南中国海区域海啸预警中心地震监测系统＊

徐志国 史健宇 李宏伟 王宗辰

（国家海洋环境预报中心，北京 100081）

引言

南中国海地区位于欧亚板块、太平洋板块和印度—澳大利亚板块的会聚地带。由于受多个板块俯冲作用的影响，各板块交接地带火山、地震、海啸活动频繁。沿南中国海、苏禄海和苏拉威西海东缘发育了马尼拉海沟、苏禄海沟和苏拉威西海沟等俯冲带，是国际上公认的潜在海啸源发生地[4-6]，若发生大规模海啸，将对南中国海周边各国沿岸地区造成极大威胁。

为了有效应对南中国海区域地震海啸风险，2008 年，联合国教科文组织政府间海洋学委员会（IOC）执行理事国第41 次会议就通过决议，鼓励南中国海区域各成员国在政府间协调组框架下积极推动南中国海区域海啸预警与减灾系统（South China Sea Region Tsunami Warning and Mitigation System）的筹划和建设。在中国和马来西亚等国的积极倡导下，2009 年召开的太平洋海啸预警与减灾系统政府间协调组（ICG/PTWS）第23 次会议决定建立南中国海区域工作组，通过加强区域协作开展南中国海海啸预警与减灾系统建设。2011 年，中国在ICG/PTWS 第24 次会议（北京）上正式提交南中国海海啸预警与减灾系统建设方案。2013 年举行的ICG/PTWS 第25 次大会（符拉迪沃斯托克）正式同意依托中国国家海洋环境预报中心建设IOC 南中国海区域海啸预警中心（South China Sea Tsunami Advisory Center，SCSTAC）。2018 年1 月26 日，经IOC 正式批准，由中国承建的IOC 南中国海区域海啸预警中心正式开展业务化试运行。2019 年3 月，在尼加拉瓜举行的ICG/PTWS第28 次会议批准南中国海区域海啸预警中心于2019年11 月5 日开始业务化正式运行。南中国海区域海啸预警中心向南中国海周边的国家提供2 4 小时×7 天的地震海啸监测预警服务，对发生在南中国海区域范围内的6.0 级以上海底地震事件，通过传真、网络、电子邮件和世界气象组织全球电传系统（Global Telecommunication System，GTS）向周边国家和地区及时发布海啸预警信息（http://baike.baidu.com/view/18698807.html）。图1 为南中国海区域海啸预警中心预警责任区。由图来看，南中国海区域地处东南亚，包括南海（South China Sea）、苏禄海（Sulu Sea）和苏拉威西海（Sulawesi Sea）亦称西里伯斯海（Celebes Sea）3 个独立的半封闭海盆，紧邻中国、文莱、柬埔寨、印尼、马来西亚、菲律宾、新加坡、泰国、越南9 个国家。

图1 南中国海区域海啸预警中心预警责任区Fig.1 The areas of responsibility for tsunami warning service of the South China Sea Tsunami Advisory Center

在IOC 的指导下，在南中国海周边成员国的大力支持下，中国通过自主研发设计并结合国内外先进海啸预警预报技术等科学方式，建立了海啸预警与减灾系统。该系统集成了全球实时地震和水位监测处理、海啸情景数据库、海啸并行数值预报模型，以及海啸预警产品自动制作与发布等多个子系统，形成对中国、南中国海区域、太平洋地区及全球其他大洋重点关注海域的地震海啸监测、分析和预警能力，使得在地震发生10 min 之内，及时有效地向中国沿海地区、南中国海周边国家及相关海域提供快速的海啸预警信息服务。

海啸预警系统的工作原理就是利用地震波传播速度比海啸的传播速度快的物理机制，同海啸波赛跑，为减轻海啸灾害对人民生命财产安全赢取更多时间。当前，海啸预警中心主要依靠地震台网实时监测海底地震活动，在地震发生后快速确定地震发震时间、位置、震级、震源深度、震源机制以及震源破裂信息等特征参数，海啸预报员在短时间内发布定性（qualitative advisory）或定量（quantitative advisory）的海啸信息，来判断地震是否产生海啸，以及评估海啸对可能袭击的沿岸地区的危险性。因此，对于海啸预警来说，实时地震监测和处理在海啸预警工作中起着非常重要的作用，快速、准确地确定地震参数显得尤为重要。在此背景下，本文详细阐述了南中国海区域海啸预警中心实时地震监测系统组成及其基本功能，以期在地震发生后，为海啸预警提供快速准确的地震基本参数和相关震源参数。

1 实时地震监测与处理

1.1 区域和全球地震台网

地震监测台网是海啸预警系统的重要组成部分之一，主要用来监测全球及区域的海底地震，依靠台站实时记录的地震波形，快速确定地震位置和震源特征参数等信息，为海啸预警服务提供重要数据支撑。

为了提高中国近海海域地震监测能力，原国家海洋局依托已有的海洋环境观测站，选择观测环境和地质条件适合、基础设施完善的海洋观测站，按照台站均匀分布的原则，在中国近海地区及岛屿上建设了27 个地震台站，安装了港震公司生产的BBVS-120 三分量宽频带速度型地震计和BBAS-2 三分量加速度计，以及大动态范围的EDAS-24GN 地震数据采集器，实时记录的地震数据通过海洋数据专用通讯网络实时传输至国家海洋环境预报中心[7-8]。此外，基于实时地震数据共享与交换技术，通过专线实时获取中国地震局数字地震观测网络的54 个台站，连同原国家海洋局建设的27 个台站，构成海啸预警区域地震台网，有效地提高了中国近海及南中国海区域地震的监测能力。

由于区域台站主要集中分布在中国东南沿海地区，如果单纯应用这些台站对南中国海区域发生的地震进行定位，其定位结果必然存在很大偏差，很难满足海啸预警工作需求。因此，我们通过互联网获取美国地震学联合研究会（IRIS）全球地震台网、欧洲GEOFON 台网和GEOSCOPE 台网公开的实时地震波形数据，根据地震台站分布密度，以均匀分布为原则，实时接收并处理了733 个台站数据，用来实时监测全球海底地震发生情况。

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为了最大程度发挥区域台站和全球共享台站的联合应用效能，我们采用安全隔离网闸技术，对区域台网和全球共享台网实时数据进行融合，共同组建全球海底地震台网（图2），专门用于中国近海、南中国海区域、太平洋地区以及全球其他大洋重点关注海域的地震海啸预警。全球地震台网的建立，为海底大地震的地震基本参数测定、地震震源参数和破裂过程特征分析提供了强有力的数据支撑和服务。

图2 全球和区域地震台网Fig.2 The global and regional seismic networks

1.2 地震基本参数测定

对于海啸预警来说，在海底大地震发生之后，在尽可能短的时间内，根据实时地震台站记录的地震到时观测资料，对已发生的地震事件的时、空、强参数（地震发生时间、经度、纬度、深度和震级等）作出快速有效测定是地震海啸预警的基本需求。这尤其适用于邻近潜在海啸源的沿岸地区，为海啸可能袭击的沿海地区发出快速的预警信息。

目前，南中国海区域海啸预警中心主要使用德国SeisComP3 和美国Antelope 地震监测处理系统，实现数据质量控制、地震自动检测、事件关联、定位、报警等功能，采用地震的自动处理和人机交互处理相结合方式，快速测定地震的基本参数。SeisComP3是德国Gempa 公司（https://www.gempa.de）开发的一套免费的、开源的地震实时监测与自动处理系统[9]。SeisComP3 系统可以采用不同的震级计算方法快速计算多种震级，包括近震震级ML、短周期体波震级mb、宽频带体波震级mB、体波矩震级MWP、面波震级MS以及包括不同震级间关系表示的转换震级MW(mB)、MW(MWP)和综合震级M。Antelope 地震数据实时处理系统是由美国BRTT（http://www.brtt.com）公司开发的，是一套基于UNIX 平台的分布式开放结构的软件。该软件集数据获取、分析和管理等功能于一身，是一个可进行实时地震台网数据监测和处理的综合软件。Antelope 提供的震级主要包括mb、MS和MWP。对于震级测定来说，由于mb和MS受频率成分的限定，存在震级饱和现象，容易低估大地震震级大小，且MS测定所需时间长，这两种震级本质上不适用于海啸预警。由于MWP和mB不易饱和[10-11]，在海啸预警中，常用来快速测定大地震震级，以此来判断大地震发生海啸的潜势。

SeisComP3 和Antelope 地震监测处理系统在南中国海区域海啸预警与减灾系统运行中发挥着重要的作用。2019 年1—12 月，全球总计发生6 级及以上地震145 次，其中9 次发生在南中国海区域。地震监测处理结果表明，在地震发生后3—8 min 内，系统即提供了稳定、可靠的地震定位结果，为海啸预警信息发布赢取了时间。

此外，南中国海区域海啸预警中心通过专线实时接收中国地震台网中心地震自动定位和人工定位结果。与此同时，海啸预警系统平台还实时监控中国地震台网（CEIC，https://www.ceic.ac.cn）、美国地质调查局（USGS，https://earthquake.usgs.gov）、欧洲地中海地震中心（EMSC，https://www.emsc-csem.org）、日本气象厅（JMA，http://www.jma.go.jp）等地震机构网站信息，接收太平洋海啸预警中心（PTWC，https://www.tsunami.gov）的GTS、传真和邮件等信息，从而多源获取地震定位信息，保障海啸预警系统的顺利运行。

1.3 震源机制解快速反演

海底大地震发生后，近实时快速的评估地震产生海啸灾害的潜在威胁，对于海啸预警及海啸灾害应急响应具有重要意义。然而，仅基于震源和震级所提供的海啸预警信息，可能低估海啸发生潜力，造成预报结果和观测结果严重不符，导致发生虚报或漏报情况。随着海啸预警方法和高性能计算技术的发展，近实时的数值模拟成为预报海啸灾害的有效手段之一。海啸数值模拟可以较准确地模拟海啸波传播及近岸爬坡的全过程，为海啸预报人员提供大量参考数据，为准确评估海啸灾害提供必要的支撑。在海啸数值模拟计算过程中，地震矩、矩心位置和深度、断层面几何参数（走向角、倾角和滑动角）、地震破裂尺度等地震参数直接影响模拟结果的准确性。因此，在大地震发生后，快速获得地震震源机制和地震破裂参数也是海啸预警的一个重要环节。

研究表明，W 震相能更好地表征潜在海啸地震的震源参数[12-13]。由于W 震相是在S 波之前到达的一种较明显的长周期波（100—1 000 s），群速度为4.5—9 km/s，相比传统的面波速度快，且振幅不容易被裁剪，适用于较大震级地震震源参数的快速测定，为大地震应急救灾和海啸预警提供服务[14]。目前，该方法已经在多个国家的海啸预警系统中得到成功应用。

我们采用W 震相方法，基于SeisComP3 系统提供的地震自动定位结果（发震时间、震中位置、震源深度和震级）和实时波形数据开发了大地震矩张量解快速反演系统。地震发生后，系统自动截取反演所需波形数据。在反演过程中，以地震自动定位结果作为初始值，采用空间网格搜索方法反演得到震源参数最优解。为了提高反演效率，需要预先构建格林函数库，采用PREM 全球一维速度模型[15]，基于简正振型叠加方法[14,16]计算三分量理论格林函数库，震中距0°≤Δ≤90°，间隔为0.1°，深度0—760 km，深度间隔为2—10 km，深度间隔随震源深度增加而变化。

图3 给出了2019 年1—12 月全球6 级以上地震震源机制解分布。大量实际应用表明，在地震发生10—20 min 内即可得到矩震级、矩心位置、矩心深度、走向角、倾角和滑动角等震源相关信息。

图3 2019 年1—12 月全球6 级以上地震震源机制解。黑色线为全球主要板块边界[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 有限断层模型反演

一般来说，在快速海啸数值模拟过程中，均采用简化的均匀滑动位错模型。根据震级和断层尺度经验关系式，估算地震破裂尺度和平均滑移量，采用Okada[18]弹性半无限空间模型计算同震垂直位移，作为地震海啸初始位移场，并没有考虑大地震的真实破裂过程。大地震的破裂过程是非常复杂的，具有断层的非平面性、滑移分布的非均匀性和方向性，以及震源的动态破裂过程等。应用简化的震源模型，对于特大型地震或海啸地震，常常会低估大地震引发海啸的潜力，导致预测的海啸波高不准确，尤其对近场的海啸数值模拟影响更大。

时空破裂过程对海啸的产生以及对近场海啸波演化具有重要作用[19-20]。同时，震源时间函数也可以作为判断慢地震或海啸地震的参考依据。为了更好地模拟海啸传播过程，刻画海啸发生和传播过程细节，减少震源区范围不确定性对海啸数值模拟的影响，提高海啸数值预报准确度，应采用地震学方法提供的有限断层模型进行海啸数值模拟[21]。

对于大地震来说，在应用W 震相方法确定地震的发震断层面解参数后，我们应用Kikuchi 和Kanamori提出的非负最小二乘法（NNLS）[14,22-25]，对震中距范围在30°—90°全球地震台网（GSN）台站记录的远震P 波垂直分量，反演有限断层模型，采用平面层状介质模型的广义反射、透射系数矩阵法计算反演台站的格林函数[26]，速度模型采用Ak135 全球一维走时模型[27]。该方法基本思路为：首先对视震源时间函数的形状做出假设，通过反演得到其幅值，同时以震源时间函数为基础，分割出子事件并反演出子断层的时空参数，最终得到整个事件的空间位置和滑动分布。在这里，我们仅采用P 波成分反演有限断层模型；如果联合使用S 波或面波成分，可能需要等待十几分钟或更长时间来积累数据，这并不满足海啸预警时间要求。

2 实例应用

2019 年11 月14 日16 时17 分（UTC），在印尼马鲁古附近海域（1.621° N，126.416°E）发生MW7.1 地震，震源深度为15 km。地震发生后，位于北京的联合国教科文组织政府间海洋学委员会南中国海区域海啸预警中心（UNESCO-IOC/SCSTAC）快速向南中国海区域周边国家发布了海啸预警信息，预计在震源周边约300 km 范围内可能引发局地海啸（https://www.scstac.org）。据震源区附近潮位站水位观测数据表明，该地震引发高度10 cm 左右的海啸波。马鲁古海MW7.1 地震震感强烈，烈度最大达VI 度（https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/us60006bjl/dyfi/int ensity），但由于此次地震震中位于马鲁古海中，距离沿岸最近处约130 km，并未给马鲁古海沿岸地区造成人员伤亡和损失。

在地震发生4 分34 秒后，SeisComP3 地震监测处理系统快速测定了马鲁古海MW7.1 地震，初始定位结果为（1.621°N，126.416°E），深度15 km，震级MWP7.2。随着越来越多地震台站触发并参与定位，地震监测系统连续对此次地震进行多次定位，对初始定位结果进行修订和更新。作为备份运行的Antelope系统，在震后8 分3 秒，利用104 个台站的初至震相进行地震自动定位，其地震基本参数和SeisComP3系统测定的结果基本一致。图4 给出了不同地震机构测定的震中位置。

图4 马鲁古海地震震中位置和震源机制解Fig.4 The epicenter location and focal mechanism solutions of Molucca Sea earthquake

应用W 震相反演方法，系统自动反演了马鲁古海MW7.1 地震震源机制解。地震发生8 min 左右，系统给出了初始反演结果，随着参与反演台站越来越多，并于震后15 min 左右得到4 次稳定的震源机制解（表1）。其中，断层面节面Ⅰ，走向角217°/倾角52°/滑动角102°；节面Ⅱ，走向角17°/倾角40°/滑动角75°；地震矩M0=4.921×1019N·m，对应矩震级MW=7.1；所得到矩心位置为（1.721°N，126.316°E），矩心深度为23.5 km。文中收集了全球矩心矩张量解项目（GCMT）和美国地质调查局（USGS）等地震机构反演的震源机制解，并与本文结果相比较（图4）。不同机构反演的震源机制解基本一致，均表明马鲁古海MW7.1 地震是一次中等倾角逆冲型事件。

表1 SCSTAC 震后不同时间得到的马鲁古海MW7.1 地震震源参数Table 1 The source parameters of the MW7.1 Molucca Sea earthquake determined by SCSTAC at different time after origin time

在破裂过程反演时，需要固定有限断层模型的走向角和倾角。由于此次地震发生在印尼东部地区，处于太平洋板块、印度—澳大利亚板块、菲律宾海板块和巽他板块的会聚带，区域地质构造复杂，仅仅依赖震源机制反演结果不能确定两个共轭节面中哪一个与实际的地震破裂面相近[28-29]。为了快速获取有限断层模型，我们尝试着应用两个共轭节面进行有限断层反演，根据残差最小来确定优势断层节面（图5）。

我们选取了55 个台站参与远震体波有限断层模型反演（图5a）。通过多次计算尝试，我们把发震断层划分为8×7 个单位面积5 km×5 km 的子断层，将每个子断层近似看做位于子块中心的点源，破裂速度设为2.5 km/s，光滑约束权重因子设为1.0。在反演过程中，我们对波形拟合不好的台站进行加权处理，以调整该台站波形记录数据参与计算的权重。同时，对所有波形数据和计算得到的格林函数进行滤波处理，滤波频带为0.01—0.5 Hz。

反演结果显示，当采用SSW 走向的断层（模型1）进行反演时，观测波形与理论波形的拟合方差为0.224，而采用NNE 走向的断层（模型2）时拟合方差为0.253，略大于模型1 的拟合方差，表明模型1 波形拟合好于模型2 拟合程度，可以判断SSW 节面Ⅰ发震断层可能为真实破裂模型。从反演得到的断层面分布上来看（图5d），显示出断层破裂滑动区域集中在35 km×30 km 的浅层区域，最大位移分布在震中附近，最大位移量约4 m。此外，模型结果显示此次地震破裂持续时间（图5b）约为17 s，断层在破裂开始后迅速加速破裂，约5 s 时地震矩释放速率达到峰值，15 s 后破裂迅速愈合。

图5 马鲁古海地震有限断层模型Fig.5 Finite fault model of the Molucca Sea earthquake

3 结束语

南中国海区域海啸预警中心的正式运行，为南中国海区域防范海啸风险、维护周边国家沿海人民生命财产安全提供了有力保障。建设完成的实时地震监测处理系统，从多方面保证了实时地震数据的汇集、处理和分析能力，为中国近海、南中国海区域，以及全球重点海域海啸预警提供迅速、准确、可靠的地震基本参数和震源特征参数，为南中国海区域海啸预警与减灾系统的顺利稳定运行提供了重要的数据资源和科技支撑，有效地促进了海啸预警预报工作的发展，提高了海啸预警能力和海啸灾害应急反应能力，对海洋防灾减灾工作具有极其重要的指导意义。

自2018 年试运行以来，南中国海区域海啸预警中心的实时地震监测处理系统运行稳定。实例应用表明，实时地震监测处理系统能够在震后3—8 min内快速测定地震基本参数，在震后10—20 min 内快速提供矩震级、矩心位置、矩心深度、走向角、倾角和滑动角等震源参数，并在震后短时间内，为海啸预警提供有限断层静态滑移量分布和震源时间函数等地震破裂参数。

值得注意的是，在大地震发生之后，如何快速、准确地判断该地震是否会激发海啸，仍然是个悬而未决的科学问题。尽管科学家从以往地震的蛛丝马迹中探寻出了些许海啸的特征规律，但就目前而言，科学上对于地震与海啸发生的关系仍有许多未知数，海啸预警依然面临极大挑战。未来，南中国海区域海啸预警中心将结合最新的地震监测和海啸预警预报技术和方法，例如快速识别慢地震[30]、台阵反投影技术快速估算大地震破裂尺度和方向[31]，以及结合P 波持续时间快速估算大地震震级[32]等方法，进一步完善和改进现有的实时地震监测与处理系统，使之具备更强大的海啸预警服务能力。

致谢

南中国海区域海啸预警中心在建设和运行过程中，得到联合国教科文组织海洋学委员会IOC/UNESCO、太平洋海啸预警与减灾系统、太平洋海啸预警中心、西北太平洋海啸预警中心、南中国海周边国家海啸预警中心，以及中国地震局等机构给予的帮助和支持，在此一并表示感谢。感谢德国Gempa 公司和美国BRTT 公司提供地震监测处理系统，感谢IRIS/DMC、GEOFON 和GEOSCOPE 台网提供实时地震波形数据，感谢Luis Rivera 提供W 震相反演程序和Kikuchi提供远震体波有限断层反演程序。本文利用GMT 软件绘制图件。