Frequent significant deviations of the observed magnitude distribution of anthropogenic seismicity from the Gutenberg-Richter relation require alternative estimation methods for probabilistic seismic hazard assessments. We evaluate five nonparametric kernel density estimation (KDE) methods on simulated samples drawn from four magnitude distribution models: the exponential, concave and convex bi-exponential, and exponential-Gaussian distributions. The latter three represent deviations from the Gutenberg-Richter relation due to the finite thickness of the seismogenic crust and the effect of characteristic earthquakes. The assumed deviations from exponentiality are never more than those met in practice. The studied KDE methods include Silverman's and Scott's rules with Abramson's bandwidth adaptation, two diffusion-based methods (ISJ and diffKDE), and adaptiveKDE, which formulates the bandwidth estimation as an optimization problem. We assess their performance for magnitudes from 2 to 6 with sample sizes of 400 to 5000, using the mean integrated square error (MISE) over 100,000 simulations. Their suitability in hazard assessments is illustrated by the mean of the mean return period (MRP) for a sample size of 1000. Among the tested methods, diffKDE provides the most accurate cumulative distribution function estimates for larger magnitudes. Even when the data is drawn from an exponential distribution, diffKDE performs comparably to maximum likelihood estimation when the sample size is at least 1000. Given that anthropogenic seismicity often deviates from the exponential model, we recommend using diffKDE for probabilistic seismic hazard assessments whenever a sufficient sample size is available.


翻译:人为地震观测震级分布与古登堡-里希特关系的频繁显著偏离,要求采用替代性估计方法进行概率地震危险性评估。我们在四种震级分布模型(指数分布、凹凸双指数分布及指数-高斯分布)生成的模拟样本上,评估了五种非参数核密度估计方法。后三种分布模型表征了因发震地壳有限厚度及特征地震效应导致的古登堡-里希特关系偏离,其假设偏离程度从未超过实际观测值。研究的核密度估计方法包括采用Abramson带宽自适应调整的Silverman与Scott准则、两种基于扩散的方法(ISJ与diffKDE)以及将带宽估计构建为优化问题的adaptiveKDE。通过在2至6震级范围内,对400至5000样本量进行10万次模拟,采用均方积分误差评估其性能。同时以1000样本量的平均复发周期均值阐明各方法在危险性评估中的适用性。测试结果表明,diffKDE方法能为较大震级提供最精确的累积分布函数估计。即使数据来源于指数分布,当样本量不少于1000时,diffKDE的表现与极大似然估计相当。鉴于人为地震常偏离指数模型,我们建议在具备足够样本量的情况下,将diffKDE应用于概率地震危险性评估。

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