Гидросфера Европы под прицелом GPS: долгие колебания, которые видит только наземная сеть
Контекст
Гидрогеодезия — молодая область, которая пытается измерять изменения запасов воды на континентах с помощью геодезических инструментов. Спутниковая пара GRACE с 2002 года даёт карты аномалий гравитационного поля, но её разрешение около 300 км позволяет видеть только бассейновые изменения, да и то в основном на востоке Европы. Наземные GPS-станции, напротив, стоят густо и регистрируют вертикальные смещения грунта с суточным шагом, однако их сигнал засорён множеством посторонних вкладов: приливными деформациями, атмосферной нагрузкой, тепловым расширением пород. Поэтому до сих пор оставалось неясным, можно ли вытащить из GPS именно гидросферные изменения на временах от нескольких лет до десятилетий. Работа стоит на отшибе: рядом в архиве лежат исследования гравитационных волн, левитирующего графита и лазерных часов на орбите, а прямых соседей по гидрогеодезии почти нет. Это делает проверку чувствительности GPS к медленным водным процессам особенно ценной.
Методы
Исследователи взяли вертикальные временные ряды 122 европейских GPS-станций из решения Nevada Geodetic Laboratory за 2002–2018 годы. Из них вычли предсказанные моделью вклады нетidal атмосферной нагрузки, нетidal океанической нагрузки и реакции на баристатическую изменчивость уровня моря, после чего ряды освободили от тренда и пересчитали с суточного на месячный шаг. Для сравнения использовали данные GRACE в виде масконов release-06, преобразованные в вертикальные смещения в точках станций. Ключевой инструмент — взвешенный фильтр Савицкого–Голея с окном Кайзера: он подгоняет полином третьей степени к скользящему окну шириной 61 месяц, что соответствует частоте среза около 1,3 года. Такой фильтр, в отличие от простого скользящего среднего, сохраняет форму пиков и псевдопериодических компонент, а по сравнению с фильтром Уиттекера–Хендерсона даёт более выраженные амплитуды в середине ряда.
Результаты
После удаления нагрузочных продуктов средняя корреляция Пирсона между низкочастотными компонентами GPS и GRACE выросла с 0,15 до 0,45. В центре Европы коэффициенты превышали 0,6, тогда как в Скандинавии, у Атлантического побережья и Средиземного моря падали до нуля или становились отрицательными. Такое поведение объясняется грубой сеткой GRACE, которая не улавливает локальные гидросферные эффекты вблизи берегов и в зонах сложного рельефа. На станции GLSV в Киеве GPS зафиксировал резкое проседание в 2010–2011 годах, связанное с накоплением снега и льда на плотине Днепра и последующим сбросом воды, тогда как GRACE этот эпизод пропустил. На станции OPMT в Париже GPS показал медленное опускание Парижского бассейна, невидимое для GRACE. Сравнение с индексом ENSO выявило сильную антикорреляцию с задержкой 4–6 месяцев почти по всей Европе, кроме центральной части.
Значение
Работа показывает, что GPS-станции способны улавливать долгопериодные изменения гидросферы там, где GRACE слепнет, особенно в прибрежных районах и на локальных объектах вроде речных плотин. Это меняет представление о применимости наземной геодезии: раньше считалось, что на временах больше года GPS-сигнал слишком зашумлён, а теперь видно, что после аккуратного вычитания нагрузок и подходящей фильтрации он становится надёжным инструментом. Отличие от соседних работ в архиве, посвящённых гравитационным волнам или космическим часам, очевидно: здесь объект — медленные процессы на поверхности Земли, а метод — не детектирование редких событий, а рутинная обработка многолетних рядов. Это первая систематическая проверка долгопериодной чувствительности GPS над Европой, где раньше сравнивали лишь сезонные сигналы.
Развитие
Тема может развиваться в сторону автоматического мониторинга засух и наводнений с использованием тысяч GPS-станций по всему миру. Поскольку решение Nevada Geodetic Laboratory обновляется почти в реальном времени, появляется возможность следить за быстрыми гидросферными событиями без ожидания новых спутниковых миссий. Дальнейшее уточнение фильтра Савицкого–Голея с учётом цветного шума и адаптивной ширины окна позволит выделять ещё более тонкие сигналы. Отдельный интерес представляет комбинирование GPS с данными GRACE Follow-On и будущих гравиметрических миссий для построения согласованных карт водных запасов высокого разрешения.
Влияние
Результаты повлияют на гидрогеодезию, климатологию и управление водными ресурсами. Они дадут гидрологам инструмент для оценки запасов подземных вод в густонаселённых районах, где спутниковая гравиметрия не работает.
Следующие шаги
Следующий шаг — проверить антикорреляцию с ENSO на большем числе станций и связать её с региональными климатическими моделями. Также стоит исследовать, почему в центре Европы корреляция с ENSO слабее, чем на периферии.
Ключевые проблемы
Для гидрогеодезии главная нерешённая проблема — разделение вкладов тектоники, постледникового поднятия и локальных водных процессов в вертикальных смещениях GPS. Работа показывает, что на станциях с тектонической активностью, таких как ANKR в Турции, корреляция с GRACE падает, но не даёт способа отделить эти эффекты. Другая проблема — учёт нетidal океанической нагрузки у побережий, где остаточные ошибки модели могут маскировать гидросферный сигнал.
Фильтр Савицкого–Голея, использованный в работе, был предложен ещё в 1964 году для сглаживания спектроскопических данных, но до сих пор остаётся одним из самых быстрых и надёжных способов выделить медленные тренды в зашумлённых рядах. В геодезии его применяли для сейсмических сигналов и аномалий самопотенциала, но для гидросферных временных рядов он стал новинкой.
Ключевые числа
- станций GPS: 122
- период наблюдений: 2002–2018
- разрешение GRACE: около 300 км
- средняя корреляция после коррекции: 0.45
- частота среза фильтра: около 1.3 года