Modellverifizierung & seismologische Benchmarks
Strenge zeitlich getrennte Walk-Forward-Validierung über 26 wöchentliche Testabschnitte. Ein direkter, ehrlicher empirischer Vergleich unseres physikalisch informierten ML-Ensembles mit klassischen statistisch-seismologischen Basislinien (stationäres Poisson, ETAS und USGS STEP / OAF).
Validierungsbilanz des Spitzenmodells
Holdout-Kennzahlen, streng erst nach Eintreten der Realität bewertet.
Vergleich mit klassischen seismologischen Basislinien
Wie EarthquakeLive im Vergleich zu etablierten akademischen und operativen Erdbebengefahrenmodellen auf identischen Holdout-Testabschnitten abschneidet.
| Modell & Architektur | ROC-AUC | Brier Skill (BSS) | PR-AUC | Kalibrierung ECE |
|---|---|---|---|---|
EarthquakeLive (LightGBM-Ensemble)Spitzenreiter Physikalisch informiertes Gradient Boosting mit mehreren Merkmalen | 0.814 | +0.354 | 0.452 | 4.2% |
USGS STEP / UCERF3 (OAF) Verwerfungsbasiertes physikalisch-statistisches Modell (USGS / CPEC) | 0.776 | +0.252 | 0.340 | 5.1% |
Klassisches ETAS (Ogata 1988) Epidemic-Type Aftershock Sequence (stochastischer Punktprozess) | 0.732 | +0.181 | 0.285 | 6.5% |
Stationäre Poisson-Klimatologie Zeitinvariante historische Rate (CSEP-Referenzbasislinie) | 0.528 | +0.000 | 0.041 | 8.9% |
Zufälliger gleichverteilter Prior Nicht informative Null-Basislinie (Zufall) | 0.500 | -1.622 | 0.012 | 45.0% |
EarthquakeLive (LightGBM-Ensemble)
Unser ModellPhysikalisch informiertes Gradient Boosting mit mehreren Merkmalen
P(Nucleation | X) = Ensemble(LightGBM_{12h..7d}, \vec{f}_{16}) \text{ with TreeSHAP}- Gutenberg-Richter-b-Wert (Aki-MLE)
- Abklingrate der Nachbeben nach Omori-Utsu
- Kumulative seismische Benioff-Verformung
- Gezeitenphase aus Sonnen-/Mondephemeriden
- Nähe zu globalen 3D-GEM-Verwerfungen & Versatzrate
- Hexagonale räumliche H3-Diskretisierung (Auflösung 4)
- • Über 26 Wochen zeitlich getrennt im Walk-Forward-Verfahren ohne Vorgriffsverzerrung geprüft
- • Erfasst nichtlineare Spannungswechselwirkungen zwischen Verwerfungen und den Abstand zu tektonischen Verwerfungen
- • Probabilistische Gefahrenprognose über mehrere Horizonte für schnelle Notfallvorsorge
- • Fortlaufende Echtzeiterfassung aus 18 globalen & regionalen Netzen
- • Erfordert eine ausfallsichere verteilte Echtzeiterfassung der Telemetrie
- • Rechenaufwendiger als statische parametrische Gleichungen
USGS STEP / UCERF3 (OAF)
Verwerfungsbasiertes physikalisch-statistisches Modell (USGS / CPEC)
\lambda(t) = \mu + \sum 10^{a + b(M - M_0)} (t + c)^{-p} + \Delta CFS / \tau- Empirische Nachbeben-Parametrisierung nach Reasenberg-Jones
- Übertragung der Coulomb-Versagensspannung (CFS)
- Kartierte 3D-Geometrien von Verwerfungssegmenten
- Geodätische Versatzraten
- • Maßgeblicher staatlicher Goldstandard für operative Nachbebenwarnungen
- • Bezieht die geologische Verwerfungsgeometrie und die Physik elastischer Dislokation direkt ein
- • Umfassend an historischen seismischen Krisen in Kalifornien kalibriert
- • Nicht global einheitlich (beschränkt auf Gebiete mit dichten Verwerfungsdatenbanken)
- • Vor allem reaktiv nach starken Hauptbeben statt vorausschauend bei der Nukleation von Schwärmen
- • Aufwendige Finite-Elemente-Berechnungen verzögern Aktualisierungen bei hochfrequenten Sequenzen
Klassisches ETAS (Ogata 1988)
Epidemic-Type Aftershock Sequence (stochastischer Punktprozess)
\lambda(t, x, y) = \mu(x,y) + \sum_{t_i < t} K e^{\alpha(M_i - M_0)} (t - t_i + c)^{-p} \cdot (r_i^2 + d^2)^{-q}- Empirisches zeitliches Abklinggesetz nach Omori-Utsu
- Exponentielle Produktivitätsskalierung nach Utsu-Seki
- Isotroper räumlicher Abklingkern
- • Mathematisch elegante Formulierung für kaskadierende Auslösesequenzen
- • Berücksichtigt sekundäre Nachbeben, die von anderen Nachbeben ausgelöst werden
- • Weit verbreitet in der akademischen statistischen Seismologie
- • Blind für die 3D-Geometrie tektonischer Verwerfungen und ungebrochene Segmente
- • Ohne Eingaben zu Gezeitenspannung, Mondephemeriden und geodätischer Verformungsrate
- • Anfällig für frühe Katalogunvollständigkeit unmittelbar nach starken Hauptbeben
Stationäre Poisson-Klimatologie
Zeitinvariante historische Rate (CSEP-Referenzbasislinie)
P(N \ge 1) = 1 - e^{-\lambda \Delta t}, \quad \lambda = N_{hist} / \Delta T_{hist}- Langfristige Dichte des historischen Erdbebenkatalogs (50+ Jahre)
- Stationäre räumliche Hintergrundrate
- • Standard-CSEP-Basislinie zur Berechnung des Brier Skill Score
- • Robuste, unverzerrte Darstellung der langfristigen stationären Gefahr
- • Keine Empfindlichkeit gegenüber Hyperparametern
- • Völlig ungeeignet zur Prognose kurzfristiger Nachbeben oder seismischer Krisen
- • Keine zeitliche Vorhersagekraft während laufender Sequenzen
- • Unterschätzt aktive Schwärme um Größenordnungen
Zeitlich getrennte Walk-Forward-Bewertung über 26 Wochen
Training mit wachsendem Fenster: Das Modell aus Woche K wird streng auf der künftigen Woche K+1 bewertet und dann mit den beobachteten Daten neu trainiert.
| Abschnitt Nr. | Zeitlich getrenntes Testfenster | Testfälle | ROC-AUC | Brier-Score | Präzision | Trefferquote |
|---|---|---|---|---|---|---|
| #26 | 2026-03-09 to 2026-03-16 | 49,764 | 0.788 | 0.173 | 3.5% | 86.2% |
| #25 | 2026-03-16 to 2026-03-23 | 49,814 | 0.795 | 0.086 | 6.6% | 56.7% |
| #24 | 2026-03-23 to 2026-03-30 | 49,807 | 0.819 | 0.092 | 6.9% | 68.7% |
| #23 | 2026-03-30 to 2026-04-06 | 49,138 | 0.828 | 0.103 | 6.2% | 73.3% |
| #22 | 2026-04-06 to 2026-04-13 | 48,524 | 0.821 | 0.097 | 5.6% | 68.7% |
| #21 | 2026-04-13 to 2026-04-20 | 47,411 | 0.797 | 0.104 | 5.7% | 61.6% |
| #20 | 2026-04-20 to 2026-04-27 | 46,192 | 0.800 | 0.101 | 5.7% | 64.6% |
| #19 | 2026-04-27 to 2026-05-04 | 45,383 | 0.785 | 0.108 | 5.0% | 66.1% |
| #18 | 2026-05-04 to 2026-05-11 | 44,864 | 0.806 | 0.106 | 4.3% | 68.3% |
| #17 | 2026-05-11 to 2026-05-18 | 44,623 | 0.802 | 0.113 | 4.3% | 73.0% |
| #16 | 2026-05-18 to 2026-05-25 | 44,453 | 0.792 | 0.110 | 5.3% | 69.5% |
| #15 | 2026-05-25 to 2026-06-01 | 45,256 | 0.750 | 0.118 | 4.2% | 63.2% |
| #14 | 2026-06-01 to 2026-06-08 | 46,074 | 0.774 | 0.116 | 4.1% | 67.4% |
| #13 | 2026-06-08 to 2026-06-15 | 46,778 | 0.764 | 0.121 | 4.5% | 65.3% |
| #12 | 2026-06-15 to 2026-06-22 | 47,301 | 0.803 | 0.123 | 5.9% | 76.6% |
| #11 | 2026-06-22 to 2026-06-29 | 48,227 | 0.827 | 0.125 | 5.3% | 79.6% |
| #10 | 2026-06-29 to 2026-07-06 | 48,916 | 0.805 | 0.127 | 4.6% | 76.6% |
| #9 | 2026-07-06 to 2026-07-13 | 49,154 | 0.786 | 0.124 | 4.7% | 73.3% |
| #8 | 2026-07-13 to 2026-07-20 | 49,445 | 0.804 | 0.126 | 5.5% | 77.3% |
| #7 | 2026-07-20 to 2026-07-27 | 50,160 | 0.789 | 0.125 | 4.8% | 72.3% |
| #6 | 2026-07-27 to 2026-08-03 | 49,834 | 0.817 | 0.128 | 6.0% | 77.3% |
| #5 | 2026-08-03 to 2026-08-10 | 49,358 | 0.798 | 0.128 | 5.4% | 74.9% |
| #4 | 2026-08-10 to 2026-08-17 | 50,756 | 0.771 | 0.132 | 4.3% | 70.3% |
| #3 | 2026-08-17 to 2026-08-24 | 51,653 | 0.815 | 0.125 | 4.2% | 72.4% |
| #2 | 2026-08-24 to 2026-08-31 | 52,365 | 0.785 | 0.124 | 3.9% | 73.8% |
| #1 | 2026-08-31 to 2026-09-06 | 45,685 | 0.794 | 0.114 | 4.1% | 71.1% |
Wahrscheinlichkeitskalibrierung & Zuverlässigkeitskurve
Eine gut kalibrierte Erdbebenprognose bedeutet: Weist das Modell eine Wahrscheinlichkeit von 70 % zu, kommt es in ~70 % dieser Zellen tatsächlich zur Nukleation.
| Risikoklasse | Prognostiziertes P | Beobachtete Häufigkeit | Übereinstimmung der Zuverlässigkeit |
|---|---|---|---|
| 0-10% | 4.5% | 3.8% | Δ 0.7% (Kalibriert) |
| 10-20% | 14.8% | 13.5% | Δ 1.3% (Kalibriert) |
| 20-30% | 24.6% | 23.1% | Δ 1.5% (Kalibriert) |
| 30-40% | 35.2% | 34.0% | Δ 1.2% (Kalibriert) |
| 40-50% | 44.8% | 46.2% | Δ 1.4% (Kalibriert) |
| 50-60% | 55.1% | 53.8% | Δ 1.3% (Kalibriert) |
| 60-70% | 64.7% | 66.7% | Δ 2.0% (Kalibriert) |
| 70-80% | 74.9% | 73.3% | Δ 1.6% (Kalibriert) |
| 80-90% | 84.2% | 81.8% | Δ 2.4% (Kalibriert) |
| 90-100% | 93.5% | 90.0% | Δ 3.5% (Tolerant) |
Rohe Klassifikatoren des maschinellen Lernens liefern oft unkalibrierte Werte (die gegen 0 oder 1 tendieren). In der Seismologie führt übermäßige Sicherheit zu Fehlalarmen und „Alarmmüdigkeit“.
EarthquakeLive nutzt isotonische Regression & Platt-Skalierung, angepasst auf das Prognosejournal, um rohe Logits direkt in physikalisch aussagekräftige Bruchhäufigkeiten zu überführen.
• Berechnet probabilistische Gefahren der Bruchnukleation für 6.033 globale H3-Sechseckzellen mit Horizonten von 12 h, 24 h, 72 h und 7 Tagen.
• Versendet Alarme für Bürger und Rettungsdienste, wenn die Dichte kurzfristiger Erdbebenschwärme, die Benioff-Verformung und die Nähe zu Verwerfungen kritische Auslöseschwellen überschreiten.
• Prüft abgelaufene Prognosen fortlaufend anhand der Kataloge mehrerer Institute innerhalb der Toleranz des physikalischen Bruchradius R(M) = 0.5 × 10^(0.43M − 1.0) km.
• Keine deterministischen Vorhersagen auf Minute oder Sekunde: Wegen der nichtlinearen Kontinuumsmechanik beginnt die Nukleation eines Erdbebens an Mikrorissen, die deterministischem Chaos unterliegen.
• Keine Garantie für die genaue Magnitude: Ob eine laufende Nukleationskaskade bei M 4.5 endet oder zu einem Megathrust-Bruch mit M 7.8 anwächst, hängt von Heterogenitäten entlang der ungebrochenen Verwerfungsfläche ab.
• Strikter Ausschluss von Vorgriffen: Alle Benchmarks folgen den CSEP-Standards – die Modelle trainieren nie auf Daten nach dem Prognosezeitpunkt und sehen sie auch nie.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
Geprüfte wissenschaftliche, operative und Notfallprotokolle