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科研工作

研究亮點(diǎn)：基于機(jī)器學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)方程的現(xiàn)地閾值水準(zhǔn)地震預(yù)警新方法

發(fā)布時(shí)間： 2022-06-27 點(diǎn)擊數(shù)量：7598

研究背景：

地震預(yù)警的核心工作是利用地震初期信息快速判斷地震的潛在破壞區(qū)域，但是在大地震事件中，快速實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地震破裂的走向是制約地震潛在破壞區(qū)域確定的關(guān)鍵，這也是目前地震預(yù)警的難點(diǎn)所在。隨著地震臺(tái)網(wǎng)的密集建設(shè)，直接利用密集現(xiàn)地臺(tái)站地震動(dòng)預(yù)測(cè)代替地震動(dòng)場(chǎng)成為研究的趨勢(shì)，但目前還存在現(xiàn)地臺(tái)站震級(jí)估計(jì)與現(xiàn)地地震動(dòng)預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性差的亟待解決問題。本研究基于機(jī)器學(xué)習(xí)方法建立了現(xiàn)地臺(tái)站的震級(jí)與地震動(dòng)預(yù)測(cè)方程，在此基礎(chǔ)上，分別以震級(jí)5.7和儀器烈度Ⅶ度作為閾值建立四水準(zhǔn)警報(bào)判斷模型，提出了一種基于機(jī)器學(xué)習(xí)的地震預(yù)警新方法。

研究方法及結(jié)果：

1）利用日本K-net強(qiáng)震觀測(cè)加速度數(shù)據(jù)建立訓(xùn)練、測(cè)試、驗(yàn)證數(shù)據(jù)集，構(gòu)建了基于多特征輸入和機(jī)器學(xué)習(xí)支持向量機(jī)（SVM）的震級(jí)估計(jì)和峰值速度（PGV）預(yù)測(cè)方程。這兩種預(yù)測(cè)方程分別稱為估計(jì)震級(jí)的SVM-M模型和預(yù)測(cè)PGV的SVM-PGV模型。設(shè)置預(yù)測(cè)震級(jí)閾值和PGV閾值分別為M=5.7和PGV=9.12 cm/s，當(dāng)預(yù)測(cè)震級(jí)或PGV值超過給定閾值時(shí)，會(huì)在不同的記錄點(diǎn)發(fā)出不同的警報(bào)級(jí)別（0、1、2、3）。警報(bào)級(jí)別3表示預(yù)測(cè)的震級(jí)和預(yù)測(cè)的PGV都超過給定的閾值，并且該記錄站點(diǎn)可能會(huì)受到嚴(yán)重破壞。（圖1）

2）三次破壞性地震事件（M≥6.5）的驗(yàn)證結(jié)果表明，就預(yù)測(cè)PGV的SVM-PGV模型的性能而言，在P波到達(dá)后3 s，這三個(gè)事件的成功警報(bào)百分比分別高于95%、73%和94%，假警報(bào)百分比接近0。考察SVM-M模型估計(jì)震級(jí)的性能，在P波到達(dá)后3s，這三個(gè)事件的成功警報(bào)百分比超過95%，漏報(bào)百分比接近0。此外，幾乎所有實(shí)測(cè)PGV≥16厘米/秒（IMM≥Ⅶ）的震中附近臺(tái)站均可以發(fā)布3級(jí)警報(bào)。

3）該方法是一種新型地震預(yù)警模型，具有潛在的應(yīng)用前景。（圖2）

該成果發(fā)表在國際知名地球物理學(xué)期刊《Geophysical Journal International》（Jindong Song（宋晉東）, Jingbao Zhu（朱景寶）, Yuan Wang（汪源）, Shanyou Li（李山有）*. On-Site Alert-Level Earthquake Early Warning Using Machine-Learning-Based Prediction Equations. Geophysical Journal International, 2022. https://doi.org/10.1093/gji/ggac220）（IF：2.934，*通訊作者）。

圖1 基于機(jī)器學(xué)習(xí)的現(xiàn)地閾值水準(zhǔn)地震預(yù)警模型

圖2 三次大地震事件的警報(bào)水準(zhǔn)預(yù)測(cè)與性能分析

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