南中國海區域海嘯預警中心地震監測系統＊

徐志國 史健宇 李宏偉 王宗辰

（國家海洋環境預報中心，北京 100081）

引言

南中國海地區位于歐亞板塊、太平洋板塊和印度—澳大利亞板塊的會聚地帶。由于受多個板塊俯沖作用的影響，各板塊交接地帶火山、地震、海嘯活動頻繁。沿南中國海、蘇祿海和蘇拉威西海東緣發育了馬尼拉海溝、蘇祿海溝和蘇拉威西海溝等俯沖帶，是國際上公認的潛在海嘯源發生地[4-6]，若發生大規模海嘯，將對南中國海周邊各國沿岸地區造成極大威脅。

為了有效應對南中國海區域地震海嘯風險，2008 年，聯合國教科文組織政府間海洋學委員會（IOC）執行理事國第41 次會議就通過決議，鼓勵南中國海區域各成員國在政府間協調組框架下積極推動南中國海區域海嘯預警與減災系統（South China Sea Region Tsunami Warning and Mitigation System）的籌劃和建設。在中國和馬來西亞等國的積極倡導下，2009 年召開的太平洋海嘯預警與減災系統政府間協調組（ICG/PTWS）第23 次會議決定建立南中國海區域工作組，通過加強區域協作開展南中國海海嘯預警與減災系統建設。2011 年，中國在ICG/PTWS 第24 次會議（北京）上正式提交南中國海海嘯預警與減災系統建設方案。2013 年舉行的ICG/PTWS 第25 次大會（符拉迪沃斯托克）正式同意依托中國國家海洋環境預報中心建設IOC 南中國海區域海嘯預警中心（South China Sea Tsunami Advisory Center，SCSTAC）。2018 年1 月26 日，經IOC 正式批準，由中國承建的IOC 南中國海區域海嘯預警中心正式開展業務化試運行。2019 年3 月，在尼加拉瓜舉行的ICG/PTWS第28 次會議批準南中國海區域海嘯預警中心于2019年11 月5 日開始業務化正式運行。南中國海區域海嘯預警中心向南中國海周邊的國家提供2 4 小時×7 天的地震海嘯監測預警服務，對發生在南中國海區域范圍內的6.0 級以上海底地震事件，通過傳真、網絡、電子郵件和世界氣象組織全球電傳系統（Global Telecommunication System，GTS）向周邊國家和地區及時發布海嘯預警信息（http://baike.baidu.com/view/18698807.html）。圖1 為南中國海區域海嘯預警中心預警責任區。由圖來看，南中國海區域地處東南亞，包括南海（South China Sea）、蘇祿海（Sulu Sea）和蘇拉威西海（Sulawesi Sea）亦稱西里伯斯海（Celebes Sea）3 個獨立的半封閉海盆，緊鄰中國、文萊、柬埔寨、印尼、馬來西亞、菲律賓、新加坡、泰國、越南9 個國家。

圖1 南中國海區域海嘯預警中心預警責任區Fig.1 The areas of responsibility for tsunami warning service of the South China Sea Tsunami Advisory Center

在IOC 的指導下，在南中國海周邊成員國的大力支持下，中國通過自主研發設計并結合國內外先進海嘯預警預報技術等科學方式，建立了海嘯預警與減災系統。該系統集成了全球實時地震和水位監測處理、海嘯情景數據庫、海嘯并行數值預報模型，以及海嘯預警產品自動制作與發布等多個子系統，形成對中國、南中國海區域、太平洋地區及全球其他大洋重點關注海域的地震海嘯監測、分析和預警能力，使得在地震發生10 min 之內，及時有效地向中國沿海地區、南中國海周邊國家及相關海域提供快速的海嘯預警信息服務。

海嘯預警系統的工作原理就是利用地震波傳播速度比海嘯的傳播速度快的物理機制，同海嘯波賽跑，為減輕海嘯災害對人民生命財產安全贏取更多時間。當前，海嘯預警中心主要依靠地震臺網實時監測海底地震活動，在地震發生后快速確定地震發震時間、位置、震級、震源深度、震源機制以及震源破裂信息等特征參數，海嘯預報員在短時間內發布定性（qualitative advisory）或定量（quantitative advisory）的海嘯信息，來判斷地震是否產生海嘯，以及評估海嘯對可能襲擊的沿岸地區的危險性。因此，對于海嘯預警來說，實時地震監測和處理在海嘯預警工作中起著非常重要的作用，快速、準確地確定地震參數顯得尤為重要。在此背景下，本文詳細闡述了南中國海區域海嘯預警中心實時地震監測系統組成及其基本功能，以期在地震發生后，為海嘯預警提供快速準確的地震基本參數和相關震源參數。

1 實時地震監測與處理

1.1 區域和全球地震臺網

地震監測臺網是海嘯預警系統的重要組成部分之一，主要用來監測全球及區域的海底地震，依靠臺站實時記錄的地震波形，快速確定地震位置和震源特征參數等信息，為海嘯預警服務提供重要數據支撐。

為了提高中國近海海域地震監測能力，原國家海洋局依托已有的海洋環境觀測站，選擇觀測環境和地質條件適合、基礎設施完善的海洋觀測站，按照臺站均勻分布的原則，在中國近海地區及島嶼上建設了27 個地震臺站，安裝了港震公司生產的BBVS-120 三分量寬頻帶速度型地震計和BBAS-2 三分量加速度計，以及大動態范圍的EDAS-24GN 地震數據采集器，實時記錄的地震數據通過海洋數據專用通訊網絡實時傳輸至國家海洋環境預報中心[7-8]。此外，基于實時地震數據共享與交換技術，通過專線實時獲取中國地震局數字地震觀測網絡的54 個臺站，連同原國家海洋局建設的27 個臺站，構成海嘯預警區域地震臺網，有效地提高了中國近海及南中國海區域地震的監測能力。

由于區域臺站主要集中分布在中國東南沿海地區，如果單純應用這些臺站對南中國海區域發生的地震進行定位，其定位結果必然存在很大偏差，很難滿足海嘯預警工作需求。因此，我們通過互聯網獲取美國地震學聯合研究會（IRIS）全球地震臺網、歐洲GEOFON 臺網和GEOSCOPE 臺網公開的實時地震波形數據，根據地震臺站分布密度，以均勻分布為原則，實時接收并處理了733 個臺站數據，用來實時監測全球海底地震發生情況。

數字PCR打破傳統的食品檢測技術，不受擴增效率約束、無需使用內參基因與標準曲線，檢測準確度高，并且具有較強的靈敏性、耐受性和絕對定量的優勢。現如今，數字PCR技術已經得到了廣泛應用，未來發展前景非常廣闊。

為了最大程度發揮區域臺站和全球共享臺站的聯合應用效能，我們采用安全隔離網閘技術，對區域臺網和全球共享臺網實時數據進行融合，共同組建全球海底地震臺網（圖2），專門用于中國近海、南中國海區域、太平洋地區以及全球其他大洋重點關注海域的地震海嘯預警。全球地震臺網的建立，為海底大地震的地震基本參數測定、地震震源參數和破裂過程特征分析提供了強有力的數據支撐和服務。

圖2 全球和區域地震臺網Fig.2 The global and regional seismic networks

1.2 地震基本參數測定

對于海嘯預警來說，在海底大地震發生之后，在盡可能短的時間內，根據實時地震臺站記錄的地震到時觀測資料，對已發生的地震事件的時、空、強參數（地震發生時間、經度、緯度、深度和震級等）作出快速有效測定是地震海嘯預警的基本需求。這尤其適用于鄰近潛在海嘯源的沿岸地區，為海嘯可能襲擊的沿海地區發出快速的預警信息。

目前，南中國海區域海嘯預警中心主要使用德國SeisComP3 和美國Antelope 地震監測處理系統，實現數據質量控制、地震自動檢測、事件關聯、定位、報警等功能，采用地震的自動處理和人機交互處理相結合方式，快速測定地震的基本參數。SeisComP3是德國Gempa 公司（https://www.gempa.de）開發的一套免費的、開源的地震實時監測與自動處理系統[9]。SeisComP3 系統可以采用不同的震級計算方法快速計算多種震級，包括近震震級ML、短周期體波震級mb、寬頻帶體波震級mB、體波矩震級MWP、面波震級MS以及包括不同震級間關系表示的轉換震級MW(mB)、MW(MWP)和綜合震級M。Antelope 地震數據實時處理系統是由美國BRTT（http://www.brtt.com）公司開發的，是一套基于UNIX 平臺的分布式開放結構的軟件。該軟件集數據獲取、分析和管理等功能于一身，是一個可進行實時地震臺網數據監測和處理的綜合軟件。Antelope 提供的震級主要包括mb、MS和MWP。對于震級測定來說，由于mb和MS受頻率成分的限定，存在震級飽和現象，容易低估大地震震級大小，且MS測定所需時間長，這兩種震級本質上不適用于海嘯預警。由于MWP和mB不易飽和[10-11]，在海嘯預警中，常用來快速測定大地震震級，以此來判斷大地震發生海嘯的潛勢。

SeisComP3 和Antelope 地震監測處理系統在南中國海區域海嘯預警與減災系統運行中發揮著重要的作用。2019 年1—12 月，全球總計發生6 級及以上地震145 次，其中9 次發生在南中國海區域。地震監測處理結果表明，在地震發生后3—8 min 內，系統即提供了穩定、可靠的地震定位結果，為海嘯預警信息發布贏取了時間。

此外，南中國海區域海嘯預警中心通過專線實時接收中國地震臺網中心地震自動定位和人工定位結果。與此同時，海嘯預警系統平臺還實時監控中國地震臺網（CEIC，https://www.ceic.ac.cn）、美國地質調查局（USGS，https://earthquake.usgs.gov）、歐洲地中海地震中心（EMSC，https://www.emsc-csem.org）、日本氣象廳（JMA，http://www.jma.go.jp）等地震機構網站信息，接收太平洋海嘯預警中心（PTWC，https://www.tsunami.gov）的GTS、傳真和郵件等信息，從而多源獲取地震定位信息，保障海嘯預警系統的順利運行。

1.3 震源機制解快速反演

海底大地震發生后，近實時快速的評估地震產生海嘯災害的潛在威脅，對于海嘯預警及海嘯災害應急響應具有重要意義。然而，僅基于震源和震級所提供的海嘯預警信息，可能低估海嘯發生潛力，造成預報結果和觀測結果嚴重不符，導致發生虛報或漏報情況。隨著海嘯預警方法和高性能計算技術的發展，近實時的數值模擬成為預報海嘯災害的有效手段之一。海嘯數值模擬可以較準確地模擬海嘯波傳播及近岸爬坡的全過程，為海嘯預報人員提供大量參考數據，為準確評估海嘯災害提供必要的支撐。在海嘯數值模擬計算過程中，地震矩、矩心位置和深度、斷層面幾何參數（走向角、傾角和滑動角）、地震破裂尺度等地震參數直接影響模擬結果的準確性。因此，在大地震發生后，快速獲得地震震源機制和地震破裂參數也是海嘯預警的一個重要環節。

研究表明，W 震相能更好地表征潛在海嘯地震的震源參數[12-13]。由于W 震相是在S 波之前到達的一種較明顯的長周期波（100—1 000 s），群速度為4.5—9 km/s，相比傳統的面波速度快，且振幅不容易被裁剪，適用于較大震級地震震源參數的快速測定，為大地震應急救災和海嘯預警提供服務[14]。目前，該方法已經在多個國家的海嘯預警系統中得到成功應用。

我們采用W 震相方法，基于SeisComP3 系統提供的地震自動定位結果（發震時間、震中位置、震源深度和震級）和實時波形數據開發了大地震矩張量解快速反演系統。地震發生后，系統自動截取反演所需波形數據。在反演過程中，以地震自動定位結果作為初始值，采用空間網格搜索方法反演得到震源參數最優解。為了提高反演效率，需要預先構建格林函數庫，采用PREM 全球一維速度模型[15]，基于簡正振型疊加方法[14,16]計算三分量理論格林函數庫，震中距0°≤Δ≤90°，間隔為0.1°，深度0—760 km，深度間隔為2—10 km，深度間隔隨震源深度增加而變化。

圖3 給出了2019 年1—12 月全球6 級以上地震震源機制解分布。大量實際應用表明，在地震發生10—20 min 內即可得到矩震級、矩心位置、矩心深度、走向角、傾角和滑動角等震源相關信息。

圖3 2019 年1—12 月全球6 級以上地震震源機制解。黑色線為全球主要板塊邊界[17]Fig.3 The focal mechanism solutions of global earthquakes with M＞6.0 from January to December 2019.The black lines are the boundaries of major plates in the world[17]

1.4 有限斷層模型反演

一般來說，在快速海嘯數值模擬過程中，均采用簡化的均勻滑動位錯模型。根據震級和斷層尺度經驗關系式，估算地震破裂尺度和平均滑移量，采用Okada[18]彈性半無限空間模型計算同震垂直位移，作為地震海嘯初始位移場，并沒有考慮大地震的真實破裂過程。大地震的破裂過程是非常復雜的，具有斷層的非平面性、滑移分布的非均勻性和方向性，以及震源的動態破裂過程等。應用簡化的震源模型，對于特大型地震或海嘯地震，常常會低估大地震引發海嘯的潛力，導致預測的海嘯波高不準確，尤其對近場的海嘯數值模擬影響更大。

時空破裂過程對海嘯的產生以及對近場海嘯波演化具有重要作用[19-20]。同時，震源時間函數也可以作為判斷慢地震或海嘯地震的參考依據。為了更好地模擬海嘯傳播過程，刻畫海嘯發生和傳播過程細節，減少震源區范圍不確定性對海嘯數值模擬的影響，提高海嘯數值預報準確度，應采用地震學方法提供的有限斷層模型進行海嘯數值模擬[21]。

對于大地震來說，在應用W 震相方法確定地震的發震斷層面解參數后，我們應用Kikuchi 和Kanamori提出的非負最小二乘法（NNLS）[14,22-25]，對震中距范圍在30°—90°全球地震臺網（GSN）臺站記錄的遠震P 波垂直分量，反演有限斷層模型，采用平面層狀介質模型的廣義反射、透射系數矩陣法計算反演臺站的格林函數[26]，速度模型采用Ak135 全球一維走時模型[27]。該方法基本思路為：首先對視震源時間函數的形狀做出假設，通過反演得到其幅值，同時以震源時間函數為基礎，分割出子事件并反演出子斷層的時空參數，最終得到整個事件的空間位置和滑動分布。在這里，我們僅采用P 波成分反演有限斷層模型；如果聯合使用S 波或面波成分，可能需要等待十幾分鐘或更長時間來積累數據，這并不滿足海嘯預警時間要求。

2 實例應用

2019 年11 月14 日16 時17 分（UTC），在印尼馬魯古附近海域（1.621° N，126.416°E）發生MW7.1 地震，震源深度為15 km。地震發生后，位于北京的聯合國教科文組織政府間海洋學委員會南中國海區域海嘯預警中心（UNESCO-IOC/SCSTAC）快速向南中國海區域周邊國家發布了海嘯預警信息，預計在震源周邊約300 km 范圍內可能引發局地海嘯（https://www.scstac.org）。據震源區附近潮位站水位觀測數據表明，該地震引發高度10 cm 左右的海嘯波。馬魯古海MW7.1 地震震感強烈，烈度最大達VI 度（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60006bjl/dyfi/int ensity），但由于此次地震震中位于馬魯古海中，距離沿岸最近處約130 km，并未給馬魯古海沿岸地區造成人員傷亡和損失。

在地震發生4 分34 秒后，SeisComP3 地震監測處理系統快速測定了馬魯古海MW7.1 地震，初始定位結果為（1.621°N，126.416°E），深度15 km，震級MWP7.2。隨著越來越多地震臺站觸發并參與定位，地震監測系統連續對此次地震進行多次定位，對初始定位結果進行修訂和更新。作為備份運行的Antelope系統，在震后8 分3 秒，利用104 個臺站的初至震相進行地震自動定位，其地震基本參數和SeisComP3系統測定的結果基本一致。圖4 給出了不同地震機構測定的震中位置。

圖4 馬魯古海地震震中位置和震源機制解Fig.4 The epicenter location and focal mechanism solutions of Molucca Sea earthquake

應用W 震相反演方法，系統自動反演了馬魯古海MW7.1 地震震源機制解。地震發生8 min 左右，系統給出了初始反演結果，隨著參與反演臺站越來越多，并于震后15 min 左右得到4 次穩定的震源機制解（表1）。其中，斷層面節面Ⅰ，走向角217°/傾角52°/滑動角102°；節面Ⅱ，走向角17°/傾角40°/滑動角75°；地震矩M0=4.921×1019N·m，對應矩震級MW=7.1；所得到矩心位置為（1.721°N，126.316°E），矩心深度為23.5 km。文中收集了全球矩心矩張量解項目（GCMT）和美國地質調查局（USGS）等地震機構反演的震源機制解，并與本文結果相比較（圖4）。不同機構反演的震源機制解基本一致，均表明馬魯古海MW7.1 地震是一次中等傾角逆沖型事件。

表1 SCSTAC 震后不同時間得到的馬魯古海MW7.1 地震震源參數Table 1 The source parameters of the MW7.1 Molucca Sea earthquake determined by SCSTAC at different time after origin time

在破裂過程反演時，需要固定有限斷層模型的走向角和傾角。由于此次地震發生在印尼東部地區，處于太平洋板塊、印度—澳大利亞板塊、菲律賓海板塊和巽他板塊的會聚帶，區域地質構造復雜，僅僅依賴震源機制反演結果不能確定兩個共軛節面中哪一個與實際的地震破裂面相近[28-29]。為了快速獲取有限斷層模型，我們嘗試著應用兩個共軛節面進行有限斷層反演，根據殘差最小來確定優勢斷層節面（圖5）。

我們選取了55 個臺站參與遠震體波有限斷層模型反演（圖5a）。通過多次計算嘗試，我們把發震斷層劃分為8×7 個單位面積5 km×5 km 的子斷層，將每個子斷層近似看做位于子塊中心的點源，破裂速度設為2.5 km/s，光滑約束權重因子設為1.0。在反演過程中，我們對波形擬合不好的臺站進行加權處理，以調整該臺站波形記錄數據參與計算的權重。同時，對所有波形數據和計算得到的格林函數進行濾波處理，濾波頻帶為0.01—0.5 Hz。

反演結果顯示，當采用SSW 走向的斷層（模型1）進行反演時，觀測波形與理論波形的擬合方差為0.224，而采用NNE 走向的斷層（模型2）時擬合方差為0.253，略大于模型1 的擬合方差，表明模型1 波形擬合好于模型2 擬合程度，可以判斷SSW 節面Ⅰ發震斷層可能為真實破裂模型。從反演得到的斷層面分布上來看（圖5d），顯示出斷層破裂滑動區域集中在35 km×30 km 的淺層區域，最大位移分布在震中附近，最大位移量約4 m。此外，模型結果顯示此次地震破裂持續時間（圖5b）約為17 s，斷層在破裂開始后迅速加速破裂，約5 s 時地震矩釋放速率達到峰值，15 s 后破裂迅速愈合。

圖5 馬魯古海地震有限斷層模型Fig.5 Finite fault model of the Molucca Sea earthquake

3 結束語

南中國海區域海嘯預警中心的正式運行，為南中國海區域防范海嘯風險、維護周邊國家沿海人民生命財產安全提供了有力保障。建設完成的實時地震監測處理系統，從多方面保證了實時地震數據的匯集、處理和分析能力，為中國近海、南中國海區域，以及全球重點海域海嘯預警提供迅速、準確、可靠的地震基本參數和震源特征參數，為南中國海區域海嘯預警與減災系統的順利穩定運行提供了重要的數據資源和科技支撐，有效地促進了海嘯預警預報工作的發展，提高了海嘯預警能力和海嘯災害應急反應能力，對海洋防災減災工作具有極其重要的指導意義。

自2018 年試運行以來，南中國海區域海嘯預警中心的實時地震監測處理系統運行穩定。實例應用表明，實時地震監測處理系統能夠在震后3—8 min內快速測定地震基本參數，在震后10—20 min 內快速提供矩震級、矩心位置、矩心深度、走向角、傾角和滑動角等震源參數，并在震后短時間內，為海嘯預警提供有限斷層靜態滑移量分布和震源時間函數等地震破裂參數。

值得注意的是，在大地震發生之后，如何快速、準確地判斷該地震是否會激發海嘯，仍然是個懸而未決的科學問題。盡管科學家從以往地震的蛛絲馬跡中探尋出了些許海嘯的特征規律，但就目前而言，科學上對于地震與海嘯發生的關系仍有許多未知數，海嘯預警依然面臨極大挑戰。未來，南中國海區域海嘯預警中心將結合最新的地震監測和海嘯預警預報技術和方法，例如快速識別慢地震[30]、臺陣反投影技術快速估算大地震破裂尺度和方向[31]，以及結合P 波持續時間快速估算大地震震級[32]等方法，進一步完善和改進現有的實時地震監測與處理系統，使之具備更強大的海嘯預警服務能力。

致謝

南中國海區域海嘯預警中心在建設和運行過程中，得到聯合國教科文組織海洋學委員會IOC/UNESCO、太平洋海嘯預警與減災系統、太平洋海嘯預警中心、西北太平洋海嘯預警中心、南中國海周邊國家海嘯預警中心，以及中國地震局等機構給予的幫助和支持，在此一并表示感謝。感謝德國Gempa 公司和美國BRTT 公司提供地震監測處理系統，感謝IRIS/DMC、GEOFON 和GEOSCOPE 臺網提供實時地震波形數據，感謝Luis Rivera 提供W 震相反演程序和Kikuchi提供遠震體波有限斷層反演程序。本文利用GMT 軟件繪制圖件。