Global Ve Bölgesel Olarak Grace L2 Verilerinin Pca İle Analizi

Abstract

GRACE uydu sistemi (Gravitiy Recovery and Climate Experiment) yeryuvarı sistemindeki kütle transferi ve dağılımından kaynaklanan gravite alanının zamansal ve uzaysal değişimlerinin değerlendirilmesine olanak sağlayan veriyi elde etmektedir. GRACE verilerinden yeryuvarı sistemindeki su kaynaklarının değişimlerini elde etmek ve bu sonuçları, doğrulama amacı ile kullanmak karmaşık bir işlemdir. Bu karmaşıklık GRACE seviye 2 (Level 2, L-2) ürünlerinin doğasından, örnek vermek gerekirse, ürünlerin uzaysal ve zamansal çözünürlüklerinin kısıtlı olmasından ileri gelir. Bunun yanı sıra, lokal havza gel-git ölçmeleri ve hidroloji model verilerinin bu süreçte değerlendirilmesi de oldukça dikkat gerektirir. GRACE sistemindeki yapısındaki bu kısıtlılıklar, L-2 ürünlerinde hata olarak ortaya çıkmaktadır. Kuzey-güney doğrultusunda şerit şeklinde ve büyük kütleler etrafında ise halkalar halinde sistematik hatalar olarak görülür. Bunun yanı sıra, yüksek derece ve sıralarda bulunan fazla gürültü sebebi ile girdi sinyalinin işlenmesinin belirli bir derece ve sırada kesilmesinden dolayı, sinyal genliğinde sönülüm ve sinyalin ilgili bölgenin etrafına yayılması gibi bir problem açığa çıkar. Ayrıca GRACE uydularının 2011 yılından itibaren ortaya çıkan batarya problemi sebebi ile oluşan zaman serilerindeki boşluklar analiz sonuçlarını olumsuz etkiler. Bu tez çalışması sürecinde, bahsedilen GRACE veri setinde mevcut bulunan olumsuzlukları minimuma indirgemek amaçlanmıştır. İlk olarak veri işleme yöntemleri incelenerek verinin analiz için optimum kuşullara getirilme yolları incelendi. Gauss filitreleme tekniğini ile verideki gürültüyü yok etme performansı test edildi. Sonuçlar incelendiğinde, korelasyonlu gürültülerin bu yöntemle giderilemediği görüldü. Sonraki aşamada, sinyalin kesintisinden ötürü oluşan sızıntı problemi Amazon, Grönland, Mekong ve Fırat/Dicle nehirleri bölgeleri için incelendi. Çalışmanın bu aşamasında GFZ (Helmholtz-Centre Potsdam-GFZ German Research Centre for Geosciences) tarafından sağlanan test verileri kullanılmıştır. Bu test verileri kıtasal hidroloji simulasyonu (gerçek sinyal) ve bu veriden elde türetilmiş yapay-GRACE verisinden oluşur. Yapay GRACE verisi test verisinden türetildiğinden, test veri seti referans verisi kabul edilir ve iki veri seti kendi aralarında karşılaştırılabilir. Bu bize sinyal kesintisine bağlı sinyal kaybının başka etmenleri hesaba katmadan hesaplama imkanı sağlar. Dolayısı ile bu aşamada, verilerin mekansal alandaki derece/sıra limitlemesinin GRACE analiz sonuçlarına etkileri incelenebilir. Araştırma küresel harmonic katsayı setleri maksimum derece/sıra 90 ve 50 için hesaplanmıştır. Amazon, Mekong ve Grönland bölgelerinin global ölçektentanımlanabilmesi için, alan sınırlarını baz alarak oluşturulmuş havza fonksiyonları (maskeler) kullanılmıştır. Sentetik GRACE verisi referans veri ile karşılaştırıldığında görülmüştür ki, sinyal kaybının etkisi, incelenen bölge alanı küçüldükce artmaktadır. Mekong bölgesi icin 90 dereceki katsayı kesintisinin % 80 sinyal kaybına yol açtığı gözlenmiştir. Aynı kesinti Amazon bölgesinde % 8.7 oranına düşmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında, statistiki sinyal-sinyal ayrıştırma yöntemi Temel Bileşen Analizi (PCA) 1x1 grid GRACE L-2 (Release-04, RL-04) 500 km, (Release-05, RL-04) 250 km ve (Release-05, RL-05) 350 km mekansal çözünürlüklü aylık çözümlemelerine uygulanarak, sinyaller bileşenlerine ayrılmıştır. Bu analiz kullanılan veri setlerinin en yüksek varyans ile dagıldığı dogrultuyu ve bu doğrultudaki veri gurubunu ortaya koymuştur. Ayrıca, veri setindeki gürültüyü ayrıştırmıştır. Kullanılan her üç veri de 2003-2012 periyodunu kapsamaktadır. Bu analiz bölgesel olarak gerçekleştirilmiştir. Analiz sonucunda faklı karakteristliğe sahip bu bölgeler için sonuçlar karşılaştırılıp, farklı versiyon GRACE verilerin performansları incelenmiştir. Bölgelerin tanımlanmasında iki farklı prensibe dazanan metodlar ile gerçekleştirilmiştir. İlk olarak, Amazon, Mekong, Grönland, Türkiye ve Dicle/Fırat nehirlerini bölge verilerine sınırlarını baz alan maskeler aplike edilmiş, PCA uygulanmıştır. Ardından çalışma sırasında tanımlanmış olan sinyal seviyelerini baz alarak tanımlanan Amazon ve Grönland maskeleri aplike edilmiştir. Her iki yaklaşımın PCA sonuçları kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Tasarlanmış bu maskeler, sinyal değerlerinin belirli bir değerde limitlendirilmesi ile logical matrix olarak elde edilmiştir. Farklı sinyal seviyelerine göre üretilmiş maskelerle yapılar testler göstermiştir ki, küresel harmonic sayı setlerinin 50 derece/sıraya kadar geliştirip, 0.15 de limitlendirilmesi her iki bölge için de en iyi sonucu üretmekte, yakalanan sinyal oranını arttırmaktadır. Tasarlanan bu maskelerin PCA sonuçlarına etkilerine gelince, tasarlanan maskelerin sızmış sinyali daha iyi yakalayabilmesi neticesinde ayrışan sinyallerin genliklerinde sistematik bir artış gözlenmiştir. Bu sonuç, genlik sönülümdeki iyileştirme olarak yorumlanabilir. Ayrıca kordinat bazlı maskeler manuel olarak genişletilmiş ve performansları test edilmiştir. Dicle & Fırat bölgesinde bölgenin dışından bölgenin içine sinyal sızdığı gözlenmiştir. 2011 yılından itibaren, GRACE sistemde baş gösteren batarya problemi sebebiyle, veri kaybı yasanmaktadır. Kullanılan GRACE verilerinin PCA sonuçlarında da görüldüğü üzere, zaman serilerinde aylık boşluklar bulunmaktadır. Bu boşluklar çalışma için temin edilen verilerde "0" ile doldurulmuştur. Zaman serilerindeki bu boşlukların PCA sonuclarına etkisinin boyutlarını belirlemek amacı ile, verilerin boşluk içermeyen zaman dilimini (2003-2010) kullanarak, yapay boşluklar oluşturup, bu boşluklar "0" ile doldurulmuşur. Bu boşlukların orijinal veri ile aynı aylarda (batarya tasarufu içeren aylarda-Ocak 2009, Haziran 2009, Mayıs 2010 ve Ekim 2010) oluşturulmasına dikkat edilmiştir. Elde edilen bu yeni veriye Amazon, Mekong ve Grönland bölgeleri sınır bazlı maskeler uygulanılarak, bölgeler dahilinde PCA uygulanmıştır. Sonuçlar göstermiştir ki, bu yapay boşluklar Mekong, Amazon ve Grönland bölgeleri sırası ile % 0.22, %0.71 ve % 1.54 oranında sinyal kaybına uğramıştır. Alan küçüldükçe, sinyal kayıp oranı da azalmıştır. GRACE sistemi yüksek doğrulukta, global ölçekte gravite degişimi veri setlerini ortaya koyar. Bu verileri kullanılarak global ve ya bölgesel olarak toplam su değişimi eldeedilir. Bu veri setleri, hidroloji modellerinin kalibre edilmesi amacı ile yaygın olarak kullanılmaktadır. Bizim calışmamızın kapsamında Geleneksel Temel Bileşen Analizi (Princible Component Analysis-PCA) kullanılarak GRACE ve WaterGAP Global Hidroloji modeli (WaterGAP Global Hydrology Model) verileri global ve bölgesel olarak karşılaştırılmıştır. 400 km yarıçaplı Gauss filtreleme tekniği uygulanmış GRACE L-2 ve WGHM bu metodla sinyal bileşenlerine ayrılmıştır. Her iki veri de 2005-2008 periyodunu kapsamaktadır. Analiz sonuçları global ve bölgesel ölçekte karşılaştırılmıştır. Bölgesel analiz için çalışma alanı Amazon, Orinoco, Türkiye ve Dicle/Fırat havzaları seçilmiştir. Bu analiz sonuçlarından faydalanılarak, WGHM sinyalinin Global ve bölgesel olarak % 95 ve % 80 oranında orijinal veri ile uyuşacak şekilde tekar işa edilmiştir. Bu işlem bölgesel olarak da tekrarlanmıştır. % 95 sinyal varyasyonuna ulaşmak global ölçekte analizin 8 moduna inmeyi gerektirir iken, Amazon ve Orinoco havzaları için bu sayı sırası ile 3 ve 1'e inmiştir. % 80 oranını hedeflediğimiz de ise, mod sayısı global ölçekte 3'e düşmüştür Çalışmanın son aşamasında, GRACE verilerine referans veri olarak, GFZ tarafından temin edilmiş, Mekong deltasına ait olan yerel gel-git ölçmeleri kullanılmıştır. Temin ediler veriler 2008, 2009, 2010 ve 2011 yılları için 1 Temmuz-30 Kasım periyodunu kapsamaktadır. Sınır bazlı Mekong maskesi her üç farklı çözünürlüklü GRACE verisine uygulanmış ve sinyal PCA kullanılarak bileşenlerine ayrılmıştır. Elde edilen ilk mod sonuçları referans ölçmelerle karşılaştırılmıştır. Sonuçlar değerlendirilir iken, hidroloji verileri ile GRACE verileri arasında yaklaşık bir aylık sistematik bir kayma olabileceği dikkate alınmıştır. Sonuçlar arasındaki en düşük korelasyon (% 0.95) GFZ RL-04 Level-2 gözlenerek, GFZ GRACE verilerindeki gelişme de ortaya konmuştur. GFZ RL-05 Level-2 verilerileri oldukça benzer sonuçlar göstererek, % 0.99 oranında ölçme verilerine uyum göstermektedir.

The satellite gravity mission Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) provides a huge amount of data which allows to quantify temporal and spatial variations of the Earth's gravity field caused by mass transport and mass distribution. However generating and using GRACE-derived estimates of total water storage (TWS) for validation purposes is a complicated task due to the nature of the GRACE Level 2 (L2) products and their spatio-temporal resolution limitations. This results in flawed data-sets. For instance, the GRACE L2 results contain stripe shaped correlated noise, artifacts oriented from north to south, and ring shaped ones about centers of large masses. Besides, spherical harmonic coefficients are dominated by noise at high degrees. Therefore, spherical harmonic expansion has to be cut-off at an optimum maximum degree/order with keeping signal-loss as little as possible. This truncation of the input signal causes amplitude dampening and signal leakage outside of the area of interest. Also missing months of GRACE as a result of battery management causes gaps in the time-series which affect results of the analyzes. Within this study, at first post-processing steps of GRACE data are studied to have optimum condition of our data-set. The contaminating effect of the noise is demonstrated and filtering techniques as a solution for the correlated noise are introduced. Then the performance of the Gauss filter to remove noise is assessed. Gaussian filtering removes random noise, but leaves the correlated noise intact. Following that, truncation and leakage problems for Amazon, Greenland, Mekong and Tigris/Euphrates regions are observed. A test data set, obtained by a simulation of continental hydrology, and GRACE-like example data derived from it, both supplied by Helmholtz-Zentrum Potsdam-Deutsches GeoForschungsZentrum (GFZ), are used to test truncation in the spectral domain. Since the GRACE-like data is acquired from simulated continental hydrology data, the latter serves as a reference data (true signal). Because that way the true signal is available, the GRACE-like data can be used to recover the restricted spatial resolution of GRACE data and allows making the analysis in the spectral domain without any signal loss. For this analysis the spherical harmonic synthesis in equivalent water height up to 50 and 90 degree and order is executed in the spectral domain. The results are compared with the reference signal for the regions Mekong, Amazon, Greenland, Turkey and Tigris/Euphrates. Besides, masks that minimize signal-loss are enlarged for the regions Amazon, Greenland and Tigris/Euphrates. Enlarging the region mask covers more signal, however it can not be guaranteed, that the recovered signal belongs to the region of interest. As a second step, the statistical signal-signal decomposition technique Principle Component Analysis (PCA) is applied to the data-sets to reduce dimensionality and determine the direction of the highest variance of the data. PCA solutions of three data-sets (CS2, CS3 and CS6) obtained by applying different post-processing techniques are compared each other. In the first mode, the results showed identical trend in each region. The CS6 data-set resulted in smoother signal than the newer releases in all modes and all regions. The effect of gaps in GRACE time-series (due to battery management) is analyzed by adding artificial gaps to GRACE data between 2003-2010, which did not previously have any gaps. Comparing results yields that missing monthly data caused 1.54 % signal loss in Greenland, 0.71 % in Amazon and 0.22 % in Mekong. Apparently and to no surprise, the signal loss is bigger the larger the area is. The performance of the conventional Principle Component Analysis (PCA) is investigated by applying it to a monthly series of Gauss filtered (400 km radius) GRACE andWaterGAP Global HydrologyModel (WGHM) data for the years 2005 to 2008. The results are compared globally and for Amazon, Orinoco, Turkey and Tigris/Euphrates regionally. Besides the signal's reconstruction is accomplished for desired variances, 80 % and 95 %, globally and regionally. The required PCA mode numbers with respect to the regions of interest are determined. As it turns out, this depends on the region. For 95 % variance globally mode 8, in Amazon mode 3 and in Orinoco mode 1 are required. WGHM and GRACE data showed the same trend for each region, however the amplitude of WGHM was lower in every case. The PCA results of all 3 previously mentioned GRACE data-sets provided by GFZ are also validated with in-situ tide gauges over the Mekong basin between 1st of July and 30th of November for the years 2008, 2009, 2010 and 2011. The results depict that consistency of GRACE and in-situ data change depending on the corresponding year.