Yeryuvarı gravite alanının aylık GRACE çözümleri ile izlenmesi ve duyarlılığı üzerine bir inceleme
Investigation on monitoring of the earth's gravity field by monthly GRACE solutions and its sensitivity
Yazar: E. SİMAY ATAYER
Danışman: DOÇ. DR. CÜNEYT AYDIN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Harita Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Geomatik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Jeodezi ve Fotogrametri = Geodesy and Photogrammetry
Dizin: Duyarlılık = Sensitivity ; Güven aralığı = Confidence interval

Özet:
GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) uydu sistemi, 2002 yılından günümüze yeryuvarı gravite alanı zamansal değişimine ilişkin önemli bilgi sağlamaktadır. İki adet alçak yörüngeli yapay uydudan oluşan bu sistemden elde edilen gravite alanı bilgisi, aylık olarak harmonik katsayılar biçiminde kullanıcılara sunulmaktadır. Bu çalışmada, 2003 Ocak?2010 Eylül aralığını kapsayan 92 aya ilişkin harmonik katsayı çözümleri kullanılarak, jeopotansiyel değişimler (eşdeğer su kalınlığı, jeoit yüksekliği ve gravite değişimi) ve GRACE'in bunları belirlemedeki duyarlılığı incelenmektedir.Jeopotansiyel değişimler, 1) ağırlıklı aritmetik ortalama biçiminde oluşturulan yıllık GRACE modellerinin basit farkından ve 2) tüm aylık çözümlerden elde edilen zaman serileri üzerinden ayrı ayrı incelenmektedir. İlk yöntem genellikle özel uygulamalar (örneğin, bazı tektonik olayların bölgesel ölçekte incelenmesi) için kullanılırken, ikinci yöntem uygulamada daha çok tercih edilir ve uygun hız modelleri yardımıyla yıllık değişim miktarları kestirilir. Çalışmada, her iki yönteme göre global ve bölgesel ölçekte değişimler ve bunların standart sapmaları irdelenmektedir. Yanı sıra, farklı yumuşatma yarıçaplı (boyutlu) Gauss filtresi ve burada C-P7M8 olarak adlandırılan korelasyon etkilerini giderme yönteminin uygulandığı çözümler ile DDK veri türüne ilişkin çözümler gerçekleştirilerek, elde edilen değişimler ve standart sapmaları karşılaştırılmaktadır. İncelenen jeopotansiyel değişim filtre türünden etkilenmektedir. Standart sapmalar da noktanın konumuna ve filtrenin boyutuna bağlı olarak değişmektedir. Yanı sıra, ilk yönteme göre elde edilen standart sapmalar harmonik katsayıların standart sapmalarına bağlı iken ikinci yöntemde nokta jeopotansiyel değişimlerine uydurulan ve doğru olduğu kabul edilen bir hız modelinden kestirilen yıllık değişim miktarı standart sapması harmonik katsayılarınkinden bağımsızdır. Böylece farklı çözümlerin karşılaştırılmasıyla GRACE'in ilgili değişimleri belirlemedeki duyarlılığı bu standart sapmalar üzerinden irdelenmiştir. Gerçekleştirilen sayısal uygulama sonuçlarına göre, %80'den daha yüksek bir test gücü olasılığı ile GRACE çözümleri ile ortaya çıkarılabilecek değişim miktarları en kötü durumlar için yaklaşık şöyledir: i) Global ölçekte; 2,1 cm/yıl EWT hızı, 0,05 cm/yıl jeoit yüksekliği değişim miktarı ve 0,84 ? Gal/yıl gravite değişim miktarı, ii) Türkiye'yi kapsayan bölgesel ölçekteki çalışma alanından ([30o ??? 45o;20o ??? 50o]) da, 0,7 cm/yıl EWT hızı, 0,024 cm/yıl jeoit yüksekliği değişim miktarı ve 0,30 ? Gal/yıl gravite değişim miktarı.Bununla birlikte, GRACE çözümlerinden elde edilen jeopotansiyel değişimlerin birçok etmene bağlı olduğu söylenebilir. Örneğin, veri değerlendirme merkezinin değerlendirme stratejisine, katsayılara uygulanan filtre yöntemlerine, çözümde ele alınan referans modeline/GRACE modeline, analizde kullanılan veri genişliğine ve öngörülen hız modeline bağlı olarak değişimlerin genliğinde ve dağılımında ve de standart sapmalarında farklılık ortaya çıkması doğal bir sonuçtur. Bu amaçla, çalışmanın son bölümünde, elde edilen yıllık değişim miktarlarının kalitesini ifade etmek için güven aralıklarının kestirimi ve bunların konumsal alanda gösterimi irdelenmiştir. Çalışma bölgesinde ele alınan noktaların 92 aya ilişkin değişimlerden kestirilen yıllık değişim miktarları ve bunların standart sapmaları ile her bir noktaya ait %95 güven olasılıklı güven aralığı sınırları ayrı ayrı konumsal alanda gösterilerek, elde edilen çözümün doğruluğu ölçülmek istenmiştir. Uygulamadan çıkan sonuçlara göre, giderilemeyen bazı sistematik hataların güven aralığının alt sınırında azaldığı, üst sınırında ise arttığı gözlenmiştir. Buna göre, değişimlerde gözlenen bazı sistematik hataların rasgele özellikli olabileceği bu basit kestirimden çıkarılmıştır. Yanı sıra, bazı çözümlerde anomali olarak gözlenen değişimlerin aslında rasgele hataların sonucu olduğu, farklı filtre boyutlarına ilişkin güven aralığı haritalarının karşılaştırılmasından açıkça görülmüştür. Böylece, elde edilen çözümlerin doğruluğunun gösterilmesinde güven aralığı kestirimlerinin yapılması gerektiği önerilmektedir.

Abstract:
Since 2002, GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite system has provided important information on the temporal variation of the Earth?s gravity field. Gravity field data deduced from this system, which is composed of two low Earth orbit artificial satellites, is published as harmonic coefficients monthly by some data processing centers to the users. In this study, having used the coefficient solutions belonging to 92 months between 2003 January and 2010 September, geopotential changes (equivalent water thickness, geoid height and gravity changes) as well as GRACE sensitivity against those changes are investigated.The geopotential changes are examined depending on 1) ordinary difference of annual GRACE models created as weighted arithmetic means and 2) time series including whole monthly solutions, separately. Former differencing method is generally used for some special aims (for example, monitoring of some tectonic events at regional scale) whereas latter is the mostly chosen method in which the annual changes are estimated using a proper velocity model. This study examines these changes and their standard deviations at global and regional scales for both methods. Furthermore, the solutions for different smoothing radii (halfwidths) of Gaussian filter and the decorrelation method, the so-called C-P7M8 here, as well as DDK data type are realized and the deduced changes and their standard deviations from different solutions are compared. The monitored geopotential changes are affected by the filtering and filtered data type. Also the standard deviations of the corresponding changes depend on the point position and the filter halfwidth. Moreover, while the standard deviations from the first method depend on the standard deviations of the harmonic coefficients, the standard deviations of the annual changes estimated from a fitted velocity model, which is assumed as deterministically correct, to the point geopotential changes are independent from the ones of harmonic coefficients. Thus, the sensitivity of GRACE in determination of the corresponding changes is examined depending on these second kind of standard deviations having compared the above-mentioned different solutions. According to the numerical example results, the detectable changes by the GRACE solutions with the probability of more than 80% power of the test for the worst cases are as follows: i) At global scales; 2.1 cm/year EWT velocity, 0.05 cm/year annual geoid height change and 0.84 ? Gal/year annual gravity change, ii) for the region covering Turkey ([30o ??? 45o; 0o ??? 50o]), 0.7 cm/year EWT velocity, 0.024 cm/year annual geoid height change and 0.30 ? Gal/year annual gravity change.In addition, it may be concluded that the geopotential changes from GRACE solutions are influenced by numerous effects. Therefore, it is natural to expect some differences in the magnitude and distribution of the changes in spatial domain as well as in their standard deviations depending on, for instance, different processing strategies of the data processing centers, the filtering method applied to the coefficients, reference model/GRACE model used in the computations, data span in the analysis and the assumed velocity model. Thus, accordingly, the confidence interval estimation and their representation in spatial domain is examined to show the quality of the obtained annual changes. It is desired to measure the accuracy of the corresponding solution having representing the confidence interval limits with 95% confidence level in the spatial domain for the estimated annual changes and their standard deviations from the data span of 92 months belonging to the studied points. According to the numerical examples, it is observed that some unremoved systematic errors in the spatial domain decreases and increases in the lower limit and upper limit maps, respectively. Therefore, it is deduced that some systematic errors observed in the geopotential changes may actually have random characters. Moreover, from the comparison of the confidence interval maps of different filtered solutions, it is clearly seen that some anomalies in the spatial domain are actually be the effect of random errors. Accordingly, it is suggested that the confidence interval estimation should be realized to show the accuracy of the corresponding geopotential change solution.