仪器地震烈度计算编制说明-中国地震局 - 图文

地震行业标准《仪器地震烈度计算》

征求意见稿编制说明

一、任务来源、计划编号等基本情况

地震烈度速报可在地震发生后通过观测仪器直接提供地震烈度，快速生成地震影响强度和范围，为人员伤亡估计、经济损失评估、应急救援决策和工程抢险修复决策提供依据。地震监测台站越密集，对地震影响场的了解就越全面和详细。仪器地震烈度计算规程是规范、科学进行地震烈度速报工作的基础。目前，日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统，并制订了统一的仪器地震烈度计算方法。

2011年5月15日，依据中震法函?2011?14号“关于征集2011年地震标准制修订项目立项建议的通知”，编写组提交了地震行业标准项目建议书“地震仪器烈度”。2011年9月26日，中震函?2011?351号“关于下达2011年地震行业标准制修订计划的通知”批准制订工作立项，项目“地震仪器烈度”由工程力学研究所负责。 二、标准编制的背景、目的和意义

《国家地震科学技术发展纲要（2007-2020年）》重点领域及优先主题“地震应急响应与处臵技术”方面，明确指出发展“地震和地震烈度的速报”、“重要工程设施预警与

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紧急处臵”；《中华人民共和国防震减灾法》明确提出“国家支持全国地震烈度速报系统的建设”，“应当通过全国地震烈度速报系统快速判断致灾程度，为指挥抗震救灾工作提供依据”。《国家防震减灾规划（2006-2020年）》提出我国2020年防震减灾总体目标，并明确将“建设地震预警技术系统，为重大基础设施和生命线工程地震紧急自动处臵提供实时地震信息服务”作为防震减灾工作的一项主要任务。2010年《国务院关于进一步加强防震减灾工作的意见》明确提出，到2015年，要“在人口稠密经济发达地区初步建成地震烈度速报网，20分钟内完成地震烈度速报”；到2020年，要“建成较为完善的地震预警系统，地震监测能力、速报能力、预测预警能力显著增强”。本项工作是落实《防震减灾法》及国家和行业相关规划的一项重要举措。

目前我国地震观测台网发展迅速，基于实际地震观测地震动记录的仪器烈度速报已经开展，但缺少统一的计算方法和计算标准。而日本、美国等国家及我国台湾地区都已经建立了地震烈度速报系统，并制订了统一的仪器地震烈度计算方法。如日本自上世纪90年代初开始建设密集的强震动观测台网和烈度计网，1996年正式启动地震烈度速报系统，可以在中强以上地震发生后2—3分钟给出各地的仪器地震烈度和地震动峰值等，并通过网络、电视、广播等向政府有关部门和公众发布。2011年日本3.11特大地震中，日本分别在震后2分钟和7分钟在网站上发布了详细的烈度速报分布图，并在15分钟给出了更详细的推测烈度分布图。美国自

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1994年开始运行震动图生成系统（ShakeMap），实现了在中强地震发生后3—5分钟内给出仪器地震烈度分布图、地震动峰值等值线分布图、不同周期反应谱等值线图，并通过网络发布。我国台湾地区自1992年开始实施“强地震动观测计划（TSMIP）”，并建设了地震信息快速发布系统（RTD），可在地震发生后数分钟内生成烈度分布图、地震动峰值分布图等，并通过多种方式及时传送至相关部门。我国在本世纪初尝试进行仪器地震烈度速报工作。2012年福建省地震局制定了地方标准DB35/T 1308-2012《地震仪器烈度表》，于2012年11月27日发布，2013年3月1日起实施。但目前尚没有专门的行业计算标准作为建设依据，不能满足未来发展的需求，为此，提出了仪器地震烈度标准的制定工作。

随着近年来强震动观测记录的积累，近年来我国仪器地震烈度计算方法研究较多，利用我国近年来获取的强震动记录及其对应的震后调查烈度资料数据，建立了多种地震动参数（包括峰值参数、傅里叶参数、反应谱参数、持时、滤波参数等）与地震烈度之间的统计关系，将部分参数的统计关系与国内外研究进行了对比。基本具备了开展标准制订的条件。

三、工作简况

（一）工作组的组成单位

制订主要参加单位：中国地震局工程力学研究所，福建省地震局、中国地震局地球物理研究所。

（二）主要工作过程、工作组会议的主要议题和结论

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2011年10月30日，编制组签订了地震行业标准制修订项目任务书。项目启动至今共召开了五次主要工作会议，一次重要评审会议，多次函件征求专家意见，对仪器地震烈度相关工作进行了充分讨论。自2014年2014年8月3日云南省鲁甸县6.5级地震后，中国地震局工程力学研究所开始采用编制组初步成果，应用强震动记录开展仪器地震烈度应急工作，并经过了20余次破坏性地震的实际检验。2015年2月28日，中国地震局印发了《仪器地震烈度计算暂行规程》中震测发?2015?18 号，规定自2015年3月1日起施行编制组制订的本规程。

各次会议及评审的时间、主要议题及成果如下。 第一次会议。2012年10月26日，中国地震局监测预报司在河北燕郊组织了“标准制修定项目研讨会”（中震测函?2012?204号）。编制组汇报了制订准备工作，提出了多种可能的技术路线，与与会专家进行了充分讨论。

第二次会议。2013年7月11日，中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了制订工作地震动参数统计进展、标准方案，与会专家与编制组进行了充分讨论，并对制订工作给出了若干建议。

第三次会议。2013年10月26日，中国地震局监测预报司在福建平潭组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了国内外研究进一步进展、增加强震动记录后的地震

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动参数统计进展、与福建地方标准的对比结果等，与会专家与编制组进行了充分讨论。

第四次会议。2014年7月24日，中国地震局监测预报司在黑龙江省哈尔滨组织了地震预警与烈度速报类标准研讨会。编制组汇报了利用大量强震动观测记录的统计结果、统计方法及确定的技术方案等，与会专家与编制组进行了充分讨论，同意把复杂问题简单化，确定了目标路线。

第五次会议。2014年11月23日，在福建省福州《国家地震烈度速报与预警工程》启动会上（中震测函?2014?93号），汇报了标准初稿，编制组汇报了标准制订成果。

第一次评审会议。2015年2月2日，中国地震局监测预报司在哈尔滨组织召开了“地震仪器烈度计算规程编制讨论和预评审工作”会议（中震测函?2015?13号），监测预报司、政策法规司、震害防御司、应急救援司主要负责人参加会议，组成了以高孟潭研究员为组长的20人专家组，对《地震仪器烈度计算规程》（以下简称《规程》）进行了技术评审。专家组审阅了《规程》文本及编制说明，听取了编制组对编制过程及内容的汇报，肯定了编制思路、技术路线、试验数据、技术指标、计算方法、规程结构；肯定了《规程》与现有相关标准协调，及对业务发展最新需求和现状的考虑，通过了评审。并建议修改“地震仪器烈度”为“仪器地震烈度”。

此外，编制组还多次与袁一凡、张敏政、赵宗和、孙景江等老专家进行邮件讨论和当面咨询，并在多次学术研讨会期间与专家进行讨论，专家的合理建议纳入了编写思路中。

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图5 地震烈度与单水平向PGA烈度关系（PGA单位gal）

图6 地震烈度与三分向合成PGV关系（PGV单位cm/s）

图7地震烈度与水平向合成PGV关系（PGV单位cm/s）

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图8 地震烈度与单水平向PGV关系（PGV单位cm/s）

图9地震烈度与加速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比

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图10地震烈度与速度峰值拟合关系与中国烈度表以及美国ShakeMap仪器地震烈度对比

4)仪器地震烈度计算

通过对比分析日本、美国、我国大陆地区以及我国台湾地区等多个国家和地区的地震烈度标准及相关的仪器烈度计算方法，并考虑到仪器烈度计算的易用性，选取PGA和PGV联合作为仪器烈度计算的特征参数。本文利用收集的汶川地震、芦山地震等发生在我国大陆地区的12次破坏地震共计139组强震动记录及宏观调查烈度资料，通过加权最小二乘法统计得到了PGA和PGV与宏观调查烈度间的经验公式如式(19)和式(20)所示，PGA的单位是m/s2，PGV的单位是m/s。比较公式的方差可以发现，仪器烈度计算时PGV参数比PGA参数更为稳定，且三分向合成的计算结果优于水平向合成和单水平分量的计算结果。

IPGA?3.166log10?PGA??6.591?1.036 三方向合成PGA???3.204log10?PGA??6.592?1.058 两水平方向合成PGA ??3.228log10?PGA??6.824?1.079 单水平方向PGA?3.004log10?PGV??9.768?0.857 三方向合成PGV???2.964log10?PGV??9.783?0.865 两水平方向合成PGV ??3.110log10?PGV??10.207?0.927 单水平方向PGV18

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IPGV(20)

本文利用收集的汶川地震序列、芦山地震等发生在我国大陆地区的411次地震中获取的共计11853组强震动记录，使用上文得到的PGA与PGV与烈度的经验公式分别进行了仪器地震烈度计算，并进行对比得到的结果如图10所示。由于使用的强震动记录来自不同的地震，包括小震、破坏性大震和特大地震等，记录的频谱特征差别较大，采用PGA和PGV计算的得到的仪器烈度值也随着地震震级以及震中距的不同，而呈现出不同的规律。考虑到小震近震中高频成分和大震低频成分对烈度的影响，在高烈度区（≥VI）采用PGV计算烈度，在低烈度区（<Ⅵ）则采用PGA和PGV计算烈度值的加权结果，具体计算过程如下。

图11 三分向合成PGA和PGV计算烈度对比

仪器地震烈度计算主要步骤：

（a）使用频带为0.1~10Hz的带通滤波器对地震动加速度时程分别进行带通滤波。

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（b）由滤波后的加速度时程通过积分得到速度时程，并将三分向地震动加速度时程和速度时程进行矢量合成，如式（21）、式（22）所示。

a(ti)?a(ti)E?W2?a(ti)N?S2?a(ti)U?D2 (21) v(ti)?v(ti)E?W2?v(ti)N?S2?v(ti)U?D2 (22)

（c）采用式(23)计算地震动加速度峰值，利用式(24)计算地震动速度峰值；

PGA?max?a(ti)? (23) PGV?max?v(ti)? (24)

（d）将计算得到的PGA和PGV分别代入式(19)和式(20)中计算，得到仪器烈度Ipga和Ipgv；

（e）仪器地震烈度，如果Ipga和Ipgv均大于等于6，则仪器烈度II取Ipgv，其它情况取Ipga和Ipgv的算术平均，如式(25)所示：

?IPGVI??（/2?IPGA+IPGV ）IPGA?6.0且IPGV?6.0IPGA<6.0或IPGAV?6.0 (25)

（f）仪器地震烈度以阿拉伯数字表示，取值保留一位小数。如II值小于1.0时取1.0，如II值大于12.0时取12.0。

5)近期破坏性地震计算实例 ① 2014年8月3日云南鲁甸地震

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图12 云南鲁甸地震仪器地震烈度分布图

（最高烈度为9度，北北西走向，6度区及以上总面积为11000平方千米）

图13 云南鲁甸地震震后调查烈度分布图

（最高烈度为Ⅸ度，北北西走向，Ⅵ度区及以上总面积为10350平方千米）

② 2014年10月7日景谷6.6级地震

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图14 云南景谷地震仪器地震烈度分布图

图15 云南景谷甸地震震后调查烈度分布图

③ 2014年10月22日康定6.3级地震

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图16 四川康定地震仪器地震烈度分布图

图17 四川康定地震震后调查烈度分布图

4.结论和讨论

本文以国内多次破坏性地震中的部分强震数据及其对应的宏观地震烈度资料为基础，对地震动参数与地震烈度的关系进行了统计分析，结果表明：

1）由于地震烈度定义的模糊性、地震破坏及地震动记录本身的复杂性，地震烈度与地震动参数之间目前还难以找

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到明确的物理关系，所有地震动参数与地震烈度之间的对应关系离散性较大，但地震动参数的均值与地震烈度具有良好的相关性，这与目前的研究结果相符。

2）地震动水平向的值与烈度的相关性普遍好于竖直向，三分向合成略好于两水平向合成。

3）相比较于峰值加速度PGA，峰值速度PGV与烈度的相关性更好。目前国内外多种研究结果同样表明峰值速度PGV与地震破坏程度相关性较好。

4）由于资料限制，本文所用强震动观测资料均处于VI-X度区（XI度及以上尚未取得过强震动记录，VI度以下无现场调查结果），其统计关系仅能代表VI-X度，对于此区域外具有参考意义。

5）文中所用震后烈度调查资料是一定区域范围内的平均或延伸，而统计分析使用的强震数据只是个别点上的数据，若进一步针对强震动台站周边进行详细的调查，应可降低统计关系的离散性。

（二）标准依据说明 1.滤波频带选取

滤波频带的选取主要考虑仪器地震烈度计算时对小震、破坏性大震、特大地震的适用性，采用了大量地震记录对频带进行了分析，并根据不同地震PGA和PGV关系，定滤波频带为0.1-10Hz。利用收集的我国大陆地区多个地震包括汶川地震主余震序列等共计11853条地震动观测记录对地震记录的频率成分进行分析，通过傅里叶变换得到加速度和速度时程

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的傅里叶幅度谱，如图1和图2所示。从图中可以看出加速度的主要频率范围为0.1-30Hz，速度的主要频率范围为0.05-10Hz。分别对所有地震记录及VI度区以上记录的加速度峰值与峰值速度的频率分布情况进行了分析。分析表明VI度区及以上记录的加速度峰值与峰值速度散点主要集中在0.5-10Hz。分析表明，全部地震动记录的加速度峰值与峰值速度散点主要集中于0.1-10Hz。地震动的频谱具有相容性，对震级来说，小震的高频成分相对丰富，而大震的低频成分则相对丰富；对同一个地震不同震中距来说，震中距小高频成分相对丰富，震中距大则低频成分相对丰富。为了兼顾小震近震中高频记录及大震低频记录对仪器烈度计算的影响，同时该频带范围也包含了我国大多数建筑结构的自振频率范围（平房自振频率6~7Hz，高层结构的自振频率为0.2~1.0Hz），综上所述，本文选取的滤波频带范围为0.1~10Hz。

2.记录分向的考虑

划分了三方向、两水平方向及单水平方向主要是考虑到计算方法能够适应多种仪器，且便于某些记录仪器地震烈度的初步估算。研究结果表明三方向合成略好于两水平方向合成，两水平方向略好于单水平方向，单水平方向好于竖直向。

3.计算方法的考虑

针对仪器地震烈度的计算及评定方法和流程进行规定，涉及多个具体指标。为了更科学、合理地制定这些标准，标准起草单位认真对比分析了日本、美国、我国大陆地区及我

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国台湾地震区等多个国家和地区的地震烈度标准及相关的仪器地震烈度计算方法。下图为日本破坏性地震PGA和PGV分析。通过对比分析，推荐采用地震动加速度峰值（PGA）和速度峰值（PGV）联合作为仪器地震烈度计算的特征参数。利用收集的四川汶川地震序列、芦山地震等发生在我国大陆地区的12次破坏性地震共计139条地震观测记录及宏观调查烈度资料分别进行加速度峰值（PGA）和速度峰值（PGV）等地震动参数与宏观调查烈度相关性统计分析。利用收集的我国大陆地区多个地震包括汶川地震序列等共计11853条地震观测记录对地震记录的频率成分进行分析，并对加速度峰值（PGA）与速度峰值（PGV）的频率分布情况进行了分析，并以该分析结果作为设定本标准相关技术指标的重要依据。

图日本破坏性地震PGA和PGV分析

4.PGA和PGV联合计算的考虑

由大量强震动记录分析表明，应用PGV计算仪器地震烈度较为稳定，且与地震烈度相关性较好。在利用PGA和PGV

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均大于6度区我们主要选取PGV作为计算仪器地震烈度的依据。为了考虑低烈度区加速度对人体振动感觉的影响，其余采用PGV和PGA结果进行加权平均。此种处理方式一是对较小震中距记录，因为高频成分影响，避免出现不符合实际的大烈度。二是对大震较大震中距有感地区处，则避免了因PGA很小出现的非常小烈度。

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标准编制工作组 2016年10月

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