Outcomes from application of Regional and Onsite Early Warning systems to the 2016, August 24, Central Italy earthquake

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1 Outcomes from application of Regional and Onsite Early Warning systems to the 2016, August 24, Central Italy earthquake A. Zollo, A. Caruso, M. Cattaneo, S. Colombelli, L. Elia, G. Festa, C. Martino, S. Marzorati, M. Picozzi and RISSCLab Group. Questo report ha lo scopo di mostrare le prestazioni dei due software per l allerta sismica (earthquake early warning, EEW), sviluppati dal gruppo di ricerca di sismologia del Dipartimento di Fisica dell Università di Napoli Federico II (RISSC-Lab), in occasione del terremoto di Amatrice del 24 Agosto I software in questione sono: PRESTo (Probabilistic and Evolutionary EW System) basato su un approccio regionale, e SAVE (on Site Alert level), basato su un approccio a singola stazione. Entrambi i software sono stati applicati, sia in tempo reale, sia a posteriori in modalità playback, alle forme d onda registrate dalle reti accelerometriche operate dall INGV e dal DPC.

2 PRESTo & SAVE EEW 1 st P-Wave Location Magnitude PRESTo G. shaking Alert at distant sites (blind zone > 15 km) NAPLES 1 st P-Wave EW param. EEW systems are under testing at Italian NFOs Irpinia and TABOO SECS FROM ORIGIN TIME Alerts SAVE Alert at sites Close to the epicenter Questa diapositiva mostra in modo schematico il funzionamento dei software PRESTo e SAVE rispetto alla linea temporale con cui le informazioni sono ricevute, processate e l allerta sismica rilasciata. PRESTo opera sfruttando le informazioni di una rete sismica e l allerta è il risultato, nell ordine, delle stime di localizzazione, magnitudo, e ampiezza del moto del suolo (PGV) prevista tramite l uso di specifiche relazioni di attenuazione definite a scala nazionale (ground motion prediction equations, GMPE). Nel caso di SAVE, l allerta è ottenuta tramite i segnali registrati a una singola stazione e l analisi si basa sulla stima dell intensità strumentale prevista al sito a partire da una misura dell ampiezza delle onde P. La blind zone è l area centrata sull epicentro all interno della quale le onde con maggiore ampiezza (onde S) arrivano prima dell allerta. I sistemi di EEW onsite consentono di ridurre drasticamente la dimensione della blind zone.

3 PRESTo Real First Alert at 01:36:46.3 UTC 11.4 seconds after 1 st pick (near Amatrice) 14.3 seconds after origin time (INGV) 6 picks required (orange stations) Comparison to INGV bulletin Location 1.8 km from real epicenter Magnitude: -0.2 from real magnitude Latency (3-4 seconds, up to sec) coupled with the low density of data in the epicentral area Da luglio 2015, il software PRESTo è in sperimentazione sulla rete accelerometrica TABOO (near fault observatory), operata dalla sede di controllo dell INGV di Ancona, parte della rete INGV del centro Italia. Quest attività di cooperazione tra RISSC-Lab ed INGV è stata promossa nell ambito del progetto europeo EPOS. Il codice PRESTo è stato collegato in tempo reale al flusso di dati delle stazioni INGV ed è stato impostato per dichiarare un terremoto nel caso in cui 6 stazioni dichiarino un trigger entro 3 sec. PRESTo era in funzione durante il terremoto di Amatrice, e ha fornito un allerta 11.4s dopo l arrivo delle onde P alla prima stazione (14.3s dopo il tempo origine). Le stime in tempo reale di PRESTo della localizzazione e magnitudo sono state in accordo con quelle ufficiali rilasciate dall INGV. In particolare, l errore epicentrale è stato < 2 km, la prima stima di magnitudo (M 5.8) ha sottostimato di 0.2 unità quella dell INGV, mentre la stima finale di PRESTo è stata di M 6.1. Il ritardo con cui l allerta è stata rilasciata è attribuibile alle operazioni d impacchettamento del dato operato alle stazioni (2-3 s), alla trasmissione dei dati (fino a 20 s per alcune stazione connesse al centro di controllo tramite wireless e satellite), nonché all impossibilità si usare alcuni dati per clipping del segnale.

4 PRESTo Playback RAN La prestazione del software PRESTo è stata valutata nel post-terremoto anche utilizzando i dati della rete accelerometrica nazionale (RAN) operata dal Dipartimento di Protezione Civile (DPC). La rete RAN non è al momento configurata per consentire l analisi in tempo reale dei dati. Per tale motivo, le analisi sono state realizzate simulando l accadimento del terremoto (playback dei dati registrati), ipotizzando la situazione ideale in cui le stazioni forniscono a PRESTo i dati sismici senza ritardi nella trasmissione. L animazione è disponibile qui:

5 Performances of RAN First Alert at 01:36:38.6 UTC 3.8 seconds after 1 st pick (at Amatrice) 6.6 seconds after origin time (INGV) 5 picks required (orange stations) Comparison to INGV bulletin Location 1.7 km from real epicenter Magnitude: -0.2 from real magnitude In termini di accuratezza delle stime di localizzazione e magnitudo, si osserva che le prestazioni di PRESTo con i dati della rete RAN sono comparabili a quelli ottenuti in tempo reale usando i dati della rete INGV. E interessante notare che in questo caso, ipotizzando cioè la condizione ideale in cui non ci siano ritardi nella trasmissione dei dati, la prima allerta sarebbe stata rilasciata 3.8 secondi dopo il primo arrivo delle onde P alla stazione RAN di Amatrice e, soltanto, 6.6 secondi dopo il tempo origine del terremoto.

6 PRESTo prediction error Evaluation of prediction error on PGV and Intensity (I MM ) at the recording sites. A description of the ground shaking would have been available after 6-7 s after OT Quale sarebbe stata l accuratezza del sistema PRESTo nel predire l intensità strumentale (I MM ) ai siti della rete RAN? Il diagramma a sinistra mostra l'errore di predizione del PGV, in funzione della distanza. L'errore di predizione è calcolato come la differenza logaritmica tra il picco di velocità osservato e quello predetto. L'errore di predizione di PRESTo rimane stabile con la distanza, ed è generalmente distribuito intorno allo 0 (valore medio 0.06, linea continua), mostrando una variabilità massima di ± 0.33 (linee tratteggiate), che è paragonabile alle fluttuazioni osservate per le GMPE standard (ad es. Akkar e Bommer, 2010). La mappa di destra mostra la performance del sistema in termini di predizione d intensità, assumendo una soglia di intensità pari a VI (che corrisponde ad un PGV di 2.4 cm/s, Faenza e Michelini 2010). Una previsione corretta d intensità corrisponde sia al caso in cui entrambe le intensità (predetta e osservata) siano VI (verde scuro), che al caso in cui entrambe le intensità siano < VI (verde chiaro). Una sottostima (punti rossi) è il caso in cui l'intensità predetta sia < VI, mentre l'intensità osservata sia VI. Una sovrastima (punti gialli) è il caso per cui l'intensità predetta sia VI, mentre l'intensità osservata sia < VI. La mappa mostra che, nella zona epicentrale, la maggior parte delle intensità sono correttamente stimate, con percentuali relativamente piccole di mancati allarmi (circa il 13%) e di falsi allarmi (circa il 15%).

7 SAVE playback RAN L ultima parte del report presenta i risultati delle prestazioni del software on-site SAVE. Al momento del terremoto il codice SAVE non era in funzione in nessuna delle stazioni accelerometriche della RAN o INGV. Quindi, l analisi in questione è stata effettuata elaborando i dati in modalità playback, ossia, come nel caso di PRESTo per i dati RAN, simulando l accadimento del terremoto e ponendosi nella condizione di nessun ritardo nella trasmissione dei dati. Il software SAVE stima l'intensità locale attraverso la previsione del PGV al sito, quest ultimo parametro è correlato al picco di spostamento dell onda P (Pd). La misura congiunta del Pd e del periodo predominante (τ c ) consente di ottenere le stime della magnitudo e della distanza che sono fornite secondo una classificazione generica, considerando l'incertezza prevista su questi parametri ottenuti da una singola stazione sismica. Infine, combinando le informazioni del Pd e del τ c, il sistema fornisce il livello di allerta (ad es. Zollo et al., 2010). La figura mostra che il sistema SAVE rileva l evento correttamente indicando, in base alle informazioni disponibili in 3 secondi, che il terremoto è vicino al sito di misura, la magnitudo è moderata e prevede uno scuotimento del suolo di intensità VIII (in base alla relazione proposta da Faenza e Michelini [2010]). Infine, il livello di allerta fornito è quello massimo.

8 Alert Performance (I MM >= VI) 30' 4% 44 o N 30' 12% 19% 64% Missed Alert False Alert Alert IMM > damage Alert IMM < damage 43 o N 30' T = T T lt PGV alert max Lead time analysis o N 30' 41 o N 11 o E 12 o E 13 o E 14 o E 15 o E Damage Lead Time(Sec) Distance(Km) Lead Time(Sec) Distance(Km) Questa diapositiva mostra i risultati di SAVE per il terremoto di Amatrice, usando le registrazioni della rete RAN. La valutazione della prestazione del sistema è stata realizzata: 1) supponendo che il sistema dirami un allerta nel caso in cui l intensità strumentale prevista sia maggiore o uguale al grado VI; 2) confrontando la previsione con l intensità effettivamente misurata al sito, ottenuta dalla misura di PGV sulle tracce e utilizzando la relazione proposta da Faenza e Michelini (2010). In tal modo, sono state stimate le percentuali di: 1) previsioni corrette, pari all 83% dei casi, sia nei casi di allerta (allerta data e intensità osservata VI) che di non allerta (allerta non data e intensità osservata < VI); 2) false allerte, pari al 12% dei casi (allerta data e intensità osservata < VI); 3) mancate allerte, 4% dei casi (allerta non data e intensità osservata VI). Il numero di false allerte è basso e sostanzialmente concentrato in area epicentrale (in tali casi SAVE fornisce quindi stime a favore della sicurezza). Al contrario, le poche mancate allerte sono localizzate lungo la direzione di massima direttività del terremoto lontano dall epicentro, ossia in aree dove comunque non sono stati osservati danni rilevanti. Infine, sono stati stimati i lead-time per ogni sito allertato, ossia il tempo disponibile tra l allerta e il momento del massimo scuotimento (PGV). Come si evince dalle due figure a destra (grafici Tempo vs. Distanza), entro 20 km dall ipocentro del terremoto il lead-time varia tra 1 e 4 sec, mentre per siti a distanze più grandi di 40 km il lead-time supera i 10 sec.