發(fā)布時間：2020-06-21 13:55

【摘要】：地震動場的實時預測用于實時提供重要的地震動信息,為救援工作與震害評估等工作的開展提供重要信息,同時在強地震動到達之前盡可能早的時間為部分地區(qū)發(fā)出警報,從而減少地震帶來的損失。與估計地震基本參數(shù)相比,地震動場能夠計算每一個區(qū)域的地震動信息,為救援工作的開展提供更加準確的預測信息。因此,地震動場的實時預測技術(shù)具有很大的理論研究價值和實踐應用意義。基于地震基本參數(shù)預測地震動場的方法,首先利用P波初始階段的觀測信息測算地震基本參數(shù),然后根據(jù)經(jīng)驗關(guān)系公式計算地震動信息。該方法依賴于地震基本參數(shù)與經(jīng)驗公式的計算精度,然而大尺度地震簡化為點源模型等因素會導致該方法對地震動的過低估計,以及地震基本參數(shù)估計誤差造成的地震動場的預測誤差。2015年Hoshiba提出一種基于輻射傳輸理論(RTT)與數(shù)據(jù)同化技術(shù)的數(shù)值地震動預測方法,該方法無需預先測算地震基本參數(shù),但是需要充足的觀測資料。因此,研究適用于缺乏觀測資料情況下的地震動場預測方法研究更具有實際意義。本論文主要研究了地震動場的預測與實時更新技術(shù),研究目標是利用全部當前時刻的觀測數(shù)據(jù)更加快速以及準確地實時計算出地震動場,無論在觀測資料是否充足的情況下均能應用。通過P波觀測信息計算出初始地震動場,結(jié)合S波觀測信息對地震動場進行實時連續(xù)預測更新,有機結(jié)合了地震基本參數(shù)限制條件與數(shù)值地震動預測方法。本論文主要從如何更加快速精確地測算地震基本參數(shù)、如何更加精確地對地震波能量傳播進行建模等方面著手,研究實時預測地震動場的計算方法。主要研究內(nèi)容如下:(1).本文在總結(jié)借鑒前人對地震動場的預測方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展了地震動場的預測與實時更新框架。該框架結(jié)合了基于地震基本參數(shù)的地震動場預測技術(shù)以及2015年Hoshiba提出的數(shù)值地震動預測技術(shù),通過若干臺站的P波觀測記錄信息利用地震基本參數(shù)經(jīng)驗關(guān)系進行地震動場的初步預測,并每隔1秒根據(jù)臺站的實時地震觀測記錄對預測結(jié)果進行連續(xù)更新與修正。該框架能夠利用P波觸發(fā)后3秒的觀測記錄計算出地震動場的初步預測結(jié)果,通過基于地震基本參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系來預測峰值地震動強度。采用實時預測并更新的方法能夠?qū)崟r修正由于大尺度斷層簡化為點源模型以及地震基本參數(shù)估計誤差等因素導致的地震動過低估計,對部分地區(qū)的地震動場進行修正,使得地震動場預測的時效性和準確性上達到一個較優(yōu)的平衡。(2).利用基于貝葉斯理論的馬爾可夫-蒙特卡洛采樣算法(MCMC)計算地震基本參數(shù),并且推導了地震基本參數(shù)與地震動場的關(guān)系,計算初始的地震動場。馬爾可夫-蒙特卡洛采樣算法用于建模地震基本參數(shù)發(fā)生的概率分布,它的優(yōu)勢在于減小定位的震中位置同其他地震基本參數(shù)(如震級)之間的耦合關(guān)系,因此降低由定位產(chǎn)生的誤差對其他地震基本參數(shù)的影響。采用基于貝葉斯理論的蒙特卡洛概率模型對全部地震基本參數(shù)進行預測�；谪惾~斯理論的馬爾可夫-蒙特卡洛法是通過計算機模擬的一種方法,是一種相對穩(wěn)定、高效的樣本計算方法。該方法將馬爾可夫過程引入到蒙特卡洛模擬中,實現(xiàn)了抽樣分布的動態(tài)模擬。采用這種方法估計地震基本參數(shù)結(jié)果不受P波到時檢測誤差影響。因此,本文利用觀測記錄數(shù)據(jù)計算地震基本參數(shù)的先驗概率分布,通過馬爾可夫-蒙特卡洛法進行迭代計算,可以同時得到全部地震基本參數(shù)樣本,直接為后續(xù)的地震動強度預測提供合適的樣本信息。根據(jù)計算的地震基本參數(shù)(震中位置、震源深度、發(fā)震時間、震級)通過地震動預測方程經(jīng)驗關(guān)系預測儀器烈度分布,給出地震動場的初步預測結(jié)果。該方法在缺乏地震觀測資料的情況下仍可以預測地震動場。(3).本論文將數(shù)值地震動預測方法用于地震動場的實時更新過程當中,并將該方法應用于汶川地震和臺灣高雄地震等震例上進行驗證。當計算得到地震動場的初步預測結(jié)果之后,每間隔1秒采用數(shù)值地震動預測方法根據(jù)臺網(wǎng)中的實時臺站觀測記錄計算地震動能量分布,從而修正部分區(qū)域的預測地震動場�；诘卣鸹緟�(shù)預測地震動場的方法中即使地震基本參數(shù)預測準確,地震動場的預測結(jié)果仍然不一定做到準確。而且對于地震預警系統(tǒng)(EEW)來說,對地震基本參數(shù)的預測時間無法確定,這一點是被當作盲區(qū)處理的。相比之下,觀測資料充足的區(qū)域,由數(shù)據(jù)同化技術(shù)(data assimilation)利用觀測數(shù)據(jù)模擬地震動波場分布,所有的數(shù)據(jù)信息都將用于更新原來的地震動場,可以很大一部分修正預測結(jié)果。本文研究了基于輻射傳輸理論及數(shù)據(jù)同化技術(shù)的地震動場實時計算方法,并將其應用到對預測地震動場的連續(xù)實時更新當中,結(jié)合粒子加權(quán)重采樣技術(shù)有效地改善了地震動場預測結(jié)果的精度。(4).本論文研究了3-D空間的輻射傳輸方程建模方法,并與2-D建模方法進行了比較分析。地震波在3-D空間中進行傳播,然而2-D模型因其計算簡便而在文獻中得到較多的研究。2-D模型中的地震波的傳播波速較之3-D空間中偏高,然而由于震源深度方向上3km以下基巖臺地震記錄較難獲得,使得在缺乏觀測數(shù)據(jù)的情況下,建立3-D模型是一個重大挑戰(zhàn)。本論文將粒子的傳播模型建立在3-D空間上,并采用輻射傳輸理論進行模擬,并與2-D建模方法進行了比較分析。結(jié)果表明在缺乏觀測資料的情況下,3-D空間模型在實時預測地震動場上仍然具有一定優(yōu)勢。(5).通過汶川地震、東日本大地震和臺灣高雄地震這三個震例中收集到的實際地震觀測記錄,對本研究所提出的方法分別進行了驗證與分析,并對驗證分析過程中發(fā)現(xiàn)的問題展開了討論。本文從以下四個方面做出了創(chuàng)新,并取得了一定的研究成果:(1).在數(shù)值地震動預測方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展了地震動場的預測與實時更新框架,使得地震基本參數(shù)成為一個重要的補充條件,在缺乏觀測資料的情況下仍然可以實時預測地震動場。(2).采用基于馬爾可夫-蒙特卡洛采樣估計地震基本參數(shù),利用地震動預測方程經(jīng)驗關(guān)系公式,預測初始地震動場分布,并繪制震動圖。(3).發(fā)展了數(shù)值地震動預測結(jié)合粒子加權(quán)重采樣的實時更新算法,利用臺站記錄對地震動場的預測結(jié)果進行實時修正。并將該方法在缺乏觀測資料情況下的震例上進行了驗證。(4).將基于3-D空間輻射傳輸方程的建模方法用于地震動場實時更新計算當中,采用3-D空間的蒙特卡洛模擬算法進行建模并與2-D平面建模方法進行了比較分析。
【學位授予單位】：中國地震局工程力學研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：P315.7
【圖文】：

自于q(α’|α)的樣本α’，其概率分布為q(α|α’)p(α’)/q(α’|α)p(α)。候選樣本α’若被拒絕 ，那么初始樣本α 將作為新樣本進入下一次迭代。其算法流程圖如圖3-1 所示。圖 3-1 馬爾可夫-蒙特卡洛算法流程圖3.4 通過地震動預測方程初步預測地震動場地震動場的初步預測方法主要用于給定區(qū)域位置，結(jié)合預測得到的震中位置以及震級，計算出各個區(qū)域的峰值地震動(主要以儀器烈度表示)，來預測地震動場。在地震動場的預測方法上，主要通過兩階段計算方法：首先，根據(jù)震源位置與震級，通過衰減關(guān)系公式計算出PGA或PGV，然后通過儀器烈度與PGA或 PGV的關(guān)系，來計算出各個區(qū)域的儀器烈度。3.4 節(jié)主要推導了中國大陸和中國臺灣用于地震動場初步預測的地震動預測方程。針對中國大陸，我們采用如下公式進行計算。首先，根據(jù)張紅才(2013)得到PGV與Pd擬合的經(jīng)驗關(guān)系式如下所示:

- 24 -圖 3-2 儀器烈度計算流程圖可以得到對于任意地區(qū)，給定震中與震級，即可以計算出震中距R，并根據(jù)公式(3-20)計算出該地區(qū)能夠達到的PGV。在獲得PGV后，我們可以通過PGV來計算臺灣烈度，采用 Wu提供的關(guān)系式進行計算： I 2. 14 logPGV 1.89t(3-21)

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