Analysis of GRACE time series noise characteristics


Güneş Ö., Aydın C.

GEOMATIK, vol.9, no.1, pp.45-53, 2024 (ESCI)

  • Publication Type: Article / Article
  • Volume: 9 Issue: 1
  • Publication Date: 2024
  • Doi Number: 10.29128/geomatik.1307208
  • Journal Name: GEOMATIK
  • Journal Indexes: Emerging Sources Citation Index (ESCI)
  • Page Numbers: pp.45-53
  • Yıldız Technical University Affiliated: Yes

Abstract

Total water storage variations have been monitored using the GRACE satellite system since its launch in 2002. In the analysis of total water storage time series, which are defined in terms of equivalent water thickness, the harmonic regression method, a functional model incorporating trend and seasonal signals, is used. In this model, the observations are presumed to be equally weighted and uncorrelated. In other words, only white noise is included in the stochastic model. However, a spectrum analysis of the time series reveals temporal correlations, which result in colored noise. In this study, the power spectral of these colored noise characteristics is examined using the Goddard Space Flight Center mascon dataset with monthly sampling from 2002 to 2022. The total water storage change time series shows a colored noise pattern with a negative spectral index. In global analyses, it has been shown that the mascon (mass concentration) time series representing terrestrial regions has a characteristic of colored noise defined in the fractional Brownian power spectrum, which is similar to flicker noise. Furthermore, the DDK (Decorrelation Filter) dataset, which is derived from monthly spherical harmonic coefficients, is also used, and similar results are obtained.

GRACE uydu sistemi 2002’den beri toplam su bütçesi değişimlerinin küresel ölçekte izlenmesine olanak sağlamaktadır. Eşdeğer su kütlesi değişimi cinsinden ifade edilen toplam su bütçesi zaman serilerinin analizinde trend ve mevsimsel sinyalleri içeren fonksiyonel model olan harmonik regresyon yaklaşımı kullanılır. Bu modelde gözlemlerin eşit ağırlıklı ve korelasyonsuz olduğu varsayılmaktadır. Yani, stokastik modelin sadece beyaz gürültüden oluştuğu kabul edilir. Ancak, zaman serisi spektral anlamda analiz edildiğinde zamansal korelasyonların var olduğu ve renkli gürültüyü meydana getirdiği görülmektedir. Bu çalışmada, söz konusu bu gürültüye ilişkin spektral güç yoğunluk değerleri 2002-2022 periyodunu kapsayan, aylık örneklemeli Goddard Space Flight Center mascon veri seti kullanılarak analiz edilmiştir. Toplam su bütçesi değişimi zaman serilerinde negatif spektral indekse sahip renkli gürültü yapısı görülmüştür. Küresel ölçekte gerçekleştirilen analizlerde karasal alanları temsil eden mascon (mass concentration) zaman serilerinde kırpışma gürültüsüne benzer özellikte kesirli Brownian güç spektrumunda tanımlı renkli gürültü olduğu ortaya çıkarılmıştır. Aynı zamanda küresel aylık harmonik katsayılardan filtrelenerek üretilen DDK (Decorrelation Filter) veri seti ile de çalışılmış ve benzer sonuçlar elde edilmiştir.