地震烈度速报方法

目录

第三章地震烈度速报方法 (2)

第一节烈度速报方法概述 (2)

第二节烈度的计算 (3)

2.1 国外关于仪器烈度计算 (3)

2.2 我国关于烈度计算的研究现状 (12)

第三节烈度分布图生成 (15)

3.1 速报烈度的空间分布拟合 (15)

3.1 插值计算 (20)

3. 2 场地修正 (22)

第四节大震及预警烈度速报 (30)

4.1大震烈度速报计算 (30)

4.2地震预警烈度算法 (32)

第五节几个问题的讨论 (38)

影响地震烈度速报的因素 (39)

第三章地震烈度速报方法

如前所述，破坏性地震发生后,为了使救援人员和物资迅速到达灾区,并按照不同地区的受灾情况合理分配救援力量,需要及时地得到可靠的地震破坏程度空间分布情况,即烈度等震线图或烈度分布图。以往的烈度分布图的获得,主要通过三种途径：(1) 通过震后组织人工实地震害调查，获得宏观烈度分布图；(2) 通过震源参数依据衰减关系估算烈度分布图；

(3) 利用强震观测得到的地震动参数估算地震动强度(或烈度)分布图。

地震烈度速报就是利用地震台站观测记录，无需现场调查而快速计算各观测点的地震影响程度（仪器烈度或地震动参数），进而给出完整的地震影响场，在震后数分钟内向政府和社会发布，为人员伤亡、经济损失评估、应急救援决策和工程抢险修复决策提供依据。

本章论述烈度速报一般方法，并对其中几个关键技术进行了详细介绍；还针对M6.5级以上大震及只用部分波形迅速估算烈度这两种特殊情况介绍了；此外对烈度速报几个相关的问题进行了初步讨论。

第一节烈度速报方法概述

地震烈度速报是利用地震观测的仪器记录，通过一定技术处理，快速得到反映地面运动强弱程度以及地震灾害的空间分布，可以为损失评估和应急救援提供重要的参考依据，从算法上一般可以分为三种方法：

（1）地震学方法：根据地震测震结果，即地震震源信息，震中位置（经纬度和深度）、震级大小，根据地震学模型（点源或线源），通过衰减关系及场地放大估算一个地震动强度的分布结果。这种方法不需要太多的地面震动信息，简单而理想化。

（2）强震观测方法：根据地面布设的强震台站给出的地震动强度信息，拟合出来的地震动分布图，该方法没有考虑震中信息，很大程度上受到强震台站分布的影响。

（3）上述两种方法的结合，考虑丰富的震源信息，根据衰减关系给出基岩地震动分布，场地放大校正、同时结合地面的强震动台站，进行数据修正，在此基础上给出一个分布的地震烈度图。

现在一般都采用第三种，即混合方法计算地震烈度，纯粹采用第一或第二中方法的比较少，详见第二节。但第三种方法根据地震大小程度及提供结果的时间，还可以分为：（1）一般地震的烈度速报，较小地震考虑点源模型，在本章第三节中介绍；

（2）大地震（7.5级以上），仅仅用点源模型不能完全描述地震破坏形态，必须考虑地震的破裂方式，破裂长度等更多地震信息，在本章第四节中介绍；

（3）根据P波估算地震烈度分布图，这种算法可以迅速给出地震烈度的估算分布，用于快速预测地震损失，李山有把它称为地震“预警烈度”，第四节中介绍。

烈度速报，离不开烈度值计算、关键点确定、分布点插值计算、场地校正、趋势面合成这几个关键的步骤，下面我们分别说明。

第二节烈度的计算

我国所沿用MM烈度（Modified Mercalli Intensity）是以震后对建筑物及山河面貌的主观观察为依据的。震完了专家跑去一看，房子全倒了，就说是X度；房子都好好的，就说是Ⅵ度。很明显这样得到的烈度不但与地面运动强烈程度有关，而且与房子的结实程度有关，有些偷换概念，说是宏观考察烈度，实际上是个震害烈度。相对来说日本气象厅和美国USGS 是以客观记录到的地面运动加速度为依据计算得到的，是个客观的物理量。

烈度速报，首先要把控制点的烈度计算出来，如何计算烈度成为烈度速报的关键环节，很多研究者对此做了大量工作，这里我们将几种有代表性的计算方法介绍如下。

2.1 国外关于仪器烈度计算

2.1.1 美国ShakeMap计算烈度

USGS网站发布的ShakeMaps图中仪器烈度的计算方法主要采用了DaⅥd J. Wald et al.

[3] (1999)的研究结果。Wald et al.分析了 1971-1994 年发生于美国加州地区的 8 次比较大的地震，并分别统计得到了修正默卡尼烈度(MMI)的与地震动峰值PGA、PGV 的关系。Wald et al.研究认为当烈度低于Ⅴ度时峰值加速度 PGA 与烈度相关性要明显高于峰值速度PGV；相反地，当烈度高于Ⅶ度时，峰值速度 PGV 与烈度的相关性则明显好于峰值加速度 PGA；而当烈度位于Ⅴ度到Ⅶ度之间时 PGA 与 PGV 与烈度相关程度相当，但随着烈度的增加，PGA 与其相关程度会逐渐降低而 PGV则逐渐增加。

并推荐了如下的仪器烈度计算公式：

(2-1) Wald 推荐的上述分段形式计算公式有着明确的物理意义：即当烈度较低(<Ⅵ)时人们对加速度的感受更加强烈，此时评定烈度大都依靠人们的感受，而当烈度高于Ⅵ时则多以结构物的破坏为标准评定烈度值。Ⅵ～Ⅶ时发生破坏的大多是一些脆性结构物，显然它们主要受到加速度的影响；而烈度更高时，一些柔性结构物中也将出现破坏，它们则大都与速度造成的破坏有关。ShakeMaps系统就是采用上述相应计算公式计算地震仪器烈度值，并在仪器烈度分布图中以色谱的形式加以区分，如表 2.1 所示。

表 2.1. ShakeMaps中采用的地震仪器烈度表

表中列出的潜在破坏(potential damage)和震感(perceived shaking)是根据历史地震记录和烈度调查结果统计得出的。实际上，上述统计公式的可靠性和适用性很大程度上依赖于统计分析中所使用的样本集。在第二章我们说到，地震动峰值(PGA、PGV)和烈度都是随机变量，简单地统计地震动峰值与地震烈度之间的关系并不十分恰当。很多研究结果也已经多次证明，仅由单个地震动参数计算地震烈度具有较大的不确定性。因此，简单统计地震动峰值与烈度间存在的关系并不是一个十分合理的方法。

于是，在计算仪器烈度时，先利用PGA与烈度间的对应关系进行计算；如果计算结果大于等于Ⅶ度，则利用PGV与烈度间的对应关系确定烈度；如果计算结果在Ⅵ～Ⅶ之间，则利用PGA计算结果与PGV计算结果进行线性插值确定（见表2.1-1）。

表2.1-1 美国加州ShakeMap仪器烈度采用的地震动参数与烈度间的关系仪器烈度I II-III IV V ⅥⅦⅧⅨX+

PGA(%g) <0.17 0.17-1.4 1.4-3.9 3.9-9.2 9.2-18 18-34 34-65 65-124 >124

PGV(cm/s) <0.1 0.1-1.1 1.1-3.4 3.4-8.1 8.1-16 16-31 31-60 60-116 >116

因为低烈度时（MMI＜Ⅵ）的评定主要参考人的感觉，而人的感觉对加速度要比对速度更加敏感，所以采用PGA作为评定标准更合适；烈度Ⅵ～Ⅶ度的评定主要是脆性破坏（如土石墙、烟囱、无筋砖墙等），这些破坏主要对应与高频加速度成分，而对于更严重的破坏（MMI ＞Ⅶ），柔性破坏更加明显，速度峰值变成更好的破坏指标；在高烈度时采用PGV计算速报烈度，可以减小加速度大脉冲致使速报烈度偏高，且可以提高速度大脉冲对烈度的影响。

ShakeMap仪器烈度所用方法在国际上采用较为广泛，其统计方法为烈度与地震动参数进行最小二乘法直线拟合。以实际烈度和地震动参数作为直角坐标系的两个坐标轴，将地震加速度记录的烈度和地震动参数作为散点，直接拟合为一条斜线，典型结果如图2.1-2所示。

图2.1-2 烈度与PGA之间的关系