Modelowanie pola siły ciężkości oraz jego zmian w czasie na obszarze Polski

Transkrypt

1 Modelowanie pola siły ciężkości oraz jego zmian w czasie na obszarze Polski Jan Kryński Instytut Geodezji i Kartografii, Warszawa Centrum Geodezji i Geodynamiki

2 Plan prezentacji 1) Wprowadzenie 2) Modele statyczne pola siły ciężkości a) regionalne/lokalne modelowanie geoidy b) globalne modele geopotencjału (GGMs) 3) Zmienność w czasie pola siły ciężkości a) monitorowanie zmian technikami naziemnymi b) monitorowanie zmian technikami satelitarnymi 4) Podsumowanie

3 Wprowadzenie intensywne badania od ponad 20 lat nowe dane naziemne - grawimetryczne - satelitarno-niwelacyjne satelitarne misje grawimetryczne - dokładne GGMs - zmienność w czasie pola siły ciężkości ciągi powtarzanych precyzyjnych absolutnych wyznaczeń przyspieszenia siły ciężkości

4 Modele statyczne pola siły ciężkości (1) Regionalne/lokalne modelowania geoidy (1) kilka ostatnich lat IGiK regionalne modele quasigeoidy Globalne Modele Geopotencjału UWM regionalne modele quasigeoidy UPWr lokalne modele quasigeoidy

5 Modele statyczne pola siły ciężkości (2) model grawimetrycznej quasigeoidy dla Polski GDQM-PL13 model grawimetrycznej quasigeoidy dla Polski GDQM-PL15 remove-compute-restore metoda kolokacji dane: anomalie Faye a (1' 1') EGM08 odchylenia pionu (171 pkt) SRTM, DTED Punkty satel/niwel Regionalne/lokalne modelowania geoidy (2) Odch. std. [cm] POLREF 2.6 EUVN 2.9 ASG-EUPOS 1.8 trawers, I rzędu 1.5 trawers, II rzędu 1.7 IGiK

6 Modele statyczne pola siły ciężkości (3) Regionalne/lokalne modelowania geoidy (3) model grawimetrycznej quasigeoidy dla Polski UWM metoda LSMSA (Least Squares Modification of Stokes formula with Additive corrections) N ~ N N Topo comb N DW C N atmo comb N ellip dane: anomalie wolnopowietrzne (1.5' 3.0') EGM08 SRTM Odch. std. różnic z na ASG-EUPOS [cm] Przed dopasowaniem param param param. 2.2

7 Modele statyczne pola siły ciężkości (4) Regionalne/lokalne modelowania geoidy (4) lokalny model grawimetrycznej quasigeoidy UPWr metoda GGI (Geophysical Gravity data Inversion) dane: punktowe dane grawimetryczne (33330 pt.) satelitarno-niwelacyjne (POLREF i ASG-EUPOS) T P T r T T EGM08 (również EGM96, EIGEN-6c2 i TUMGOCE02S) GTOPO30 model głębokości Moho dla Europy dokładność wewnętrzna wyznaczenia z metodą GGI : 1.2 cm

8 Modele statyczne pola siły ciężkości (5) Globalne Modele Geopotencjału (GGMs) (1) RL05 GOCE-based GGMs vs. EGM08 δζ = ζegm08 ζgoce δδg =ΔgEGM08 ΔgGOCE Odch. std. δζ [cm] GGM Odch. std. δδg [mgal] DIR-R5 TIM-R5 DIR-R5 TIM-R5 Nmax = d/o Nmax = d/o Nmax = d/o

9 Modele statyczne pola siły ciężkości (6) Globalne Modele Geopotencjału (GGMs) (2) GGMs vs. dane satelitarno-niwelacyjne Spectral Enhancing Method (SEM) Satellite only GGMs Combined GGMs Odch. std. δζ przy d/o 200 = 2.8 cm (TIM-R5) Odch. std. δζ cm

10 Modele statyczne pola siły ciężkości (7) Globalne Modele Geopotencjału (GGMs) (3) RL05 GOCE-based GGMs vs. absolutne wyznaczenia g δ Δ g P Δ g P ( terr.) Δg P ( GOCE ) N max Δ g P ( RTM ) N max Δg 2 P ( EGM08 ) δδ g P (TIM-R5; d/o 200) statystyki δδ g P przy d/o 200 [mgal] Min Max Średnia Odch. std. DIR-R TIM-R GGM

11 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (1) Zmienność w czasie pola siły ciężkości kilka ostatnich lat CBK IGiK PW grawimetryczne pomiary pływowe powtarzane absolutne pomiary grawimetryczne grawimetryczne pomiary pływowe opracowywanie danych z misji GRACE powtarzane absolutne pomiary grawimetryczne grawimetryczne pomiary pływowe UWM/CBK opracowywanie danych z misji GRACE

12 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (2) Zmienność w czasie przyspieszenia siły ciężkości (1) Wyniki pomiarów pływowych w Obserwatorium Borowa Góra odczyty grawimetrów igrav-027 i LCR G1036 surowe igrav-027 dryft grawimetrów µgal/doba LCR G µgal/doba po filtracji

13 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (3) Zmienność w czasie przyspieszenia siły ciężkości (2) Wyniki pomiarów absolutnych grawimetrem FG5-230 w Obserwatorium w Józefosławiu s g = ±2.0 µgal

14 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (4) Zmienność w czasie przyspieszenia siły ciężkości (3) Wyniki pomiarów absolutnych grawimetrem A w Obserwatorium Borowa Góra A-BG BG-G2 156 sg = ±5.8 µgal

15 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (5) Zmienność w czasie bilansu wodnego i przyspieszenia siły ciężkości (1) Zmiany w czasie g z modeli hydrologicznych w Obserwatorium Borowa Góra Wpływ warstw modelu GLDAS na zmiany w czasie g Wpływ lokalnych modeli hydrologicznych na zmiany w czasie g

16 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (6) Zmienność w czasie bilansu wodnego i przyspieszenia siły ciężkości (2) Modele hydrologiczne a wyniki pomiarów g grawimetrem A (Borowa Góra) (1) Kontynuacja absolutnych pomiarów g lokalnej hydrologii niezbędna do wiarygodnej interpretacji obserwowanych zmian przyspieszenia siły ciężkości

17 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (7) Zmienność w czasie bilansu wodnego i przyspieszenia siły ciężkości (3) Modele hydrologiczne a wyniki pomiarów g grawimetrem A (Borowa Góra) (2) Roczne zmiany g z modeli hydrologicznych ±8 μgal Grawimetr A jest czuły na wielkoskalowe zmiany hydrologii Korelacja pomiarów grawimetrem A z modelem GLDAS 0.58 Zmienność mas w czasie spowodowana atmosferą i pływami Poprawka atmosferyczna obliczona z modeli pogody może się różnić od standardowej poprawki atmosferycznej nawet o ±2 μgal Lokalny model pływowy wyznaczony w Obserwatorium Borowa Góra może się różnić od standardowego modelu pływowego nawet o ±2.5 μgal

18 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (8) Zmienność w czasie bilansu wodnego i przyspieszenia siły ciężkości (4) Pomiary absolutne grawimetrem A w Obserwatorium Borowa Góra a dane z misji GRACE i modeli hydrologicznych szereg czasowy przyspieszenia siły ciężkości wyznaczonego grawimetrem A stanowi cenne narzędzie do kalibracji/walidacji długofalowych zmian g w czasie

19 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (9) Zmiany w czasie geoidy/quasigeoidy (1) zmiany wysokości geoidy uśrednione w podobszarze pokrywającym Polskę wahają się w przedziale 7 mm Optymalny model na tle obserwowanego sygnału zmian wysokości geoidy height [m]

20 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (10) 4 podobszary 3º 5º Zmiany w czasie geoidy/quasigeoidy (2) zmiany wysokości geoidy uśrednione w podobszarach wahają się w przedziale 10 mm Predykcja zmian wysokości geoidy [m]

21 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (11) Zmiany w czasie bilansu wodnego (1) Modele zagrożeń powodziowych na podstawie kombinacji modeli satelitarnych i meteorologicznych Badany obszar: południowa część Polski (Sudety, Małopolska i Śląsk) Ekwiwalentna warstwa wody dla okresu Pierwsze wyniki kombinacji modelu WGHM z modelem grawimetrycznym sugerują możliwość predykcji okresów powodzi i odwodnienia

22 Zmienność w czasie pola siły ciężkości (12) Modelowanie pola siły ciężkości oraz jego zmian w czasie na obszarze Polsk i Zmiany w czasie bilansu wodnego (2) Efekty użycia różnych filtrów do danych GRACE Użycie filtrów DDK1, DDK2 i DDK3 wyraźne sezonowe zmiany ΔTWS (Max w marcu i Min w lipcu-wrześniu) Użycie silnego filtru, np. DDK1 powoduje, że wpływ harmonik wyższych stopni i rzędów danych GRACE na wyznaczenie ΔTWS staje się zaniedbywalnie mały Filtry DDK4 i DDK5 przepuszczają więcej sygnału niż inne badane filtry, lecz jednocześnie zachowują więcej szumu Użycie filtrów Gaussa skutkuje mniejszą redukcją szumów w danych GRACE na badanym obszarze Uwaga! Zastosowano maximum d/o = 60

23 Podsumowanie Wnioski Modelowanie geoidy/quasigeoidy na terenie Polski przy użyciu różnych metod i zbiorów danych umożliwia testowanie różnych teorii, programów obliczeniowych oraz poprawianie istniejących modeli Naziemne dane kontrolne o wysokiej jakości (np. anomalie wysokości, absolutne wyznaczenia g) umożliwiają wiarygodną walidację współczesnych GGMs Kontynuowanie pomiarów g i jego zmian spowodowanych hydrologią, atmosferą i pływami ziemskimi jest niezbędne do poprawy jakości wyznaczeń g Należy kontynuować badania zmian geoidy w związku z potrzebą utworzenia kinematycznego systemu odniesienia wysokościowego w Polsce Kombinacja danych GRACE z modelami hydrologicznymi umożliwi lepszy monitoring zmian bilansu wodnego na terenie Polski Zagadnienie filtrowania szumów w danych GRACE wymaga dalszych badań

24 Podsumowanie Perspektywy Doskonalenie statycznych modeli pola siły ciężkości - odniesienie dla modeli kinematycznych kontynuowanie udoskonalonych misji typu GOCE zagęszczenie danych grawimetrycznych (misje lotnicze) zintegrowane opracowania danych Kinematyczny system odniesienia wysokościowego konieczność stałego monitoringu zmian wysokości geoidy (podobnie jak ruch bieguna w ziemskim układzie odniesienia) kontynuowanie misji typu GRACE walidacja modeli naziemnymi danymi grawimetrycznymi pomiary absolutnymi grawimetrami atomowymi