Υπολογισμός του θαλάσσιου γεωειδούς στον ελλαδικό χώρο με τη χρήση δεδομένων δορυφορικής αλτιμετρίας και μοντέλων επιχειρησιακής ωκεανογραφίας

Abstract

The main objective of this doctoral thesis is to develop a methodology for optimising the calculation of marine geoid in Greek Seas using satellite altimetry observations and operational ocean model data. The Seas North of the 33rd and South of the 42nd parallels and between the 19th and the 30th East meridians was chosen as the case study area of the methodology. This area, which corresponds essentially to the Hellenic marine area, is of interest, not only to the local scientific community, but also, to the global, as it is one of the most demanding maritime areas for the application of satellite altimetry techniques and for the ocean circulation models. The estimation of the marine geoid for the case study area is indirectly done by calculating the surface of the MSS from satellite altimetry observations, based on the ‘iterative sub-arc levelling technique’, and by subtracting from it a MDT model as calculated according to the oceanographic approach. In this way this thesis presents the National Technical University of Athens MSS version 1 (NTUAMSSv1) and the National Technical University of Athens Marine Geoid version 1 (NTUAMGv1) regional model. The 'indirect-oceanographic' approach followed for the computation of the marine geoid is an alternative to the classical 'direct-geodetic' approach that is based purely on gravity observations. It is worth noting that the oceanographic approach of the marine geoid has not been studied and implemented so far in the case study area. The oceanographic approach of the marine geoid is extremely attractive for a number of reasons that are analysed such as i) its independence from the availability of marine gravity observations and ii) the ability of providing updated model versions taking into account the freely and newly available data. Based on the computed NTUAMGv1 model a grid of free air gravity anomalies for the case study area is also computed named as National Technical University of Athens Free Air gravity Anomalies version 1 (NTUAFAAv1) model. The newly available regional NTUAMSSv1, NTUAMGv1 and NTUAFAAv1 models are extensively tested by comparisons to state of the art global models and other available data such as GPS/levelling points, observations that come from marine GPS sea surface altimetry, airborne LASER ranging altimetry, and marine and airborne gravity surveys. Based on the findings, it is concluded that the ‘iterative sub-arc levelling technique’ process strategy results to an improvement in the MSS and marine geoid modelling. Regarding the contribution of the presented strategy in the marine gravity field modelling, it offers a slight improvement very close to the coastline. Finally, it is mentioned that the 'indirect-oceanographic' approach followed for the computation of the marine geoid has some advantages such as the uniformity of the geographic grids, the periodicity of their solutions and the continuity for extended epochs.

Κύριο αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την βελτιστοποίηση του υπολογισμού του θαλάσσιου γεωειδούς στον Ελλαδικό χώρο με τη χρήση παρατηρήσεων δορυφορικής αλτιμετρίας και δεδομένων από ωκεανογραφικά μοντέλα. Ως περιοχή εφαρμογής της μεθοδολογίας επιλέχθηκε ο θαλάσσιος χώρος Βόρεια του 33ου και Νότια του 42ου παραλλήλου μεταξύ του 19ου και 30ου μεσημβρινού. Η συγκεκριμένη περιοχή, που ουσιαστικά αντιστοιχεί στον Ελλαδικό θαλάσσιο χώρο, παρουσιάζει ενδιαφέρον όχι μόνο για την τοπική επιστημονική κοινότητα, αλλά και για την παγκόσμια καθώς είναι από τις πλέον απαιτητικές θαλάσσιες περιοχές για την εφαρμογή των τεχνικών της δορυφορικής αλτιμετρίας και των μοντέλων ωκεάνιας κυκλοφορίας. Η εκτίμηση του θαλάσσιου γεωειδούς για την περιοχή της μελέτης γίνεται έμμεσα με τον υπολογισμό της επιφάνειας της ΜΣΘ από παρατηρήσεις δορυφορικής αλτιμετρίας, με βάση την τεχνική της «επαναληπτικής προσαρμογής των τόξων», και στη συνέχεια, αφαιρώντας από αυτή ένα μοντέλο ΜΔΩΤ όπως υπολογίζεται σύμφωνα με την ωκεανογραφική προσέγγιση. Με αυτό τον τρόπο παρουσιάζονται το μοντέλο της ΜΣΘ National Technical University of Athens MSS version 1 (NTUAMSSv1), και το μοντέλο του θαλάσσιου γεωειδούς National Technical University of Athens Marine Geoid version 1 (NTUAMGv1). Η "έμμεση ωκεανογραφική" προσέγγιση που ακολουθείται για τον υπολογισμό του θαλάσσιου γεωειδούς είναι μια εναλλακτική λύση στην κλασική "άμεση γεωδαιτική" προσέγγιση που βασίζεται αποκλειστικά σε παρατηρήσεις βαρύτητας. Αξίζει να σημειωθεί ότι η ωκεανογραφική προσέγγιση του θαλάσσιου γεωειδούς δεν έχει μελετηθεί και εφαρμοστεί μέχρι στιγμής στην περιοχή της μελέτης. Η ωκεανογραφική προσέγγιση του θαλάσσιου γεωειδούς είναι εξαιρετικά ελκυστική για διάφορους λόγους που αναλύονται όπως i) η ανεξαρτησία της από τη διαθεσιμότητα παρατηρήσεων θαλάσσιας βαρύτητας, και ii) η δυνατότητα υπολογισμού επικαιροποιημένων εκδόσεων των μοντέλων λαμβάνοντας υπόψη τα νέα δεδομένα τα οποία διατίθενται ελεύθερα και συνεχώς. Με βάση το μοντέλο NTUAMGv1, υπολογίζεται το πεδίο τιμών των ανωμαλιών της βαρύτητας ελευθέρου αέρα για την περιοχή της μελέτης National Technical University of Athens Free Air gravity Anomalies version 1 (NTUAFAAv1). Τα νέα τοπικά μοντέλα NTUAMSSv1, NTUAMGv1 και NTUAFAAv1 αξιολογούνται εκτενώς σε συγκρίσεις με τα αντίστοιχα παγκόσμια μοντέλα και με άλλα διαθέσιμα δεδομένα, όπως γεωμετρικά υψόμετρα από GPS σε σημεία γνωστών ορθομετρικών υψομέτρων, παρατηρήσεις ναυτικής αλτιμετρίας με GPS, από αέρος αλτιμετρία, και με δεδομένα αποστολών θαλάσσιας και από αέρος βαρύτητας. Με βάση τις συγκρίσεις, συμπεραίνεται ότι η τεχνική της επαναληπτικής προσαρμογής των τόξων έχει ως αποτέλεσμα τη βελτίωση της μοντελοποίησης της ΜΣΘ και θαλάσσιου γεωειδούς στην περιοχή της μελέτης. Όσον αφορά τη συμβολή της νέας τεχνικής στη μοντελοποίηση της θαλάσσιας βαρύτητας, αυτή φαίνεται ότι προσφέρει μια μικρή βελτίωση ειδικά κοντά στις ακτές. Τέλος, σημειώνεται ότι η 'έμμεση ωκεανογραφική' έχει ορισμένα πλεονεκτήματα όπως η ομοιομορφία στη χωρική κατανομή των δεδομένων, στην περιοδικότητα, στη συνεχή και στην ελεύθερη διάθεσή τους.