几种烈度算法在实际震例中的对比研究1

梁永朵 姜金征 李 莹 戴盈磊 惠 杨

（辽宁省地震局，沈阳 110034）

几种烈度算法在实际震例中的对比研究1

梁永朵 姜金征 李 莹 戴盈磊 惠 杨

（辽宁省地震局，沈阳 110034）

用仪器对地震烈度进行快速评估，可以在震后短时间内提供震区的灾害分布图，为震后的应急救援及灾害快速评估提供有力支持。本文研究了国内外4种常用的地震烈度评估法，结合辽宁灯塔5.1级地震获取的强震记录，对用这4种烈度算法计算的结果进行了对比。结果表明，中国仪器烈度暂行规定算法精度最高。

烈度算法 强震动观测 仪器烈度 可信度

梁永朵，姜金征，李莹，戴盈磊，惠杨，2015.几种烈度算法在实际震例中的对比研究.震灾防御技术，10（4）：925—932. doi：10.11899/zzfy20150410

引言

随着人们物质文化生活水平的提高，对地震安全的需求也越来越高（李永振等，2009a）。目前，破坏性地震发生后，地震部门灾害评估主要通过两种方式：一是地震应急快速评估，由于地震灾害，尤其是大地震灾害的复杂性，应急评估结果很难做到客观、准确；二是震后烈度调查，虽然比较准确，但花费时间较长，时效性较差（李永振等，2009b）。近几年国内迅速发展的烈度速报台网，通过强震动的实时监测，实现强地震的地震烈度速报，通过地震烈度与地震动参数间的统计关系，可以计算出强震动台站附近的破坏程度，即仪器烈度。由于仪器烈度具有相对客观性和时效性，随着强震动台网密度的成倍增加，将有效弥补地震灾害评估的不足，从而为政府地震应急反应决策、震害快速评估和震后重建提供科学依据（李山有等，2002）。

为了实现仪器烈度速报，首要解决的问题是实现地震烈度的实时或准实时计算，因此，采用哪种地震烈度速报算法以及它的可靠性如何成为关键问题。国内外率先研究烈度算法的有中国地震局工程力学研究所的袁一凡、福建省地震局地方标准和美国ShakeMap烈度算法等。本文对2013年1月23日灯塔5.1级强震动记录，分别应用袁一凡、福建地区、美国ShakeMap烈度算法和中国仪器烈度暂行规定算法进行计算，并对计算结果进行对比，进而探究了这4种烈度算法的可信度。

1 仪器烈度算法

1.1 工程力学研究所袁一凡的烈度算法（高峰等，2003）

由于地震动峰值、频谱、持时与地震烈度之间关系的不确定性，袁一凡教授在对比分析了多参数统计回归方法以及模糊判别方法的评定结果后，研制了一套由地震动参数计算地震烈度的算法，并在我国强震仪的烈度计算中进行了运用。

袁一凡提出的方法，是根据国内外地震资料和烈度关系的统计分析，分别给出地震加速度峰值、主频率、持续时间和四个频点的反应谱（1Hz、2Hz、5Hz、8Hz）同地震烈度关系的隶属度函数。对峰值、主频率、持续时间三要素取它们的加权系数为0.1、0.5、0.85加权平均计算得出三要素的隶属度。对1Hz、2Hz、5Hz、8Hz的反应谱取加权系数0.1、0.4、0.1、0.4作加权平均得到反应谱的隶属度。再将反应谱的隶属度和三要素的隶属度分别取加权系数为0.4、0.6，计算得到综合判定结果。最后将综合判定结果代入公式（1）和公式（2），计算得出一次方加权参考烈度值和二次方加权参考烈度值。

式中，I为加权结果；qi为隶属度；Ii为隶属度对应的烈度值。

模糊烈度判别方法在烈度计算判定过程中大量用到了根据经验设定的一系列隶属度矩阵和模糊判定向量。隶属度矩阵和模糊判定向量的准确性在很大程度上会影响到判定结果的准确性，可以评定的烈度范围也只局限于8个档（＜Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、＞Ⅸ）。

图1 纯幅值滤波器Fig.1 Pure amplitude filter

1.2 福建地区烈度标准计算方法（金星等，2008）

福建地区烈度标准计算方法采用以下四步计算地震仪器烈度：

（1）采用纯幅值滤波器（图1）在频率域内对三分向地震动加速度时程分别滤波，推荐的带通滤波器表达式为：

式中，α=0.8064，ξ1=0.54，f1=0.28，ξ2=1.00，f2=2.15。

（2）由滤波后的三分向地震动加速度时程计算合成加速度时程，其计算公式为：

（3）选取合成加速度时程中持时大于等于0.5s的幅值作为有效峰值加速度A0.5计算烈度，其计算公式为：

（4）将有效峰值加速度A0.5代入地震仪器烈度计算公式（5）中计算，保留一位小数，即可得测点位置处的地震仪器烈度值。

1.3 美国ShakeMap采用的烈度计算方法（李俊等，2010）

ShakeMap系统中仪器烈度的计算方法主要采用了Wald等（1999）的研究结果。Wald等分析了1971—1994年发生在美国加州地区的8次比较大的地震（1971年San Fernando 6.7级地震、1979年Imperial Valley 6.6级地震、1986年North Palm Springs 5.9级地震、1987年Whittier Narrows 5.9级地震、1989年 Loma Prieta 6.9级地震、1991年Sierra Madre 5.8级地震、1992年Landers 7.3级地震、1994年Northridge地震），并分别统计得到了修正默卡尼烈度（MMI）的与地震动峰值PGA、PGV的关系，并推荐了如下的仪器烈度计算公式：

Wald等的研究认为，当烈度低于Ⅴ度时峰值加速度PGA与烈度相关性要明显高于峰值速度PGV；相反地，当烈度高于Ⅶ度时，峰值速度PGV与烈度的相关性则明显好于峰值加速度PGA；而当烈度位于Ⅴ度到Ⅶ度之间时，PGA与PGV与烈度相关程度相当，但随着烈度的增加，PGA与其相关程度会逐渐降低而PGV则逐渐增加。即当烈度较低（＜Ⅵ）时人们对加速度的感受更加强烈，此时评定烈度大都依靠人们的感受；而当烈度高于Ⅵ时则多以结构物的破坏为标准评定烈度值。烈度为Ⅵ—Ⅶ度时发生破坏的大多是一些脆性结构物，显然它们主要受到加速度的影响；而烈度更高时，一些柔性结构物中也将出现破坏，它们则大都与速度造成的破坏有关。因而，Wald等推荐的上述分段形式计算公式有着明确的物理意义。ShakeMap系统就是采用上述相应计算公式计算地震仪器烈度值，并在仪器烈度分布图中以不同的颜色加以区分，如表1所示。

表1 ShakeMap中采用的地震仪器烈度表Table 1 Seismic instrument intensity scale in ShakeMap

1.4 中国仪器烈度计算规程新算法

中国仪器烈度计算暂行规程适用于地震烈度速报，于2015年3月1日开始试行（中国地震局，2015）。计算方法如下：

（1）基线校正

对地震观测仪器获取的记录进行基线校正处理，宜采用记录时间过程减去地震事件前记录的平均值，事前记录时间长度宜为10s。

（2）应采用数字滤波器对地震动加速度和速度记录的每个分向进行0.1—10Hz带通滤波。

（3）采用公式（4）相同方法计算合成三方向加速度记录。

（4）仪器烈度计算采用如下公式：

（5）仪器烈度等级分为1—12度。

2 灯塔5.1级地震强震记录

2013年1月23日12时18分在辽宁省辽阳市灯塔市、沈阳市苏家屯区（北纬41.5°，东经123.2°）发生5.1级地震。该次地震发生在营口-佟二堡断裂东北端的西侧。地震的震中距离沈阳市主城区37km、距离灯塔市13km、距离辽阳市26km、距离鞍山市38km。据初步了解，震中及上述区域强烈有感，辽宁全省有感。此次辽宁灯塔5.1级地震，辽宁省共有22个强震动台站获取了强震记录，合计22组（本文选取了16组），水平向加速度单峰值最大为21gal。本文根据图2所示辽宁省地震局宏观调查结果及咨询强震观测台站值班人员的反馈结果，有1个台（辽阳台）落在Ⅴ度区内，8个台站落在Ⅳ度区内，其他7个台站估计应落在Ⅲ度区内（表2）。

图2 灯塔5.1级地震震中及台站分布图Fig.2 Scatter diagram of epicenter and stations of the M5.1 Dengta earthquake

3 4种烈度算法计算结果及分析

选取灯塔5.1级地震辽宁省强震动台网获取的48条三分向强震记录，利用这些记录分别计算了：袁一凡算法综合烈度I1值；福建省地区烈度算法I2值；美国ShakeMap烈度算法参考烈度I3值；中国仪器烈度新标准算法I4值。计算的仪器烈度均按四舍五入取整数。

由于袁一凡烈度算法烈度评定范围为：＜Ⅳ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ、＞Ⅸ共8档，所以当烈度小于Ⅳ度时，计算结果不参与统计。

由表2、图3可知，宏观烈度区在Ⅲ—Ⅴ度的16个台站：福建地区标准算法I2有9个正确，误差在±1度之间的台站有7个，正确率为56.2%；美国ShakeMap烈度算法I3有7个正确，误差在±1度间的台站有9个，正确率为43.8%；袁一凡烈度算法统计宏观烈度区在Ⅳ—Ⅴ度共9个台站：袁一凡烈度计算方法I1有3个正确，占18.8%；中国烈度新标准算法I4有11个正确，误差在±1度间的台站有5个，正确率为68.8%。

由此可见，福建地区标准算法和美国ShakeMap烈度算法及中国仪器烈度新算法误差较小，稳定度较高；袁一凡烈度算法在Ⅳ—Ⅴ度区评定中误差较小，且将唯一一个Ⅴ度区辽阳台评定为Ⅴ度，与实际宏观调查结果相一致。

表2 台站烈度结果Table 2 The results of station intensity

图3 烈度算法误差比较Fig.3 Comparison of intensity algorithm error

4 利用4种烈度算法重新构建灯塔地震烈度图

本文利用以上4种烈度算法所得烈度结果，重新构建了辽宁灯塔5.1级地震仪器烈度分布图。构建烈度图的具体做法如下：一是由于极震区Ⅵ度区内没有台站，所以未绘制Ⅵ度区等值线；二是由于地震震级本身不大，没有考虑断层对烈度图的影响；三是为与宏观烈度图（如图2）结果一致，大部分只绘制了Ⅳ度以上区域；四是对缺少台站区域进行了必要的曲线平滑和估算。

从图4可以看出，I1—I4烈度区面积明显低于宏观调查烈度区面积，I4烈度线在形状上与宏观调查烈度相近，而I1、I2在Ⅳ度或Ⅲ度区烈度线有明显曲折变化。I4烈度线形态与宏观调查曲线形态最为接近，也最为相似。由此可见，从宏观调查烈度图与实际宏观调查烈度图比较而言，I1、I2、I3所绘制的烈度图与实际较接近，可信度较高；I4所绘制的烈度图与实际最相似，可信度最高。

而绘制的烈度图与实际调查烈度图相比烈度区域范围相对较小，可能与以下两方面有关：一是由于台站记录基本为基岩台站记录，仪器烈度图绘制没有考虑场地放大效应；二是宏观烈度调查结果可能偏高，这有待进一步研究。

图4 宏观烈度与仪器烈度对比Fig.4 Comparison between macro intensity and instrument intensity

5 结论

（1）本文利用辽宁灯塔5.1级地震的强震动记录，对4种仪器烈度算法进行了比较研究。结果表明，福建地方标准方法和美国ShakeMap方法的可信度较高，中国仪器烈度新标准算法可信度最高，袁一凡模糊方法可信度中等。因此，作者推荐应用中国仪器烈度新算法进行烈度计算。

（2）本文结论是利用辽宁灯塔5.1级地震所获取的强震记录得出的，由于数据量较少，且高烈度数据相对缺乏，可能出现偏差，需在以后的震例中进一步探究。

高峰，陈先，魏继武，2003.强地震动数据采集系统研究.地震工程与工程振动，23（3）：l—6.

金星，张红才，韦永祥，2008.基于地震台网资料快速发布的震动烈度标准及其应用研究.国际地震动态，（10）：20—27.

李俊，苏枫，米宏亮等，2010.ShakeMap及其在地震动快速预估中的应用.中国地震，26（1）：103—111.

李山有，金星，陈先，马强，2002.地震动强度与地震烈度速报研究.地震工程与工程振动，22（6）：1—7.

李永振，翟文杰，于沈平等，2009a.辽宁省数字强震台网建设与运行.东北地震研究，25（3）：18—22.

李永振，于沈平，金震等，2009b.辽宁省强震台网的地震应急效果初探.东北地震研究，25（1）：37—42.

中国地震局，2015.仪器地震烈度计算暂行规程.

David J. Wald， Vincent Quitoriano， Thomas H.Heaton， et al.， 1999. Relationships between Peak Ground Acceleration， Peak Ground Velocity， and Modified Mercalli Intensity in California. Earthquake Spectra，15（3）:557—564.

Comparative Study of Several Intensity Algorithms Using in the Actual Earthquake

Liang Yongduo， Jiang Jinzheng， Li Ying， Dai Yinglei and Hui Yang

（Earthquake Administration of Liaoning Province， Shenyang 110034， China）

With rapid assessment of instrumental intensity， disaster scatter diagram of seismic region maybe attained in several minutes， which offer strong support to rescue emergency disaster rapid assessment after earthquake. In this paper， 4 common intensity algorithms were studied and the results were compared with the records of the Liaoning Dengta M5.1 earthquake strong motion . The results show that the accuracy of the interim provisions of Chinese instrumental intensity algorithm is the highest.

Intensity algorithm； Strong motion observation； Instrumental intensity； Reliability

辽宁省地震局研究生基金项目（LNDZBSJJ002）

2015-04-01

梁永朵，女，生于1978年。高级工程师。主要从事强震动观测研究。E-mall：liangyongduo1437@163.com