SCEC重点工程和基础研究
（信息网络中心刘越译著）
SCEC的目标是了解南加利福尼亚断层体系的物理性质以及建立地震行为关键面模型。为了实现目标，SCEC组织了涉及地震科学各方面的多学科研究。例如：数据采集与分析、信息技术、地震预报和其它应用研究。
OpenSHA
OpenSHA的主要目标是通过建立可适应新、旧模型的平台，推进地震灾害分析。最终实现目标定位、网络和GUI查询、开放源及任意获取。我们的目标是提供用于人工地震破裂预报、地动模拟或技术响应模型可“插入”进行分析的框架（无需转换所插入模型）。
虽然一些程序较为简单，但我们的目标是使SHA的各组成部分区域性分布在互联网上，实现“共享模拟环境”，用友好的网络界面连接它们。这种基础构架将明显减小刃口地球物理、现代灾害与危险评估之间的距离。
项目简述
SHA的目的是当给出一个或多个地震时，确定相关事件发生的概率，尤其指出裂度测量模式（IMT）优于强度测量水平（IML）。例如，也许我们想了解超过0.5g(IML)的地面峰值加速度（IMT）.
基本组成部分
OpenSHA主要由两部分组成
1. 地震破裂预报
这部分给出所有可能的地震破裂，及它们发生的相关概率、穿过地区和定义的时间间隔。
2. 裂度测量关系
在已知的特定地震破裂发生场地IMT是优于IML的条件概率。
下面用图画出SHA计算的组成部分和概率统计。
地震灾害评估主要由裂度测量、场地、裂度测量关系和地震破裂预报组成。
IMR是指可适应实验衰减关系，和基于衰减关系的更复杂模型，例如：根据物理学基本原理和非线性动力构造响应得出的3D波形模拟。总之，OpenSHA框架就是为了适应目前及长期的目标。
各种地震破裂预报（ERF）和裂度测量关系模型已经或将被建成。这种多样化反映出对如何最佳模拟地震过程和结构响应的不同意见。模型多样化并不是SHA的观念问题，而是这样是处理不同专家意见的直接方式。其实，严格意义上SHA要求计算出所有模型。然而，目前我们缺少一种可计算多种模型的基础结构。事实上，现有的SHA编码有时已约束了模型的改进水平。因此OpenSHA的目标是建立一个计算的基础结构，可分析“插入”的任何复杂模型，而不用再转换这些“插入”的模型。另外一个重要目标是使SHA的各组成部分能够实行地区分布，并可实时的从网络上获取。这样不仅方便了各项目作者使用和操作，还使该软件在大多数计算机上都能使用。
按标准设计框架
建立这样一个分布式的、即插即用的“共享模拟环境”必须具备一个稳定的、成熟的、标准的框架（包含各种模型的详细说明、数据及各通信协议）。采用目标指向框架实现了该目标。
因为不同学科对同一个单词有不同的解释，因此SHA建立了一个固定的词汇表。例如：“earthquake” 的字面意义是“地面摇动”，但是有时它是指断层破裂。虽然人能根据上下文理解不同的意思，但电脑之间不行。
描述OpenSHA目标指向框架的定义及细节的文章已发表在“地震研究快报”2003年上。在OpenSHA词汇表同样可以找到它的定义。
框架的执行过程
目前我们正用Java程序设计语言执行OpenSHA框架的核心部分。我们选择Java是因为它符合我们的要求：具备目标取向、独立平台、能够在Web运行及网络上潜在分布。然而，我们的框架不存在规定的语言。事实上，一些数据和模型部件都是用其它程序语言执行的，主要因为那部分无法用Java计算或是为了避免改写已有的“传统”编码。用适当的Java界面“打包”这些部件，使它们能插入OpenSHA框架。
编码的验证
首先证明我们的编码可以执行我们的指令。目标取向框架的优点之一就是每个组成部分可独立进行测试（我们常用已公布的Java单元测试结构）。我们还加入了太平洋地震工程研究中心（PRRE）SHA概率确认工作组，该工作组正在对比不同编码的结果及仔细定义各种测试问题。不仅我们在进行这些测试，任何人都可用我们的应用软件建立并运行这些试验。最后如有可能我们将把我们的结果同其它人对比。在与每个模型的组成和应用有关的文件中都详述了所有编码的认证过程。
成 果
经过三年的设计、计划和执行，目前已拥有可计算灾害曲线、灾害谱、全景地动图和完全灾害图的应用程序。我们还有描绘衰减关系曲线、震级频率分布和断层或破裂表面三维图的初级应用程序。这些程序可在任何型号的计算机上运行，也可在网页浏览器上运行。以下就举例说明：
A） 编码生效
OpenSHA编码已经过一整套的生效试验。作为太平洋地震工程研究中心PSHA编码确认工作组的一部分，OpenSHA编码已经过了广泛的生效试验。任何人都可用基于GUI的灾害曲线计算器的控制面板运行所有的试验。事实上，该应用程序的适应性（在便于使用和可有效调节参数上）使它能计算出为什么不同的参与者会得出不同的结果。OpenSHA还提供一些工具，使参与者能提交他们的结果或通过网页浏览器对比他们的结果。这些工具也可用于其它编码的认证过程。对照加利福尼亚NSHMP-2002地图，证实了我们的灾害计算结果。
B） 以GUI为基础的全景地震动图计算程序
该程序用于计算任意地震破裂和任意衰减关系的全景地震动图。对照17张“官方”USGS全景地震动图证实了我们的结果，这17张图可在“http://www.trinet.org/shake/archive/scenario.html”上找到。例如：图1显示的是Pnente 山7.1级地震情况的对照图。
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图1 对比由OpenSHA（右）计算出的Pnent山7.1级地震图和已公布的USGS（左）数据。小区域是由事件推测出的平均地面峰值加速度。为便于对比略去了地形起伏，但算入了场地效应。对比的效果非常好，除未包含与公认地震图使用的走向坐标采样结果略有不同的破裂带。
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用任何地震破裂预报模型定义的地震破裂都有权使用我们的全景地震动图应用程序（如现有的2002WGCEP事件都可以用）。任何人都可用“手”建立任意破裂。另外，也可选择任一衰减关系用于地震图计算（已发表的方案都只依据一种衰减关系），并且还可绘出由已选择的关系支持的任一裂度测量模式（IMT）的震动（已发表地图支持6IMTs）。这种灵活适应性允许我们探查不同衰减关系中不同场地效应或指向作用的意义（见图2和图3），结果可输入到HAZUS用于损失评估。
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图2 根据Field(2000)提出的衰减关系得出M7.1Pnent山全景场地效应的影响。左图假定这一地区是岩石（Vs30=760m/s）,中间图片中的Vs是依据Wills et.al(2000) 定义的，右图包括了Vs30和盆地深度（根据SCEC共享速度模型）。注意深LA盆地确定将有剧裂震动。 |
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图3显示指向性影响全景地震图。以7.4级北海沃德/Rodgers-Greek事件为例（由WGCEP 2002海湾地区模型定义的）。左图显示的是根据Abrahamso和Silva(1997)提出的衰减关系得出的平均基岩场地SA（5秒）。中间的图也是根据Abrahamson(2000) 得出的，不同的是包含了指向效应，右图是包含了场地效应（使用Will et.al 2000图）。
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做图工具可在运行时间从网络上选取（例如做图的“web service”）。这样用户就不必将相关的编码安装和运行在自己的计算机上。同样，还可在网络上选取不同位置的场地条件，因而也避免在用户计算机上存储大量数据，并保证大家都能获取最新信息。这种分布式资源的协同工作使我们的软件相对轻便。
C） 位于阿拉斯加石油管道的断层位移概率
2002美国德纳里峰地震后， OpenSHA被用来计算18个月内发生附加位移的余震概率，穿过Denali断层的阿拉斯加石油管道在位移处。Alyeska 管道服务公司用（图4）的结果决定什么时候开始维护工作。通过处理新预报模型和新裂度测量模式（断层位移）举例说明了OpenSHA的展开性和“即插即用”性。
D） WGCEP2002地震破裂预报的灾害预测
OpenSHA可用来计算包括WGCEP2002海湾地区模型在内的所有能得到的地震破裂预报的灾害曲线（或图）。实现这个模型还要解决与它相关的时控特性，逻辑树的展开应用、及WGCEP-2002的Fortran编码不易录入其它计算机的问题。把预报模型作为在计算过程中可存取和运行Fortran 编码的Web浏览器来解决最后一个问题。因此，基于GUI的应用程序可在任一计算机上运行的特性，现在用户能校对各种可调参数（如预报延时，断层的概率模型重量），并实现与选定衰减关系合并的完整灾害计算。另外，逻辑树（图5）的每个蒙特卡洛实现都产生一独立的曲线。没有任何其它编码不需要妥协就可实现WGCEP2002模型（例如将它变为相当于时间不相关模型）。计算方法在Field 等发表的论文中出现过，Maechling等发表的论文也讨论过分布计算的问题。
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图5 OpenSHA灾害曲线计算的截面图，图上的十条曲线代表洛杉矶城心区WGCEP（2002）预测的十条地震破裂（用Abrahamson和Silva 1997提出的衰减关系计算从2002年开始的十年期内的1秒SA）。注意宽频概率暗示出使用其它SHA编码不易计量出具有重要实际意义的可变曲线（表示认识的不确定性）。 |
E） 为USGD短期地震概率（STEP）灾害图提供条件
根据震前/震后统计，STEP灾害图提供出将超过一定强度震动的短期概率。以前都使用Malab提出的方法（私有的科学计算环境）计算地震概率和进行灾害预测。现在使用OpenSHA就可进行灾害预测，而且还无需证实序列部分并允许他们加入场地效应（以前只能生成基岩图）。OpenSHA还提供了使用不同衰减关系的可能，而且各种不同的裂度测量模式（例 不同周期的PGA、MMI、PGV、SA）产生不同的图。
F） 用GRID计算完全灾害图
OpenSHA可被用于计算任一地震破裂预报和地动模型的完全PSHA图。但这些计算非常浪费时间。作为SCEC ITR协作的一部分，我们现在已能利用GRID法计算，这种计算是根据数量级（例如从8小时30秒）使用Condar 库（用并行处理比较容易）减少了典型灾害预测图的计算时间。这是一个巨大的成功，它使我们能完成更多的多模型计算图。在Field et al（2005c）发表的文章中证实并讨论了这种方法，总的探讨GRID计算法是在Machling et al(2005b)的文章中。这是目前唯一一个可将场地效应算入灾害图的编码。
图7 Field 等（2005C）文章中的一个灾害图例。左边的图没有算入
场地效应，右边的加入了场地效应。
G） 其它与OpenSHA完成/合作的项目：
1．由Paul Reasenberg主持的200多张洛杉矶海湾全景图的HAZUS研究。
2．根据灾害预测曲线对照历史MMI（Mark Stirling GNS新泽西）。
3．NSHMP的应用。
4．NSHMP损失评估方法的灾害预测。
5．PAGER的实验性应用。
6．开发供加利福尼亚标准断层参数数据库存取数据的基于GUI的界面。
7．执行初级的第二代衰减关系（NGA）。
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