Оценка погрешностей аномалий современных ультравысокостепенных моделей гравитационного поля Земли в Арктике

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-17-20035

НазваниеОценка погрешностей аномалий современных ультравысокостепенных моделей гравитационного поля Земли в Арктике

Руководитель Конешов Вячеслав Николаевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых" , Владимирская обл

Конкурс №66 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» (региональный конкурс)

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-407 - Гравитационное поле Земли, вариации скорости вращения Земли, внутренние процессы

Ключевые слова Гравитационное поле Земли, Арктика, погрешности аномалий, ультравысокостепенные модели

Код ГРНТИ37.31.23, 37.31.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время модели гравитационного поля Земли представляют собой инструмент, широко используемый для учета влияния гравитационного поля Земли (ГПЗ) и его аномальной составляющей на результаты геодезических измерений, геофизических исследований, специальных баллистических расчетов и навигационных определений. Реализация в рамках проектов GRACE и GOCE новых методов космической геодезии, спутниковой альтиметрии, обеспечивающих существенное повышение точности определения планетарного гравитационного поля Земли в диапазоне длинных и средних волн, а также общее улучшение гравиметрической изученности континентов и акваторий Мирового океана. Это способствовало к переходу по созданию нового поколения глобальных моделей ГПЗ в виде сферических гармоник геопотенциала – так называемых ультравысокостепенных моделей, обладающих повышенной точностью и пространственным разрешением. До настоящего времени нет детальных исследований по количественной оценке погрешностей аномалий гравитационного поля Земли в Арктическом регионе, описываемых ультравысокостепенными моделями, их разрешающей способности над конкретными геологическими структурами. В данном проекте для получения оценки погрешностей аномалий гравитационного поля, погрешностей высокочастотных составляющих поля, используется метод, обладающий практической достоверностью – сравнение с результатами площадных гравиметрических съемок, выполняемых с высокой точностью и разрешающей способностью при проведении морских и аэрогравиметрических работ. Современные задачи требуют получения оценок этих погрешностей в области высоких частот. При этом ранее отдельные сравнения выполнялись лишь в некоторых акваториях Мирового океана. В связи с многими современными задачами в исследованиях Арктики, связанными с важнейшими вопросами, геологии и природопользования Арктического региона, обороны Российской Федерации, навигации и метрологии, связанными с информацией о гравитационном поле Земли, в данном проекте оказывается необходимым обоснованно выбрать из числа существующих наиболее адекватную модель исходя из критерия минимальной среднеквадратической погрешности относительно средних значений аномалий по ансамблю всех существующих ультравысокостепенных моделей аномалий гравитационного поля планеты, включая модели, полученные методами спутниковой альтиметрии. Целесообразно использовать созданные и совершенствовать методические приемы сравнения результатов морских и аэрогравиметрических съемок со значениями аномалий моделей гравитационного поля Земли и по результатам сравнения показать на характерные погрешности моделей в труднодоступных районах, обусловленных геологическими и географическими особенностями Арктики. В проекте будут проанализированы задачи корреляционно-навигационной информации для Арктического региона по аномалиям гравитационного поля Земли. Одной из задач является анализ моделей с точки зрения наличия внутри моделей помеховой ситуации. В проекте будут даны рекомендации по выпуску гравиметрических карт конкретного масштаба для отдельных областей Арктики по выбранным моделям гравитационного поля Земли и показано возможное применение моделей для Арктического региона при их корректировке.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Железняк Л.К., Конешов В.Н., Михайлов П.С., Дробышев М.Н., Соловьев В.Н. Влияние температуры и влажности окружающей среды на точность гравиметра "ЧЕКАН-АМ" ГИРОСКОПИЯ И НАВИГАЦИЯ, Гироскопия и навигация. Т. 30, № 2, С. 58-70 (год публикации - 2022)
10.17285/0869-7035.0091

2. Конешов В.Н., Михайлов П.С., Соловьев В.Н., Железняк Л.К. Современные глобальные модели гравитационного поля Земли в Мировом океане: оценки точности и перспективы практического применения Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова., АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, Материалы ХХХIII конференции памяти выдающегося конструктора гироскопических приборов Н. Н. Острякова. СПб.: АО «Концерн «ЦНИИ «Электроприбор», Санкт-Петербург, 4-6 октября 2022 г, С. 166-169 (год публикации - 2022)

3. Михайлов П.С., Конешов В.Н., Соловьев В.Н. Современные глобальные модели гравитационного поля земли: сравнительные оценки на акваториях мирового океана и крупных внутренних водоемов Сборник материалов XIV Международной конференции молодых ученых и студентов. – Бишкек: НС РАН, Сборник материалов XIV Международной конференции молодых ученых и студентов. – Бишкек: НС РАН, 2022. – С. 94-98 (год публикации - 2022)

4. Железняк Л.К., Конешов В.Н., Михайлов П.С., Дробышев М.Н., Соловьев В.Н. Temperature and Humidity Impact on the Accuracy of Chekan-AM Gravimeter Pleiades Publishing, Gyroscopy and Navigation,Том 13, Выпуск 2, С. 97 - 104 (год публикации - 2022)
10.1134/S2075108722020080

5. Конешов В.Н., Михайлов П.С., Дробышев М.Н. Перспективы и задачи современных морских гравиметрических съемок Труды XV Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии, ВлГУ, Владимир, Труды XV Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. ФРЭМЭ-2022» - Владимир – Суздаль, 28-30 июня 2022. С. 405-409 (год публикации - 2022)

Публикации

1. Конешов В.Н., Дробышев Н.В., Сермягин Р.А.,Разинькова Е.П. Results of estimating the absolute gravimetric measurements at the Ledovo fundamental gravity station and on the first order gravimetric network of Russia. Izvestia, Physics of the Solid Earth, Izvestia, Physics of the Solid Earth, Vol. 59, No. 6, pp. 1002-1008 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002333723060091

2. Конешов В.Н., Абрамов Д.В., Дробышев Н.В., Малышева Д.А. Оценка влияния влажности на долговременные высокоточные измерения гравиметром CG-5 Геофизические исследования, Геофизические исследования, т. 24, № 2, С. 84-91 (год публикации - 2023)
10.21455/gr2023.2-5

3. Михайлов П.С. Использование данных морских гравиметрических съемок для коррекции спутниковых моделей гравитационного поля земли в Мировом океане Гироскопия и навигация, Гироскопия и навигация, Т. 31, № 2, С. 66-77 (год публикации - 2023)

4. Конешов В.Н, Дробышев Н.В., Сермягин Р.А., Разинькова Е.П. Результаты оценки абсолютных гравиметрических измерений на фундаментальном гравиметрическом пункте «Ледово» и гравиметрической сети России первого класса Физика Земли, Физика Земли, № 6, С. 199-206 (год публикации - 2023)
10.31857/S0002333723060091

5. Михайлов П.С., Конешов В. Н., Соловьев В.Н. , Железняк Л.К. New results of estimation of modern global ultrahigh-degree models of the Earth’s Gravity Field in the World Ocean. Gyroscopy and Navigation, Gyroscopy and Navigation, Vol. 13, № 4, P. 210-221 (год публикации - 2023)
10.1134/S2075108722040095

6. Дробышев М.Н., Малышева Д.А. Применение сейсмометрической информации для оценки погрешности гравиметрических измерений в потенциальных районах проведения работ. Современные техника и технологии в научных исследованиях: Сб. материалов XV Междунар. конф. молодых ученых и студентов. – Бишкек, 26-28 апреля 2023: НС РАН, 2023. – С. 39-42., С. 39-42 (год публикации - 2023)

7. Михайлов П.С. Современные подходы к анализу глобальных спутниковых данных на примере моделей гравитационного поля в Мировом океане. Современные техника и технологии в научных исследованиях: Сб. материалов XV Междунар. конф. молодых ученых и студентов. – Бишкек, 26-28 апреля 2023: НС РАН, 2023. – С. 103-108., с. 103-108 (год публикации - 2023)

8. Михайлов П.С., Конешов В.Н. Глобальные модели гравитационного поля Земли. Актуальные оценки точности и разрешающей способности в Мировом океане Материалы 49-й сессии Международного научного семинара им. Д.Г. Успенского – В.Н. Страхова «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», Екатеринбург, 23-27 января 2023 г. – С. 252-254., c. 252-254 (год публикации - 2023)

9. Михайлов П.С. Способы улучшения данных глобальных спутниковых моделей гравитационного поля Земли на акваториях с использованием априорной съемочной информации. Труды 65-й Всероссийской научной конференции МФТИ в честь 115-летия Л. Д. Ландау, 3-8 апреля 2023 г. Фундаментальная и прикладная физика. — М: Физматкнига, 2023. – С. 579-581., с. 579-581 (год публикации - 2023)

10. Конешов В.Н., Михайлов П.С., Дорожков В.В. Условия определения координат движущегося объекта на геофизическом ориентире Геофизические исследования, Геофизические исследования, Том 24, №4, С.43-57. (год публикации - 2023)
10.21455/gr2023.4-3

11. Дробышев М.Н., Конешов В.Н, Малышева Д.А. Применение сейсмической информации в постобработке гравиметрических данных. Материалы 49-й сессии Международного научного семинара им. Д.Г. Успенского – В.Н. Страхова «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей» Екатеринбург, 23-27 января 2023 г. – С. 142-144., c. 142-144 (год публикации - 2023)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
1. Рассмотрены средства и методы для морских и аэрогравиметрических измерений в Арктике, позволяющие на экспериментальном материале по результатам морских и аэрогравиметрических измерений выполнить сравнения моделей гравитационного поля в Арктическом регионе. Рассмотрены особенности методов, оборудования, а также особенности создания высокоточных исходных пунктов, обеспечивающих выполнение относительных гравиметрических съемок в Арктике. Нормативные требования к выполнению морских и аэрогравиметрических съемок известны. При этом детально рассмотрен вопрос создание опорных гравиметрических пунктов для выполнения морских и аэрогравиметрических измерений. Требования к точности определения опорных пунктов возрастает с развитием технологий самих гравиинерциальных относительных съемок. Так, в проекте было рассмотрено влияние сейсмических событий и микросейсмического шума штормового происхождения во время наземных измерений, что особенно актуально для Арктики. https://istina.msu.ru/publications/article/652375117/ При наличии метеорологического прогноза в части силы штормов и направления ветра целесообразно планировать возможное внесение коррективов в процесс выполнения полевых измерений. https://www.elibrary.ru/item.asp?edn=DRPSXK https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57352842400 Было показано, что важным совершенствованием методики наземных измерений является учет лунно-солнечного прилива и атмосферного давления. https://portal.ifz.ru/geofizicheskie-issledovaniya/soderzhanie/tom-25-nomer-1-2024/02 https://istina.msu.ru/publications/article/716052789/ Выполнен анализ уровня фонового микросейсмического шума на пункте наземных гравиметрических измерений и его влияние на итоговую точность. https://istina.msu.ru/publications/article/716052719/ https://istina.msu.ru/publications/article/652375101/ 2. Приведены результаты сравнения и оценка точности существующих моделей по выполненным морскими и аэрогравиметрическими измерениям. С использование инструментальных съемок были получены следующие новые результаты. Погрешность глобальных моделей в открытых акваториях зависит от градиента аномального поля и не зависит от широты. В области абиссальных равнин модели имеют близкую точность относительно морских гравиметрических съемок. В таких регионах погрешность современных моделей находится в пределах 0.7 мГал. С ростом величины градиента поля погрешность моделей увеличивается, как и увеличиваются расхождения в точностях между ранними и новыми моделями. В районах океанических хребтов погрешность модели EGM2008 по СКО оценивается в 5 мГал, а моделей Sandwell and Smith и DTU21 уже в 2.5 – 2.7 мГал. Получены погрешности моделей в районе архипелага Новая Земля, на севере Баренцева моря и в Белом море. В шельфовой зоне Белого моря модели не имеют систематическую погрешность. По данным высокоширотной съемки в Баренцевом море выполнены оценки двух моделей: EGM2008 и Sandwell and Smith V29. Здесь наибольшие погрешности также тяготеют к участкам высокого градиента: 3.067 мГал (EGM2008) и 1.921 мГал (SSv29). Выполнено сравнение моделей с трансполярными профилями, в результате которого была показана зависимость величины погрешности моделей от широты, что характерно только для Арктики. https://portal.ifz.ru/geofizicheskie-issledovaniya/soderzhanie/tom-25-nomer-3-2024/05 3. Проведён анализ и интерпретация полученных оценок погрешностей аномалий ультравысокостепенных моделей. Выявлены закономерности в пространственном распределении погрешностей в глобальных моделях. Основным критерием, определяющим точность моделей в открытых акваториях, является величина полного горизонтального градиента аномального поля. Определена функциональная зависимость погрешностей моделей от величины градиента и, таким образом, получены принципы оценки модели в любой акватории Мирового океана. Созданы условия для оценочного районирования модельных данных в открытых акваториях. Что также актуально для акваторий Арктических морей РФ, которые только сезонно закрываются льдом. В более высоких широтах имеется систематическая зависимость погрешностей в моделях от широты. Наибольшие погрешности относятся к району Северного полюса. При этом погрешности в высокоширотной Арктике зависят еще и от величины градиента. Эта зависимость значительней, чем в открытых акваториях: на структурах с максимальным градиентом поля в 3-4 мГал/км погрешность моделей увеличивается относительно участков с градиентом в 2 мГал/км в 1.5 – 2.5 раза. В высокоширотной Арктике, согласно полученным оценкам, погрешность, обусловленная градиентом поля, увеличивается в 5 - 7 раз в зависимости от типа модели. https://istina.msu.ru/publications/article/716052813/ 4. Рассмотрено использование экспериментальных результатов оценки величины высокочастотных помех в современных ультравысокостепенных моделях гравитационного поля Земли. Определены степени погрешностей, возможно, искусственно «заложенных» внутри модели. Выявлено, что в абиссальных областях в моделях присутствует высокочастотный шум с амплитудой от 1 до 3 мГал и периодом около 15-20 км. Для Арктики высокочастотный шум в модельных данных также актуален, но амплитуда предполагается меньшей, чем на открытых акваториях, так как здесь для обработки альтиметрии используются фильтры с большим окном фильтрации. В районе береговой линии в модели EGM2008 наибольшая погрешность находится над береговой линией, а в модели Sandwell and Smith - «вынесена» в море до 30 км. Объяснена причина появления таких ложных аномалий в новых моделях – «маскирование» стыков между типами глобальных данных об аномалиях. https://istina.msu.ru/publications/article/652375128/ 5. Выполнен выбор наиболее достоверных моделей, обеспечивающих достаточную точность в различных зонах Арктики. В высоких широтах получены следующие результаты: погрешности моделей меняются с широтой и на участках от 75° до 88.5° с.ш. составили - EGM2008 (от 0.8 до 7.4 мГал), WGM2012 (от 0.7 до 7.4 мГал), XGM2019 (от 0.9 до 7 мГал), SGG-UGM-2 (от 0.7 до 7.4 мГал), Sandwell and Smith v29 и v32 (только 0.74 и 0.68 в районе 75° с.ш. соответственно), DTU21 (от 0.64 до 7.05 мГал). https://portal.ifz.ru/geofizicheskie-issledovaniya/soderzhanie/tom-25-nomer-3-2024/05 В Арктике наименьшую погрешность относительно морских съемок содержит модель DTU21. С точки зрения достоверности и более эффективного использования модельных данных, а также с учетом площади градиентных зон в Арктике, для получения сведений об АСТ региона наиболее перспективной представляется модель DTU21. Она является самой детальной из моделей, включающих полярные области Земли. https://portal.ifz.ru/geofizicheskie-issledovaniya/soderzhanie/tom-25-nomer-3-2024/05.

Публикации

1. Дробышев М.Н., Абрамов Д.В., Конешов В.Н. Итерационный метод учёта лунно-солнечного прилива и изменения атмосферного давления Геофизические исследования, издательство ИФЗ РАН (М.), Геофизические исследования, издательство ИФЗ РАН (М.), 2024, том 25. – № 1. – С. 28-39 (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.21455/gr2024.1-2

2. Михайлов П.С., Конешов В.Н., Соловьев В.Н. Погрешности современных глобальных моделей гравитационного поля Земли над внутренними акваториями и в районах перехода «суша – море». издательство Издательство "Перо" (Москва), Международная конференция: 50-я сессия Международного семинара им. Д.Г. Успенского – В.Н. Страхова «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», тезисы, Москва, 29 января – 2 февраля 2024 г. – С. 237-240. (год публикации - 2024)

3. Малышева Д.А., Дробышев М.Н., Конешов В.Н. Новые результаты оценок влияния сейсмических и метеорологических факторов на высокоточные наземные относительные гравиметрические измерения издательство Издательство "Перо" (Москва), Международная конференция: 50-я сессия Международного семинара им. Д.Г. Успенского – В.Н. Страхова «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», тезисы, Москва, 29-31 января 2024 г. – С. 213-217. (год публикации - 2024)

4. Дробышев М.Н., Конешов В.Н., Абрамов Д.В. Анализ влияния микросейсмического фона на гравиметрический мониторинг издательство Издательство "Перо" (Москва), Международная конференция: 50-я сессия Международного семинара им. Д.Г. Успенского – В.Н. Страхова «Вопросы теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей», тезисы, Москва, 29 января – 2 февраля 2024 г. – С. 153-156. (год публикации - 2024)

5. Малышева Д.А., Дробышев М.Н., Дорожков В.В. Оценка зависимости высокоточных гравиметрических данных от вариаций атмосферного давления на пункте измерений ФГБОУ ВО Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ), Владимир, 2024, Труды XVI Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. ФРЭМЭ-2024» - Владимир – Суздаль, 2-4 июля 2024 - С. 468-471. (год публикации - 2024)

6. Дробышев М.Н., Конешов В.Н., Малышева Д.А. Сопоставление гравиметрических данных и микросейсмического фона для определения его характеристик на пункте измерений ФГБОУ ВО Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ), Владимир, 2024, Труды XVI Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. ФРЭМЭ-2024» - Владимир – Суздаль, 2-4 июля 2024 - С. 463-468. (год публикации - 2024)

7. Валов Г. Е., Михайлов П.С., Конешов В.Н. Оценка уточнения координат Морского носителя по данным современной глобальной модели гравитационного поля Земли ФГБОУ ВО Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ), Владимир, 2024, Труды XVI Международной научной конференции «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии. ФРЭМЭ-2024» - Владимир – Суздаль, 2-4 июля 2024 - С. 458-463. (год публикации - 2024)

8. Дробышев М.Н., Абрамов Д.В., Конешов В.Н., Малышева Д.А. Estimation of the impact of storm microseisms on long-term gravimetric measurements Izvestiya, Physics of the Solid Earth, Izvestiya, Physics of the Solid Earth. 2024. Т. 60. № 1. С. 173-178. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.1134/S1069351324700162

9. Михайлов П.С., Конешов В.Н., Погорелов В.В. Высокоширотная Арктика: состояние и перспективы использования современных глобальных моделей гравитационного поля Земли Геофизические исследования, издательство ИФЗ РАН (М.), Геофизические исследования. 2024. Т. 25. № 3. С. 75-86. (год публикации - 2024)
https://doi.org/10.21455/gr2024.3-5