【摘要】：地震動場的實(shí)時預(yù)測用于實(shí)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(qiáng)地震動到達(dá)之前盡可能早的時間為部分地區(qū)發(fā)出警報(bào),從而減少地震帶來的損失。與估計(jì)地震基本參數(shù)相比,地震動場能夠計(jì)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(zhǔn)確的預(yù)測信息。因此,地震動場的實(shí)時預(yù)測技術(shù)具有很大的理論研究價(jià)值和實(shí)踐應(yīng)用意義�；诘卣鸹緟�(shù)預(yù)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(yàn)關(guān)系公式計(jì)算地震動信息。該方法依賴于地震基本參數(shù)與經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算精度,然而大尺度地震簡化為點(diǎn)源模型等因素會導(dǎo)致該方法對地震動的過低估計(jì),以及地震基本參數(shù)估計(jì)誤差造成的地震動場的預(yù)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(yù)測方法,該方法無需預(yù)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(yù)測方法研究更具有實(shí)際意義。本論文主要研究了地震動場的預(yù)測與實(shí)時更新技術(shù),研究目標(biāo)是利用全部當(dāng)前時刻的觀測數(shù)據(jù)更加快速以及準(zhǔn)確地實(shí)時計(jì)算出地震動場,無論在觀測資料是否充足的情況下均能應(yīng)用。通過P波觀測信息計(jì)算出初始地震動場,結(jié)合S波觀測信息對地震動場進(jìn)行實(shí)時連續(xù)預(yù)測更新,有機(jī)結(jié)合了地震基本參數(shù)限制條件與數(shù)值地震動預(yù)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(jìn)行建模等方面著手,研究實(shí)時預(yù)測地震動場的計(jì)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(yù)測方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展了地震動場的預(yù)測與實(shí)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(yù)測技術(shù)以及2015年Hoshiba提出的數(shù)值地震動預(yù)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(yàn)關(guān)系進(jìn)行地震動場的初步預(yù)測,并每隔1秒根據(jù)臺站的實(shí)時地震觀測記錄對預(yù)測結(jié)果進(jìn)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(jì)算出地震動場的初步預(yù)測結(jié)果,通過基于地震基本參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系來預(yù)測峰值地震動強(qiáng)度。采用實(shí)時預(yù)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(diǎn)源模型以及地震基本參數(shù)估計(jì)誤差等因素導(dǎo)致的地震動過低估計(jì),對部分地區(qū)的地震動場進(jìn)行修正,使得地震動場預(yù)測的時效性和準(zhǔn)確性上達(dá)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(jì)算地震基本參數(shù),并且推導(dǎo)了地震基本參數(shù)與地震動場的關(guān)系,計(jì)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(jìn)行預(yù)測�；谪惾~斯理論的馬爾可夫-蒙特卡洛法是通過計(jì)算機(jī)模擬的一種方法,是一種相對穩(wěn)定、高效的樣本計(jì)算方法。該方法將馬爾可夫過程引入到蒙特卡洛模擬中,實(shí)現(xiàn)了抽樣分布的動態(tài)模擬。采用這種方法估計(jì)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(jì)算地震基本參數(shù)的先驗(yàn)概率分布,通過馬爾可夫-蒙特卡洛法進(jìn)行迭代計(jì)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(qiáng)度預(yù)測提供合適的樣本信息。根據(jù)計(jì)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(yù)測方程經(jīng)驗(yàn)關(guān)系預(yù)測儀器烈度分布,給出地震動場的初步預(yù)測結(jié)果。該方法在缺乏地震觀測資料的情況下仍可以預(yù)測地震動場。(3).本論文將數(shù)值地震動預(yù)測方法用于地震動場的實(shí)時更新過程當(dāng)中,并將該方法應(yīng)用于汶川地震和臺灣高雄地震等震例上進(jìn)行驗(yàn)證。當(dāng)計(jì)算得到地震動場的初步預(yù)測結(jié)果之后,每間隔1秒采用數(shù)值地震動預(yù)測方法根據(jù)臺網(wǎng)中的實(shí)時臺站觀測記錄計(jì)算地震動能量分布,從而修正部分區(qū)域的預(yù)測地震動場�；诘卣鸹緟�(shù)預(yù)測地震動場的方法中即使地震基本參數(shù)預(yù)測準(zhǔn)確,地震動場的預(yù)測結(jié)果仍然不一定做到準(zhǔn)確。而且對于地震預(yù)警系統(tǒng)(EEW)來說,對地震基本參數(shù)的預(yù)測時間無法確定,這一點(diǎn)是被當(dāng)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(yù)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(shí)時計(jì)算方法,并將其應(yīng)用到對預(yù)測地震動場的連續(xù)實(shí)時更新當(dāng)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(yù)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(jìn)行了比較分析。地震波在3-D空間中進(jìn)行傳播,然而2-D模型因其計(jì)算簡便而在文獻(xiàn)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(jìn)行模擬,并與2-D建模方法進(jìn)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(shí)時預(yù)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(shí)際地震觀測記錄,對本研究所提出的方法分別進(jìn)行了驗(yàn)證與分析,并對驗(yàn)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(yù)測方法的基礎(chǔ)上,發(fā)展了地震動場的預(yù)測與實(shí)時更新框架,使得地震基本參數(shù)成為一個重要的補(bǔ)充條件,在缺乏觀測資料的情況下仍然可以實(shí)時預(yù)測地震動場。(2).采用基于馬爾可夫-蒙特卡洛采樣估計(jì)地震基本參數(shù),利用地震動預(yù)測方程經(jīng)驗(yàn)關(guān)系公式,預(yù)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(yù)測結(jié)合粒子加權(quán)重采樣的實(shí)時更新算法,利用臺站記錄對地震動場的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行實(shí)時修正。并將該方法在缺乏觀測資料情況下的震例上進(jìn)行了驗(yàn)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(shí)時更新計(jì)算當(dāng)中,采用3-D空間的蒙特卡洛模擬算法進(jìn)行建模并與2-D平面建模方法進(jìn)行了比較分析。
【學(xué)位授予單位】：中國地震局工程力學(xué)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)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(jìn)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(yù)測方程初步預(yù)測地震動場地震動場的初步預(yù)測方法主要用于給定區(qū)域位置，結(jié)合預(yù)測得到的震中位置以及震級，計(jì)算出各個區(qū)域的峰值地震動(主要以儀器烈度表示)，來預(yù)測地震動場。在地震動場的預(yù)測方法上，主要通過兩階段計(jì)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(jì)算出PGA或PGV，然后通過儀器烈度與PGA或 PGV的關(guān)系，來計(jì)算出各個區(qū)域的儀器烈度。3.4 節(jié)主要推導(dǎo)了中國大陸和中國臺灣用于地震動場初步預(yù)測的地震動預(yù)測方程。針對中國大陸，我們采用如下公式進(jìn)行計(jì)算。首先，根據(jù)張紅才(2013)得到PGV與Pd擬合的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式如下所示:

- 24 -圖 3-2 儀器烈度計(jì)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(jì)算出震中距R，并根據(jù)公式(3-20)計(jì)算出該地區(qū)能夠達(dá)到的PGV。在獲得PGV后，我們可以通過PGV來計(jì)算臺灣烈度，采用 Wu提供的關(guān)系式進(jìn)行計(jì)算： I 2. 14 logPGV 1.89t(3-21)

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本文編號：2724161