(Eart rotation prediction)"

Prognozowanie ruchu obrotowego Ziemi

( Earth rotation prediction )

Projekt badawczy KBN Nr 8T12E 005 20 realizowany w latach 2001-2003

Kierownik projektu: doc. dr hab. Wiesław Kosek

Skład zespołu: doc. dr hab. W. Kosek. prof. dr hab. A. Brzeziński, dr W. Popiński i mgr. R. Gabryszewski

Spis syntetyczny wykonanych prac:

2001 rok

Testy na danych modelowych podobnych charakterem do zmian współrzędnych bieguna ziemskiego wykazały, że autokowariancyjna metoda prognozowania daje podobne błędy prognozy jak metoda autoregresji. Dokładnoć autokowariancyjnej metody prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego do ~100 dni w przyszłoci poprzez transformację do układu współrzędnych biegunowych jest podobna do obecnie stosowanej metody ekstrapolacji stosowanej przez IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) Rapid Service/Predictions Center. Przyczynš wzrostu błędu prognozy metodš najmniejszych kwadratów współrzędnych bieguna ziemskiego stosowanej przez IERS Rapid Service/Predictions Center sš zmiany fazy oscylacji rocznej. Największe zmiany tej fazy rzędu 30°- 40° wystšpiły przed dwoma najbardziej energetycznymi zjawiskami El Nino w latach 1982/83 i 1997/98. Zwiększanie długoci danych współrzędnych bieguna ziemskiego do wyznaczenia modelu ekstrapolacji powoduję wzrost błędu prognozy ruchu bieguna ziemskiego szczególnie w okresach El Nino, w zwišzku z tym zalecane jest aby nie przyjmować zbyt długiego szeregu czasowego tych danych do wyznaczania modelu ekstrapolacji. W prognozowaniu ruchu obrotowego Ziemi metodš filtru Kalmana może być uwzględniona atmosferyczna funkcja pobudzenia w parametrach wektora obserwacji. Równania ruchu filtru Kalmana zakładajš natychmiastowy przekaz momentów pędu pomiędzy Ziemiš i atmosferš, a atmosferyczna funkcja pobudzenia niekoniecznie musi być w zgodnoci fazowej z funkcja pobudzenia wyznaczonš ze współrzędnych bieguna ziemskiego (tzw. funkcjš geodezyjnš). W celu zbadania czy wymiana momentów pędu pomiędzy Ziemiš i atmosferš jest natychmiastowa wyznaczono funkcję kowariancji wzajemnej metodš transformaty wavelet pomiędzy atmosferycznš i geodezyjnš funkcjš pobudzenia. Maksima tej funkcji kowariancji wzajemnej pokazujš opónienia czasowe rzędu 20-40 dni pomiędzy tymi funkcjami pobudzenia dla oscylacji o okresach 60, 120 i 180 dni. Wstępna analiza wykazała, że filtr Kalmana może poprawić dokładnoć prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego tylko do kilku dni w przyszłoci. Filtr Kalmana może również uwzględniać oceanicznš funkcję pobudzenia w parametrach wektora obserwacji. Oceaniczna funkcja pobudzenia w dużym stopniu zależy od zmian poziomu oceanu, które obserwowane sš za pomocš satelity altimetrycznego TOPEX/Poseidon. W tym celu wyznaczono amplitudy zmian niektórych oscylacji krótkookresowych w zmianach poziomu oceanu w funkcji długoci i szerokoci geograficznej metodš rodkowoprzepustowego filtru transformaty Fouriera. Metoda ta umożliwiła wykrycie dużych zmian niepływowych amplitudy oscylacji półrocznej w rejonach Oceanu Indyjskiego, a także tzw. niestabilnych fal tropikalnych w okolicach okołorównikowego Pacyfiku o okresie rzędu 30 dni i amplitudzie rzędu 1 cm. Fale te nie pojawiły się w poczštkowej fazie zjawiska El Nino w latach 1997/98. Dalsze badania tych fal mogš przyczynić się do lepszego poznania i prognozowania zjawiska El Nino oraz ruchu obrotowego Ziemi.

2002 rok

Opracowana została metoda prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego wykorzystujšca metody autokowariancyjnš, najmniejszych kwadratów oraz ARMA (autoregressive moving average) poprzez transformatę z układu Kartezjańskiego do układu współrzędnych biegunowych. Taka transformata przekształca częstotliwoci Chandlera i rocznš oraz półchandlera i półrocznš we współrzędnych bieguna ziemskiego na ich częstotliwoci zdudnienia, co pozwala rozwišzać problemy zwišzane z rozdzielczociš częstotliwociowš. rednie błędy prognozy tej metody prognozowania współrzędnych bieguna ziemskiego sš nieco mniejsze niż dla metody prognozowania obecnie stosowanej przez IERS Rapid Service/Predictions Center. Jakkolwiek rednie błędy prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego do 20-30 dni w przyszłoci sš większe niż dla metody filtru Kalmana, w którym parametrami wektora obserwacyjnego oprócz współrzędnych bieguna ziemskiego sš również składowe równikowe momentu pędu atmosfery. Nieuwzględnieniem momentu pędu oceanu w parametrach wektora obserwacji filtru Kalmana może być przyczynš wzrostu błędu prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego w zakresie także niskich częstotliwoci. Wymiana momentu pędu między atmosfera, oceanami i Ziemia stałš ma duży wpływ na ruch bieguna Ziemi w pamie okresów od doby do kilku lat, a także w istotny sposób oddziałuje na nutacje Ziemi. O ile jednak w bilansie pobudzania zaburzeń rotacji udział atmosfery jest już stosunkowo dobrze rozpoznany, rola oceanu jest cišgle niejasna i podlega intensywnym badaniom. Obecnie danych momentu pędu oceanu nie można wykorzystywać do wyznaczania rutynowych prognoz współrzędnych bieguna ziemskiego, ponieważ nie sš one na bieżšco wyznaczane. Zauważono, że okres około 6-cio letni zdudniania oscylacji Chandlera i rocznej będšcy także okresem najbardziej energetycznej oscylacji w promieniu i długoci łuku polhodii jest zmienny w czasie, co spowodowane jest głównie zmianš fazy oscylacji rocznej. Zauważono, że faza i amplituda oscylacji rocznej osišga duże wartoci przed wystšpieniem zjawiskiem El Nino i zmniejszajš się w okresie jego trwania. Zauważone maksima fazy i amplitudy tej oscylacji w latach 2000 i 2001 poprzedziły obecnie obserwowane zjawisko El Nino, które rozpoczęło się pod koniec roku 2002. Opracowany został program obliczeniowy do prognozowania współrzędnych bieguna ziemskiego metodš autokowarincyjnš w układzie współrzędnych biegunowych. Po przeprowadzeniu wstępnych rozmów z dr D.D. McCarthym z U.S. Naval Observatory (USNO) ustalilimy, że wyniki prognoz wyznaczonych tym programem będš wysyłane od poczštku kwietnia co tydzień do USNO i na bieżšco porównywane z prognozami obliczanymi przez IERS Rapid Service/Predictions Center.

2003 rok

Analiza ruch bieguna ziemskiego w układzie współrzędnych biegunowych pokazała, że zmiana ~6-cio letniego okresu zdudniania oscylacji rocznej i Chandlera jest podobna do zmiany amplitudy oscylacji Chandlera. Przyczynš wzrostu tego okresu zdudnienia, a jednoczenie przyczynš pobudzania oscylacji Chandlera jest malejšca faza oscylacji rocznej we współrzędnych bieguna ziemskiego, a także w łšcznej atmosferyczno - oceanicznej funkcji pobudzenia. W celu prognozowania współrzędnych bieguna ziemskiego w układzie współrzędnych biegunowych i kartezjańskich zastosowane zostały różne metody prognozowania oraz ich kombinacje. Najdokładniejsze prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego uzyskuje się poprzez zastosowanie kombinacji metody najmniejszych kwadratów z metodami autoregresji i sztucznych sieci neuronowych. redni błšd prognozy kombinacji metody najmniejszych kwadratów i autoregresji jest około 20% mniejszy od redniego błędu prognozy metody prognozy obecnie stosowanej w IERS Rapid Service/Predictions Center, a także redniego błędu prognozy współrzędnych bieguna ziemskiego metody autokowarincyjnej w układzie współrzędnych biegunowych. Prognoza metodš kombinacji metody najmniejszych kwadratów oraz autoregresji jest od stycznia 2004 roku testowana w USNO i ma być na wiosnę 2004 roku zastosowana do rutynowego prognozowania współrzędnych bieguna ziemskiego w IERS Rapid Service/Predictions Center. Metody prognozy autokowariancyjnej oraz podobnego paternu zostały zastosowane do prognozowania zmian Total Electron Content (TEC). redni błšd prognozy zmienia się z cyklem aktywnoci słonecznej i na 1-3 godzin w przyszłoci jego wartoć jest tego samego rzędu co dokładnoć wyznaczania zmian TEC dla okresów spokojnego stanu jonosfery (1-2 TECU), a dla okresów zaburzonych błšd prognozy jest rzędu 5% rzeczywistych zmian TEC. Metody prognozy autoregresji oraz najmniejszych kwadratów wykorzystane zostały do prognozowania residuów szeregów nutacji , które zawierajš sygnał FCN (Free Core Nutation) o amplitudzie rzędu 0.1 - 0.3 mas. Pokazano, że najbardziej odpowiedniš metodš prognozowania tych szeregów czasowych jest metoda autoregresji, w której współczynniki autoregresji wyznaczane sš metodš najmniejszych kwadratów.

	Lista publikacji zrealizowanych w ramach projektu KBN 8T12E 005 20
	2001
*	Kosek, W., McCarthy D.D., Luzum B.J., 2001, El Nino impact on polar motion prediction errors, Studia geophysica et geodetica 45, (2001), 347-361.	pdf
*	Kosek W., 2001, Long-term and short period global sea level changes from TOPEX/Poseidon altimetry, Artificial Satellites - Journal of Planetary Geodesy, Vol. 36, No. 3, 71-84.	pdf
*	Popinski W., Kosek W., Schuh H., Schmidt M., 2001,Comparison of the two wavelet transform coherence and cross-covariance functions applied on polar motion and atmospheric excitation, submitted to Proceedings on CD of the IAG Scientific Assemby, Budapest, Hungary, 2-7 September 2001.	pdf
	2002
*	Kosek W. McCarthy D.D., Luzum B.J., 2002, Variations of annual oscillation parameters, El Nino and their influence on polar motion prediction errors, Proceedings of the Journees 2001, Systemes de Reference Spatio-Temporels, Brussels, 24-26 Sep. 2001, (2002), pp. 85-90.	pdf
*	Popinski W., Kosek W., Schuh H., Schmidt M., 2002,Comparison of the two wavelet transform coherence and cross-covariance functions applied on polar motion and atmospheric excitation, Studia geophysica et geodetica, 45, (2002), 455-468.	pdf
*	Kosek W., 2002, Autocovariance prediction of complex-valued polar motion time series, Advances of Space Research, Vol. 30, No. 2, pp. 375-380.	pdf
*	Kosek W., 2002, Prognozowanie wspólrzednych bieguna ziemskiego w ukladzie wspólrzednych biegunowych, Prace wydane na CD z Seminarium "Satelitarne Metody Wyznaczania Pozycji we Wspólczesnej Geodezji i Nawigacji, Warszawa - Józefoslaw, 16-17 wrzesien, 2002. (2002).	pdf
	2003
*	Brzezinski A. , 2003, Oceanic excitation of polar motion and nutation - an overviewProc. IERS Workshop on Combination Research and Global Geophysical Fluids, eds., B. Richter, W. Schwegmann and W. R. Dick, IERS Technical Note No. 30, (2003), Verlag des Bundesamts fur Kartographie und Geodasie, Frankfurt am Main, 144-149.
*	Kosek W., 2003, Polar motion prediction by different methods in polar coordinate system. Proc. of the Journees 2002, Systemes de Reference Spatio-Temporels, Bucarest, 25-28 Sep. 2002, pp. 125-131.	pdf
*	Kosek W., Kalarus M., 2003, Time-frequency analysis and prediction of polar motion radius and angular motion, Artificial Satellites - Journal of Planetary Geodesy Vol. 38, No. 2. 41-54.
*	Krankowski A., Kosek W., Baran L.W., Shagimuratov I.I., Kalarus M., 2003, Forecasting of the total electron content values at single location. accpted to Annales Geophysicae.
	2004
*	Kalarus M., Kosek W. 2004, Prediction of Earth orientation parameters by artificial neural networks. Artificial Satellites - Journal of Planetary Geodesy.Vol. 39, No 2. , 175-184.
*	Kosek W., 2004, Possible excitation of the Chandler wobble by variable geophysical annual cycle., Artificial Satellites - Journal of Planetary Geodesy, Vol. 39, No 2. , 135-145.
*	Kosek W., McCarthy D.D., Johnson T.J., Kalarus M., 2004, Comparison of polar motion prediction results supplied by the IERS Sub-bureau for Rapid Service and Predictions and results of other prediction methods. Proc. Journes Systemes de Reference Spatio-Temporels 2003 "Astrometry, geodynamics and Solar system dynamics: from milliarcseconds to microarcseconds", A.Finkelstein and N.Capitaine (eds.), Inst. of Applied Astronomy of the Russian Acad. of Sciences, St. Petersburg, 164-169.	pdf
*	Brzezinski A., Kosek W., 2004, Free core nutation: stochastic modelling versus predictibility, Proc. Journes Systemes de Reference Spatio-Temporels 2003, "Astrometry, geodynamics and Solar system dynamics: from milliarcseconds to microarcseconds", A. Finkelstein and N. Capitaine (eds.), Inst. of Applied Astronomy of the Russian Acad. of Sciences, St. Petersburg, 99-106.	pdf

Powrót na początek strony