使用观测与信息论评估地震地面运动预测方程：在藏北东北地区的应用

这对人群与城镇为何重要

地震不仅震动大地；它们也是对城市、大坝及数百万民众依赖的关键生命线安全性的考验。在藏北东北这一由活动断层交织的崎岖地带，工程师必须在只有少数近代地震有良好记录的情况下，估计未来地震会造成多大的地面震动。本研究探讨如何在数据稀缺但风险高的地区评判哪些用于预测震动的数学公式最值得信赖。

亚洲的一个不安角落

藏北东北位于印度板块继续挤压欧亚板块的多个地壳块体交汇处。该区域被一张主要断层网所切割，产生过数十次中等到强烈地震，包括上世纪以来中国境内一些最强的地震。关键基础设施，例如为中国供应重要电力份额的一系列大型水电大坝，直接处于危险之中。为设计与加固这些构筑物，规划者依赖地面运动预测方程——将地震规模、震中距离、断层类型与土壤条件转换为震动强度估计的公式。然而，对该地区的大多数历史地震几乎没有强震记录仪器，因此究竟哪些现有公式适用于这类复杂地形长期以来并不明朗。

科学家通常如何评判震动公式

当有足够记录时，研究者以直接方式测试预测公式：将每个模型预测的震动与仪器实际测得的值比较。观测值与预测值之间的差异用误差统计来概括，这类度量常被称为残差分析。利用来自两次近期事件——2022年门源走滑地震与2023年积石山逆冲地震——的新数据，作者将此方法应用于五个在中国及邻近地区广泛使用的公式。对门源地震而言，五个模型都把握住了总体震动水平，但一套专为该区域开发的模型匹配度最紧密。对积石山而言，所有模型都表现不佳，尤其在最强震动处，另一套公式成为表现最佳者。排名随事件改变，表明对一种类型地震有效的模型并不保证对另一种同样有效。

利用模型自身隐藏的信息

由于该地区大且有良好记录的地震罕见，研究还采用了基于信息论的方法。此法不依赖于每个记录站的直接比较，而是考察每个公式在地震周边广域产生的更广泛统计震动模式。将这些模式视为概率分布，作者量化了偏向某一模型相较于另一模型会丢失多少信息，并将其转换为权重——表示应对每个公式赋予多少信任的数值。他们先在相同的两次现代地震上测试该框架，以检验结果与残差分析是否大致一致，然后把方法扩展到1920年与1927年两次不具仪器记录的重大历史事件。

两种视角共同揭示的内容

通过信息论的视角，一些模式变得更清晰。在这四次地震中，一套区域特定的公式持续获得最高权重，另外两套提供了有意义但较小的贡献，而剩下的两套则反复被降权。即便在历史事件中，这些排序也保持稳定，表明该方法在直接观测稀少时能够识别出稳健的优选者。与此同时，传统的残差分析突出了模型成败如何强烈依赖于断裂是以侧向为主还是向上为主、断层如何撕裂地壳，以及黄土等松软表层在高原不同区域的厚度等细节。换言之，残差揭示了逐事件的特性，而信息论则强调长期的可靠性。

这对未来安全意味着什么

对非专业读者而言，主要信息是：在地质复杂且现代记录稀少的地区，并不存在单一万能的地震震动公式。通过结合两种不同的模型评判方式，作者提出了一个实用方案：在数据丰富处使用残差分析来观察每个公式对特定地震的表现，并用基于信息论的权重把表现较好的公式融合成一个在多种情景下更稳定的复合预测。此双重策略可用于指导当前藏北东北的地震危害估计，并可推广到其他地震多发但观测稀疏的地区。

引用: Yang, Y., Ismail-Zadeh, A. & Wu, J. Assessment of ground-motion prediction equations using observations and information theory: application to the Northeastern Tibetan Plateau. npj Nat. Hazards 3, 32 (2026). https://doi.org/10.1038/s44304-026-00196-6

关键词: 地震灾害, 地面运动预测, 青藏高原, 地震风险, 信息论