EVALUACIÓN DEL DESPLAZAMIENTO VERTICAL DE ESTACIONES GNSS PRODUCIDO POR LA CARGA HIDROLÓGICA A PARTIR DEL ANALISIS ESPECTRAL Y FILTRADO DE LAS SERIES TEMPORALES GNSS, GRACE Y GLDAS

Abstract

[EN] In this thesis it is introduced a method to filter GNSS height time series from vertical displacements derived from load variations in the Earth's surface, obtained from the monthly geopotential coefficients from the GRACE mission. These load variations are originated mainly by the seasonal hydrological variations as it can be confirmed from the hydrological GLDAS model. This filtering method is based on spectral analysis techniques that allow the manipulation of time series in both time and frequency domains.

To test this method data from 66 IGS Core Network reference stations have been used. The origin of the GNSS data are the weekly solutions provided by the First Data Reprocessing Campaign carried out by IGS. Monthly level-2 data from GRACE Mission provided by GFZ, with a time-span of more than 11 years, have been used to generate hydrological load and equivalent water thickness monthly time series at every reference station from which GNSS data are available. In addition, soil water content time series have also been created from monthly GLDAS data.

With the periodograms of the four time series datasets a signal with frequency close to 1 cycle per year is detected in the GNSS height, load, equivalent water thickness and GLDAS time series. As this signal has the same frequency in the equivalent water thickness and GLDAS time series it is confirmed that its origin is the hydrological cycle. Therefore the variations observed in the GNSS height and load time series can be explained, at least part of it, by these hydrological variations.

The spectral filtering technique introduced in this thesis is based on the detection and isolation of the annual signal in the load time series from GRACE data. This process is done in the frequency domain by using the Discrete Fourier Transform (DFT) with the Fast Fourier Transform (FFT) algorithm. Using the linearity property of the DFT, the isolated annual signal from the load time series is subtracted from the DFT of the GNSS height time series in the frequency domain. The new time series in the frequency domain is the GNSS height without the annual signal generated by the hydrological variations in the GNSS reference station area.

After testing the spectral filter with times series dataset from 66 reference stations, it is demonstrated that for stations in areas with important hydrological activity the GNSS height time series reduce their WRMS by 18 % on average, with some special cases where WRMS reduction is higher than 25 %. Other parameters like GNSS height vs. GRACE load correlation before and after the filtering process show a reduction of the correlation from 53.9 % to 15.0 % In areas where the hydrological variations are not clearly detected by GNSS and GRACE, like islands, coasts or deserts, there is no WRMS reduction, and other parameters do not show any improvement in the GNSS height time series after the filtering process.

[ES] En esta tesis doctoral se presenta un método de filtrado de series temporales de altura GNSS a partir de los desplazamientos verticales derivados de las variaciones de carga sobre la corteza terrestre obtenidas a partir de los modelos geopotenciales mensuales de la misión GRACE. Estas variaciones de carga vienen provocadas, principalmente, por las variaciones estacionales hidrológicas tal como se comprueba a partir del modelo hidrológico GLDAS. El método de filtrado se basa en el análisis espectral, que permite manipular las series temporales tanto en el dominio del tiempo como de las frecuencias.

Para comprobar la validez del método se han utilizado datos de 66 estaciones de referencia pertenecientes al IGS Core Network. Estos datos son las soluciones semanales de coordenadas obtenidas por la 1 a campaña de reprocesado de datos IGS. Por otro lado también se han utilizado datos nivel-2 de la misión GRACE proporcionados por GFZ y que cubren un periodo de tiempo de más de 11 años, para generar la series temporales de carga hidrológica y lámina de agua en cada una de las estaciones de referencia analizadas. Por último también se han utilizado datos mensuales de contenido de agua en superficie generados por GLDAS a partir de los cuales también se han generado series temporales en las estaciones de referencia.

Mediante el análisis de los espectros de amplitudes de los cuatro tipos de series temporales se detecta una señal con frecuencia cercana a 1 ciclo por año que se encuentra presente en las series temporales de altura elipsoidal, carga hidrológica GRACE, lámina de agua GRACE y contenido de agua en superficie GLDAS. Como la señal se encuentra presente tanto en las series temporales de lámina de agua y contenido de agua en superficie, se confirma que su origen es el ciclo hidrológico. Por tanto las variaciones observadas en las series temporales de altura elipsoidal y carga hidrológica pueden ser explicadas, al menos en parte, por las variaciones hidrológicas.

La técnica de filtrado espectral presentada en esta tesis se basa en la detección y aislado de la señal anual en las series temporales de carga hidrológica. Este proceso se realiza en el dominio de las frecuencias mediante la Transformación Discreta de Fourier (DFT) realizada con los algoritmos de la Transformada Rápida de Fourier (FFT). Gracias a la propiedad de linealidad de las transformadas de Fourier, la señal anual aislada es restada de las series temporales de altura elipsoidal también en el dominio de las frecuencias. La serie temporal resultante es la serie temporal de alturas elipsoidales sin la señal anual de la carga hidrológica.

Tras realizar el filtrado espectral con las estaciones de referencia se demuestra que en las estaciones en áreas con una importante actividad hidrológica las series temporales de altura GNSS reducen su error medio cuadrático ponderado (WRMS) un 18 % en promedio, con casos destacables que superan el 25 %. Otros parámetros como la correlación entre altura elipsoidal y carga hidrológica antes y después del filtrado también muestran una importante variación, pasando de un 53.9 % al 15.0 %. En áreas donde las variaciones hidrológicas no son tan claramente observadas por GNSS ni por GRACE, como por ejemplo en islas, zonas costeras o desiertos, no hay reducción de WRMS, ni el resto de parámetros indican mejora en las series temporales de altura elipsoidal tras el filtrado.

[CA] En aquesta tesi doctoral es presenta un mètode de filtrat de sèries temporals d'altura GNSS a partir dels desplaçaments verticals derivats de les variacions de càrrega sobre l'escorça terrestre obtingudes a partir del models mensuals de geopotencial de la missió GRACE. Aquestes variacions estan provocades principalment per les variacions hidrològiques estacionals tal i com es pot comprovar a partir del model hidrològic GLDAS. Aquest mètode es basa en l'anàlisi espectral, que permet manipular les sèries temporals tant en el domini del temps com en el domini de les freqüències.

Per a comprovar la validesa del mètode s'han utilitzat dades de 66 estacions de referència pertanyents a l' IGS Core Network. Aquestes dades són les solucions setmanals de coordenades obtingudes per l' 1a campanya de reprocessat de dades IGS. D'altra banda també s'han utilitzat dades nivell-2 de la missió GRACE, proporcionats per GFZ i que cobreixen un període de temps de més d'11 anys, per a generar la sèries temporals de càrrega hidrològica i làmina d'aigua en cadascuna de les estacions de referència analitzades. Finalment també s'han utilitzat dades mensuals de contingut d'aigua en superfície generades per GLDAS, a partir dels quals també s'han generat sèries temporals en les estacions de referència.

Mitjançant l'anàlisi dels espectres d'amplitud dels quatre tipus de sèries temporals, es detecta un senyal amb freqüència propera a 1 cicle per any que es troba present en les sèries temporals d'altura el·lipsoïdal, càrrega hidrològica GRACE, làmina d'aigua GRACE i contingut d'aigua en superfície GLDAS. Com el senyal es troba present tant en les sèries temporals de làmina d'aigua i contingut d'aigua en superfície, es confirma que el seu origen és el cicle hidrològic. Per tant les variacions observades en les sèries temporals d'altura el·lipsoïdal i càrrega hidrològica poden ser explicades, si més no en part, per les variacions hidrològiques.

La tècnica de filtrat espectral presentada en aquesta tesi es basa en la detecció i aïllament del senyal anual en les sèries temporals de càrrega hidrològica. Aquest procés es fa en el domini de les freqüències mitjançant la Transformació Discreta de Fourier (DFT) feta amb els algorismes de la Transformada Ràpida de Fourier (FFT). Gràcies a la propietat de linealitat de les transformades de Fourier, el senyal anual aïllat és restat de les sèries temporals d'altura el·lipsoïdal, que es troba també en el domini de les freqüències. La sèrie temporal resultant és la sèrie temporal d'altures el·lipsoïdals sense el senyal anual de la càrrega hidrològica.

Després de fer el filtrat espectral amb les estacions de referència, es demostra que a les estacions en àrees amb una important activitat hidrològica, les sèries temporals d'altura GNSS redueixen el seu error quadràtic mitjà ponderat (WRMS) un 18 % en mitjana, amb casos destacables que superen el 25 %. Altres paràmetres com la correlació entre l'altura el·lipsoïdal i la càrrega hidrològica abans i després del filtrat també mostren una important variació, passant d'un 53.9 % al 15.0 %. En àrees on les variacions hidrològiques no són tan clarament observades per GNSS ni per GRACE, com per exemple en illes, zones costaneres o deserts, no hi ha reducció de WRMS, ni la resta de paràmetres indiquen una millora en les sèries temporals d'altura el·lipsoïdal després del filtrat.