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研究亮點

基于支持向量機(jī)和多參數(shù)輸入的地震預(yù)警震級估算研究

發(fā)布時間： 2022-08-10 點擊數(shù)量：8998

研究背景：

對于地震預(yù)警，在地震破裂初期，利用P波到達(dá)后最初幾秒的信號準(zhǔn)確預(yù)測最終震級大小非常有意義。同時，地震破壞區(qū)域的估計以及向目標(biāo)場地發(fā)布預(yù)警信息也都依賴于準(zhǔn)確的震級估計。目前，在地震預(yù)警震級估算研究中，大多采用是基于單個特征參數(shù)與震級的線性統(tǒng)計關(guān)系，包括峰值位移Pd、平均周期Tc等，我國地震預(yù)警系統(tǒng)中采用的震級估計方法是Pd方法。由于單個參數(shù)包含與震級相關(guān)的信息較少，震級估計結(jié)果有誤差較大、小震高估和大震低估的問題。本文提出一個基于機(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)警震級估計結(jié)果。

研究方法及結(jié)果：

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

2）P波到達(dá)后1-10秒時間窗內(nèi)，基于SVM-M模型的單臺震級估計如圖2所示，在P波到達(dá)后1秒時，預(yù)測震級與實際震級即存在1:1的線性比例關(guān)系；隨著P波時間窗的增加，預(yù)測震級逐漸接近實際震級，6級以上的震級低估問題得到很好的改善。同時，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次地震事件在首臺觸發(fā)后，震級估計誤差與隨時間的演化。對于6.5級以下的地震事件和6.5級以上的地震事件，在首臺觸發(fā)1秒時，震級估計平均絕對誤差分別是0.318和0.85；隨著首臺觸發(fā)時間的增加，在首臺觸發(fā)后10秒時，震級估計平均絕對誤差分別是0.171和0.161。

4）本文使用日本K-NET強(qiáng)震動臺網(wǎng)的3.0-7.4級的地震事件訓(xùn)練得到了SVM-M模型，而對于7.5級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模型的震級估計誤差得到了改善，并且在首臺觸發(fā)后10秒內(nèi)，可以對地震事件做出魯邦的震級估計；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)表在美國地震學(xué)會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，（a）τc方法、（b）Pd方法和（c）SVM-M模型的震級估計誤差與震級和信噪比的關(guān)系

圖2 P波到達(dá)后1-10秒，基于SVM-M模型的單臺震級估計結(jié)果

圖3 首臺觸發(fā)后，震級估計誤差與隨時間的演化

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