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習近平總書記在視察唐山時的重要講話:我國是世界上自然災害最為嚴重的國家之一,災害種類多,分布地域廣,發生頻率高,造成損失重,這是一個基本國情。新中國成立以來特別是改革開放以來,我們不斷探索,確立了以防為主、防抗救相結合的工作方針,國家綜合防災減災救災能力得到全面提升。要總結經驗,進一步增強憂患意識、責任意識,堅持以防為主、防抗救相結合,堅持常態減災和非常態救災相統一,努力實現從注重災后救助向注重災前預防轉變,從應對單一災種向綜合減災轉變,從減少災害損失向減輕災害風險轉變,全面提升全社會抵御自然災害的綜合防范能力。防災減災救災事關人民生命財產安全,事關社會和諧穩定,是衡量執政黨領導力、檢驗政府執行力、評判國家動員力、體現民族凝聚力的一個重要方面。當前和今后一個時期,要著力從加強組織領導、健全體制、完善法律法規、推進重大防災減災工程建設、加強災害監測預警和風險防范能力建設、提高城市建筑和基礎設施抗災能力、提高農村住房設防水平和抗災能力、加大災害管理培訓力度、建立防災減災救災宣傳教育長效機制、引導社會力量有序參與等方面進行努力。

本所專家原創科普

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地震統計面面觀
陳石


內容摘要:地震活動的時空變化可以研究很多地球科學問題。如果我們把全球地震發生的震中位置點到地圖上,大家可以發現在很多大陸和海洋的邊界地區地震最密集,對,這就是板塊邊界區地震。通常如果要給地震分類,可以分為發生在板塊邊緣的“板間地震”和發生在板塊內部的“板內地震”。與板間地震相比,板內地震的點畫出來就沒有那么多地理上的規律性,但這種地震一旦發生,往往危害巨大。而今天的故事,我們就從如何通過可視化手段來看懂幫助研究這些板內地震的時空演化規律講起。




  1、地圖模式

  如果你是地球科學工作者,肯定對下面這類圖不陌生——以一張地圖作為底圖,把地震震中點上去(dot),大地震用大dot,小地震用小dot,密密麻麻的,形成一張地震分布圖(圖1)。


圖1 地震分布圖

  除了看多了會有審美疲勞外,大家是否想到過這種千篇一律的做法會有什么問題呢?我們知道地震的發生在空間上是不均勻的,一般地震發生的地方都有斷層或活動構造,斷層與地震,就類似雞生蛋、蛋生雞的關系。
  如果從統計角度去研究地震,我們僅看一群雞下多少蛋并不夠,更重要的是盯住某一只雞,萬一這只雞總是下雙黃蛋,這可能就是值得關注的大事件,如果將雞比做實體對象,那從一群雞中找出那只可能有異常的家伙(Outlier),則非常重要。
  人的記憶能力是有限的,圖1中畫的dot雖然多,我想誰也不會拿這種圖去較真地分區數數。那有沒有更好的方法呢?我們嘗試探討一下。
  2、實體對象有哪些
  上面我們提到了,板內地震的發生在空間上不規律,它們其實與構造有關,同時一段時間的地震數量的多少也是評價這個地區構造活動性的關鍵。以前,我們分很多地震帶,分別研究地震帶區域范圍內的地震數量和活動規律。
  最新的構造和震源區劃分方法,可以從“第五代地震區劃圖”中找到答案(地震區劃圖是在地圖上展示地區間潛在地震危險性差異的圖)。如果畫到地圖上,就是圖2這樣。首先,我們看藍線的全國地震構造區(為什么這么分?當然是有科學依據的,在本文就不掰扯了,推薦大家看看2016年5月1日地震出版社出版的《話說第五代地震區劃圖》)。



圖2 哪些實體單元更危險

  好,如果我們將圖2中的地震構造作為研究的實體對象,或者看成是上文說的雞,那么從這群雞中找到出現異常的家伙就是首要任務了。接下來我們看看,從能否從可視化方法上做一點小改進。
  3、地震空間分布可視化
  承接上文,我們知道地震活動是不斷變化的,今天和昨天不一樣,今年和去年也不一樣,怎么牢牢盯好現有的固定的地震構造?會有比看地圖更好的方法嗎?
  下面我們做個嘗試,如果按照圖2的地震構造分區,將地震目錄重新統計一下,再用一種叫Treemap的方式畫出來,如圖3所示。


圖3 按地震構造統計

  解釋一下,圖3中的每個矩形塊表示一個構造,矩形塊的大小與它代表的構造中的地震發生數量成正比,地震越多這個矩形塊越大。圖3中最大的矩形塊是臺灣東部地震構造區,那里其實是被一個板塊給碰到了,所以天天地震不太平。
  再看圖3中各個矩形是深淺不一的藍色,我們設定顏色深淺與這個統計實體內的最大地震震級相關,越深代表震級越大。
  我們一般都會認為,哪里發生地震數量多,哪里應該也最可能來大地震對吧。但是,如果仔細看圖3,你會發現是有異常的,比如右下角的那些小藍塊里,有一個上面寫了“天”字的,它這個矩形塊不大,說明地震少,但顏色很深,說明曾經發生過震級很大的地震呦!這個“”字矩形塊代表的就是天景山-六盤山構造區,從圖3能清晰地發現它可是個典型的outlier,這個位置值得注意嘍。
  而圖3中右下角的那些擠在一起的小矩形,看不到上面的字了,不知道它們代表的都是哪些構造了,不急,我們放大一下如圖4:


圖4 圖3右下角放大后的樣子

  大家再看看圖4哪里更藍啊,那就要趕快跟蹤一下嘍,研究一下看看那里會有啥新的發現。
  如果你是一個管理者,那就不光從構造角度出發,還要考慮行政區內的地震安全問題,那也很簡單,以行政區為邊界,再畫一張圖,如圖5:


圖5 按照行政區統計地震數量

  按照上面關于矩形塊大小和藍色深淺代表的含義的設定,圖5能看出什么呢?我想最直觀的可以說:新疆和西藏發生的地震最多,甘肅雖然地震少,可是最大震級很大,這些地方都要提前防范??!好了,如果每年做這么一張圖,回顧一下全年的情況,再和歷年的圖對比一下,是不是
比把地震全點到地圖上更簡便且更有說服力呢?
  那么,大家可能會問,你圖2中那些帶顏色的潛在震源區還沒有統計啊,當然我們用同樣的方法再跑一遍流程就出來了。請看圖6。


圖6 潛在震源區地震統計

  圖6能看出啥?先找最藍的那個——就是圖中中上位置那個“?!弊?,這代表的是海原震源區,地震數少,但震級大。圖6里面實體對象數量太多,很多小塊看不到字啊,尤其是右下角,別急,我們再把它放大,如圖7。


圖7 潛在震源區放大統計圖
  圖7中的故事大家可以自己來講了吧!
  ps:本地震目錄統計的是1970年-2014年期間中國大陸M4.7以上的地震,地震目錄不同,故事可能就完全不一樣了。
  4、地震時間演化的可視化
  上面說的地震都是按照空間統計的,那么從時間演化上有什么故事呢?有人說,在圖1上面把紅點的顏色表示時間,做個過渡唄,可即使你做了仍然還是很難一下看出所以然來。那有沒有更好的辦法?好,我們試試下面這個可視化方法:


圖8 地震時間演化Sankey圖

  解釋一下怎么看圖8——這是按年度劃分的,我們將每個構造區的地震數量按照年度分類,左邊表示年份,右邊表示構造區。代表
每一個年份的矩形的高矮與這一年地震總數量成正比,而每個年份后邊線條粗細與右邊構造區的地震數目成正比。
  這種叫Sankey圖,是用來表示流量的圖件,從左到右,地震數量不變,只是對應的統計實體有變化。你能從中看出什么有趣的現象嗎?小哥看到的是在2014年,阿爾金和臺灣東部地震構造區地震活動性較強。
  那這些構造與每個行政區都息息相關的,能再流出來一層嗎?回答是,當然可以。
  按照流量不變原則,可以畫一個三層流向的,如圖9。

圖9 三層Sankey可視化

  嗯,看上去有點亂啊,明眼人會注意到怎么還有什么“未知構造帶”和“未知省份”呢?其實這就是統計中的流量不變原則起作用了——地震目錄中每個地震都可以歸到某一年中,但是構造區和省份的邊界是固定的,那些落到外面的地震也要統計??!


圖10 選擇某一個節點的可視化效果

  如果選擇圖中某一個構造,可以高亮顯示某一條路徑,比如“
龍門山-四川-2008”這條,大家想起了什么嗎?對,汶川地震... ...

  同樣,如果你對構造不敏感,那也可以按照省來統計,如圖11所示:

圖11 按省份統計的地震活動

  從圖11我們能看出什么?——2011年地震數量最多的就是新疆,但是2014年總的地震數量明顯比前面三年的多。

  當然省份后面還可以繼續劃分,可以按照市縣能行政區劃一級一級來,最終你會遺憾屏幕太小了,嗯嗯

  一句話總結:從統計角度認識地震活動規律,看似簡單,但仍然可以有所創新,本文應用了大數據分析領域的兩種可視化方法,對你有沒有一點啟發呢?有人說“一張圖勝過千行字”,我相信好的方法總能給人一些新的啟迪,而科研也是這個道理。







作者:地學小哥
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來源:簡書
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發布時間:2020年03月16日

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