單臺全球地震快速分析軟件介紹及應(yīng)用

摘要：闡述了自主研發(fā)的單臺全球地震快速分析軟件的功能、特點及應(yīng)用效果。通過分析原有地震分析軟件存在的不足并加以改進，使該軟件具有臺站地震快速分析所需的多種功能。應(yīng)用實踐表明，該軟件具有功能完備、自動化程度高、界面友好等優(yōu)點，在保障測震分析質(zhì)量、減輕測震分析人員的工作量以及提高大震速報能力等方面成效顯著。

關(guān)鍵詞：單臺；地震分析軟件；數(shù)字化測震；地震速報

中圖分類號：P315-391

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-0666（2013）02-0224-07

0 引言

國家測震臺站已經(jīng)實現(xiàn)了從模擬觀測到數(shù)字化觀測的完全轉(zhuǎn)變，數(shù)字化測震具有頻帶寬、分辨率高、動態(tài)范圍大并且便于計算機進行資料處理等特點（劉瑞豐等，1997）。測震資料的分析實現(xiàn)了從過去的完全由人工處理到現(xiàn)在主要依靠地震分析軟件進行人機交互處理的巨大轉(zhuǎn)變，因此功能強大、操作便捷的單臺地震分析軟件對于提高測震效能、增強地震速報能力、減輕人員工作強度、保障測震分析質(zhì)量、對震后搶險救災(zāi)的快速決策至關(guān)重要，也是臺站工作人員追求的。但目前臺站使用的幾款單臺地震分析處理軟件在某些功能上未展現(xiàn)數(shù)字化測震工作的優(yōu)越性，不能很好地適應(yīng)目前臺站測震工作的需要。為此，云南個舊臺通過多年臺站測震工作的實踐總結(jié)，自2004年起解決了一系列關(guān)鍵性的技術(shù)難題，自主研發(fā)出單臺全球地震快速分析軟件，于2009年開始應(yīng)用并取得了滿意的效果。

1 原有地震分析軟件的不足

目前臺站常用的地震分析軟件如：EDSP-IAS、SSDP、MSDP、WgsnPlot等，在臺站日常測震分析工作中普遍存在如下不足（汪貴章等，2003；包秀敏等，2005；劉克驤等，2006；鄧存華等，2006；和躍時等，2006）：

（1）軟件不能同時顯示原始地震波形和多種仿真儀器波形。分析遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震時，需要在短周期、中長周期、長周期幾種模擬儀器仿真波形上對比識別和標(biāo)注震相、振幅來定位以及測定各種震級。而現(xiàn)在很多單臺地震分析軟件一次只能顯示一種儀器的波形，因此分析人員經(jīng)常要進行多次打開和仿真波形操作，既繁瑣低效也不便于對比分析。

（2）軟件地震定位功能不齊全。地震分析軟件應(yīng)該具備根據(jù)人工標(biāo)注的定位震相來自動選擇震相走時表并完成不同深度的地方震、近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震定位的功能。但有的軟件遠(yuǎn)震定位功能不完整、缺乏極遠(yuǎn)震定位功能。有的軟件甚至無法定出震源深度，需要人為地根據(jù)震中距遠(yuǎn)近配置震相走時表。

（3）震中定位地圖顯示不夠細(xì)致。軟件配置的地圖數(shù)量少且幅面小，以致無法直觀的從定位地圖上看出震中地名，無法顯示國外地震的位置，有的軟件甚至不能顯示發(fā)生在國內(nèi)邊境上地震的位置。

（4）震級計算不完整。分析遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震時要測定多種震級，如中長周期水平向面波震級M_s、短周期體波震級m_b、中長周期體波震級m_B、長周期垂直向面波震級M_s7。例如不能同時計算出m_b和m_B，因為它們對應(yīng)的振幅名稱都是PMZ，所以標(biāo)注時會相互覆蓋。

（5）對于一個地震波形文件只能分析保存一個地震的震相數(shù)據(jù)。地震觀測連續(xù)數(shù)據(jù)一般以小時為單位進行保存。由于目前的分析軟件大多不具備多地震管理功能，軟件分析地震時，一個波形文件生成一個震相文件和一個定位結(jié)果文件，其中只能保存一個地震的分析結(jié)果。對于一個波形文件內(nèi)包含多次地震的情形，分析人員分析完一個地震后必須人工將震相數(shù)據(jù)、定位結(jié)果數(shù)據(jù)導(dǎo)入到觀測報告中，然后清除此地震的震相再標(biāo)注下一個地震的震相，如此反復(fù)，效率低且無法重載震相數(shù)據(jù)。

（6）不能完全自動生成地震報告。幾款軟件都不能完全自動生成地震觀測報告，即使能生成部分的報告，格式也不完全符合要求，還要依靠分析人員輔助編輯修改完成。效率低，易出錯。

針對軟件存在的上述不足，有些臺站的科研人員編寫了相應(yīng)的輔助程序來解決。如劉克驤等（2006）針對EDSP-IAS軟件編寫了實現(xiàn)觀測報告自動生成、震相理論到時計算功能的輔助軟件，鄧存華等（2006）針對WgsnPlot軟件編寫了實現(xiàn)計算地震參數(shù)、編輯地震報告和大震速報功能的輔助軟件。編寫輔助程序雖然從一定程度上解決了部分問題，提高了工作效率；但要從根本上解決和改進問題，只能修改完善軟件原代碼（和躍時等，2006）或自主研制開發(fā)地震分析軟件。為了從根本上改進和提升本臺的數(shù)字化測震工作效能，云南省地震局個舊地震臺自主研發(fā)了單臺全球地震快速分析軟件，并成功應(yīng)用到臺站測震工作中。

2 軟件主要功能介紹

單臺全球地震快速分析軟件采用VC++6.0、MATCOM、CMAPX、MSWORD等編程語言混合編程，是基于Windows 32位操作系統(tǒng)開發(fā)的用于EDAS格式地震數(shù)據(jù)文件分析的單臺地震分析軟件（圖1）。它主要為滿足國家數(shù)字化測震臺站測震工作的需要而設(shè)計，也適用于地方臺站簡單的地震定位。臺站人員只要具備基本的測震知識，就能很容易掌握該軟件的各項功能并熟練地分析處理地震。其主要功能為：（1）文件操作：包括打開/關(guān)閉文件、打開一段波形、跨接兩段波形、文件統(tǒng)一命名等功能；（2）波形處理：包括顯示、縮放、放大窗口、通道排序、仿真、濾波、剪輯合并、波形自動滾屏等功能；（3）震相分析：包括震相走時表設(shè)置、震源管理、震相標(biāo)注、震相理論到時計算等功能；（4）地震定位：包括近震、遠(yuǎn)震和極遠(yuǎn)震的地震定位、震中地圖顯示、地圖位置標(biāo)注測距等功能；（5）資料生成：包括觀測報告生成、報告格式查錯、報告地震查漏、地震目錄生成、波形斷記統(tǒng)計等功能；（6）震害估測：包括震害粗略估計、地震換算等功能；（7）地震科普：包括測震分析知識、防震避震知識、抗震設(shè)防知識等。

3 軟件的創(chuàng)新與特色

單臺全球地震快速分析軟件是在認(rèn)真分析臺站測震工作的特點和幾款傳統(tǒng)地震分析軟件的不足的基礎(chǔ)上研發(fā)而成的，功能完備、適應(yīng)性強。

3.1波形文件打開方式

根據(jù)臺站測震工作的實際需要，本軟件設(shè)置了4種打開波形文件的方式：

方式一：單擊“文件”菜單下的“打開”菜單項，使用“打開文件對話框”打開任一地震波形文件。

方式二：單擊工具欄上的“打開前一個文件”、“刷新當(dāng)前打開文件”或“打開下一個文件”按鈕可以順序打開當(dāng)前打開波形文件所在文件夾中的每一個波形文件，特別適宜打開小時文件。

方式三：單擊“文件”菜單下的“打開一段波形”菜單項并在彈出的對話框中設(shè)置好要打開波段的起止時間（軟件限定長度不超過3h），軟件就會根據(jù)給定的起止時間自動從一個或幾個小時文件中合成這段波形，此方式特別適宜分析跨小時的地震波形，省去傳統(tǒng)的剪輯、合并、刪除波形的一系列煩瑣操作。

方式四：單擊“文件”菜單下的“連接兩段波形”功能并在打開的對話框中指定要連接的兩段波形的文件名，軟件可以將兩段時間上連續(xù)波形連接在一起甚至兩段時間上不連續(xù)在10min以內(nèi)（地震P波與S波最大到時差不超過12min）的波形跨接在一起來分析定位地震，適用于由于儀器記錄故障造成地震波形文件成兩截且時間不連續(xù)這種極端情形。

3.2波形仿真、濾波和顯示功能

本軟件采用雙線性變換法（王洪體，2006；李萬金，鄧存華，2011）將原始記錄波形快速仿真成短周期模擬儀器（DD-1、WA）波形、中長周期模擬儀器（SK、DK-1）波形、長周期模擬儀器（763）波形。采用MATLAB濾波技術(shù)（宋建鎖，2006）進行濾波。軟件波形窗口可同時顯示多種波形，波形既可按儀器排序，也可按分向排序。

3.3多地震事件管理功能

一個小時地震數(shù)據(jù)文件經(jīng)常會連續(xù)記錄到多次地震，本軟件通過“震相”菜單下的“震源”菜單彈出的“震源管理對話框”來管理地震，軟件設(shè)置對每個小時波形文件最多能分析20個地震，完全滿足了多地震事件分析的需要。對于同一個地震事件，不管復(fù)制或剪輯保存成幾個文件都只對應(yīng)著共同的一個小時震相文件，這樣既不產(chǎn)生數(shù)據(jù)冗余，又保證了震相數(shù)據(jù)的一致性和唯一性。

3.4震相標(biāo)注功能

該軟件的震相標(biāo)注功能具有嚴(yán)格、高效、完整優(yōu)勢。嚴(yán)格，即將測震觀測規(guī)范中有關(guān)震相、振幅的規(guī)范要求設(shè)定在軟件中，使軟件對震相標(biāo)注進行實時檢查，對于嚴(yán)重違反標(biāo)注規(guī)定的（如規(guī)定LN振幅只能在仿真后的中長周期的NS分向上標(biāo)注），彈出警告并禁止標(biāo)注；對于輕度的違反（如振幅的周期不滿足范圍的），先給予標(biāo)注并彈出要求測震人員調(diào)整的提示。高效，就是簡化了震相標(biāo)注，如振幅的標(biāo)注，只要單擊鼠標(biāo)左鍵并拖動鼠標(biāo)拉一個方框?qū)⑺咳〉牟ㄐ握穹蜃。⒋_保所要量取振幅的波峰和波谷是此框內(nèi)的最高點和最低點，軟件就能自動收縮此框到剛好框住最大振幅；如標(biāo)注或調(diào)整初動，三個向一起標(biāo)注或調(diào)整。完整，例如針對震級m_b和m_B的振幅名稱都是使用垂直向縱波振幅PMZ的問題，本軟件用sPMZ表示在仿真后的短周期波形上量取的用來計算m_b的PMZ，用lPMZ表示在仿真后的長周期波形上量取的用來計算m_B的PMZ，這樣在定位時就可以同時計算出這兩個震級，在生成觀測報告時sPMZ和lPMZ又被還原成PMZ。這樣既保證了震相分析工作的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，又可以對每個地震一次完成全面分析。

3.5人工剪輯和自動剪輯波形功能

單擊“地震”-“批量計算”-“編輯地震目錄”菜單項并按規(guī)定的格式把地震目錄存入一個文本文件中；再單擊同級“計算理論參數(shù)”菜單項，軟件就能根據(jù)地震目錄中每個地震的發(fā)震時間（國際標(biāo)準(zhǔn)時間）、震中經(jīng)緯度、震源深度和當(dāng)前打開波形文件中隱含的臺站經(jīng)緯度來反推計算每個地震的基本定位震相的理論到時（采用北京時間）（圖2）；最后選中“標(biāo)注理論震相”菜單項，軟件就會將每個地震的理論到時以虛豎線的形式標(biāo)注在對應(yīng)時段的波形上。軟件還能在已經(jīng)標(biāo)注的實際的基本定位震相定位后算出的發(fā)震時刻、震中距、深度的基礎(chǔ)上，自動計算其他震相的理論到時并標(biāo)注在波形上，測震分析人員只需對照波形特征來調(diào)整震相，再也不需要靠人工費時地查找紙質(zhì)走時表，震相分析精確、高效。

3.5人工波形剪輯功能和自動剪輯功能

在地震波初動前面，按一下A鍵并在波形上單擊鼠標(biāo)左鍵即完成開始時間的拾取；拖動滾動條到地震波形結(jié)束，按一下B鍵并在波形上單擊鼠標(biāo)左鍵即完成結(jié)束時間的拾取；然后單擊工具欄上的剪輯按鈕，彈出波形剪輯對話框，軟件已經(jīng)將自動拾取的時間填入到時間框中并自動命名文件名，最后單擊對話框上的“確定”按鈕，即可輕松的完成波形剪輯。

“地震”菜單下的“批量剪截”子菜單能根據(jù)地震目錄文件中各地震的基本信息（發(fā)震時刻、震中經(jīng)緯度、震源深度、震級）計算出地震波到達(dá)臺站的理論時間以及地震波要保存的理論時間長度，再從小時文件中快速自動剪輯出地震波形并保存為事件文件。

3.6文件統(tǒng)一命名功能

不同的地震數(shù)據(jù)實時記錄軟件或同一地震數(shù)據(jù)實時記錄軟件的不同版本，所記錄的EDAS格式小時文件的命名方式會不同。本軟件默認(rèn)SRTS_NET記錄軟件所采用的小時文件命名方法，即××××（年占4位）××（月占2位）××（日占2位）××（時占2位）（后跟臺站代碼）.dat。為了使其他EDAS格式地震記錄軟件記錄的非上述方式命名的小時文件也能完全用本軟件的各種功能來分析，可以借助“文件”菜單下的“文件正名”菜單功能將文件名轉(zhuǎn)換成上述命名方式。如果小時文件名不是采用上述文件名格式，必須在分析地震前使用此項功能來轉(zhuǎn)換，因為上述“文件”菜單下的“打開一段波形”功能以及“地震”菜單下根據(jù)地震目錄自動剪輯地震事件功能都需要統(tǒng)一文件名的小時文件。

3.7自動翻屏功能和地震事件自檢功能

地震分析軟件窗口波形顯示長度一般調(diào)整為30、60或120s三檔最適合辨別震相，按此計算要用鼠標(biāo)單擊滾動條翻屏30～120次才能瀏覽完一個小時文件，用鼠標(biāo)拖動滾動條太快會漏過地震波形。針對這個情況，軟件設(shè)計了波形自動滾屏功能，滾屏速度為每秒1屏，可以通過按鍵隨時停止?jié)L屏或繼續(xù)滾屏。測震人員就可以專心盯住滾動的波形來辨別地震，既減輕了測震人員負(fù)擔(dān)又不會遺漏地震。打開一個波形文件后，按檢測鍵就能根據(jù)幅度變化粗略檢測波形中是否有顯著的地震。

3.8地方震、近震、遠(yuǎn)震、極遠(yuǎn)震定位功能

本軟件使用在IASPE191二進制走時表文件結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改進后的走時表文件結(jié)構(gòu)（李萬金，2012）來存儲走時表數(shù)據(jù)，配置了J-B走時表、IASPEI91走時表、中國地區(qū)走時表、華南地區(qū)走時表、以及多種區(qū)域平均地殼模型（包括全球模型、中國地區(qū)模型、川滇地區(qū)模型、甘青地區(qū)模型、華南地區(qū)模型、西藏高原模型）（圖3），使本軟件具有適應(yīng)性強、靈活、完整的定位功能。先根據(jù)標(biāo)注的基本定位震相問的走時差在震相走時表文件中采用逐步搜索法確定震中距、深度以及發(fā)震時刻，再采用單臺方位角法（孟曉春，2005）或偏振法（周彥文等，2010）來確定震中方位角和經(jīng)緯度。本軟件完成地震定位所使用的震相：地方震用Pg、Sg定位；近震用Pn、Pg與Sn、Sg組合定位；遠(yuǎn)震用P、S和pP、sP、sS深度震相之一定位；極遠(yuǎn)震用PKP、PP震相和pPKP、sPKP深度震相之一定位。

3.9震中地圖顯示、切換、標(biāo)注和測距功能

為了使全球任何地方發(fā)生的地震的震中位置都能精確的顯示在定位地圖上，本軟件精心制作配置了130多幅位圖型地圖，囊括了世界地圖、南北極地圖、世界各國地圖、中國各省地圖、云南各地州地圖和個舊市地圖。還通過鏈接方式將數(shù)量龐大的地圖組織在一起，切換相當(dāng)便捷，單擊地圖上次一級行政中心所在地位置就自動切換到下一級地圖，單擊“返回上級地圖”按鈕就切換到上一級地圖。

單臺地震定位精度有限，與臺網(wǎng)測定的震中位置不可能完全一致，為此本軟件還增加了根據(jù)點的經(jīng)緯度值在地圖上標(biāo)出位置的功能，便于很直觀地測算定位精度。在地圖上單擊鼠標(biāo)，地圖下方就顯示出此點的經(jīng)緯度以及此點與上一次單擊位置的距離、方位角數(shù)據(jù)。對2011年3月11日發(fā)生在日本近海的9級地震進行定位，虛線圓圈圓點為公布的震中位置，本臺單臺測定的震中位置時伴隨著同心圓圈閃爍放大，兩點相距約30km，方位角約為286°（圖4）。

3.10觀測報告自動生成、格式錯誤查找、自動查漏功能

運用“定位”菜單下的“單臺報告生成”功能，軟件就根據(jù)震相文件和地震定位結(jié)果文件，自動生成5日地震觀測報告（圖5）和月地震觀測報告（圖6）。

“定位”菜單下的“報告編輯格式檢查”功能，能對報告中存在的各種格式錯誤進行排查并記錄在錯誤結(jié)果文件中。根據(jù)錯誤提示人工修改和軟件修改相結(jié)合來改正錯誤，可生成格式正確的報告。

根據(jù)每個月完整的地震目錄文件和沒有錯誤的觀測報告，運行“定位”菜單下的“報告分析質(zhì)量檢查”功能，軟件就會計算出每個地震的理論到時、震中距，再查找地震報告中是否已經(jīng)正確分析過此地震。

3.11地震目錄生成功能

本軟件“定位”菜單下的“地震目錄生成”功能，能從地震定位結(jié)果文件中提取出每個地震的發(fā)震時刻、震中經(jīng)緯度、震源深度，震中地名（由于地理信息數(shù)據(jù)庫不完整，因此查詢出的國內(nèi)地震地名為中文，國外大陸上及近海的地名為英文，發(fā)生在遠(yuǎn)海中的地震無地名，需人工添加），并統(tǒng)計出每月分析地震的總數(shù)和各種類別震級的個數(shù)，從而形成月地震目錄（圖7）。雖然此地震目錄與臺網(wǎng)公布的地震目錄有偏差，但它對于臺站掌握每月的地震分析情況很有幫助。

3.12細(xì)致精確的地震波形斷記統(tǒng)計功能

國家數(shù)字測震臺使用的SSDCS斷記統(tǒng)計軟件只能對地震波形斷記做粗略的統(tǒng)計，僅能給出本月中每天的斷記秒數(shù)和本月總的斷記秒數(shù)，斷記的起止時間要人工來查找。本軟件“定位”菜單下的“小時文件斷記統(tǒng)計”功能，先對本月地震波形進行逐段斷記統(tǒng)計，并詳細(xì)給出每段斷記的起止時間和本月總的斷記時間，然后統(tǒng)計出每天的斷記時間，最后統(tǒng)計出本月記錄的連續(xù)率（圖8）。

3.13震災(zāi)粗略估計功能

破壞性地震發(fā)生后，臺站除了快速準(zhǔn)確測定地震三要素之外，還迫切希望知道地震成災(zāi)的級別和范圍，為此本軟件添加了震災(zāi)估測功能。根據(jù)震級、震源深度、震中距、震中情況來綜合估測地震釋放的能量、震中區(qū)烈度、不同震中距的烈度等。此項功能極大的提升臺站地震監(jiān)測的功能，定性和定量估測災(zāi)害。

以2011年3月24日21時55分13.8秒發(fā)生在緬甸（20.8°N，99.8°E）的7.2級地震為例（圖9）。震中烈度為9度，地震波及距震中約429km外的個舊引發(fā)的震感為4度，相當(dāng)于個舊地下10km深處發(fā)生一次3.4級地震引發(fā)的震感。測算結(jié)果與災(zāi)情調(diào)查結(jié)果一致。

4 應(yīng)用成效

本軟件在臺站投入使用幾年來，經(jīng)過不斷的修改完善，軟件的各項功能日趨成熟，使我臺測震工作效率顯著提升，歸納起來主要有以下幾方面：

（1）測震工作效率得到大幅提升

原來臺站的測震分析工作要多人參加，該軟件在本臺應(yīng)用以后，自動化程度提高，測震工作大大簡化，經(jīng)過對比表明我臺現(xiàn)在的測震工作效率比沒有使用該軟件前提高了3～5倍。

（2）測震成果質(zhì)量提高

本軟件創(chuàng)造性的把測震規(guī)范設(shè)計到軟件中，觀測報告完全自動生成、只要測震人員認(rèn)真按軟件功能操作，報告格式錯誤完全排除、無地震漏分現(xiàn)象。

（3）產(chǎn)出的資料產(chǎn)品豐富完整

每月除保存小時波形文件外，還形成測震報告、地震事件波形圖、地震目錄、斷記統(tǒng)計清單，地震事件文件、完整的震相文件、定位結(jié)果文件等。這為今后研究這些觀測資料創(chuàng)造了很好的條件。

（4）臺站地震速報效能顯著提高

本軟件能迅速測定出地震三要素并將震中精確顯示在地圖上。再借助軟件的震中標(biāo)注、地圖測距功能、震害估測、震級換算等功能可以對地震災(zāi)害進行粗略的估算。

5 結(jié)語

單臺全球地震快速分析軟件研制成功并投入本臺使用，與我國大多數(shù)臺站目前使用的傳統(tǒng)單臺地震分析軟件相比具有顯著的特色優(yōu)勢，該軟件為云南省個舊地震臺躋身于全國數(shù)字地震觀測臺站測震先進行列提供了堅實的保障。隨著數(shù)字化測震事業(yè)的持續(xù)發(fā)展和IT技術(shù)的不斷進步，本軟件還需進一步改進，以不斷提高測震工作的自動化程度和測震資料的開發(fā)利用水平。此軟件已經(jīng)在本臺使用及國內(nèi)一些臺站試用，受到同仁的好評，歡迎大家在使用軟件的過程中提出意見和建議，共同促進該軟件的完善與應(yīng)用，以期進一步提高我國測震臺站測震分析工作的質(zhì)量和效率。