Investigation of sea level variations in Turkish coasts using GNSS reflectometry

Abstract

Determination of the sea level changes and understanding the causes of changes are important in climate change studies at global and regional scales. The Global Navigation Satellite System (GNSS) signals have some characteristics that can be used for the remote sensing applications. GNSS Reflectometry (GNSS-R) technique that allows GNSS-based sea level determination is new and open to improvement. This study aims to investigate the contribution to the GNSS stations located in the different coasts of Turkey to determination of sea level by using GNSS-R. For this purpose, utilized existing the Signal to noise ratio (SNR) data from ANMU, DATC, FASA, SINP and TEKR of TUSAGA-Active network, MERS from IGS network and SAME constituted from TUBITAK 1001 project GNSS stations. The dominant multipath frequency of SNR signal was computed with Lomb-Scargle periodogram (LSP). Consequently, MERS and TEKR stations were found to be suitable for sea level determination by using GNSS-R because these stations have a strong reflection amplitudes and significant observations. The GNSS-based sea level results for these stations were compared to sea level observations from nearby tide gauges. The comparison shows a agreement with a correlation coefficient of 0.76 and 0.91, respectively.

Keywords

• Sea level
• GNSS reflectometry
• Signal to noise ratio
• Lomb-Scarge periodogram

Türkiye denizlerinde GNSS reflektometre tekniği ile deniz seviyesi değişiminin araştırılması

Abstract

Küresel ve bölgesel ölçekte deniz seviyesinde meydana gelen değişimin belirlenmesi ve değişimin nedenlerinin anlaşılması iklim değişikliği çalışmalarında önemlidir. Küresel Navigasyon Uydu Sistemleri (GNSS) sinyalleri, uzaktan algılama uygulamaları için kullanılabilecek bazı ayırt edici özelliklere sahiptir. GNSS tabanlı deniz seviyesinin belirlenmesine olanak sağlayan GNSS Reflektometre (GNSS-R) tekniği yeni ve geliştirilmeye açık bir teknik olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada, Türkiye’nin farklı kıyılarında bulunan sabit GNSS istasyonlarının GNSS-R ile deniz seviyesi belirlenmesine katkısının araştırılması amaçlanmıştır. Bu amaçla, TUSAGA-Aktif ağında bulunan ANMU, DATC, FASA, SINP ve TEKR, IGS ağında bulunan MERS ve TÜBİTAK 1001 projesi kapsamında tesis edilen SAME sabit GNSS istasyonlarına ait Sinyal Gürültü Oranı (Signal to Noise Ratio, SNR) verileri kullanılmıştır. SNR sinyallerinin dominant sinyal yansıma etkisi frekansı Lomb-Scargle periodogram (LSP) yöntemi ile belirlenmiştir. Yapılan çalışma sonucunda, MERS ve TEKR istasyonlarının güçlü yansıma genliklerine sahip olduğu ve anlamlı gözlemler içerdiği görülmüş olup GNSS-R ile deniz seviyesi belirlenmesine uygun istasyonlar olarak belirlenmiştir. Bu istasyonlarda hesaplanan GNSS tabanlı deniz seviyesi gözlemleri istasyon yakınında bulunan mareograf gözlemleri ile karşılaştırılarak aralarında sırasıyla 0.76 ve 0.91 korelasyon bulunmuştur.

Keywords

• Deniz seviyesi
• GNSS reflektometre
• Sinyal gürültü oranı
• Lomb-Scarge periodogram

References

1. Cazenave, A., Dieng, H. B., Meyssignac, B., von Schuckmann, K., Decharme, B., & Berthier, E. (2014). The rate of sea-level rise. Nature Climate Change, 4(5), 358-361.
2. Chelton, D., Ries, J., Haines, B., Fu, L., & Callahan, P. (2001). Satellite Altimetry, Satellite Altimetry and Earth Sciences: A Handbook for Techniques and Applications, L.L. Fu ve A. Cazenave.
3. IPCC (2007). Climate Change 2007: Synthesis Report. Contribution of Working Groups I, II and III to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, İsviçre.
4. IPCC (2013). Sea Level Change. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change, Cambridge University Press, Cambridge, Birleşik Krallık ve New York.
5. Joseph, A. (2010). What is the difference between SNR and C/N0. InsideGNSS, 5(8), 20-25.
6. Larson, K. M., Small, E. E., Gutmann, E., Bilich, A., Axelrad, P., & Braun, J. (2008). Using GPS multipath to measure soil moisture fluctuations: initial results. GPS solutions, 12(3), 173-177.
7. Larson, K. M., Löfgren, J. S., & Haas, R. (2013a). Coastal sea level measurements using a single geodetic GPS receiver. Advances in Space Research, 51(8), 1301-1310.
8. Larson, K. M., Ray, R. D., Nievinski, F. G., & Freymueller, J. T. (2013b). The accidental tide gauge: a GPS reflection case study from Kachemak Bay, Alaska. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters, 10(5), 1200-1204.

9. Larson, K. M., & Nievinski, F. G. (2013). GPS snow sensing: results from the EarthScope Plate Boundary Observatory. GPS solutions, 17(1), 41-52.
10. Larson, K.M., Ray, R.D. & Williams, S.D.P. (2017). A 10-year comparison of water levels measured with a geodetic GPS receiver versus a conventional tide gauge. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 34: 295-307.
11. Lee, C. M., Kuo, C. Y., Sun, J., Tseng, T. P., Chen, K. H., Lan, W. H., Shum, C. K., Ali, T., Ching, K. E., Chu, P. & Jia, Y. (2019). Evaluation and improvement of coastal GNSS reflectometry sea level variations from existing GNSS stations in Taiwan. Advances in Space Research, 63(3), 1280-1288.
12. Li , F. (2018). Sea Surface Altimetry using GNSS-R (Lisans tezi). Universität Stuttgart, Geodäsie und Geoinformatik, Stuttgart, Almanya.
13. Löfgren, J. S., Haas, R., & Johansson, J. M. (2010). High-rate local sea level monitoring with a GNSS-based tide gauge. 2010 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, 3616-3619.
14. Löfgren, J. S., Haas, R., & Scherneck, H. G. (2011). Sea-Level analysis using 100 days of reflected GNSS signals. Proceedings of the 3rd International Colloquium-Scientific and Fundamental Aspects of the Galileo Programme, Copenhagen, Denmark (No. WPP 326).
15. Löfgren J. S. (2014). Local sea level observations using reflected GNSS signals (Doktora Tezi). Chalmers University of Technology, Department of Earth and Space Sciences, Gothenburg, İsveç.
16. Löfgren, J. S., Haas, R., & Scherneck, H. G. (2014). Sea level time series and ocean tide analysis from multipath signals at five GPS sites in different parts of the world. Journal of Geodynamics, 80, 66-80.
17. Martin-Neira, M. (1993). A passive reflectometry and interferometry system (PARIS): Application to ocean altimetry. ESA journal, 17(4), 331-355.
18. Roesler, C., & Larson, K. M. (2018). Software tools for GNSS interferometric reflectometry (GNSS-IR). GPS Solutions, 22(3), 80.
19. Santamaría-Gómez, A., Watson, C., Gravelle, M., King, M., & Wöppelmann, G. (2015). Levelling co-located GNSS and tide gauge stations using GNSS reflectometry. Journal of Geodesy, 89(3), 241-258.
20. Santamaría-Gómez, A., & Watson, C. (2017). Remote leveling of tide gauges using GNSS reflectometry: case study at Spring Bay, Australia. GPS solutions, 21(2), 451-459.
21. Selbesoğlu, M. O., Yavaşoğlu, H. H., Karabulut, M. F., Gülal, V. E., Karaman, H., & Kamaşak, M. E.(2019). Monitoring the water vapor, snow/ice and sea level changes in the Antarctica with GNSS Meteorology and GNSS Reflectometry Techniques. XXIX International Symposium On: “Modern Technologies, Education And Professional Practice In Geodesy And Related Fields”, 21.
22. Simav, M. (2012). Uydu ve model verilerine dayalı Akdeniz su kütlesi değişimleri (Doktora Tezi). İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.
23. Tunalıoğlu, N., Doğan, A. H., & Durdağ, U. M. (2019). GPS sinyal gürültü oranı verileri ile kar kalınlığının belirlenmesi. Jeodezi ve Jeoinformasyon Dergisi, 6(1),1-9.
24. Tüysüz, N. & Yaylalı Abanuz, G. (2012). Jeoistatistik: Kavramlar ve Bilgisayarlı Uygulamalar, s. 171, KTÜ Matbaası, Trabzon, Türkiye.
25. Vey, S., Güntner, A., Wickert, J., Blume, T., & Ramatschi, M. (2016). Long-term soil moisture dynamics derived from GNSS interferometric reflectometry: a case study for Sutherland, South Africa. GPS solutions, 20(4), 641-654.
26. Wan, W., Larson, K. M., Small, E. E., Chew, C. C., & Braun, J. J. (2015). Using geodetic GPS receivers to measure vegetation water content. GPS Solutions, 19(2), 237-248.
27. URL-1: https://www.star.nesdis.noaa.gov/socd/lsa/SeaLevelRise, (Erişim Tarihi : 31 Ağustos 2020).
28. URL-2: https://www.unavco.org/data/gps-gnss/data-access-methods/dai2/app/dai2.html, (Erişim Tarihi : 14 Şubat 2020).
29. URL-3: https://www.tusaga-aktif.gov.tr/, (Erişim Tarihi : 8 Haziran 2020).
30. URL-4: https://tudes.harita.gov.tr/, (Erişim Tarihi : 8 Haziran 2020).