Геомониторинг на съвременните движения на земната кора и измененията на черноморското ниво

Любка Пашова

Департамент Геодезия

Национален институт по геофизика, геодезия и география

Резюме. Статията представя основни резултати от изследванията на измененията на черноморското ниво и вертикалните движения на земната кора, извършени в рамките на двустранен българо-румънски проект. Проектът бе финансиран от МОМН, България  и МОИМ, Румъния за периода 2008-2010 г.

1. Въведение

През последните три десетилетия глобалният мониторинг на околната среда се очерта като важна предпоставка за разбиране антропогенното въздействие върху Земята, като динамична система, чиято цел е предприемане на мерки за смекчаване на неблагоприятното влияние на прогнозираните промени на климата. Един от важните научни проблеми пред съвременната наука е установяване измененията на средното морско ниво и неговото повишаване, което се разглежда като резултат от глобалното затопляне. Според Международния панел за климатични промени, през последното столетие средното морско ниво се е повишило с 1¸2 mm/yr по данни от мареографни наблюдения, като от анализираните данни на спътниковите алтиметрични мисии за периода след 1992 г. е установено известно ускоряване с около 3 mm/yr (Plag&Pearlman, 2009; IPCC, 2010). Изразени са противоречащи на тези становища научни мнения, относно темпа на нарастване на глобалното средно морско ниво, според които трендът на повишаване от началото на индустриалната епоха не надвишава 1 mm/yr (вж. напр. Mörner, 2011). Поради съществуващите технологични ограничения и използваният математичен апарат за обработка и анализ на разнородни, с различен времеви и пространствен обхват данни от интердисциплинарни изследвания, решаването на тази сложна задача все още е предизвикателство пред съвременната наука.

Динамичната природа на измененията на морското ниво е резултат от комплексното влияние на изостатични, евстатични, тектонски и климатични процеси, както и от въздействието на антропогенния фактор (фиг. 1). Наблюденията и изследванията на черноморското ниво са от особен научен и практически интерес за геонауките, тъй като чрез тях се определят важни количествени параметри за установяване неотектонските деформации и развитието на бреговата зона (Pashova and Yovev, 2010). Осъществяването на дългосрочен мониторинг на глобалните, регионални и локални изменения на морското ниво са необходима предпоставка за устойчиво развитие на крайбрежните региони и намаляване на неблагоприятните социално-икономически и екологични последствия.

През последните години научната общност предприема известни мерки да се консолидира и подобри сътрудничеството, да се ускорят дейностите и разширят изследванията в приоритетните на Програмата за глобален мониторинг на околната среда и сигурността (GMES) области в региона на Черно море. В този контекст,в рамките на двустранно българо-румънско сътрудничество бе предложен и одобрен за финансиране проектът „Научно и технологично партньорство за изследване измененията на морското ниво и вертикалните движения на земната кора по Западното Черноморие“. Той бе съвместна инициатива на бившата Централна лаборатория по висша геодезия, сега департамент Геодезия към Националния институт по геофизика, геодезия и география, София, Института по океанология „Фритьоф Нансен“, Варна и Националния институт за морски изследвания и развитие „Григоре Антипа“, Констанца (Пашова и Малчиу, 2010).

Изпълнението на работната програма целеше продължаване и разширяване на съвместните геодезически и океанографски изследвания в региона на Западното Черноморие. В настоящата статия са представени основни резултати от тези иследвания, насочени към теми от интердисциплинарен характер. В процеса на работа са прилагани съвременни научни подходи за комплексен анализ и интерпретация на предходни и новополучени данни от геодезически и океанографски измервания. Част от проблемите, решавани в рамките на проекта, включваха:

• стандартизиране на регионално ниво и в съответствие с международната практика на методите и средствата за събиране, съхраняване, обработка, анализ и интерпретация на мареографни данни и информация;
• оценка и анализ на дългосрочното изменение на черноморското ниво в контекста на глобалните климатични промени и на съвременните геодинамични процеси в изследвания район;
• усъвършенстване мониторинга на съвременните движения на земната кора и на измененията на черноморското ниво чрез ефективно използване на наличната и новополучена информация от спътниковите и наземни измервания, съвместният им анализ и интерпретация.

2. Основни резултати от проведените изследвания

Изпълнението на научноизследователския проект бе извършено от специалисти с дългогодишен опит в областта на геодезията и океанографията. В международния изследователския колектив участваха младите учени и докторанти от трите научни институции. Съвместното участие в полските измервания, анализа на получените данни от измерванията и тяхната интерпретация повиши компетентността и обогати опита на международния екип.

Научноизследователската работа за периода 2008-2010 г. бе извършена на два етапа, като работната програма бе актуализирана през 2009 г. През първия етап бе събрана и систематизирана информацията за геодезически и океанографски изследвания, проведени през последните 20 години в района на Черноморския басейн. Изготвен бе представителен списък от публикации, свързани с изучаване на: съвременни движения на земната кора; изменения на морското ниво в различен времеви и пространствен обхват; съвместен анализ на данни от GNSS, мареографни, нивелачни и гравиметрични измервания; връзка между установеното повишаване на средното морско ниво с глобалните климатични промени в световен и регионален мащаб, вкл. за района на Черно море. Данни и резултати, представени в част от тези публикации, са използвани при анализа и съвместната им интерпретация с новополучените в рамките на проекта данни от измервания.

            Проведени бяха две работни срещи през м. ноември 2008 г. във Варна и Констанца. На работните срещи научните колективи на трите изследователски институции представиха най-новите научни изследвания в Черноморския регион, които провеждат в областта на геодезията и океанографията. Особено внимание бе отделено на изучаването на екстремални и епизодични събития по западното крайбрежие на Черно море, като щормове, сейши и др. Обменена бе информация за състоянието на геодезическите и океанографски данни и специализирана апаратура, с които разполага всеки един от партньорите, техния статут и бе дискутирана възможността за ефективното им използване от научния колектив. Изготвен бе план за провеждане на съвместни нивелачни и GPS измервания на контролни точки и репери в районите на мареографните станции в България и Румъния. На срещите бе обсъдено създаването на база от мареографни данни за български и румънски станции, което да допринесе за допълване на разработваната от ИО-БАН информационна система за Черно море. Тя съдържа всички достъпни мета-данни, тествани и ефективно обновявани през Интернет (www.bgodc.io-bas.bg). Румънските специалисти споделиха своя богат научен и практически опит от участието си в редица международни изследователски проекти в областта на морските науки. От 2007 г. НИМИР „Гр. Антипа“ изгражда и поддържа Румънския център от база данни за океанографска информация и данни за околната среда (NODEC). Центърът е включен в списъка от световни океанографски центрове (www.iode.org, www.iocgoos.org), който събира, архивира и съхранява океанографски данни, които отговарят на общоприети международни стандарти и осъществява техния национален и международен обмен. Румънският колектив извършва регулярен статистически анализ на данните от мареографите в Констанца и Мангалия (Malciu, 2009). Мареографната станция в Констанца, стопанисвана от НИМИР „Григоре Антипа“, е включена в MedGLOSS мрежата и е част от от Глобалната система за наблюдение на морското ниво (Global Sea Level Observing System – GLOSS).

            През втория етап от изпълнението на проекта (2009-2010 г.) научноизследователската работа бе особено активна с включването на нови членове в международния колектив. Съвместната работа продължи с обмяна на данни и информация между партньорите. Направени бяха препоръки за стандартизиране на регионално ниво и в съответствие с международната практика на методите и средствата за дискретизация, обработка, анализ и интерпретация на мареографни данни и информация (Malciu, 2009).

През този етап, с активното съдействие на ръководството на АГКК бяха осигурени геодезически данни за мареографни станции Варна и Бургас, предоставени от Геокартфонда на Агенцията. Средномесечните и средногодишни нива на Черно море бяха анализирани съгласно общоприети международни стандарти на IOC и интерпретирани в контекста на съвременните климатични промени (Pashova&Yovev, 2010). От анализа на мареографните данни бе установено, че съществуват пропуски в месечните и годишни стойности, наличие на систематични грешки и известни проблеми по тяхното съхраняване, поддържане и обновяване. Съхраняването на оригиналните мареограми (фиг. 2), предварителният качествен и количествен анализ, както и на нивелачните и гравиметрични измервания на контролните полигони на геодезически мареографни станции се осъществява от „НИГиФ“ ЕООД.

Измененията на морското ниво бяха анализирани в различни времеви мащаби от наличните и новополучени данни. Оценени са многогодишното средно морско ниво, линейният тренд, амплитудите и фазите на годишната и полугодишната вълни, и дългопериодичният прилив с период 18.6 години за периода 1928-2008 от средномесечни стойности за станции Варна и Бургас. Анализирани са и данните за годишните морски нива и са получени нови оценки на средното морско ниво в епоха 2008, линейния тренд на изменение и е направена оценка на точността. Изследван е сезонният ход от месечните минимални, средни и максимални стойности на морското ниво за двете станции. Максималните и минимални средномесечни стойности на морското ниво се съгласуват с годишния ход на повърхностния приток в морето с максимум през пролетта и минимум през есента. Максимумът на морското ниво се отнася за месец юни (май или юли), а минимумът – за месец октомври (ноември). Поради продължаващият процес на локално потъване на регионите, в които са разположени мареографните съоръжения, изчисляваните среднодневни и средномесечни морски нива доближават граничната стойност от 2.10 m на мареографните лати и в двете станции. Под въпрос остава изпълнението на основното предназначение на тези съоръжения, като този проблем остава нерешен и досега, въпреки необходимостта от осъществяване на такъв тип непрекъснати измервания за научни и практически цели и съществуващите законови основания за това.

Новополучените оценки за линейния тренд от средномесечни и средногодишни стойности за мареографни станции Варна и Бургас са съответно:

v^В_мес = +1.15 ± 0.23 mm/yr и v^В_год = +1.13 ± 0.24 mm/yr, или v^В = +1.14 ± 0.24 mm/yr;

v^Б_мес = +1.50 ± 0.36mm/yr и v^Б_год = +1.55 ± 0.39 mm/yr, или v^Б = +1.52 ± 0.30 mm/yr.

Сравнението с оценки от по-къси редове наблюдения, получени от предходни изследвания на научния колектив показва, че те са близки по стойност, но точността на новите оценки е двукратно повишена. Усреднената оценка на покачването на черноморското ниво по мареографни данни е на стойност ~1.3±0.3mm/yr. Установените изменения на средното морско ниво за периода 1928-2008 г. могат да се обяснят с бавните епирогенни движения на земната кора, характерни за настоящия етап от геоложкото развитие на Черноморския басейн, глобалното повишаване на средното морско ниво и различния обем на съставящите общия воден баланс на Черно море. Определените стойности за дългопериодичния (векови) тренд на изменение на средното морско ниво за мареографните станции във Варна и Бургас са в съгласие с глобалния тренд на повишаване +1.0¸2.0 mm/yr на нивото на Световния океан (Plag&Pearlman, 2009).

През 2009 г. бе проведена съвместна българо-румънска GPS кампания и бяха определени координатите на контролни точки в районите на мареографни станции Констанца, Мангалия, Варна и Бургас (фиг. 3). Първоначалната обработка на измерванията бе извършена със софтуерния пакет Trimble Geomatic Office, а последваща обработка с програмната система GAMIT/GLOBK Ver.10.3. Използвани са и GPS наблюдения за периода 1994-2009 г. от предходни кампанийни измервания на територията на България и Източното Средиземноморие. Оценките на скоростите и координатите на точките са получени чрез комбиниране на данни от кампанийните измервания с данни от IGS/EUREF перманентната мрежа. Приложен бе двустъпков метод на обработка на измерванията, разработен в предходни изследвания на научния колектив от ЦЛВГ. Изчислените хоризонтални скорости спрямо стабилната част на Евразия в GPS контролните точки на мареографните станции са със стойности по-малки от 3 mm/yr. Точността на северните компоненти на скоростите са в границите ±0.2-0.4 mm/yr, а на източните – ±0.3-0.5 mm/yr. Вертикалните компоненти на положението са определени с точност 1-2 mm/yr, което отговаря на очакванията за продължителността на обработвания период от около 15 години. Въз основа на наличната информация и новополучената в рамките на проекта са изведени вертикални скорости на движение на GPS пунктове, разположени в районите на българските мареографни станции Варна и Бургас, като за районите на румънските станции това не бе възможно, поради липса на данни от предходни GPS кампанийни измервания. Получените резултати показаха, че точността с която се определя вертикалната компонента от GPS измервания е все още с 2 до 3 пъти по-ниска от точността на мареграфните и прецизните нивелачни измервания. Евстатичното повишаване на черноморското ниво се оценява на +0.8 mm/yr, след коригиране на получения от мареографните измервания тренд на повишаване на средното черноморско ниво с изведените от GPS  измерванията вертикални скорости на движение на земната кора (Pashova et al, 2011). За надеждно оценяване на очаквани вертикални скорости от порядъка на 1-2 mm/yr с грешка под 1 mm/yr в не особено активни в геодинамично отношение райони е необходимо да се изградят перманентни колокирани GNSS станции в близост до мареографните съоръжения. Международният опит сочи, че точност по-висока от 1 mm/yr за вертикалната компонента от перманентни GNSS наблюдения може да се постигне при продължителност на наблюденията от 5-6 години. За райони с вертикална скорост на потъване/издигане от ~3-4 mm/yr по Черноморското крайбрежие за получаване на достоверни оценки, е възможно периодично преизмерване през интервал от минимум 3-4 години.

През 2010 г. бяха проведени контролни нивелачни измервания в районите на мареографни станции Варна и Бургас, с цел установяване височинното положение на нивелачни репери от контролните и реперажните полигони и GPS контролни точки, изградени в районите на станциите (фиг. 4). Получената точност при обработката на нивелачните измервания от двойното пронивелирано разстояние е m_e = ± 0.23 mm/km за Варна и m_e = ± 0.16 mm/km за Бургас, която отговаря на изискванията за точност на I-ви клас прецизна нивелация. По време на измерванията бе установено, че част от реперите от реперажните полигони на мареографните станции са унищожени след 2008 г. Новополучените резултати от нивелацията са анализирани и сравнение с наличните прецизни нивелачни измервания, извършени от „НИГиФ“ ЕООД (Pashova et al, 2011).

Поради разлики в стойностите на изходните нивелачни репери за определяне на надморски височини, сравненията и анализът на нивелачните измервания са извършени за измерените нивелачни превишения между отделните епохи. Тези сравнения показаха, че превишенията в отделните епохи се различават от порядъка на 2-4 mm, като процесът на потъване на реперите от контролните и реперажни полигони се забавя за последните 10-15 години. Тенденцията за по-ниска скорост на потъване от ~1.5 mm/yr се установява за района на станция Бургас в сравнение с преди това установената от 3 mm/yr , а за района на Варна – от ~ 3÷4 mm/yr, в сравнение с установеното от предходния период потъване от ~ 7 mm/ yr.

(a) Нивелация Варна

(б)

GPS измервания във Варна

 

 
GPS измервания в Бургас

Фиг. 3. Кампанийни GPS и нивелачни измервания в районите на мареографни станции Варна (а) и Бургас (б)

Фиг. 4. Схеми на контролни нивелачни измервания в районите на мареографни станции Варна (а) и Бургас (б)

При анализа на нивелачните измервания на контролните GPS точки са ползвани данни от предходни изследвания, извършени от ЦЛВГ. Установени са разлики в котите на изходни нивелачни репери, от които са изчислявани котите в отделните епохи. На този етап, с наличната информация и данните от новите измервания не може да се установи на какво се дължат тези разлики.

Изчислени бяха разликите между средното морско ниво в мареографни станции Констанца, Варна и Бургас. За целта бяха използвани резултати от проведената GPS’2009 кампания, като бе установено, че разликите в средните нива, определени между Констанца и Варна и Констанца и Бургас са съответно 0.5 cm и 0.9 cm. Поради наклона север-юг на средната топографска морска повърхност средното черноморско ниво в станция Констанца е с ~0.5cm по-високо от това във Варна и с ~0.9cm по-високо от това в Бургас.

Получена бе нова оценка на стойността на земния геопотенциал W₀ за средно черноморско ниво с използване на мареографните, нивелачните и GPS измерванията. При изчисленията бе използван геопотонциалният модел EGM2008. Изчислените стойности на земния гравитационен потенциал за средно морско ниво за мареографни станции във Варна и Бургас за епоха 2008 се различават от конвенционалната стойност за геопотенциала на геоида W₀ = 62636 856.0±0.5 m²s^-2 съответно с W₀ – W_oi^TGВарна = -0.94 m²s^-2 и с W₀ – W_oi^{TGБургас} = -1.17 m²s^-2, което съответства на dH^TGВ = 0.10 m и dH^TGБ = 0.12 m. Определеното средно черноморско ниво, по данни от измерванията в мареографни станции Варна и Бургас, стои ~11 см под геоида. За сравнение, потенциалната разлика за средното морско ниво, определено за мареографите в Амстердам (NAP) и във Варна, е δW= W_oi^TGВ – W_oi^NAP= -0.14 m²s^-2, което съответства на разлика във височина dH = 0.02 m.

Понастоящем съществува линк към основното съдържание на проекто-предложението, който се намира на интернет портала на НИМР „Григоре Антипа“ (https://www.rmri.ro). При окончателното приключване на работата бе разработен концептуален модел на интернет страница за проекта. Той съдържа информация за основните цели и задачи, работната програма, участващите партньори и етапите на неговото изпълнение.

В процеса на изпълнение на научноизследователската работа международният колектив срещна редица трудности от организационно и административно естество. Разминаването в сроковете за подписване на договорите от страна на Румъния и България, крайните срокове за приключване изпълнението на проекта през отделните етапи и различното финансово осигуряване за изпълнение на поставените задачи, затрудниха координирането на съвместната работа. Друг съществен проблем бе липсата на информация за проведени в миналото геодезически нивелачни измервания за свързване на нивелачните мрежи на България и Румъния, както и осигуряването на достъп до оригиналните мареографни и нивелачни измервания на българските станции. Това ограничи възможността да се реализират напълно предвидените през 2007 г. научни изследвания.

3. Разпространение на резултатите и перспективи за тяхното използване

Една от основните цели на научноизследователския проект бе да инициира задълбочено сътрудничество между научните колективи на ЦЛВГ, ИО „Фритьоф Нансен“ и НИМИР „Григоре Антипа“ в областта на геодезията и океанографията и да допринесе за партньорската интеграция в международни изследователски програми и проекти. Участници от научния колектив участват активно в подготовката на различни проекто-предложения за осигуряване на допълнително финансиране за изследвания в Черноморския регион по международни и национални програми.

Резултати от изпълнението на научноизследователския проект са представени на 7 международни и 2 национални конференции, на 6 международни и национални работни срещи, експертни съвети и семинари. Членове на международния колектив активно участваха в три семинара по проекта EURO-ARGO,  на работна среща по проекта BALGEOS през м. септември 2009 г. в Скопие, Македония (https://balgeos.cc.bas.bg) и в работна среща по проекта „Research infrastructures – Foresight and impact -RIAM“ по FP7, проведена през м. ноември, 2010 в Букурещ. За периода 2008-2010 г. са направени 9 публикации, като наличните геодезически и океанографски данни се използват за нови изследвания.

Получените резултати от научноизследователската работа могат да се използват от морска администрация и НПО, чиито дейности са свързани с изследване на екологични и социални последствия от измененията на черноморското ниво в различен времеви и пространствен обхват. Потенциални потребители на резултатите от проекта са изследователски организации, които се занимават с приложения на геодезията, океанографията, геофизиката, геодинамиката и др., както и АГКК, Министерство на околната среда и водите и др.

Времевата резолюция на данните от мареографни регистрации на морското ниво от 20-тото столетие и от начало на 21-то столетие е обикновено 1 ден. Една предстояща задача при използване на тези данни от български станции е тяхното цифровизиране и хомогенизиране. Необходимо е да се извърши изследване на цялата налична първична наблюдателна информация за мареографните и нивомерни станции, стопанисвани от различни институции в България. Интегрирането на изследователските мрежи по място, време, с използване на съвременни технологии и осигуряване на обмен на данни е основен проблем за комплексни и дългосрочни мултидисциплинарни изследвания (Yovev and Pashova, 2009). С обединяване усилията на международни и интердисциплинарни колективи от учени могат да се преодолеят редица пропуски по отношение на съществуващата и новоизграждана научна инфраструктура в Черноморския регион, като се повиши качеството на наблюдателната информация и се възприемат международно приети стандарти за нейното събиране, първоначална обработка и анализ, съхраняване и разпространение.

4. Заключение

Резултатите, получени от изпълнението на проекта „Научно и технологично партньорство за изследване измененията на морското ниво и вертикалните движения на земната кора по Западното Черноморие“ са добра основа за продължаване фундаменталните и приложни научни изследвания по въвеждането, обновяването и използването на националните референтни координатни, височинни и гравиметрични системи, като част от Европейските и световни системи с оглед икономическите и социални нужди на страната. Те са част от информацията, необходима за продължаване на геомониторингът и изследванията на измененията на черноморското ниво и приложенията на съвременните спътникови методи за изследване на геодинамичните процеси в региона. Резултатите от този проект са важна част от изходната информация за моделиране на геоида и определяне на динамичната топографска повърхност за Черно море.

В процеса на научноизследователската работа се установи ползотворно сътрудничество между департамент „Геодезия“ към НИГГ, ИО към БАН и НИМИР „Гр. Антипа“, Констанца, Румъния. В научния колектив участваха утвърдени специалисти, докторанти и млади учени, което бе предпоставка за получените добри резултати и е основа за по-нататъшно бъдещо научно сътрудничество.

Благодарност: Научните изследвания са извършени благодарение на финансовата подкрепа на МОМН, Фонд „Научни изследвания“ по договор БРС15-Д01-1249/2007 г. и МОИМ, Румъния. Научният колектив изказва своята благодарност за безвъзмездно предоставените геодезически данни от АГКК и GNSS наблюденията от мрежата Геонет на частната фирма „Зенит-Гео“.

Литература:

1.      Пашова, Л., В. Малчиу (2010) Изследване измененията на морското ниво и вертикалните движения на земната кора в района на Западното Черноморие, Новости, БАН, бр. 1 (77), VІІI, 3-4.

2.      IPCC, 2010: Workshop Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change Workshop on Sea Level Rise and Ice Sheet Instabilities [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S. Allen, and P.M. Midgley (eds.)]. IPCC Working Group I Technical Support Unit, University of Bern, Bern, Switzerland, pp. 227.

3.      Malciu, V. (2009) Romanian National Oceanographic and Environmental Data Center, Third ODINBlackSea Steering Group Meeting, 21-22 October 2010, IOC Project Office for IODE, Oostende, Belgium.

4.      Mörner, N.-A. (2011) The great sea-level humbug. There is no alarming sea level rise! 21^st Century Science & Technology, 12-22.

5.      Pashova, L. and I. Yovev (2010) Geodetic studies of the influence of climate change on the Black Sea level trend, Journal of Environmental protection and ecology, Vol. 11, 2, 791-798.

6.      Pashova, L., V. Malciu, D. Demireva, T. Belyashki, A. Palazov, D. Grozdev, I. Yovev, L. Buga (2011) Study of the recent crustal movements and sea level changes in western Black Sea region with space and in situ observations, Second EO-GMES Operational Capacity Workshop, 17-18 March 2011, Sofia, Bulgaria, Abstract and Poster available at: https://www.gmes-bg.org

7.      Plag, H.-P. and M. Pearlman (eds.) (2009) Global Geodetic Observing System. Meeting the Requirements of a Global Society on a Changing Planet in 2020, Springer Verlag, 332 p.

8.      Yovev, I. and L. Pashova (2009) Problems of using the Global Satellite Navigation System in the Black Sea region and geodetic solutions for their overcoming, In: Proceedings of 13th Congress of Int. Maritime Assoc. of Mediterranean, Gören Ö., B. Okan and Ş. Karakaş (Eds.), IMAM 2009, İstanbul, Turkey, 12-15 Oct. 2009, Vol. III, 891-898.