Μελέτη των μεταβολών της στάθμης της θάλασσας και γεωδαιτικός προσδιορισμός της δυναμικής θαλάσσιας τοπογραφίας με δεδομένα δορυφορικής αλτιμετρίας και βαθμιδομετρίας

Abstract

This doctoral thesis focuses on a comprehensive and elaborate study of the dynamic ocean topography (DOT) in the Mediterranean based on GOCE global geopotential models (GGMs) and altimetry-derived sea level anomalies (sla) by using filtering in both the space and frequency domain. A detailed account of the fundamental theory and parameters of the Earth’s gravity and physical geodesy are summarized. A significant part is dedicated to the description of the principle of satellite altimetry and the presentation of the past, recent and future missions. The statistical characteristics of the sea level variations are analyzed through monthly empirical covariance functions and are correlated with meteorological indexes. The studied sla variances refer to a fourteen-year period, between 2002 and 2016, while the meteorological indexes selected represent global (SOI), regional (NAO) and local (MOI) ones. Given the availability of recent GGMs from the mission of GOCE, TIM-R4 model was selected as the optimal one to determine geodetic DOT models for the entire Mediterranean Sea. Apart from the GOCE GGMs, the estimation was based on the latest satellite altimetry sea surface height from the missions of Envisat, Jason 1/2 and Cryosat-2 employing both classical lower resolution mode and synthetic aperture radar observations. The concept of DOT (ζ) estimation is quite simple in its notion and relies on the fact that it can be computed as the difference between the mean sea surface and the geoid, taking into account that both are available for the area. Having estimated this initial DOT, and in order to remove, or at least reduce the influence of the unmodeled parts of the geoid still remaining in the DOT due to the limited representation offered by the GGM some filtering was needed. For the filtering, both spatial as well as spectral filtering have been employed. The spatial filters were boxcar, cosine arch, and gaussian ones, while various filter widths were tested, targeting maximum noise reduction and minimum signal loss. Apart from the spatial filters, wavelet multi-resolution analysis, finite impulse response and infinite impulse response filters have been used, while a combination of spatial and spectral filtering is tested for first time. For all filtered models the velocities of the ocean currents and the circulation in the area under study are determined. Finally, the Rio DOT model for the Mediterranean was used to validate the derived GOCE-based DOT models.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή επιχειρεί τη μελέτη του προσδιορισμού δυναμικής θαλάσσιας τοπογραφίας στο χώρο της Μεσογείου, με τη χρήση δορυφορικών δεδομένων αλτιμετρικών αποστολών και αποστολών παρακολούθησης του πεδίου βαρύτητας, χρησιμοποιώντας τεχνικές φιλτραρίσματος στον χώρο των αποστάσεων και στον χώρο των συχνοτήτων. Παρουσιάζονται οι βασικές έννοιες και εξισώσεις από τη Φυσική Γεωδαισία και τα διάφορα συστήματα υψών. Περιγράφεται αναλυτικά η αρχή της δορυφορικής αλτιμετρίας και γίνεται εκτενής αναφορά στις δορυφορικές αποστολές, τα δεδομένα των οποίων χρησιμοποιήθηκαν στην παρούσα εργασία. Επιχειρείται η μελέτη της στατιστικής συμπεριφοράς της Μεσογείου με την ανάλυση της εμπειρικής συνάρτησης συμμεταβλητότητας, η παρακολούθηση των μεταβολών της στάθμης της θάλασσας, η ανάλυση και η συσχέτισή τους με μετεωρολογικούς δείκτες. Γίνεται παρουσίαση και αξιολόγηση των νέων μοντέλων μέσης δυναμικής τοπογραφίας της θάλασσας για τη Μεσόγειο, της διαδικασίας που ακολουθήθηκε για τον υπολογισμό των μοντέλων καθώς και των τεχνικών φιλτραρίσματος που χρησιμοποιούνται για την απομάκρυνση των ανεπιθύμητων παραμέτρων, του λεγόμενου θορύβου, που επιδρούν στα τελικά μοντέλα. Τέλος, ακολουθεί η ποιοτική αξιολόγηση των μοντέλων που δημιουργήθηκαν, μέσω της σύγκρισης με ένα πρότυπο μοντέλο μέσης δυναμικής τοπογραφίας της θάλασσας, ώστε να καθοριστεί ποια τεχνική φιλτραρίσματος παρουσιάζει το βέλτιστο αποτέλεσμα. Στόχος είναι η όσο το δυνατόν πληρέστερη απεικόνιση και εφαρμογή των σύγχρονων δεδομένων και τεχνικών επεξεργασίας τους για τη μελέτη της μέσης δυναμικής τοπογραφίας της θάλασσας.