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研究亮點(diǎn)

基于支持向量機(jī)和多參數(shù)輸入的地震預(yù)警震級(jí)估算研究

發(fā)布時(shí)間： 2022-08-10 點(diǎn)擊數(shù)量：2921

研究背景：

對(duì)于地震預(yù)警，在地震破裂初期，利用P波到達(dá)后最初幾秒的信號(hào)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)最終震級(jí)大小非常有意義。同時(shí)，地震破壞區(qū)域的估計(jì)以及向目標(biāo)場(chǎng)地發(fā)布預(yù)警信息也都依賴于準(zhǔn)確的震級(jí)估計(jì)。目前，在地震預(yù)警震級(jí)估算研究中，大多采用是基于單個(gè)特征參數(shù)與震級(jí)的線性統(tǒng)計(jì)關(guān)系，包括峰值位移Pd、平均周期Tc等，我國(guó)地震預(yù)警系統(tǒng)中采用的震級(jí)估計(jì)方法是Pd方法。由于單個(gè)參數(shù)包含與震級(jí)相關(guān)的信息較少，震級(jí)估計(jì)結(jié)果有誤差較大、小震高估和大震低估的問(wèn)題。本文提出一個(gè)基于機(jī)器學(xué)習(xí)支持向量機(jī)和多參數(shù)輸入的方法，目的是改進(jìn)地震預(yù)警震級(jí)估計(jì)結(jié)果。

研究方法及結(jié)果：

1）利用日本K-NET強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)記錄的3.0-7.4級(jí)地震事件和支持向量機(jī)建立了一個(gè)基于支持向量機(jī)的震級(jí)估計(jì)SVM-M模型，采用地震記錄計(jì)算得到的12個(gè)特征參數(shù)作為SVM-M模型的輸入。圖1展示了對(duì)于相同測(cè)試數(shù)據(jù)集，在P波到達(dá)后3秒時(shí)，τc方法、Pd方法和SVM-M模型的震級(jí)估計(jì)誤差與震級(jí)和信噪比的關(guān)系，結(jié)果表明SVM-M模型有更小的震級(jí)估計(jì)誤差，且不受信噪比的影響。

2）P波到達(dá)后1-10秒時(shí)間窗內(nèi)，基于SVM-M模型的單臺(tái)震級(jí)估計(jì)如圖2所示，在P波到達(dá)后1秒時(shí)，預(yù)測(cè)震級(jí)與實(shí)際震級(jí)即存在1:1的線性比例關(guān)系；隨著P波時(shí)間窗的增加，預(yù)測(cè)震級(jí)逐漸接近實(shí)際震級(jí)，6級(jí)以上的震級(jí)低估問(wèn)題得到很好的改善。同時(shí)，也可以推斷：在地震破裂初期，地震的最終大小是可以確定的。

3）圖3展示了基于SVM-M模型對(duì)46次地震事件的離線應(yīng)用，表示了這46次地震事件在首臺(tái)觸發(fā)后，震級(jí)估計(jì)誤差與隨時(shí)間的演化。對(duì)于6.5級(jí)以下的地震事件和6.5級(jí)以上的地震事件，在首臺(tái)觸發(fā)1秒時(shí)，震級(jí)估計(jì)平均絕對(duì)誤差分別是0.318和0.85；隨著首臺(tái)觸發(fā)時(shí)間的增加，在首臺(tái)觸發(fā)后10秒時(shí)，震級(jí)估計(jì)平均絕對(duì)誤差分別是0.171和0.161。

4）本文使用日本K-NET強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)的3.0-7.4級(jí)的地震事件訓(xùn)練得到了SVM-M模型，而對(duì)于7.5級(jí)以上的地震事件以及其他地區(qū)的地震事件還需要進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。本文的結(jié)果表明：和τc方法、Pd方法相比，基于SVM-M模型的震級(jí)估計(jì)誤差得到了改善，并且在首臺(tái)觸發(fā)后10秒內(nèi)，可以對(duì)地震事件做出魯邦的震級(jí)估計(jì)；SVM-M模型在地震預(yù)警系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用潛力。

該成果發(fā)表在美國(guó)地震學(xué)會(huì)SSA旗下期刊《Seismological Research Letters》（Zhu Jingbao, Li Shanyou, Song Jindong*. Magnitude estimation for earthquake early warning with multiple parameter inputs and a support vector machine [J]. Seismological Research Letters, 2022, 93(1): 126–136. doi: 10.1785/0220210144）（IF：3.754，*通訊作者）。

圖1 P波達(dá)到后3秒時(shí)，（a）τc方法、（b）Pd方法和（c）SVM-M模型的震級(jí)估計(jì)誤差與震級(jí)和信噪比的關(guān)系

圖2 P波到達(dá)后1-10秒，基于SVM-M模型的單臺(tái)震級(jí)估計(jì)結(jié)果

圖3 首臺(tái)觸發(fā)后，震級(jí)估計(jì)誤差與隨時(shí)間的演化

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