目前四川省地震局预警中心部署地震预警、地震烈度速报、决策系统、紧急信息服务和运维监控等软件，通过预警服务终端、广播电视、互联网和新媒体等途径对外服务。

2 地震预警参数实时测定技术

地震预警由其目标和时效性决定，只能利用较少数量台站快速确定地震位置，测定技术相比人工速报的方法有较大区别。目前常用的地震预警实时定位方法有B-Δ方法、“着未着”算法和连续定位方法等。B-Δ方法(Odaka et al，2003)是对P波初始阶段波形求包络，并利用包络函数中参数B与震中距Δ的经验统计关系结合单台方位角进行震中位置确定。“着未着”算法(Horiuchi et al，2005)即自组织网络处理技术，在地震处理过程中，以第一个收到事件的传感器为中心快速建立周围传感器的处理网络，通过“侦测”周围传感器状态快速确定地震事件的位置等参数。实际上，“着未着”算法是密集地震观测网数据驱动模式下的大数据处理技术和方法。连续定位方法(金星，2021)是震后单台触发后就开始对震中进行定位，从首台、双台、三台到四台连续定位，不断排除震中位置不可能区域，保留可能的潜在震中区域，未触发的台站也可不断约束地震震中区域，通过不断判定震中定位误差，直至满足定位精度要求，最终确定地震定位结果。

对于地震预警震级实时测定技术，目前应用较多的有τ_p^max方法、τ_c方法、P_d方法等。τ_p^max方法是 Nakamura(1988)提出的利用实时速度记录计算地震动卓越周期的算法。由于τ_p^max方法采用的单边加权会对算法的稳定性产生较大影响，并且不同长度时间窗、不同采样率等均会影响该方法的稳定性和精度。Kanamori(2005)为了改进τ_p^max方法的缺陷，提出了特征周期计算τ_c方法。该方法基于P波初至几秒携带的频率内容，在卓越周期的基础上加以改进，综合考虑各种因素，台站触发后的时间窗长度一般取3s(彭朝勇等，2021；郭凯等，2016)。以中小地震计算得出的Brune震源模型证明，该方法计算得到的周期参数τ_c为P波的拐角周期；对于大地震，τ_c参数也可衡量破裂尺度。相比τ_p^max方法，τ_c方法对于震级计算的稳定性和准确性得到了很大提高。为有效利用P波段初至几秒内的波形数据，Wu等(2007)利用P波后3s时间窗内经低通滤波后的位移幅值P_d的衰减关系，进行地震震级计算。研究结果表明，位移幅值P_d与地震动速度峰值PGV之间有良好的线性关系，因此P_d可以对地震预警目标区内地震烈度进行估算。另有研究表明，P_d方法是稳定性和可靠性较好的预警震级算法之一(张红才，2013；马强等，2013；金星等，2012；史洪山，2012)。即使利用单台P_d参数的震级估算结果的离散性比其他算法小，且P_d参数只需对地震动记录进行简单仿真和滤波即可获取，极大减少了预警处理时间，但是τ_c和P_d方法仅使用大约3s的P波数据，仅能测定地震破裂的少部分能量，而震级大小需要测定地震破裂全过程信息进行能量测定计算。因此虽然利用统计的方法进行了概率校正，但在实际应用τ_c和P_d方法测定地震震级时仍会出现较大误差，这正是目前地震预警系统的技术局限。

四川省地震局预警中心目前部署JEEW和EEW两套地震预警系统。其中，JEEW地震预警系统利用多个台接收到的地震波初至波信号，采用STA/LTA算法检查震相触发，采用AIC算法精确拾取震相到时，利用“着未着”算法快速分析多个台震相到时数据，从而确定地震发生时刻和位置，并采用P_d方法结合传统M_L震级计算方法联合估算地震震级。该系统通过计算系统产出地震预警基本参数，向地震波尚未到达的地区发出地震预警信息(李同林等，2021)。EEW地震预警系统利用预警台网接收数据共享平台的地震波初至信号进行仿真技术与震相识别，使用“着未着”和连续定位方法进行地震震中定位、连续测定震级技术(P波、S波连续测定P_d震级和烈度震级)进行震级估算、连续测定烈度技术进行烈度计算，通过预测烈度和预警时间等多个指标，判定地震信息的可靠性，向预设预警范围内发布地震预警信息。

3 数据质量分析 3.1 台站的连续性

台站观测数据作为地震预警最重要的基础，其数据质量从根本上决定了地震预警信息的准确性和可靠性。数据连续性作为考核数据质量最直观的体现，可作为评估地震预警能力的重要指标。地震发生时数据中断会造成台间距变大、预警用时变长等影响。图 2展示了芦山6.1级地震震中附近台站的分布情况，参考中国地震台网正式地震目录，根据台站经纬度信息进行计算，得出本次地震震中距50km范围内台站40个，其中包含基准站7个，基本站6个，一般站27个；震中距100km范围内台站150个，其中包含基准站25个，基本站25个，一般站100个。通过对每个台站地震波形数据进行分析，震中距50km内中断台站有4个，包括基准站3个，基本站1个；震中距100km内中断台站有5个，包括基准站3个，基本站1个，一般站1个。

在地震预警处理过程中，对于数据连续无中断但未获取地震记录的台站，由于其观测仪器的原因，其回传的信息均为仪器噪声数据，这类台站同样对预警结果处理有严重影响。在“着未着”等地震定位方法中，每个台站无论是否触发获得P波数据，均在计算中发挥了震中判定作用，应触发而未触发会造成处理系统误判，从而影响地震定位和震级测定。

3.2 台站延时

观测数据延时每增加1s就会使地震预警发出时间晚1s，考虑地震预警的时效性和定位准确度，一般要求台站观测数据的延时小于2.5s(中国地震局，2015)。数据延时主要包括数据打包时间、数据传输时间和时钟偏差等。考虑地震预警的时效性要求，四川地震预警台网数据包为256Byte，数据打包时间为0.5s，本文的数据延时统计已扣除打包时间。表 1给出了震中距100km内触发的150个台站的延时情况。

延时在2.5s以内的台站有143个，2.5s以上的台站有7个，台站数据合格率为95.3%。按照台站类型分类，基准站平均延时1s，延时在2.5s以内的基准站21个，延时2.5s以上的基准站4个，台站数据合格率为84%；基本站平均延时0.8s，延时在2.5s以内的基本站24个，延时2.5s以上的基本站1个，台站数据合格率为96%；一般站平均延时0.7s，延时在2.5s以内的一般站98个，延时2.5s以上的一般站2个，台站数据合格率为98%。其中基准站数据合格率相对较低的原因是目前4个基准站(YZP、GZA、XJI、TQU)使用的是老旧数据采集器(EDAS-24 IP)，延时较大，延时均超过2.5s。扣除这4个基准站延时后的三类台站数据合格率为97.9%，满足预警时效性的要求。

3.3 台站初动时间

在地震实时定位中，P波到时作为最关键的参数，其识别误差对地震定位有显著影响。依据中国地震正式目录结果，对JEEW和EEW两套地震预警系统产出参与计算的所有台站进行震源距与走时拟合，得出震源距与走时的拟合结果(图 3)。根据568个参与计算的台站(JEEW)和465个参与计算的台站(EEW)分别拟合得出的结果可知，两套预警系统拟合结果较好，仅有1个台站(图 3(b)中红色点RHZ测震台)有明显的初动时间错误，分析原因是由于RHZ测震台存在较大钟差所导致。拟合结果说明两套预警系统的震相拾取的精度相对较高，定位准确。

4 芦山6.1级地震预警参数

JEEW和EEW两套地震预警系统均在震后6s内产出第1次预警处理结果(第1报)，随着触发台站数量不断增多和地震波持续到达，两套地震预警系统分别进行动态修正，最终测定结果逐渐趋于稳定。JEEW和EEW地震预警系统对芦山6.1级地震分别产出了64次和46次预警处理结果，考虑地震预警的时效性，本文针对两套地震预警系统产出的1~25次预警处理结果进行详细分析(表 2)。以中国地震台网正式地震目录为标准进行对比，震后5.4s，JEEW地震预警系统产出第1报，定位偏差2.0km，震级偏差-1.4；震后5.2s，EEW地震预警系统产出第1报，定位偏差2km，震级偏差-2.5。

4.1 预警处理用时

如 图 4所示，JEEW地震预警系统1~5次预警处理结果的产出用时分别为5.4s、5.8s、6.5s、7.5s、8.4s，1~25次预警处理结果的用时均不超过21s。EEW地震预警系统1~5次预警处理结果的产出用时分别为5.2s、5.6s、6.2s、6.8s、7.3s，1~25次预警处理结果的用时均小于20s。

4.2 震中定位结果

由 图 5可知，JEEW和EEW地震预警系统产出第1次预警处理结果(第1报)的震中位置偏差均为2km，随着参与计算的台站数量不断增加和时间的延长，第2~25次预警处理结果的震中位置偏差均在2km上下波动，变化较小。到第17次预警处理结果产出后，两套地震预警系统产出的震中位置偏差趋于稳定。JEEW和EEW两套地震预警系统产出的25次预警处理结果的最大震中位置偏差分别为2.4km和2.8km。根据我国地震定位的误差标准将定位精度R_c分为五类，两套地震预警系统定位精度类别R_c≤5，属于定位精度一类，说明本次地震预警的震中定位精度高。

4.3 预警震级

如 图 6所示，JEEW和EEW地震预警系统产出第1次预警处理结果的预警震级分别为4.7级和3.6级，以中国地震台网正式地震目录为标准，震级偏差分别为-1.4和-2.5。随着地震动时程变长和触发台站数量逐渐增加，两套地震预警系统产出的预警震级偏差逐渐减小并趋于一致，其中JEEW地震预警系统第4~16次预警处理结果的震级平均偏差为-0.5，第17~25次预警震级均为5.8级，震级偏差-0.3；EEW地震预警系统第4~20次预警处理结果的震级平均偏差为-0.5(其中第6、11和16次预警处理结果震级偏差出现较大波动，但偏差控制在-2以内)，第21~25次预警震级均为6.0级，震级偏差-0.1。

为对比不同类型台站(基准站、基本站、一般站)的震级估算特点，本文统计了JEEW和EEW两套地震预警系统产出的1~10次预警处理结果中参与计算的基准站、基本站和一般站的平均震级。

JEEW地震预警系统产出的10次预警处理结果中，基准站、基本站和一般站的平均震级均小于正式地震目录震级，存在偏小的情况。相比于基本站和一般站，基准站得到的平均震级略小，偏差相对较大。随着参与计算台站数量的增加和时间的延长，不同类型台站的预警震级不断增大，震级偏差逐渐减小(图 7(a))。总体上，JEEW地震预警系统产出的10次预警震级均与不同类型台站中最大的平均震级一致或略大，结果更偏向正式地震目录震级6.1级，主要原因是JEEW地震预警系统会根据不同类型台站的可靠度加权平均计算，以保证预警震级的可靠性。

EEW地震预警系统产出的10次预警处理结果中，基准站、基本站和一般站的平均震级均小于正式地震目录震级。每次参与计算的三类不同类型台站的平均震级差距较小，尤其第5~10次预警处理结果的三类不同类型台站的平均震级趋于一致。随着参与计算台站数量的增加和时间的延长，不同类型台站预警震级的趋势与JEEW地震预警系统产出一致，震级不断增大，震级偏差逐渐减小(图 7(b))。值得一提的是，第6次预警处理结果的预警震级为4.2级，与正式地震目录震级相比，偏差较大，但触发的三类台站的平均震级、P_d震级和烈度震级均大于5.0级，产生这一结果的原因值得进一步研究。

5 芦山6.1级地震预警效能分析 5.1 地震判定

为避免因仪器标定、雷击、爆破、非地震振动等各类干扰造成预警系统的误触发，四川地震预警台网部署的JEEW和EEW两套地震预警系统通过数据采集和滤波、实时数据分析、事件检测和定位三大技术保障系统抗干扰能力和地震事件的判定。

如 图 8所示，地震判定具体过程如下：①数据采集和预处理，地震预警系统采集来自各个地震台站的数据(这些数据可能包含大量噪声)，对数据进行滤波和预处理，以去除高频噪声和不相关的信号成分，突出地震信号，减小干扰的影响；②实时数据分析，地震预警系统实时分析地震台站的数据，包括使用信号处理技术(快速傅立叶变换(FFT)和小波变换)来检测地震信号的频谱特征，地震信号通常具有特定的频谱特性，这些特性可以与噪声和干扰进行区分；③事件检测和定位，一旦地震预警系统检测到潜在的地震信号，系统会对事件进行检测和定位，其通常涉及到多个台站之间的时间差分析来确定地震的发生时间和位置，进而排除与地震无关的干扰事件。

5.2 警报用时

四川地震预警台网部署的融合决策系统将多套地震预警系统产出的预警处理结果进行融合选优后，对外发布地震警报。融合决策系统在震后6.0s、8.2s、9.2s、12.1s和16.8s向社会发布第1~5次地震警报(图 9)，其中第1报地震警报的预警震级4.7级，震中位置偏差2.4km，震级偏差-1.4。四川地震预警台网对外发布的第1~3报预警警报均在10s内，其中最重要的第1报预警警报在震后6.0s发布，达到秒级预警，产出迅速。

5.3 警报盲区

在地震预警系统中，警报盲区是不可避免的难题。警报盲区是由于检测地震波、处理地震数据和信息发布过程中的时间延迟使得地震警报时间晚于地震波到达震中附近的一定区域时间(杨陈，2019)。本文利用盲区计算公式对芦山6.1级地震警报盲区半径进行计算，即

$r_{\mathrm{BZ}}=\sqrt{T^2 V_{\mathrm{S}}^2-H^2}$

(1)

其中，r_BZ为盲区半径；T为震后向社会发布每1报的地震警报的用时，分别取值6.0s、8.2s、9.2s、12.1s和16.8s；V_S地震横波速度，取值3.5km/s；H为震源深度，根据芦山地震正式目录结果，H取值17km。

根据 表 3可知，四川地震预警台网对社会发布的第1~5报地震警报的盲区半径分别为12.3km、23.1km、27.3km、38.8km和56.3km。

第1报地震警报对外发布后，随着时间的延长和后续触发台站的增加，地震参数不断修正，虽然地震参数的测定精度不断提高(第2~5报)，但是盲区也变得越来越大。由于地震预警对时效性要求高，第1报地震警报的用时是最重要的参数。因此依据第1报地震警报用时6s，以震中为圆心，绘制出半径为12.3km的地震警报盲区(图 10紫色圆环内区域)，盲区内涵盖全部地震烈度Ⅷ度区、大部分地震烈度Ⅶ度区和小部分地震烈度Ⅵ度区。由于地震烈度为Ⅵ的地区会出现房屋中等破坏、多数人站立不稳等现象，造成一定程度的地震灾害风险(国家市场监督管理总局等，2020)，因此地震烈度为Ⅶ、Ⅵ度的地区为本次地震预警的有效获益区(图 10蓝色环内、紫色圆环外的区域)。

5.4 震中距和预警时间

芦山6.1级地震发生后，四川地震预警台网向四川多地快速发布了地震警报信息，向盲区以外的地震烈度Ⅶ、Ⅵ度区域(预警有效获益区)提供了0~6s的预警时间(图 11)。地震预警有效获益区内包含天全县、芦山县、雅安市等经济相对发达、人口稠密的地区。如 表 4和图 11所示，本文选择了震中距50km以内、地震烈度Ⅴ度及以上的部分人口密集区域进行详细分析，包括人口密集的市县行政中心所在地(宝兴县城、芦山县城、天全县城和雅安市区)和有一定人口聚集且旅游业发达地区(雅安市碧峰峡镇、邛崃市平乐镇和大邑县花水湾镇等5个地区)。

虽然宝兴县城距离震中较近(震中距11.7km)，属于预警盲区范围内(预警时间为0s)，但是宝兴县城处于地震烈度Ⅶ度区，地震破坏性大，地震警报信息同样具有重要价值。盲区内的地震警报信息可以使民众快速确认地震事件，在之后发生的4.5级余震造成建筑物二次破坏前有再次自救的可能。

从芦山县城至雅安市区，随着震中距逐渐增加(24.5~41.4km)，预警时间也逐渐增加(2.5~6.8s)。由于距离震中近和地震烈度高，2.5~6.8s的地震预警时间尤为宝贵，民众可采取伏地、遮挡、抓牢三原则进行地震紧急避险措施，化工企业、医院手术室、高铁等特殊行业则可提前采取地震应急处理措施，进而减少人员伤亡和社会财产损失(马强等，2023；Brooks et al，2021)。

5.5 地震强度

四川地震预警台网部署的融合决策系统将多套地震预警系统处理产出的预警处理结果进行融合选优后，对外发布的1~5次地震警报的预警震级分别为M4.7、M5.1、M5.4、M5.7和M6.1。第1次地震警报的预警震级(M4.7)偏差较大的原因是地震预警以“快”为主原则，在“快”的基础上测定的预警震级有一定的误差，这是由于预警技术局限性所导致(Wald et al，2019)。为弥补预警震级误差相对较大的问题，地震预警采用连续多报的方式进行地震警报，既保证了地震警报的快速发布，又在后续多次的地震警报中不断修正地震参数，逐渐提高预警震级的准确性(图 12)。

6 讨论与结论

地震预警是人类和地震灾害斗争的手段之一，是建立在布设大量密集地震台网基础上的新技术，同时也是一个复杂的社会工程(陈会忠等，2011)。最新研究表明，对于绝大多数地震，地震预警能够提供的有效预警时间不超过30s。在几秒至数十秒的时间内，能够采取的措施包括停止高速列车运行、关闭煤气和电源、人员采取紧急避险措施、终止或保护关键仪器和设备等(张晁军等, 2013, 2022；陈会忠，2016)。地震预警对于减少人员伤亡、次生灾害和生命线设施的紧急避险有着极为重要的意义。

地震预警的减灾效能体现在尽可能扩大预警有效获益区，减小盲区(张晁军等，2013)。四川地震预警台网产出本次地震预警信息的时间较快，加之震中附近台间距小，因此盲区相对较小，盲区半径仅为12.3km。对盲区以外，地震烈度Ⅵ度区以内的有效获益区减灾效能显著。四川地震预警台网向全省布设的地震预警终端(广播终端、触控终端等)、手机App、第三方平台等推送地震预警信息，为有效获益区内大量的民众提供了一定的紧急避险时间，极大地减轻了人员伤亡和经济损失，发挥了地震预警重要的减灾效能。对成都市、眉山市、绵阳市等预警有效获益区以外的地区，虽然地震造成的破坏性很小，但是由于震感明显，本次地震预警起到了减少民众恐慌，维护社会稳定的作用。

此外，地震预警系统发布的预警信息只能向地震预警盲区以外一定区域的民众提供少量的紧急反应时间，因此除对学校师生等特定人群以外，也要加大对普通民众的地震应急常识培训和地震应急演练，以期可以根据地震预警信息从容有序采取紧急避险措施，将地震预警系统的作用得到最大程度的发挥，使得地震预警系统的效能得以更好体现。