评估空间—发生率—震级地震预测的基于似然的检验

区域地震似然模型(RELM)工作组的5年实验是设计用来比较预测加州及附近各纬度-经度-震级单元地震发生率的若干有希望的方法。这种预测模式被作为世界范围内其他地震可预测性试验的蓝本,因此考虑如何评估这种预测的性能是很重要的。最近采用的两个试验都基于给定预测情况下观测到的地震分布的概率,一个测试比较了空间-发生率-震级单元的观测值和预测值,另一个测试仅仅比较了预测的发生率和观测地震的数目。在本文中,我们讨论了目前关于发生率预测的微小的缺陷,我们建议采用另外两个测试分别进行空间-发生率-震级预测的空间和震级分量的预测。为了更好地说明问题,我们考虑了区域地震似然模型预测和进行区域地震似然模型实验的前半期观测到的地震分布。我们得出空间—发生率—震级预测好像是和观测地震的分布相一致,尽管空间预测和观测地震的空间分布是不一致的,我们建议这些新的测试应该被用于提供更详细的地震预测评估。我们也讨论了每个基于似然测试的统计学功效以及基于似然测试的结果的稳定性(相对于地震目录的不确定性)。     

"地震可预测性合作研究"计划:现有成就和发展重点

“地震可预测性合作研究”(CSEP)计划是一个对地震预测模型和预测算法开展前瞻性评估的全球信息化基础设施平台。CSEP的目标旨在提高我们对地震可预测性的理解、推进预测模型的研发、检验关键科学假设及其预测能力,以及改进地震危险性评估水平。自2007年在美国加利福尼亚州成立以来,全球CSEP合作一直在不同的构造环境及全球范围内进行预测实验,目前在四大洲运行4个检验中心,根据预期数据自动、客观地评估模型。这些实验为可操作的地震预测系统和地震危险性模型提供了大量的结果,并为地震的可预测性提供了新的、有时是令人惊讶的见解,还拒绝了对模型的改进。CSEP还开展了评估地震动和危险性模型的初步研究。本文报告了CSEP十年来取得的部分成就,并提出了未来地震活动性优先考虑的事项。     

地震可预测性研究的CSEP计划及其启示

地震可预测性是当前地震预测预报研究关注的前沿问题,对此问题的关注也代表了地震预测预报研究的现状,即采用更务实的态度、“循序渐进”地研究地震的可预测属性。本文介绍了国际上目前在地震可预测性研究中影响较大的“地震可预测性合作研究”（Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability,CSEP）计划,通过对CSEP计划的历史背景、研究现状和技术特点的介绍,讨论了其对中国地震预测预报研究的可能的启发意义。     

"地震可预测性国际合作研究"——1.0阶段工作理念及成果

20世纪90年代由世界多个国家的地震学家围绕“地震可否预测”问题进行国际讨论后, 人们开始思考适用于地震预测研究的规则应该有哪些, 尤其是地震学家针对地震预测研究中所采取的途径和工作思路开始发生了变化。 2007年开始的“区域地震似然模型”(Regional Earthquake Likelihood Models, RELM)工作组和由此进一步而来的“地震可预测性国际合作研究”(Collaboratory for the Study of Earthquake Predictability, CSEP)计划开始之后, 一大批地震预测模型和与评估其预测效能有关的统计检验方法加入进来, 在设立相同的预测规则和使用统一的数据来源下, 通过全球设立不同测试中心的方式, 共同参与到对地震可预测性问题的系统研究中来。 当前, CSEP计划已由开始的1.0阶段发展至2.0阶段, 为使读者了解与这几项国际合作研究相关的工作主旨和发展历程, 本文总结了与CSEP工作1.0阶段相关的工作理念和工作成果以及存在的问题, 以期为下一步工作的开展提供参考。     

嘉峪关地震台地电阻率资料地震预测效能检验

1 研究背景 目前,国际上"地震可预测性合作研究"正在开展不同地震预测模型与不同统计检验方法、"最佳"模型构建方面的实验研究,并取得了阶段性成果,其中蒋长胜等(2011)通过对统计检验方法中的Molchan图表( Molchan,1990)进行研究,认为利用该方法可客观和科学地进行地震预测评估,还能解决固定研究区域内地震时间预测问题,并给出相应的概率解释.     

地震预测评估方法(一)

地震预测是地球科学有待解决的最重要问题之一。过去的10年间,地震预测研究重新得到重视,目前地震可预测性的试验在全球范围内开展。就这些试验而论,与预测评估有关的一些极其重要的问题有:详细的试验说明书、使用成功的量度,以及恰当的参考模型的选取。本文我们对这些问题逐一进行论述,并重点讨论前瞻性地震预测的检验。我们考察一般类型的地震预报,其预报格式可用二元表示。也就是说,对于任意给定的时空间隔,我们可推断给定震级尺度的地震是否发生。这种设定允许我们进行确定性预报和概率性预报的检验,并比较二者的结果。此外,这种检验因为实质上是许多"是"或"否"的累加,所以容易被人们所理解。作为二元性能的量度及其广泛可用性的介绍,我们考察了前兆逆向追踪法,即一种近来旨在预报破坏性地震的地震预测算法。我们介绍并分析了几种测量预测性能的方法,但是前兆逆向追踪试验结果可能还不稳定,因为到目前为止所发生的地震数量少。针对3项10年尺度地震活动性预报,即相对强度、图像信息和美国国家地震灾害区划图的试验,我们介绍由Molchan图得到的成功量度的"校验区技能分数"方法。利用这种试验并应用统计假设检验的方法,我们说明了选取适宜的参考模型的重要性,并表明增加模型的复杂性未必在预测效能上获得显著改善。在说明了将校验区技能分数用作效能的量值之后,我们较为详细地讨论其统计学性质以及相关的计算程序。根据这项工作以及以前的试验成果,我们用校验区技能分数探索区域地震活动性的演化并优化了简单预报模型。     

可操作的地震预测(OEF)国际研究动态综述

对目前国际上正持续开展的"可操作的地震预测"的研究动态,从主要关注的领域、"概率增益"概念的引入、混合模型研发及其在地震减灾中的应用等方面进行了重点介绍。由于OEF是在全球"地震可预测性合作研究"计划基础上逐步发展起来,具有重要的地震预测模型研发的技术基础以及解决地震减灾决策实际问题的实践基础,因此,相关研究动态和技术思路对我国的地震预测预报工作具有重要的启发和借鉴意义。     

中长期地震危险性概率预测中的统计检验方法Ⅱ:N-test和L-test方法

本文介绍了国际“地震可预测性合作研究”CSEP计划中, 用于地震概率预测模型检验的N-test和L-test方法的基本原理、 发展动态。 以地震活动平滑模型(smoothed seismicity model)在新疆天山中部地区的中长期预测结果为例, 本文尝试使用N-test和L-test统计检验方法对预测结果进行评价。 结果表明, 上述方法能够较好地评价预测结果, 并有助于构建更为科学合理的地震预测模型及相关参数设置。     

俯冲带地震动预测模型SMA2020的评估检验实例——2021年2月13日日本福岛县东部海域MW7.1地震

地震动预测具有较大不确定性,利用强震动观测记录对已有地震动预测模型进行检验评估对于模型的合理使用具有重要参考意义。针对2021年2月13日发生在日本福岛县东部海域的M_W7.1地震,基于残差分析和对数似然函数法对俯冲带地震动预测模型SMA2020的路径项和场地项表征合理性、模型的预测精确性进行了评估。得到结果:（1） SMA2020模型对于地震动的路径衰减表征较为合理,在路径项中考虑了莫霍面反射效应,可以更真实地表征俯冲带深源地震的路径效应。（2） SMA2020模型对于PGV的场地效应表征较为合理,但对于PGA及PSA的场地效应表征有所偏差,还需要进一步检验验证。（3） SMA2020模型对于此次板内地震的短周期IM预测精确性要优于中长周期,对于T=1s的PSA预测表现最不佳。研究结果可为模型的潜在使用者提供有价值的辅助信息,也可以为我国地震动预测模型的开发研究提供理论参考。     

中—长期地震预测方法概率增益的评估

对各种不同时空尺度地震预测方法的概率增益Ｋ的评估,是应用地震预测综合概率增益模型的基本研究内容之一。各种尺度地震预测方法可分为空间增益,时间增益和时空增益三种类型,初步研究了概率增益Ｋ的评估方法,给出预测状态概率评估概率增益Ｋ的关系,并得出地震预测方法的Ｒ值评分与概率增益Ｋ的关系     

对张北6.2级地震预测的回顾和再研究

对张北6.2级地震在测震学前兆图像、预测回顾及总结的基础上,对部分反映较好的测震学预测指标进行了比较系统的预报效能检验和评估,进一步确定和筛选出部分测震学预测方法的最佳三要素预测指标,为各预测指标的三要素界定和预测效能提供了定量的参考依据。 对各种预报方法进行比较系统和客观的预报效能检验和评估,确定和筛选预测方法的最佳三要素预测指标,这不仅是地震预测预报逐步向科学、客观、严谨和实用化方向迈进的重要途径,而且是探索以震源物理为基础和孕震阶段为依据的多学科异常有机结合的综合概率预测的必要前题。     

中国大陆地震低活动异常及其在中期预测中的效能研究

在对中国大陆地震活动的分析研究中发现, 在某些大地震发生前的一、 两年中, 中国大陆往往出现地震活动显著平静的低活动异常。 本文应用最近100 a(1918—2017年)间5级以上地震资料, 分析地震低活动异常与未来一、 两年中国大陆地震活动的关系。 从M≥5.0地震的年频度、 年度最大地震震级、 6级以上地震的平静等方面建立了地震低活动异常的判据指标, 并从概率增益指数β、 预测效能比α、 地震预测R值评分等方面对地震低活动异常与未来大震关系作了多参数检验。 初步研究结果显示, 地震低活动异常与未来一、 两年中国大陆地震活动有一定的关系, 主要表现为其与8级左右(M≥7.8)巨大地震具有一定的相关性, 但其关联度较低, 概率增益指数β与预测效能比α为3左右, R值评分为0.2左右。 对于M＜7.5的地震, 地震低活动异常未显示, 其概率增益β, R值评分接近于0, 似呈现为近于随机关系。 M7.5是开始显示地震低活动异常与其有一定相关性的转折点。     

新疆地震综合预报判据和指标的研究

本文在地震综合预报清理攻关及有关震例研究的基础上,根据地震孕育的阶段性,分四个时段提取了新疆地震预报实践中常用方法、手段的单项异常预报判据和指标,定性和定量地研讨了综合预报方法。提出地震综合预报的集成预测概率方法。     

基于最大似然法的亚洲地震人口损失预测

亚洲是全球地震活动,特别是浅源地震活动最活跃的地区之一,由于亚洲大多数国家属于发展中国家,抗御地震的能力偏低,导致地震灾害十分严重。本文采用最大似然法,据亚洲9个国家历史上因各次地震死亡的人口资料,计算得到了各国不同时期因地震造成不同死亡度的概率曲线;另外,由各国每10年的人口统计资料,拟合得到各国人口的增长曲线。将历史上因各次强震的死亡人数归一到2010年人口的死亡数字,并以此数据给出了各国在考虑了人口增长情况下的因震人口损失预测结果。     

地震的概率预报

所谓地震预报，指的是预先知道地震的震中、震级和发生时间。亦可换言之，是在某种前提下，预测地震的发生。把概率用于预测的理由有二：其一，是因为地震现象本身受到不确定因素的影响；其二，是由于我们所掌握的观测预报信息存在着很多的不确定性。因此，进行预报的实际过程，归根结底，是某种条件下的概率预测。由于地震预报具有一定的社会影响，所以，不得不考虑能否将预测结果作为预报公之与众的问题。从这个意义上讲，我们在此将概率预测称之为概率预报。     

基于轮廓似然估计的广义极值分布在地震中长期预测中的应用

为描述强震预测的不确定性,在地震预报极值分析模型的参数估计中,引入轮廓似然估计法。对广义极值分布中形状参数和地震重现水平的轮廓似然估计原理及数值算法进行了详细地阐述,并利用构建的广义极值分布模型对东昆仑地震带进行了地震危险性分析。关于形状参数和重现水平的点估计,以及10年以内的重现水平置信区间的估计,轮廓似然估计法与极大似然估计法效果基本相同,但在中长期地震重现水平置信区间的预测中,轮廓似然估计法得到的关于置信水平不对称的置信区间,在强震水平下对预测震级的不确定性表达更准确,预测结果更加有效。      

地震学异常度预测法的概念、计算与应用

地震学异常预测法是基于ＣＡＰＳｅｉｓ软件对Ｎ值,蠕变值,能量值,ｂ值,缺震值、η值,ＧＬ值,Ｒｍ值,Ｃ值,Ｄ值等１０项地震学预报指标空间扫描数据进行综合异常判定的方法。以华北及华东地震的地震资料为例,系统总结了该法的原理,计算方法,历史震例,地震学异常度预测图的判读原则与预测实例。结果表明,其预报效能明显高于各单一参量的统计概率。根据环江地震,嘉义地震的预报经验以及对环江地震和张北地震后两种不同类     

地震发生中长期预测中的非稳态泊松模型

基于实际地震的发生在一个活动期内具有加速活动的特点 ,作者提出一种非稳态泊松模型。与稳态泊松模型中地震发生率 ν为常数相对应 ,该模型中地震发生率 ν是随时间呈指数性增加。采用对数似然方法 ,通过使其最大化来确定模型的参数。作者以一个假想的时间序列 ,讨论了非稳态与稳态泊松模型之间的差别 ,并将该模型实际应用于华北地区汾渭地震带和华北平原地震带的中长期预测中     

可操作的地震预报 认知状态与应用指南

2009年拉奎拉地震后,意大利民防署(DPC)任命了一个国际民防地震预报委员会(ICEF),其任务是就当前构造地震短期预测预报的认知水平提出报告并提出利用可能的大地震前兆启动民防措施的指导意见,包括大地震后地震灾险性概率分析结果的使用。国际地震预报委员会回顾了由世界范围地震活动区的进展获得的地震预测预报研究。预测(predic-tion)定义为确定性地表述未来地震是否将在一特定地理区域、时间窗和震级范围内发生,而预报(forecast)则是给出这样一个事件将要发生的概率(大于0但小于1)。对地震的可预测性,即可依据观测到的地震系统的表现确定未来地震发生的程度,人们知之甚少。这种认知的缺乏反映在不能在短时间尺度上可靠地预测地震活动地区的大地震。大多数已提出的预测方法依靠的是诊断性前兆,即在地震之前可观测到的某种以高概率说明即将来临地震的地点、时间和震级的信号的概念。本报告中评议的前兆方法包括应变率、地震波速和电导率的变化,地下水、土壤和空气中氡浓度的变化,地下水位的扰动,近地表及其上方的电磁变化,热异常,动物行为异常和地震活动性图像等。诊断性前兆的探索迄今尚未提出成功的短期预测方案。因此,本报告关注作为与收集和传播含时间的地震灾险性权威信息的原则性方法的可操作的地震预报,以帮助社会公众应对潜在的破坏性地震。在几天和几周的短时间尺度上地震序列显示出如大地震触发的余震空间和时间上的成丛性。成丛性的统计描述解释了地震目录中观察到的许多特征,并可用于形成预报,说明地震概率的短期变化。若能恰当加以应用,短期预报就具有可操作性,如预测大地震后的余震。尽管长期预报对于保障地震安全性的价值是明确的,但对短期预报的解释却令人困惑,由于地震概率变化可达几个量级,而典型的概率值在绝对意义上仍然很低(日概率小于1%)。把这种低概率的预报转换为有效的决策是一个艰难的挑战。报告收集了高地震危险性的6个国家(中国、希腊、意大利、日本、俄罗斯和美国)在地震风险管理中当前利用可操作预报的状况。长期模型是当前民众预防地震破坏最重要的预报手段,因为它们指导了建筑规范中的地震安全条款、基于性能的抗震设计和其他减轻风险的工程实践,如在翻修旧建筑中纠正设计缺陷等。余震的短期预报在上述一些国家中曾经实践过,但可操作的地震预报还没有在任何一个国家完全实施过(即定期更新并且在全国范围内实施)。根据在地震活跃区积累的经验,国际地震预报委员会向意大利民防署提供了一组在意大利使用可操作的预报的建议,这些建议对于其他国家可能也是有用的。应该向公众提供关于未来地震短期概率的权威的、科学的、一致的和及时的公开信息源。报告应以具有可操作性、定期更新的地震活动预报系统为基础,而且这些系统在地震信息的产生、发送和使用中都要经专家严格评审和更新。所有可操作模型的质量应当通过对其可靠性和有效性的回顾性检验加以评估,而且应对已建立的长期预报和其他含时间的模型进行持续的前瞻性检验。警报规程应当标准化以便于各级政府及民众做出决策。应当确定地震概率阈值以指导警报等级,而警报等级是以代价和收益,以及信息价值的无形方面,如心理准备与恢复方面效益的客观分析为基础。由社会科学研究确立的有效的公众交流原则应当被用于地震灾险信息的发送。     

地震丛集模型的改进

假定地震是随机点过程的实现，并且全部地震的震级分布都遵从b为常数的古登堡-里克特定律，通过传染性模型，我们对地震的时空发生率密度进行了模拟。发生率密度是通过两项求和计算的，一项代表独立或者说自发的活动性，另一项代表由先前地震诱发的活动性。第一项只与空间有关，而第二项依赖于三个因素，包括已发生地震的震级、时间和位置。本文中，对时间项我们使用修正后的大森定律，重点研究震级和空间项。对于每一项，我们形成了两种不同的假设，并且根据1987年到2000年意大利仪器记录地震的目录，分别找出了各自的最大似然参数。对2001年纪录的地震活动性计算了各自的可能性并进行了比较，这为找到最佳模型提供了一个途径。对各种假设进行蒙特卡罗模拟，由此来评估我们选择的假设的可信度。我们的研究表明，对于空间分布，反向幂密度函数比正态密度函数更可靠，而余震发生对于震级的尺度不变性假设可以在高可信水平上被拒绝。最终的模型适宜于在真实环境中计算地震发生概率。