Zmiany w czasie pola siły ciężkości mechanizmy, monitorowanie, zastosowania, perspektywy Jan Kryński

Transkrypt

1 Zmiany w czasie pola siły ciężkości mechanizmy, monitorowanie, zastosowania, perspektywy Jan Kryński Instytut Geodezji i Kartografii

2 Treść prezentacji 1. Mechanizmy zmian w czasie pola siły ciężkości 2. Monitorowanie zmian pola siły ciężkości 3. Misja GRACE 4. Modele z misji GRACE 5. Opracowanie rozwiązań z misji GRACE 6. Przykłady zastosowania danych z misji GRACE 7. Badania zmian w czasie pola siły ciężkości w Polsce 8. Perspektywy grawimetrycznych misji satelitarnych

3 Mechanizmy zmian w czasie pola siły ciężkości zmienność rozkładu mas (transport mas) w atmosferze, hydrosferze, geosferze

4 Monitorowanie zmian pola siły ciężkości (1)

5 Monitorowanie zmian pola siły ciężkości (2) zakres widmowy obserwowanej zmienności w czasie

6 Misja GRACE (1) Gravity Recovery And Climate Experiment Początek misji 17 marca 2002 r. NASA (plan na 5 lat do 2015 r.) Misja dedykowana modelowaniu pola grawitacyjnego Ziemi i geoidy z wysoką dokładnością i rozdzielczością 2 satelity odległe o 220 km (203 km) orbita kołowa (e<0.005) (0.001) kąt nachylenia orbity 89.5º (89.0º) wysokość 485 km (384 km) Podstawowe techniki pomiarowe: system pomiaru odległości K-Band pomiar satelita-satelita (low-low) odbiornik GPS BlackJack - pomiar satelita-satelita (high-low)

7 Misja GRACE (2) Modelowanie pola grawitacyjnego (geoida) z danych z misji GRACE: modele zmienne w czasie (krótkie interwały czasowe) modele stacjonarne Inne wykorzystania danych z misji GRACE (przykłady): wzbudzenie ruchu bieguna zmiany masy lodowców (Grenlandia, Antarktyka) zmiany mas w rejonie Fennoskandii (wznoszenie polodowcowe) zmiany mas wodnych (Indie, Amazonia, Europa, Afryka)

8 Misja GRACE (3) Główne ośrodki opracowania danych z misji GRACE GeoForschungsZentrum - Poczdam Jet Propulsion Laboratory - Pasadena University of Texas Center for Space Research Austin Centre National d Etudes Spatiales Tuluza Astronomic Institute of the University of Berne Berno Delft University of Technology Delft Institute of Theoretical Geodesy and Satellite Geodesy Graz

9 Modele z misji GRACE (1) Globalne modele geopotencjału (GGM) modele zmienne w czasie rozwiązania miesięczne GGM ( ) - określenie zmienności harmonik do stopnia i rzędu - śledzenie zmienności mas w atmosferze, hydrosferze i geosferze np. zmian hydrologicznych 1 cm na obszarze 1000 km rozwiązania 10-dniowe GGM rozwiązania 1-dniowe GGM modele stacjonarne GRACE + różne kombinacje z SLR (LAGEOS) GOCE dane naziemne

10 Modele z misji GRACE (2) Globalne modele geopotencjału (GGM) modele w postaci rozwinięcia w szereg funkcji kulistych modele w postaci maskonów - nie wymagają dodatkowego opracowania (de-striping, wygładzanie) - lepiej oddają zmiany na mniejszych obszarach Prezentacja modeli z misji GRACE wysokości geoidy N anomalie grawimetryczne Δg wysokość ekwiwalentnej warstwy wody EWT (20 cm EWT ~ 1 cm N)

11 Modele z misji GRACE (3) 1. Modele w postaci rozwinięcia w szereg funkcji kulistych 5 generacji rozwiązań - zwiększająca się ilość danych - doskonalone modele - doskonalone algorytmy kumulowane wariancje stopnia kalibrowanych błędów

12 Modele z misji GRACE (4) miesięczne zmiany anomalii grawimetrycznych (GFZ)

13 Modele z misji GRACE (5) zmienność w czasie anomalii grawimetrycznej (w wysokości ekwiwalentnej warstwy wody [cm])

14 Modele z misji GRACE (6) stacjonarny model geopotencjału (anomalie grawimetryczne) (ITSG-Graz)

15 2. Modele w postaci maskonów maskonów - 10-dniowe rozwiązania Modele z misji GRACE (7) roczny bilans mas Antarktyki (w wysokości ekwiwalentnej warstwy wody)

16 Modele z misji GRACE (8) roczny bilans mas Grenlandii (w wysokości ekwiwalentnej warstwy wody)

17 Modele z misji GRACE (9) przewaga maskonów nad funkcjami kulistymi 10-dniowe maskony 30-dniowe funkc. kul. modele hydrologiczne korelacja modeli 10-dniowe maskony 30-dniowe funkc. kul. z ciśnieniem na dnie oceanu

18 Opracowanie rozwiązań z misji GRACE Analiza transportu mas na podstawie rozwiązań z misji GRACE dwa podejścia metoda najmniejszych kwadratów (wyznaczenie amplitudy i fazy sygnałów rocznego i półrocznego oraz trendu) analiza głównych składowych (PCA) wymaga ciągłości danych (wydzielenie ortogonalnych składowych przestrzennych, ich zmienności w czasie oraz ich rzędu w funkcji udziału w wariancji danych) empiryczna funkcja ortogonalna (EOF) składowych obciążenia na obszarze Kanady dla modeli GRACE, Global Land Data Assimilation System (GLDAS), Climate Prediction Center (CPC) i Land Dynamics (LaD)

19 Zastosowania danych z misji GRACE (1) Kriosfera bilans mas pokrywy lodowej bilans mas poszczególnych zlewni lądolodu dynamika lodu w pokrywie lodowej bilans mas górskich lodowców wyznaczanie sygnału Glacial Isostatic Adjustment (GIA) prędkość zmian mas w Antarktyce z GRACE i ICESat

20 Zastosowania danych z misji GRACE (2) bilans mas Grenlandii i Antarktyki (styczeń 2003 grudzień 2013) trend liniowy dm(t)/dt, [cm/yr] wody przyspieszenie d 2 M/dt 2, [cm/yr 2 ] wody

21 Zastosowania danych z misji GRACE (3) bilans mas Grenlandii i Antarktyki (styczeń 2003 grudzień 2013) Grenlandia Antarktyka

22 Zastosowania danych z misji GRACE (4) ciśnienie na dnie oceanu (OBP) zmiany poziomu morza (SLVs) badanie modeli pływów morskich Oceanografia dokładność modeli ciśnienia na dnie oceanu GRACE i Estimation of the Circulation and Climate of the Ocean (ECCO)

23 Zastosowania danych z misji GRACE (5) zmiany poziomu morza globalna średnia zmiana poziomu morza trend całkowitej zmiany poziomu morza

24 Zastosowania danych z misji GRACE (6) modele pływów morskich amplitudy fal pływowych M2, K1, S2 and O1 z residuów przyspieszenia między satelitami GRACE z 7 lat, w odniesieniu do 6 modeli pływowych

25 Zastosowania danych z misji GRACE (7) Geodynamika ruch środka mas Ziemi ruch bieguna mean dynamic topography (MSS-geoida) ruch środka mas Ziemi (GRACE+GPS+OBP)

26 Zastosowania danych z misji GRACE (8) ruch bieguna porównanie składowych χ 1 i χ 2 grawimetrycznego wzbudzenia ruchu bieguna (GRACE CNES, GRACE CSR) residuów funkcji wzbudzenia geodezyjnego G-A-O Geodetic Angular Momentum (GAM)- Atmospheric Angular Momentum (AAM)- Oceanic Angular Momentum (OAM)) funkcji wzbudzenia hydrologicznego (CPC i NCEP/NCAR)

27 Zastosowania danych z misji GRACE (9) mean dynamic topography MDT_CNES-CLS13 opracowany z wykorzystaniem danych GRACE

28 Zastosowania danych z misji GRACE (10) Hydrologia przykład: NASA; SCIENCE SERVING SOCIETY: WATER MANAGEMENT (2004) JAN FEB MAR APR MAY JUN JUL AUG SEP OCT NOV DEC Water Layer Height (Departure from Average) in centimeters

29 Zastosowania danych z misji GRACE (11) zmiany w zasobach wodnych wywołane naturalną zmiennością, zmianami klimatu, działalnością ludzką (np. popmpowanie wód gruntowych) z GRACE

30 Zastosowania danych z misji GRACE (12) najbardziej wilgotne lata z danych z misji GRACE

31 Zastosowania danych z misji GRACE (13) najbardziej suche lata z danych z misji GRACE

32 Badania zmian pola siły ciężkości w Polsce (1) Centrum Badań Kosmicznych PAN - wzbudzenie ruchu bieguna z użyciem danych z misji GRACE Instytut Geodezji i Kartografii - filtracja - transport mas w różnych rejonach Europy - korelacja modeli GRACE z modelami hydrologicznymi - zmiany wysokości geoidy - modelowanie i predykcja zmian wysokości geoidy Uniwersytet Warmińsko-Mazurski - filtracja - przewidywanie zagrożeń powodziowych

33 Badania zmian pola siły ciężkości w Polsce (2) IGiK przykład: trend i zmiany roczne ekwiwalentnej warstwy wody

34 Badania zmian pola siły ciężkości w Polsce (3) IGiK przykład: zmiany wysokości geoidy

35 Badania zmian pola siły ciężkości w Polsce (4) IGiK przykład: modelowanie zmian wysokości geoidy

36 Perspektywy grawimetrycznych misji satelitarnych (1) konfiguracje grawimetrycznych misji satelitarnych

37 Perspektywy grawimetrycznych misji satelitarnych (2) wysokość orbity GRACE vs. czas trwania misji

38 Perspektywy grawimetrycznych misji satelitarnych (3) transport mas i charakterystyki przestrzenne i czasowe