[论文解读] Quantifying Uncertainties in the 2004 Sumatra-Andaman Earthquake Source Parameters by Stochastic Inversion

Devaraj Gopinathan, Mamatha Venugopal+4 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2016

earthquake and tectonic studies参考文献 61被引用 6

一句话总结

本研究采用卫星高度计数据的随机反演方法，利用有限断层模型量化2004年苏门答腊-安达曼地震源参数的不确定性。尽管波形拟合效果极佳，反演结果仍显示滑动量、破裂速度和初升时间分布存在较大的方差和偏度，凸显了改进物理模型和客观反演策略的必要性，以提升海啸早期预警系统的性能。

ABSTRACT

Usual inversion for earthquake source parameters from tsunami wave data incorporates subjective elements. Noisy and possibly insufficient data also results in instability and non-uniqueness in most deterministic inversions. Here we employ the satellite altimetry data for the 2004 Sumatra-Andaman tsunami event to invert the source parameters. Using a finite fault model that represents the extent of rupture and the geometry of the trench, we perform a non-linear joint inversion of the slips, rupture velocities and rise times with minimal a priori constraints. Despite persistently good waveform fits, large variance and skewness in the joint parameter distribution constitute a remarkable feature of the inversion. These uncertainties suggest the need for objective inversion strategies that should incorporate more sophisticated physical models in order to significantly improve the performance of early warning systems.

研究动机与目标

• 通过数据驱动的客观方法减少地震源参数反演中的主观性。
• 解决因数据噪声或数据不足导致的确定性反演中的不稳定性和非唯一性问题。
• 通过最小化先验约束的随机反演，量化滑动量、破裂速度和初升时间的不确定性。
• 评估当前反演策略在海啸早期预警系统背景下的性能表现。
• 识别现有模型的局限性，并倡导采用更复杂的物理表征方法。

提出的方法

• 采用有限断层模型来表征2004年苏门答腊-安达曼地震的破裂范围和海沟几何形态。
• 对卫星高度计数据应用随机反演，联合反演滑动量、破裂速度和初升时间。
• 反演过程尽量减少对主观先验假设的依赖，转而依赖数据驱动的概率分布。
• 采用非线性优化方法拟合观测到的海啸波形，同时探索完整的参数空间。
• 通过分析后验参数分布的方差和偏度来量化不确定性。
• 通过反演结果的统计分析，评估推断出的源参数的稳定性和可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用海啸波形数据客观量化地震源参数的不确定性？
• RQ2 尽管波形拟合良好，滑动量、破裂速度和初升时间估计中仍存在多大的不确定性？
• RQ3 数据噪声和模型局限性在多大程度上导致了确定性反演中的非唯一性？
• RQ4 后验参数分布中的方差和偏度在多大程度上影响了早期预警系统的可靠性？
• RQ5 为减少不确定性并提升反演性能，物理建模方面需要做出哪些改进？

主要发现

• 尽管对观测海啸波形的拟合始终良好，反演结果在估计的源参数中仍表现出较大的方差。
• 滑动量、破裂速度和初升时间的后验分布显示出显著的偏度，表明其不确定性结构并非正态分布。
• 高水平的不确定性表明，确定性反演方法不足以支持可靠早期预警系统的性能。
• 本研究表明，即使使用高质量的高度计数据，由于模型和数据的局限性，参数估计仍存在高度不确定性。
• 研究结果强调了在海啸灾害评估中迫切需要更复杂的物理模型和客观的反演框架。
• 研究结果表明，当前的反演策略可能无法为实际早期预警系统提供必要的精度。