一种针对中国的震后死亡快速评估方法

摘要

本发明提供了一种针对中国的震后死亡快速评估方法，涉及地震灾害评估技术领域，包括获取中国历史地震数据；构建针对中国的历史人类发展指数，根据历史人类发展指数对每次地震的记录死亡人口数进行归一化，获取归一化公式；针对发展差异，将中国划分为多个区域；根据归一化公式、每次地震的人口暴露数据和烈度分布数据为各区域分别确定死亡率函数；地震发生后，根据所属区域的死亡率函数、人口暴露数据及烈度分布数据估算死亡人口数；采用正态累计分布函数计算本次地震死亡人数落在各应急响应级别区间的概率。本发明在地震发生后快速评估地震死亡人数及应急响应等级，为政府快速应急响应提供科学的指导意见。

说明书

技术领域

本发明属于地震灾害评估技术领域，尤其是涉及一种针对中国的震后死亡快速评估方法。

背景技术

地震发生后会为人类社会带来巨大的损失与破坏，甚至是大量的人员伤亡。如果能够在地震发生后快速评估出地震的死亡人数以及应急响应等级，将为政府和相关机构震后快速应急响应决策，以及抗震救灾和资源调配提供科学的指导意见。

如今美国地质调查局(USGS)已经展开震后死亡快速评估这一工作，在其官方网站发布了一个PAGER系统用于震后的快速评估计算。但由于其数据及方法并不适用于中国，因此对于中国发生地震的评估结果与实际报道数值偏差较大，并不能用于我国震后的快速决策与资源调配等应急响应方案制定的科学指导当中。

发明内容

针对上述问题及设想，本发明提出了一种针对中国的震后死亡快速评估方法，用于在地震发生后快速评估出地震的死亡人数以及应急响应等级，将为政府和相关机构震后快速应急响应决策，以及抗震救灾和资源调配提供科学的指导意见。

为实现上述目的，本发明公开了一种针对中国的震后死亡快速评估方法，包括：

获取中国历史地震数据，包括每次地震的人口暴露数据、烈度分布数据和记录死亡人口数；

构建针对中国的历史人类发展指数，根据所述历史人类发展指数对每次地震的记录死亡人口数进行归一化，获取归一化公式；

针对中国不同地区的发展差异，将中国划分为多个区域；

根据所述归一化公式、每次地震的所述人口暴露数据和所述烈度分布数据为各所述区域分别确定死亡率函数；

地震发生后，根据所属区域的所述死亡率函数、本次地震的人口暴露数据及烈度分布数据估算本次地震的死亡人口数；

采用正态累计分布函数计算本次地震死亡人数落在各应急响应级别区间的概率，将概率最高的所述应急响应作为应急响应预测结果。

作为本发明的进一步改进，所述构建针对中国的历史人类发展指数，公式为：

HDI＝(I

其中，

I

I

I

作为本发明的进一步改进，所述归一化公式，表示为：

其中，

O

HDI

HDI

作为本发明的进一步改进，针对中国不同地震活动性、构造背景以及经济发展程度，进行了中国区域化处理，将中国划分为多个区域，具体为：东北地区、华北地区、华南地区、新疆地区和青藏高原地区。

作为本发明的进一步改进，确定死亡率函数前，先确定死亡率函数形式；包括：

根据每次地震的所述人口暴露数据和所述烈度分布数据获得预测死亡人口数计算公式，表示为：

其中，

Pe表示地震事件发生时，在地震烈度为I的每个区域的人口暴露数量；

r(I)表示与地震烈度I相关的死亡率函数；

常规的三种死亡率函数形式包括：log(r)＝β+θ·I；log(r)＝β·exp(θ·I)；

结合中国历史地震数据、所述归一化公式和所述预测死亡人口数计算公式构建目标函数，根据所述目标函数的最小值确定三种死亡率函数形式的参数θ和β，所述目标函数表示为：

使用残差公式从多种死亡率函数形式中选择一种死亡率函数形式，残差公式表示为：

死亡率函数形式确定为：log(r)＝β+θ·I。

作为本发明的进一步改进，各所述区域的死亡率函数，分别为：

东北地区：

log(r)＝-10.799+0.826I(I≤10，ζ＝1.0144)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

华北地区：

log(r)＝-13.993+1.260I(I≤10，ζ＝1.8654)；

log(r)＝-11.868+1.031I(I≥11，ζ＝2.0657)；

华南地区：

log(r)＝-12.625+1.144I(I≤10，ζ＝1.3539)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

新疆地区：

log(r)＝-11.873+1.047I(I≤10，ζ＝1.5070)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

青藏高原地区：

log(r)＝-11.977+1.120I(I≤10，ζ＝1.7485)；

log(r)＝-10.365+0.892I(I≥11，ζ＝1.8474)。

作为本发明的进一步改进，地震发生后，根据所属区域的所述死亡率函数、本次地震的人口暴露数据及烈度分布数据估算本次地震的死亡人口数；计算公式为：

其中，

Pe表示本次地震发生时，在地震烈度为I的每个区域的人口暴露数量；

r(I)表示地震发生位置所属区域的死亡率函数。

作为本发明的进一步改进，获取本次地震的烈度分布数据，具体包括：

通过并行三维有限差分方法数值模拟强地面运动，得到强地面运动的地表三分量速度；

根据所述地表三分量速度合成峰值地面速度；

根据所述峰值地面速度转换的到本次地震的烈度分布数据。

作为本发明的进一步改进，采用正态累计分布函数计算本次地震死亡人数落在各应急响应级别区间的概率，将概率最高的所述应急响应作为应急响应预测结果；包括：

所述正态累积分布函数表示为：

其中，

Φ表示关于期望值ln(Ei)和标准差ζ的正态累积分布；

Ei表示估算得到的本次地震的死亡人口数；

标准差ζ表示评估值与记录值的拟合残差；

a、b分别表示应急响应级别对应的死亡人数区间的边界值。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明用于在地震发生后快速评估出地震的死亡人数以及应急响应等级，与现有技术相比本系统计算结果更为准确，将为政府和相关机构震后快速应急响应决策，以及抗震救灾和资源调配提供科学的指导意见。

本发明在地震发生后通过远场数据快速反演震源模型，并通过并行三维有限差分方法数值模拟此次地震的全部过程，可以快速获得表烈度分布数据，对于地震死亡人数的快速评估起到重要作用。

本发明统计了相对完整的地震灾害损失数据库，其次对数据库数据进行审核与校对，剔除错误数据，添加缺失数据，对模型的准确度具有重要意义。

本发明考虑到中国领土过于广阔，地区之间发展不平衡的因素，根据中国不同地震活动性、构造背景以及经济发展程度对中国区域进行了划分，并分别确定地震死亡率函数，提高了评估结果的准确性。

本申请考虑到建筑物抗震能力、人民防灾减灾教育普及等因素随时间变化的现象，地震死亡率对于时间是一个变量，因此选择人类发展指数(Human Development Index，HDI)作为社会发展水平的指标参数，对历年地震死亡人数进行标准化处理，将历史年份地震死亡率转换到当前年份的社会经济发展水平，进而使评估结果更加准确。

本申请通过构造目标函数，针对估算的死亡人数和与标准化后的历史死亡人数进行回归计算，筛选最适用于中国死亡数据的死亡率函数形式，使死亡率函数更加适用于我国情况，从而提高评估结果的准确性。

附图说明

图1为本发明一种实施例公开的针对中国的震后死亡快速评估方法流程图；

图2为本发明一种实施例公开的人类发展指数(HDI)及其三个相关因素的历年数值展示图；

图3为本发明一种实施例公开的通过三维有限差分方法计算得到的Vx分量波场快照；

图4为本发明一种实施例公开的强地面运动模拟PGV结果示意图；

图5为本发明一种实施例公开的本方法对盈江地震震后快速死亡人数及应急响应等级评估的结果示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

如图1所示，本发明公开的一种针对中国的震后死亡快速评估方法，包括：建立评估模型和评估过程；

建立评估模型包括：

S1、获取中国历史地震数据，包括每次地震的人口暴露数据、烈度分布数据和记录死亡人口数；

其中，

评估模型基于经验统计方法建立，需要历史地震损失数据的完整性与一致性。因此，基于六个中国不同种类中国地震目录、大量文献、报告及网站等资料，通过大量的审核与校对工作，编制了一套1950-2018年中国开源综合成灾地震目录(Mainland ChinaComposite Damaging Earthquake Catalog， MCCDE-CAT)。该目录包括成灾地震的基本地震学数据、社会与经济损失数据、每次地震事件的人口暴露数据及烈度分布数据。

S2、构建针对中国的历史人类发展指数，根据历史人类发展指数对每次地震的记录死亡人口数进行归一化，获取归一化公式；

具体的，

(1)由于死亡人数受到公众意识、灾害预防、地震预警和应急准备和救援能力等因素的影响。这些因素与社会发展有因果关系。由于社会发展是一个动态过程，与之相关的地震死亡率数据是非标准化的。我们构建中国的人类发展指数(Human Development Index，HDI)将1949-2018年的地震死亡人数归一化，使得死亡估计模型能够更符合当前社会发展水平，从而为未来地震死亡提供更合理的估计。

构建针对中国的历史人类发展指数由三部分组成，公式为：

HDI＝(I

其中，

I

I

I

(2)根据历史人类发展指数对每次地震的记录死亡人口数进行归一化 (标准化处理)，得到归一化公式：

其中，

O

HDI

HDI

进一步的，

针对不同年份计算获得的中国历史人类发展指数如图2所示。

S3、针对中国不同地区的发展差异，将中国划分为多个区域；

其中，

由于中国领土过于广阔，地区之间发展极度不平衡，一个相对合理的中国区域化处理是十分必要的。因此，针对中国不同地震活动性、构造背景以及经济发展程度等要素，进行了中国区域化处理；

具体的，

将中国划分为多个区域，具体为：东北地区、华北地区、华南地区、新疆地区和青藏高原地区。

S4、根据归一化公式、每次地震的人口暴露数据和烈度分布数据为各区域分别确定死亡率函数；

其中，

(1)先确定死亡率函数形式；包括：

根据每次地震的人口暴露数据和烈度分布数据获得预测死亡人口数计算公式，表示为：

其中，

Pe表示地震事件发生时，在地震烈度为I的每个区域的人口暴露数量；

r(I)表示与地震烈度I相关的死亡率函数；

常规的三种死亡率函数形式包括：log(r)＝β+θ·I；log(r)＝β·exp(θ·I)；

结合中国历史地震数据、归一化公式和预测死亡人口数计算公式构建目标函数，根据目标函数的最小值确定三种死亡率函数形式的参数θ和β，目标函数表示为：

使用残差公式从多种死亡率函数形式中选择一种死亡率函数形式，残差公式表示为：

死亡率函数形式确定为：log(r)＝β+θ·I。

(2)确定各地区的死亡率函数，同时，针对灾难性地震(即最大烈度I≥11) 的事件单独确定死亡函数；

各区域死亡函数具体为：

东北地区：

log(r)＝-10.799+0.826I(I≤10，ζ＝1.0144)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

华北地区：

log(r)＝-13.993+1.260I(I≤10，ζ＝1.8654)；

log(r)＝-11.868+1.031I(I≥11，ζ＝2.0657)；

华南地区：

log(r)＝-12.625+1.144I(I≤10，ζ＝1.3539)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

新疆地区：

log(r)＝-11.873+1.047I(I≤10，ζ＝1.5070)；

log(r)＝-10.725+0.925I(I≥11，ζ＝1.8217)；

青藏高原地区：

log(r)＝-11.977+1.120I(I≤10，ζ＝1.7485)；

log(r)＝-10.365+0.892I(I≥11，ζ＝1.8474)。

评估过程包括：

S5、地震发生后，根据所属区域的死亡率函数、本次地震的人口暴露数据及烈度分布数据估算本次地震的死亡人口数；

其中，

(1)获取烈度分布数据；

通过并行三维有限差分方法数值模拟强地面运动，得到强地面运动的地表三分量速度Vx、Vy、Vz，如图3所示为强地面运动的数值模拟Vx分量波场快照；

根据地表三分量速度合成峰值地面速度(peak ground velocity,PGV)，公式为：

PGV＝max[v(t

其中，

v(ti)表示ti时刻速度值，下标x、y、z分别代表东西分量、南北分量以及垂直分量；计算结果如图4所示；

根据峰值地面速度转换的到本次地震的烈度分布数据，包括：依据最新的《中国地震烈度表(GB/T 17742-2020)》中PGV与地震烈度I存在如下转换关系：

I＝3.00log

通过公式将数值计算的PGV转化为本研究所需要的地震烈度分布数据。

(2)估算本次地震的死亡人口数；

计算公式为：

其中，

Pe表示本次地震发生时，在地震烈度为I的每个区域的人口暴露数量；

r(I)表示地震发生位置所属区域的死亡率函数。

S6、采用正态累计分布函数计算本次地震死亡人数落在各应急响应级别区间的概率，将概率最高的应急响应作为应急响应预测结果。

其中，

正态累积分布函数表示为：

其中，

Φ表示关于期望值ln(Ei)和标准差ζ的正态累积分布；

Ei表示估算得到的本次地震的死亡人口数；

标准差ζ表示残差公式的计算值；

a、b分别表示应急响应级别对应的死亡人数区间的边界值。

进一步的，

用不同的颜色表示四个地震应急响应级别(绿色：IV级；黄色：ΙΙΙ级；橙色：II级；红色：Ι级；)

如：将本模型用于2008年8月21日，5.9级盈江地震，计算结果如图5 所示，显示此次地震的快速评估人数范围为0-10人(死亡期望值为5人)，对应IV级地震应急响应。震后报道实际死亡5人，符合预期效果。

本发明的优点：

本发明用于在地震发生后快速评估出地震的死亡人数以及应急响应等级，与现有技术相比本系统计算结果更为准确，将为政府和相关机构震后快速应急响应决策，以及抗震救灾和资源调配提供科学的指导意见。

本发明在地震发生后通过地震数据快速反演震源模型，并通过并行三维有限差分方法数值模拟此次地震的全部过程，可以快速获得表烈度分布数据，对于地震死亡人数的快速评估起到重要作用。

本发明统计了相对完整的地震灾害损失数据库，其次对数据库数据进行审核与校对，剔除错误数据，添加缺失数据，对模型的准确度具有重要意义。

本发明考虑到中国领土过于广阔，地区之间发展不平衡的因素，根据中国不同地震活动性、构造背景以及经济发展程度对中国区域进行了划分，并分别确定地震死亡率函数，提高了评估结果的准确性。

本发明考虑到建筑物抗震能力、人民防灾减灾教育普及等因素随时间变化的现象，地震死亡率对于时间是一个变量，因此选择人类发展指数(Human Development Index，HDI)作为社会发展水平的指标参数，对历年地震死亡人数进行标准化处理，将历史年份地震死亡率转换到当前年份的社会经济发展水平，进而使评估结果更加准确。

本发明通过构造目标函数，针对估算的死亡人数和与标准化后的历史死亡人数进行回归计算，筛选最适用于中国死亡数据的死亡率函数形式，使死亡率函数更加适用于我国情况，从而提高评估结果的准确性。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。