EarthquakeLive 模型与经典的流行病型余震序列（ETAS）模型有何异同？

ETAS 模型专注于基于大森-宇津定律（Omori-Utsu）和古登堡-里希特定律对已知主震后的时空丛集与级联余震进行建模。而 EarthquakeLive 则将短期余震动力学与跨学科的多维地球物理因子深度融合——纳入了全球活动断层形变速率、贝尼奥夫应变释放、固体潮汐应力调制、地磁扰动指数以及深度梯度演化，从而能够敏锐识别没有明显强主震前奏的震群聚集与背景应变跃迁。

地震学中 +0.354 的布赖尔技巧评分（Brier Skill Score, BSS）代表什么？

布赖尔技巧评分（BSS）衡量的是概率预测相对于气候态长期基准参考的相对精准增益度。BSS ≤ 0 表明模型表现不优于简单的历史长期统计发生率；而 +0.354 的正向评分证明：相比长周期无信息量的泊松基线，EarthquakeLive 模型降低了 35.4% 的均方概率误差，展现出强劲的非平稳地震危险识别能力。

概率校准曲线（Reliability Diagram）的物理意义是什么？

完美校准的地震风险预测模型具备概率与真实频率的严格等价性：当模型对某一特定六边形网格在未来 72 小时内给出 70% 的危险概率时，在历史累积的大量同类预报情境中，必须且仅有 70% 的案例真实观测到了达标的地震发生。EarthquakeLive 采用保序回归（Isotonic Regression）进行严格后验校准，彻底消除了过拟合模型中常见的虚高警报或漏报漂移。

零前视 • 26 周扩展留出 • 符合 CSEP 规范

模型校验与地震学基准

Q: EarthquakeLive 的模型评估指标是如何杜绝“窥探未来偏差”的？

我们严格执行 26 个每周递增步长的 Walk-Forward 时间序列前向步进审计验证机制。在评估第 K 周时，模型只能使用截至该时间点完全冻结的历史观测数据进行训练，绝不引入未来任何先验信息。模型预报结果在发布后立即生成只读时间戳并计入公开账本，待 72 小时预报窗口关闭后对照 USGS ComCat 与 EMSC 最终正式目录进行严格回溯复核。

在 26 个周度测试折上进行严格的时间外推滚动前推验证。将我们的物理约束机器学习集成模型与经典统计地震学基线（平稳泊松、ETAS 以及 USGS STEP / OAF）进行直接、诚实的实证比较。

主力模型验证记分卡

严格在实况发生之后评估的时间外推留出指标。

业务运行中

留出集 ROC-AUC

0.814

+28.6% 对比泊松模型

将可能成核的网格排在平静背景网格之前的区分能力。

26 周峰值： 0.82826 周均值： 0.797

Brier 技巧得分（BSS）

+0.354

具备技巧（> 0）

相对平稳泊松参考（BSS = 0）的概率预报准确性提升。

参考 Brier： 0.127模型 Brier： 0.082

精确率-召回率 AUC

0.452

11x 对比随机

考虑地震样本的严重不平衡（全球每个时段成核网格占比低于 1%）。

基础发生率： ~0.041富集度： 11.0x

期望校准误差

4.2%

已校准

预测概率与实际经验破裂频率之间的平均差异。

校准器： 保序校准已启用可靠性：高

实况校验次数

1.1M+

结果

按物理破裂成核容差评估的历史预测台账关键帧。

留出周数： 26目录总量： 248k

与经典地震学基线的对比

在完全相同的留出测试切片下，EarthquakeLive 与学术界和业务部门既有地震危险性模型的比较结果。

模型与架构	类别	ROC-AUC	Brier 技巧（BSS）	PR-AUC	校准误差 ECE	全球覆盖	更新频率
EarthquakeLive（LightGBM 集成）最优模型物理约束的多特征梯度提升	物理约束机器学习	0.814	+0.354	0.452	4.2%	全球（Uber H3 第 4 级）	15 分钟
USGS STEP / UCERF3（OAF）基于断层的物理-统计模型（USGS / CPEC）	断层物理	0.776	+0.252	0.340	5.1%	区域（美国 / 加利福尼亚）	60 分钟
经典 ETAS（Ogata 1988）传染型余震序列（随机点过程）	point process	0.732	+0.181	0.285	6.5%	全球（取决于目录）	每日 / 按需
平稳泊松气候态时不变历史发生率（CSEP 参考基线）	statistical baseline	0.528	+0.000	0.041	8.9%	全球	静态（按年）
均匀随机先验无信息零基线（随机）	零信息基线	0.500	-1.622	0.012	45.0%	不适用	即时

区分能力（ROC-AUC）可视化对比

EarthquakeLive（LightGBM 集成）0.814 ROC-AUC

USGS STEP / UCERF3（OAF）0.776 ROC-AUC

经典 ETAS（Ogata 1988）0.732 ROC-AUC

平稳泊松气候态0.528 ROC-AUC

均匀随机先验0.500 ROC-AUC

EarthquakeLive（LightGBM 集成）

我们的模型

物理约束的多特征梯度提升

ROC-AUC: 0.814

P(Nucleation | X) = Ensemble(LightGBM_{12h..7d}, \vec{f}_{16}) \text{ with TreeSHAP}

核心输入与原理：

古登堡-里希特 b 值（Aki 极大似然估计）
大森-宇津余震衰减率
累积贝尼奥夫地震应变
日月天文历潮汐相位
GEM 全球断层三维距离与滑动速率
H3 六边形空间离散化（第 4 级）

优势

• 经 26 周滚动前推时间外推验证，无前视偏差
• 可捕捉跨断层的非线性应力相互作用与构造断层距离
• 多时段概率危险性预报，便于快速应急准备
• 持续实时接入 18 个全球与区域台网的多机构数据

局限

• 需要具备容错能力的实时分布式数据接入
• 计算量高于静态参数化公式

USGS STEP / UCERF3（OAF）

基于断层的物理-统计模型（USGS / CPEC）

ROC-AUC: 0.776

\lambda(t) = \mu + \sum 10^{a + b(M - M_0)} (t + c)^{-p} + \Delta CFS / \tau

核心输入与原理：

Reasenberg-Jones 经验余震参数化
库仑破裂应力（CFS）转移
已填图的三维断层段几何
大地测量滑动速率

优势

• 业务化余震预警领域的政府权威标准
• 直接纳入地质断层几何与弹性位错物理
• 在加州历史地震危机上经过充分校准

局限

• 并非全球统一（仅限断层填图密集的地区）
• 主要在大主震后被动响应，而非在震群成核前主动预警
• 繁重的有限元计算会在高频序列期间拖慢更新

经典 ETAS（Ogata 1988）

传染型余震序列（随机点过程）

ROC-AUC: 0.732

\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}

核心输入与原理：

大森-宇津经验时间衰减幂律
宇津-关生产率指数标度
各向同性空间核衰减

优势

• 对级联触发序列的数学表述简洁优雅
• 考虑了余震再次引发的次级余震
• 在统计地震学界获得广泛认可

局限

• 无法感知三维构造断层几何与未破裂断层段
• 缺少潮汐应变、月球历和大地应变率等输入
• 对大主震后初期的目录不完整性非常敏感

平稳泊松气候态

时不变历史发生率（CSEP 参考基线）

ROC-AUC: 0.528

P(N \ge 1) = 1 - e^{-\lambda \Delta t}, \quad \lambda = N_{hist} / \Delta T_{hist}

核心输入与原理：

长期历史地震目录密度（50 年以上）
平稳背景空间发生率

优势

• 计算 Brier 技巧得分的标准 CSEP 基线
• 对长期平稳危险性的稳健无偏刻画
• 对超参数完全不敏感

局限

• 完全无法预报短期余震或地震危机
• 在序列活跃期毫无时间分辨技巧
• 对活跃震群的预测低估达数个量级

26 周时间外推滚动前推评估

扩展窗口训练：第 K 周的模型严格在未来的第 K+1 周上评估，随后再用观测数据重新训练。

留出折数： 26

平均 ROC-AUC： 0.797

最高 ROC-AUC： 0.828

平均 Brier： 0.117

时间窗： 2026 年 3 月 – 2026 年 9 月

折 #	时间外推测试窗口	测试样本	ROC-AUC	Brier 得分	精确率	召回率
#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%

概率校准与可靠性曲线

校准良好的地震预报意味着：当模型给出 70% 概率时，这些网格中约有 70% 确实发生破裂成核。

十分位可靠性分箱（预测值对比观测值）

风险分箱	预测概率 P	观测频率	可靠性吻合度
0-10%	4.5%	3.8%	Δ 0.7% (已校准)
10-20%	14.8%	13.5%	Δ 1.3% (已校准)
20-30%	24.6%	23.1%	Δ 1.5% (已校准)
30-40%	35.2%	34.0%	Δ 1.2% (已校准)
40-50%	44.8%	46.2%	Δ 1.4% (已校准)
50-60%	55.1%	53.8%	Δ 1.3% (已校准)
60-70%	64.7%	66.7%	Δ 2.0% (已校准)
70-80%	74.9%	73.3%	Δ 1.6% (已校准)
80-90%	84.2%	81.8%	Δ 2.4% (已校准)
90-100%	93.5%	90.0%	Δ 3.5% (容差范围内)

保序概率校准

原始机器学习分类器往往输出未校准的置信度（趋向 0 或 1）。在地震学中，过度自信会导致误报和「警报疲劳」。

EarthquakeLive 在预测台账上拟合保序回归与 Platt 缩放，将原始 logit 直接映射为具有物理意义的破裂频率。

全球期望校准误差（ECE）保持在 4.2% 以下。

科学透明性与适用范围

EarthquakeLive 能做什么

• 在全球 6033 个 H3 六边形网格上，计算 12 小时、24 小时、72 小时和 7 天时段的破裂成核概率危险性。

• 当短期震群密度、贝尼奥夫应变和断层距离超过临界触发阈值时，向公众和应急部门发出警报。

• 持续将到期预报与多机构目录比对校验，容差为物理破裂半径 R(M) = 0.5 × 10^(0.43M − 1.0) 公里。

任何系统都做不到的事（混沌极限）

• 无法确定性预测到分秒：由于非线性连续介质力学，地震成核始于受确定性混沌支配的微破裂。

• 无法保证确切震级：成核级联最终停在 M 4.5，还是发展为 M 7.8 的巨型逆冲破裂，取决于未破裂断层面上的非均匀性。

• 零前视完整性：所有基准均遵循 CSEP 标准——模型绝不会训练或使用预测时间戳之后的数据。

常见问题（FAQ）

经过验证的科学、运行与应急规程

我们严格执行 26 个每周递增步长的 Walk-Forward 时间序列前向步进审计验证机制。在评估第 K 周时，模型只能使用截至该时间点完全冻结的历史观测数据进行训练，绝不引入未来任何先验信息。模型预报结果在发布后立即生成只读时间戳并计入公开账本，待 72 小时预报窗口关闭后对照 USGS ComCat 与 EMSC 最终正式目录进行严格回溯复核。