مقاله تعیین پتانسیل ژئوئید با استفاده از داده های ارتفاع سنجی ماهواره ای و GRACE

word قابل ویرایش
13 صفحه
دسته : اطلاعیه ها
12700 تومان
127,000 ریال – خرید و دانلود

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

تعیین پتانسیل ژئوئید با استفاده از داده های ارتفاع سنجی ماهواره ای و GRACE
چکیده
هدف اصلی از این مقاله ، تعیین پتانسیل ژئوئید با استفاده از داده های ماهواره ارتفاع سنجی ، ٢-Jason و ماهواره GRACE است . مراحل انجام تحقیق حاضر براساس الگوریتم زیر است : ١) تهیه ٨٠ دوره ، در حدود ٢٧ ماه ، داده های خام ماهواره ارتفاع سنجی ٢-Jason؛ ٢) انجام تصحیحات لازم نظیر: جزر و مدی ، اتمسفریک و دستگاهی بر روی داده های خام به منظور تعیین ارتفاع سطح آب تصحیح شده ؛ ۳) تعیین پتانسیل ثقل روی نقاط سطح متوسط دریا به صورت ماهانه ، با استفاده از ضرایب ماهانه هارمونیکهای کروی مدل های ژئوپتانسیل ماهواره GRACE؛ ۴) حذف داده های مربوط به دریاچه های بزرگ دنیا، به خصوص خزر یا کاسپین ؛ و ۵) متوسط گیری از باقی مانده داده ها به منظور تعیین پتانسیل ژئوئید.
نتایج نشان می دهند که متوسط پتانسیل ژئوئید در فاصله زمانی از ژوییه ٢٠٠٨ تا سپتامبر ٢٠١٠- در حدود  بوده که بیشترین مقدار تغییرات زمانی ماهانه آن با دوره تناوب نیمه سالانه در حدود ٢.٢ مترمربع بر مجذور ثانیه است .
کلیدواژه ها: ماهواره های ارتفاع سنجی ، ژئوئید، گریس ، سطح متوسط دریا، پتانسیل ثقل .

۱- مقدمه
تعریف ژئوئید برمبنای پیشنهاد گوس (١٨٢٨) و لیستینگ (١٨٧٢)، عبارت است از: سطح هم پتانسیلی که سطح متوسط آب های جهانی را به صورت کمترین مربعات تقریب می کند. با توجه به این تعریف داریم : رابطه (١)

در رابطه مذکور، WMSL = پتانسیل ثقل روی سطح متوسط آب دریا، = پتانسیل ژئوئید، s=سطح متوسط دریا، و dS= المان سطح . با استفاده از رابطه ذکرشده می توان برآوردی از پتانسیل ژئوئید را با استفاده از این رابطه (٢) به دست آورد:

جدایی ژئوئید از سطح متوسط آب دریای آزاد که به دلایلی چون ویژگی های دینامیکی آب دریا، تغییرات دما و شکل خطوط ساحلی به وجود می آید توپوگرافی سطح دریا نامیده می شود، که بیشترین مقدار قدر مطلق این کمیت در سرتاسر جهان حداکثر تا دو متر است (ونیچک و کراکیوسکی ، ١٩٨۶). ژئوئید، همچنین به عنوان سطح مبنای ارتفاعی در ژئودزی و نقشه برداری مورد استفاده قرار می گیرد. فاصله بین ژئوئید از سطح ریاضی زمین که بیضوی دو محوری است ، ارتفاع ژئوئید و یا نوسانات ژئوئید نامیده می شود.
شکل ١ نقشه سطح ژئوئید را در سطح زمین نشان می دهد. همان گونه که در این شکل مشاهده می شود، بیشترین میزان این اختلاف در جنوب شبه قاره هند است .
از آنجا که ژئوئید سطحی هم پتانسیل است ، تعیین پتانسیل آن نیز از دیگر اهداف مهم در ژئودزی به شمار می آید، که از آن می توان در موارد متعددی چون تعیین ابعاد بیضوی متوسط زمین و تعیین اختلاف بین های زمانی خورشیدی حقیقی ١ مرکز٢ سیستم و زمین استفاده کرد. پژوهشگران علوم زمین تحقیقات مختلفی را در زمینه تعیین پتانسیل ژئوئید و ابعاد بیضوی متوسط زمین انجام داده اند، که از آن جمله می توان به مقالات گرافارنت و اردلان (١٩٩٧)، اردلان و همکاران (٢٠٠٢)، بورسا و همکاران (١٩٩٩)، بورسا و همکاران (٢٠٠٢) و بورسا و همکاران (٢٠٠۶) اشاره کرد. در مقاله اردلان و همکاران (٢٠٠٢) روش کار برمبنای دو مرحله است : ١- تعیین پتانسیل ثقل واقعی با استفاده از ضرایب هارمونیکهای بیضوی تا درجه و مرتبه ٢۶٠ از مدل ژئوپتانسیلی مانند EGM٩۶ بر روی ایستگاه های جزر و مد سنجی که مشاهدات سیستم تعیین موقعیت جهانی ٢ بر روی آنها انجام شده است .
٢- تصحیح هوای آزاد در سیستم مختصات بیضوی تا درجه و مرتبه ٢۶٠ با فرض مشخص بودن ارتفاع ارتومتریک در ایستگاه های GPS. بیضوی مقایسه در این روش WGD٢٠٠٠ بوده است . برای به دست آوردن اطلاعات بیشتر در این زمینه می توان به مقاله گرافارنت و اردلان (١٩٩٩) مراجعه کرد. مقدار پتانسیل ثقل برآورد شده در این روش به همراه خطای استاندارد آن به ترتیب عبارت اند از در مقابل ، در روش بورسا از داده های ماهواره های ارتفاع سنجی به همراه یک مدل ژئوپتانسیل برای تعیین پتانسیل ژئوئید استفاده می شود. در این روش (بورسا و همکاران ، ٢٠٠۶)، ابتدا سطح متوسط دریاهای آزاد۴ با استفاده از داده های ماهواره T.P در فاصله زمانی بین سال های ١٩٩٢ تا ٢٠٠٢ به دست می آید؛ و سپس پتانسیل ثقل واقعی برای این نقاط به وسیله یک مدل ژئوپتانسیل نظیر EGM٩۶ تعیین می شود، و در نهایت با میانگین از مقادیر مذکور برآوردی از پتانسیل ژئوئید به دست می آید.

مقدار پتانسیل ثقل برآورد شده در این روش به همراه خطای استاندارد آن به ترتیب عبارت اند از

در این مقاله ، با ایجاد تغییراتی در نوع ماهواره ارتفاع سنجی و مدل های ژئوپتانسیل مورد استفاده ، تغییرات ماهیانه در پتانسیل میدان ثقل و در نهایت مقدار برآوردشده پتانسیل ژئوئید به دست آمده است .
اگر چه تئوری روش محاسباتی مورد استفاده در این تحقیق مشابه روش بورسا است و لیکن از نظر عددی و داده های مورد استفاده این تحقیق در مقایسه با روش بورسا مزایایی بدین شرح دارد.
١- در روش بورسا (٢٠٠۶) برای تعیین سطح متوسط آب دریاها تنها از داده های ماهواره T.P استفاده شده ، در حالی که در این تحقیق داده های ماهواره
۲-Jason مورد استفاده قرار گرفته است . این داده ها از نظر زمانی جدیدترند و با توجه به مدل های دقیق تری که در پردازش آنها استفاده شده ، از نظر دقت و صحت بهتر است (برای بررسی بیشتر، ن .ک . جدول ١).
٢- در روش بورسا تنها از مدل جهانی پتانسیل EGM96 استفاده شده ، در صورتی که در این تحقیق با توجه به تغییرات زمانی میدان ثقل زمین ، ضرایب ماهیانه هارمونیکهای کروی میدان ثقل ماهواره GRACE محاسبه گردیده و مورد استفاده قرار گرفته است .
٢- برخلاف روش بورسا، در میانگین گیری پتانسیل های سطح متوسط دریا، دوره تناوب نیم سالانه برای تغییرات پتانسیل ژئوئید در نظر گرفته شده است ، که در شکل ۵ می توان دید.
٢- ارتفاعسنجی ماهواره ای
ارتفاع سنجی ماهواره ای از جمله روش های سنجش از دور است ، که هدف اصلی آن اندازه گیری ارتفاع سطح آب دریاها و اقیانوس ها در مناطق مختلف ، در دوره های زمانی متفاوت است ، مهم ترین مزیت این روش ، جمع آوری داده ها با پوشش جهانی نسبتاً کامل در زمانی کوتاه و هزینه پایین است که این برتری ، پژوهشگران علوم مختلف دریایی و زمینی را به استفاده از آن ترغیب می کند. مفهوم ارتفاع سنجی ماهواره ای را نخستین بار کوالا در سال ١٩۶٩ (١٩۶٩ ,Kuala) ارائه کرد و نخستین مأموریت ارتفاع سنجی ماهواره ای ، به وسیله سری ماهواره های SKYLAB به کار گرفته شد.
در جدول ١ مشخصات و پارامترهای ماهواره های مختلف ارتفاع سنجی ماهواره ای آورده شده اند (روسموردوس و همکاران ، ٢٠٠٩).
کمیت اصلی مشاهداتی در ارتفاع سنجی ماهواره ای ، ارتفاع لحظه ای مرکز جرم ماهواره تا سطح آب دریاست که برد ماهواره ١ نامیده می شود. با توجه به اینکه ارتفاع ماهواره ، hSat، نسبت به بیضوی مقایسه از روش های تعیین موقعیت ماهواره ای ، مانند سیستم تعیین موقعیت جهانی GPS، در دسترس است ، می توان ارتفاع سطح لحظه ای آب دریا را نسبت به بیضوی مقایسه در نقطه مشاهداتی از رابطه (۳) به دست آورد.

در رابطه (۳)، SSH = ارتفاع سطح لحظه ای آب دریا نسبت به بیضوی مقایسه ؛ Range = ارتفاع ماهواره تا سطح لحظه ای آب در نقطه مشاهداتی . در شکل ٢ کمیت های ارتفاع ماهواره ، سطح ژئوئید، مدار ماهواره ، بیضوی مقایسه ، توپوگرافی سطح آب و ارتفاع سطح آب از بیضوی مقایسه در یک سیستم ارتفاع سنجی ماهواره ای نمایش داده شده است .
با توجه به عبور امواج از فضای اتمسفر و تأثیراتی که لایه های مختلف اتمسفر و به خصوص تروپوسفر و یونوسفر بر امواج الکترومغناطیس دارند، مشاهدات می بایست با توجه به این تأثیرات تصحیح شوند.
همچنین عوامل دیگری از قبیل تأثیرات جزر و مدی .
تأثیر فشار اتمسفریک، تأثیرات بایاس سطح دریا، خطاهای دستگاهی و جز اینها نیز می بایست برای تعیین ارتفاع سطح آب تصحیح شده در نظر گرفته شوند. برای مطالعه بیشتر در این خصوص می توان به منابعی چون (اویسو، ١٩٩۶ و اویسو ١٩٩٨) مراجعه کرد. پس از اعمال تصحیحات مورد نیاز در ارتفاع اندازه گیری شده به وسیله ماهواره ، می توان ارتفاع تصحیح شده سطح متوسط اب دریا را نیز نسبت به بیضوی مقایسه بدین صورت به دست اورده :

سطح متوسط ماهیانه آب دریا MSL با استفاده از متوسط گیری ماهیانه از داده های تصحیح شده سطح آب دریا (COSSH) به دست می آید. پس از تعیین سطح متوسط آب دریا، در این مرحله می بایست پتانسیل ثقل واقعی با استفاده از ضرایب هارمونیکهای کروی تعیین شود.
٣- پتانسیل ثقل واقعی
پتانسیل ثقل واقعی زمین ، مجموع پتانسیل های جاذبه و گریز از مرکز است ، و در واقع می توان چنین نوشت :

تابع پتانسیل جاذبه خارج از سطح زمین و با صرفنظر کردن از جرم اتمسفر، تابعی است هارمونیک که می توان آن را بدین صورت نوشت (هایسکنن و موریتز، ١٩٨١): رابطه (۶)

در رابطه ۶، r= بردار وضعیت ، q = متمم عرض جغرافیایی ، و l= طول جغرافیایی نقطه مورد نظر.
همچنین داریم :

توابع لژاندر نرمالیزه را می توان با استفاده از روابط زیر به دست آورد: رابطه (٧)

۴- تعیین پتانسیل ژئوئید
در این قسمت با استفاده از روش بورسا در تعیین پتانسیل ژئوئید، در بازه زمانی ٢٧ ماهه ، از ژوییه ٢٠٠٨ تا سپتامبر ٢٠١٠، پتانسیل ژئوئید با استفاده از ٨٠ سیکل داده های ماهواره ٢-Jason، که در زمان حاضر دقیق ترین ماهواره ارتفاع سنجی است ، و نیز داده های ثقل سنجی ماهواره GRACE، برای هر ماه جداگانه محاسبه شده است . در این روش ، ابتدا داده های خام ارتفاع سنجی ماهواره ای در مناطق دریایی ، پس از انجام تمامی تصحیحات اتمسفریک، ژئوفیزیکی ، دستگاهی و دریایی مطابق رابطه ۴ به سطح آب دریای تصحیح شده در راستای مسیر حرکت ماهواره تبدیل می شود. به طور تقریبی هر سیکل شامل ٧٠٠,٠٠٠ نقطه است ؛ و در مجموع حجم بسیار زیاد داده ها از مشکلات محاسباتی این روش است . در شکل ٢ نقشه مقادیر سطح متوسط آب دریا با استفاده از اطلاعات ٨٠ دوره ماهواره -Jason نشان داده شده است . این شکل مشخص می سازد که بیشترین مقدار قدر مطلق فاصله سطح متوسط دریا از بیضوی مقایسه جهانی WGS٨۴ در منطقه جنوب شبه قاره هند و در حدود ١١٠ متر است .

در ادامه برای تعیین پتانسیل ثقل واقعی زمین در این نقاط ، برخلاف روش بورسا، از داده های ماهانه ماهواره ای GRACE استفاده شده است . از آنجا که امروز ماهواره های GRACE توان این را دارند که ضرایب هارمونیکهای کروی میدان ثقل زمین را به صورت ماهیانه تعیین کنند، بنابراین به منظور محاسبه پتانسیل ثقل برای سطح متوسط دریا و در نهایت برآورد پتانسیل ژئوئید در هر ماه از ضرایب مدل ژئوپتانسیل مربوط به همان ماه ، استفاده شده است .
برای اطلاعات بیشتر در خصوص مشخصات و نحوه پردازش داده های ماهواره GRACE، ن .ک . چن و همکاران ، ٢٠٠۴؛ تاپلی و همکاران ، ٢٠٠٢؛ و کیم ، .۲۰۰۰
ضرایب نرمالایز شده هارمونیک کروی GRACE از ژوییه ٢٠٠٨ تا سپتامبر ٢٠١٠ از سایت اختصاصی ١ این ماهواره تهیه شد. با توجه به اینکه این ضرایب تا اکتبر ٢٠٠٩ تا درجه و مرتبه ١٢٠ و پس از آن تا سپتامبر ٢٠١٠ تا درجه و مرتبه ۶٠ هستند و با استفاده از رابطه (۶) حداقل مرتبه مورد نیاز برای تعیین پتانسیل ثقل ١۵٠ است (بورسا و همکاران ، ٢٠٠۶)، دیگر ضرایب تا ٢۶٠ از مدل جهانی EGM08 (پاولیس ، درجه و مرتبه ٢٠٠٨) اضافه شده اند. از آنجا که تغییر سطح آب دریاها با تغییر پتانسیل مرتبط است ، به نظر می رسد که این روش در مقایسه با شیوه بورسا در محاسبه پتانسیل سطح آب دریا که در آن تنها از مدل EGM٩۶ ۱ استفاده شده بود، مناسب تر است .

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 12700 تومان در 13 صفحه
127,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد