美国国家地震监测台网系统的现状、进展与未来机遇

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	美国国家地震监测台网系统的现状、进展与未来机遇
	赵纪东
	2017-07-15
所属快报	地球科学快报
出版年	2017
期	14
语种	中文
领域	地球科学
栏目	战略规划与政策
中文关键词	美国 ; 地震监测 ; 台网系统
中文摘要	1997年，美国联邦应急事务管理局（FEMA）、美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国国家科学基金会（NSF）和美国地质调查局（USGS）联合发起美国国家地震减灾计划（NEHRP）。之后，美国国会通过地震减灾法（Earthquake Hazards Reduction Act of 2000）责成美国地质调查局（USGS）负责美国国家地震监测台网系统（Advanced National Seismic System，ANSS）的建设和运营。2017年5月底，USGS发布报告《ANSS：现状、发展机遇与优先方向2017—2027》（Advanced National Seismic System – Current Status, Development Opportunities, Priorities, 2017-2027），总结了ANSS的现状，近十六年取得的进展，并展望了未来10年（2017—2027）的研究机遇。在此，我们对其主要内容做一简要介绍。
情报分析_信息来源性质	政府机构
情报分析_信息来源机构	USGS
情报分析_机构类别	政府机构
情报分析_信息来源国家	美国
情报分析_信息类别	战略规划与政策
情报分析_研究主题	进行地震数据和地震信息的分析
情报分析_研究内容	1 ANSS的现状 ANSS主要由三部分组成，分别是国家地震网、区域地震网和相关数据中心。国家地震网的支持主要来自USGS的地震减灾计划（USGS NHP[ USGS NHP 是美国国家地震减灾计划（NEHRP）的一部分]），区域地震网的支持部分来自USGS NHP，其他支持来自其所属的州和大学，以及其他联邦机构。区域地震网补充了中-高度地震风险区的台站覆盖问题，同时，还进行地震数据和地震信息的分析，并向地方的工程和应急管理团体及公众提供专业知识服务。很多区域地震网所监测的都是一个独特的地理区域，其所监测到的地震位置、震级等信息亦得到ANSS的认可。在国家层面，USGS负责运营国家地震网（ANSS的骨干网）、国家地震信息中心（National Earthquake Information Center，NEIC）以及国家强震动项目（National Strong Motion Project）。 ANSS的骨干网包括100个宽频台站，由USGS的阿尔伯克基地震实验室（Albuquerque Seismological Laboratory）运营；NEIC接收来自美国和全球共计3000个台站的数据，每年大约会报告25000次地震；国家强震动项目的主要目的是获取近距离地震数据，其拥有400个自由场台站，150个采用遥测技术的监测设备。 2 ANSS实施进展（2000—2016） 2.1 网络基础设施 2000年开始建设ANSS的时候，美国使用的大多数地震检波器只能监测到波幅和频率非常窄的地震信号，对于大地震产生的地震信号则无能为力。同时，数据转化噪音大，数据传输借助不可靠的模拟电路，甚至有的时候，一些数据还要通过人工输入和分析。在这样一种背景下，ANSS开始了现代化改造，并不断扩展其地震合作网及数据分析中心。截至2016年，ANSS已经完成了42%的地震台站（总计划是7100个现代化地震台站）建设工作。2010年开始，ANSS地震台站建设速度大幅提升，这主要得益与奥巴马政府于2009年出台的《美国恢复和再投资法案》（American Recovery and Reinvestment Act）。现如今，除过阿拉斯加部分地区，ANSS能够监测到绝大多数发生在美国的、且人们能够感受到的地震活动。图1 ANSS地震台站建设情况与此同时，ANSS还在激励创新。ANSS与私营制造商合作开发出了一种相对廉价的强震动传感器——NetQuakes，2009—2014年期间，400多个NetQuakes被部署在了一些特定城市，如波士顿、洛杉矶、旧金山等，更具意义的是，这些传感器部署在私人住宅中。近年来，由于微电机系统MEMS（micro-electro-mechanical system）成本优势突显，其前景已为ANSS关注，并成为其未来发展方向。MEMS能够更好地记录破坏性地震波所引发的强震动，这对改善地面震动评估、地面形变模拟等大有裨益。 2.2 产品和服务向政府和应急管理者及时发送地震信息。ANSS向白宫、美国国防部、美国国土安全部等提供有关潜在破坏性地震的报告，支撑相关的决策和行动。地震通知服务（Earthquake Notification Service，ENS）。ENS是一项免费的公共服务，其通过短信、e-mail等向几十万用户及时发送地震通知。网络服务。USGS和区域地震网各自维护自己的网站，提供有关近期发生地震的权威信息，包括近期地震活动的震动图和清单等。地震动图（ShakeMap）。基于ANSS的数据，在地震发生后，ShakeMap快速提供有关地震破坏程度、空间分布等信息。基于此，政府和公众可以预期未来的情景并计划所需采取的行动。地震灾害分析（ShakeCast）。其是ShakeMap的升级服务，自动将ShakeMap的结果和震动水平发送给特定用户和指定设备，以优化地震响应行动。全球地震响应快速评估（Prompt Assessment of Global Earthquakes for Response，PAGER）。在美国和全球发生大地震后，基于ShakeMap以及建筑物和建筑类型等有关信息，快速评估经济损失和人员伤亡情况。 2.3 协调、标准化与伙伴关系通过十几年的发展，ANSS推进了美国各联邦机构、州机构和私营企业，以及美国全国和各州的地震领域的科学家和工程师之间的沟通和协调。在具体的操作细节、通用仪器标准、数据格式、软件、运行程序等方面，ANSS进行了大力改善，并实现了标准化。与此同时，通过与其他机构的伙伴关系，大大改善了ANSS的运行和有效性，这些机构主要包括美国的学术研究机构、联邦机构、联邦政府、州政府等。借助美国国家科学基金会的地球透镜计划（EarthScope），ANSS的国家地震网和一些区域地震网进一步得到改善。运营方面，美国强震动数据由工程强震数据中心[ CESMD通过ANSS和加州地质调查局（California Geological Survey，CGS）之间的伙伴关系共同运营]（Center for Engineering Strong Motion Data，CESMD）归档和分发，其他一些数据中心，比如北加州地震数据中心和南加州地震数据中心则分别加州大学伯克利分校、加州理工学院运营。此外，一些基金会也提供了资助，比如戈登和贝蒂摩尔基金会（Gordon and Betty Moore Foundation）资助了地震预警系统的开发，凯克基金会（Keck Foundation）和默多克基金会（Murdock Foundation）资助了区域地震网络的改善。 3 ANSS的未来发展机遇 3.1 确保地震风险的应备由于ANSS产品的及时性和有效性，政府机构、应急人员、公众、工程和科学团体对它的期待不断增加，但是，由于目前的资源有限，维持现有的服务能力，满足地震风险的应对需求依然存在很大挑战。为了满足未来10年的需求，ANSS必须提高基础服务的稳健性，并保持绩效创新的能力 3.2 提升城市地区的地震安全（1）发展地震预警系统如果用以确定地震大小和位置的地震数据与大地测量数据能够快速的被利用和分析，那么将能够向还未发生地震的区域播放警报，提示即将到来的地震，以便其采取应对措施。ANSS的近期目标是建设并运行针对美国西海岸的ShakeAlert地震预警系统，目前还需大量的额外资源将ShakeAlert提升至全面运行水平。（2）地震破坏和影响的高精度评估：城市地区在一次大地震中，震动强度随着距离的微小变化会发生显著改变，因此ANSS需要加强中高度地震风险区城市的强震动监测设施的数量。如此一来，才能监测不同地质条件下的震动变化情况，在地震发生后对引发的破坏和影响进行高精度的分析和评估。（3）地震破坏和影响的高精度评估：关键设施和生命线工程地震灾害往往会对关键设施和生命线工程造成巨大破坏，而高分辨率信息是快速确定基础设施破坏情况、响应行动和恢复服务的基础。因此，ANSS需要在更多的关键设施和生命线工程部署监测设备，以获取相关震动信息。（4）作为国家能力实施余震预报在一次大地震发生后，随之而来的较强余震会继续造成破坏，使得公众的恐惧上升，更使应急人员处于风险之中。在2016年美国国家地震预测评估委员会（National Earthquake Prediction Evaluation Council，NEPEC）建议下，ANSS将把余震预报纳入常规地震分析和公众通知服务中。 3.3 为减少地震风险扩展观测数据库（1）监测建筑和生命线工程的地震响应每一次大地震都为地震工程学家提供了一个新的研究机遇，通过ANSS在代表性建筑物中所部署装置测得的数据，可以更好地认识建筑物的动力学特征以及土壤与建筑物的相互作用，进而帮助改善建筑设计、建筑法规，并验证有关的实验研究和模拟分析。（2）对人为诱发地震和风险进行综合评估长久以来，人们一直认为人类的某些活动可能诱发地震，比如开采地下矿产，向深部地层注入流体等。自2009年以来，美国中部和东部一些州的地震活动明显增加，因此，ANSS开始与州机构和监测网络进行合作来研究诱发地震活动，比如在地震活跃区域部署便携式地震检波器。同时，来自州网络的数据也被整合进了ANSS的区域地震网，这进一步增强了ANSS向用户提供科学认识和服务的能力。（3）将大地测量数据纳入地震影响快速综合评估已有实践表明，地震预警依赖于实时的全球卫星导航系统（GNSS）。对于ANSS而言，大地测量数据是一个新的元素，地震数据和大地测量数据的结合将有助于更好地认识大地震中的地表/洋底形变，更准确地了解震源，进而改善地震预警、ShakeMap以及影响评估。但是，两类数据的联合解释仍存挑战，实时大地测量网和数据管理方面亦存在一些有待解决的问题。（4）改善美国中部和东部的监测覆盖美国中部和东部面临着很大的地震风险，靠近大城市的中度地震就可导致严重损失。当前，这些地区的地震动数据非常稀疏，ANSS需要更多设施来近距离捕获大地震信息，以更好地对地震灾害进行量化分析并改进美国国家地震灾害模型。目前，USGS正在与美国白宫科技政策办公室（OSTP）、美国国家科学基金会、美国能源部等进行协商，希望能够在美国中部和东部部署158个移动台站。未来，这些台站的运营、数据的整合将是ANSS的一项重要任务。（5）增强地震高风险区的监测覆盖美国一些地区具有很高的地震风险，比如阿拉斯加、西部的山间地区，ANSS需要在此部署更多的监测设备。同时，还需要改善对地震群的监测，因为其很可能发展为大地震。这些数据将改善对地面运动的预测，以及对断层片段相互作用等的认识。
原文题名	Advanced National Seismic System – Current Status, Development Opportunities, Priorities, 2017-2027
原文链接	查看原文
文献类型	快报文章
条目标识符	http://119.78.100.173/C666/handle/2XK7JSWQ/180635
专题	地球科学
推荐引用方式 GB/T 7714	赵纪东. 美国国家地震监测台网系统的现状、进展与未来机遇. 2017.