Μελέτη των μεταβολών του υδατικού ισοζυγίου σε ηπειρωτικές και θαλάσσιες περιοχές, με δεδομένα της αποστολής GRACE
Creators: name: Κολυβάκη, Ειρήνη Ιωάννη
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2012
Subjects: Γεωδαισία
Βαρύτητα
Δορυφορική Αποστολή GRACE
Geodesy
Gravity
GRACE satellite mission

description: Η παρούσα μεταπτυχιακή διατριβή πραγματεύεται τη μελέτη των μεταβολών του υδατικού ισοζυγίου, σε ηπειρωτικές και θαλάσσιες περιοχές, με δεδομένα της αποστολής GRACE. Το Πρώτο Κεφάλαιο περιλαμβάνει την εισαγωγή, στην οποία αναλύονται το αντικείμενο, οι στόχοι, η διάρθρωση και το περιεχόμενο της παρούσας μελέτης. Στο Δεύτερο Κεφάλαιο παρουσιάζεται το απαραίτητο θεωρητικό υπόβαθρο για το γήινο πεδίο βαρύτητας και τις χρονικές μεταβολές του, ενώ στη συνέχεια αναλύονται τα αναπτύγματα σφαιρικών αρμονικών συναρτήσεων. Επιπρόσθετα, περιγράφονται συνοπτικά τα βασικότερα χαρακτηριστικά των σύγχρονων δορυφορικών αποστολών παρακολούθησης του πεδίου βαρύτητας και εκτενέστερα τα χαρακτηριστικά και η λειτουργία της αποστολής GRACE. Τέλος, εξετάζεται η σχέση των χρονικών μεταβολών του γήινου πεδίου βαρύτητας που καταγράφονται από την αποστολή GRACE, με φαινόμενα όπως η ανακατανομή των υδάτινων μαζών, οι μεταβολές στα στρώματα πάγου και τη Μέση Στάθμη της Θάλασσας, τα ωκεάνια ρεύματα και οι αλλαγές στη δομή της «στερεής Γης». Στο Τρίτο Κεφάλαιο αναφέρονται και αιτιολογούνται οι περιοχές μελέτης του Βόρειου Ατλαντικού και της Ευρώπης, οι οποίες επιλέχθηκαν για την ανάλυση και αξιολόγηση των παρατηρήσεων της δορυφορικής αποστολής GRACE. Επιπλέον, περιγράφονται η μορφή, η δομή και ο τρόπος διάθεσης των μηνιαίων μοντέλων GRACE, αναλύεται το είδος και τα χαρακτηριστικά της επεξεργασίας που ακολουθήθηκε και αξιολογούνται τα διαθέσιμα δεδομένα της αποστολής, ώστε μετά από αναλυτικά υπολογιστικά πειράματα να προσδιοριστεί το βέλτιστο μοντέλο, το οποίο στη συνέχεια υπόκειται σε περαιτέρω επεξεργασία. Ακόμη, παρουσιάζονται τα εναλλακτικά υπολογιστικά σενάρια-πειράματα που οδήγησαν στην επιλογή του στατικού πεδίου, το οποίο χρησιμοποιείται, σε συνδυασμό με τα μηνιαία μοντέλα της αποστολής, για τον προσδιορισμό των χρονικών μεταβολών του πεδίου βαρύτητας. Επιπλέον, αναλύονται τα υδρολογικά μοντέλα που βασίζονται σε επίγειες παρατηρήσεις και επιλέγεται το καταλληλότερο, ώστε να είναι εφικτή η σύγκριση με τα αποτελέσματα των μηνιαίων μοντέλων GRACE. Μετά την επιλογή των βέλτιστων δεδομένων, στο Τέταρτο Κεφάλαιο παρουσιάζονται και σχολιάζονται τα αποτελέσματα της επεξεργασίας των μηνιαίων μοντέλων της αποστολής GRACE στις δύο περιοχές μελέτης. Αρχικά εμφανίζονται οι χάρτες και τα στατιστικά στοιχεία για τα υψόμετρα του γεωειδούς, τα οποία προκύπτουν από την επεξεργασία των συντελεστών σφαιρικών αρμονικών που δίνονται μέσω των μηνιαίων μοντέλων της αποστολής. Στη συνέχεια, ακολουθούν χάρτες και στατιστικές τιμές για τις διαφορές ΔΝ, μεταξύ των υψομέτρων του γεωειδούς από τα μηνιαία μοντέλα και ένα μέσο στατικό πεδίο, το οποίο υπολογίστηκε από το μέσο όρο των υψομέτρων του γεωειδούς όλων των διαθέσιμων ετών λειτουργίας της αποστολής. Έπειτα, παρουσιάζονται και ερμηνεύονται οι χάρτες και τα στατιστικά αποτελέσματα για τις μεταβολές των υδάτινων μαζών. Τα αποτελέσματα ανακατανομής υδάτινων μαζών στη συνέχεια μελετήθηκαν συγκριτικά με τους δείκτες NAO, SOI και MOI, ώστε να συνδεθούν με διάφορα κλιματικά φαινόμενα που συμβαίνουν στον πλανήτη. Το Πέμπτο Κεφάλαιο περιλαμβάνει τα αποτελέσματα, με τη μορφή χαρτών και στατιστικών στοιχείων, της επεξεργασίας των επίγειων υδρολογικών μοντέλων για τις δύο περιοχές μελέτης. Επιπλέον, τα αποτελέσματα αυτά συγκρίνονται με τις μεταβολές υδάτινων μαζών που προέκυψαν από δεδομένα της αποστολής GRACE, με τη βοήθεια του συντελεστή συσχέτισης και τη σύγκριση των χαρτών ανακατανομής υδάτινων μαζών. Τέλος, το Έκτο Κεφάλαιο, περιλαμβάνει τα συμπεράσματα και τις προτάσεις που προέκυψαν κατά τη διεξαγωγή της παρούσας διατριβής.
description: This MSc thesis focuses on a comprehensive and elaborate study of variations in land water storage and ocean mass and is based on observations taken from the twin GRACE satellites. The first chapter of this thesis is dedicated to the problem statement and the objectives that this work needs to address. The second chapter summarizes the fundamental theory and parameters of the Earth’s gravity field along with some fundamental background information on spherical harmonics expansion of the Earth’s disturbing potential. Furthermore, the CHAMP and GOCE missions are briefly presented, while special emphasis is placed on the GRACE mission. Finally, some of the most important practical applications of GRACE measurements, such as tracking water movement on and beneath Earth’s surface, calculating changes in ice sheets and in global sea level, studying ocean currents and determining changes in the structure of solid Earth are described. The third chapter of the thesis is dedicated to the selection of the appropriate data, in order to continue with the actual data processing. First and foremost two areas under study are chosen, where water mass redistribution is investigated. Following that, the services and centers which provide GRACE monthly gravity models are described together with the format and name of the satellite products. In addition, the procedure of pre-processing is analyzed, as well as the results of the unfiltered and filtered GRACE models from GFZ and CSR institutes. Another parameter that is investigated is the static field that will serve as the reference relative to which the mass variations will be estimated. Finally, the general aspects of the Global Precipitation Climatology Centre (GPCC) are described, as well as some important product information with regard to hydrological models, based on in situ rain-gauge data. In the fourth chapter the results of the optimum GRACE model, which has been selected in the previous chapter, are performed thoroughly for the two areas under study of the North Atlantic Ocean and Europe. Firstly, maps and statistical values of geoid heights are analyzed. This chapter also includes maps and statistical elements of ΔΝ, which are calculated from the differences ΔΝ between geoid heights from GRACE models and heights from the selected static field. Furthermore, maps and statistical results of water mass redistribution are performed. Finally, water mass redistribution calculated by GRACE is compared with the oscillation indices NAO, SOI and MOI. The fifth chapter deals with the changes in land water storage, as derived from the monthly hydrological models of GPCC. Moreover, this chapter includes a detailed description of the processing procedure, as well as maps and statistical values, which are presented separately for the two areas under study. Furthermore, the results of the hydrological models are compared with GRACE water mass redistribution along with the calculation of the correlation coefficient. In the sixth chapter, concluding remarks on the findings of this MSc thesis are drawn and recommendations for future work in the field are proposed.