Warszawa, 16 lipca 2002 r

Warszawa, 4 sierpnia 2014 r.
prof. dr hab. Jan Kryński
Instytut Geodezji i Kartografii
Warszawa
Recenzja
rozprawy doktorskiej mgr inż. Marcina Rajnera
pt. „Wyznaczanie atmosferycznych poprawek grawimetrycznych
na podstawie numerycznych modeli pogody”
1. Ocena doboru tematu, celu i zakresu pracy
Temat rozprawy doktorskiej mgr inż. Marcina Rajnera dotyczy zagadnień
związanych z badaniem wpływu zmian zachodzących w atmosferze ziemskiej
na wartości wyznaczanego przyspieszenia siły ciężkości. Potrzeba prowadzenia badań
efektów atmosferycznych w pomiarach grawimetrycznych jest naturalną konsekwencją
rozwoju technologicznego, który z jednej strony przyniósł w ostatnim dwudziestoleciu
znaczny wzrost precyzji instrumentów służących do pomiarów grawimetrycznych,
z drugiej zaś umożliwił tworzenie numerycznych modeli pogody. Zarówno współczesne
grawimetry absolutne, jak i grawimetry względne umożliwiają obecnie pomiar
przyspieszenia siły ciężkości na poziomie dokładności dochodzącym do 1 μGal.
Dokładność pomiaru przyspieszenia siły ciężkości grawimetrem nadprzewodnikowym
jest o dwa rzędy wyższa; szacuje się ją na 0.01 μGal. Uzyskanie takich dokładności
wiąże się z koniecznością dokładniejszego modelowania obserwacji grawimetrycznych,
co z kolei wymaga uwzględnienia w modelu efektów uważanych w przeszłości
za zaniedbywalnie małe. Obok pływów ziemskich, których efekt na pomiar
przyspieszenia siły ciężkości uznawany jest często za wystarczająco dobrze
wymodelowany, źródłem zakłóceń pomiarów grawimetrycznych o wartościach
znacznie przekraczających wartości zmiennych zjawisk geofizycznych jest atmosfera
ziemska.
Doskonalenie
wyselekcjonowanie
z
modelowania
obserwacji
efektu
atmosferycznego
grawimetrycznych
pełniejszego
umożliwia
sygnału
geodynamicznego.
Celem rozprawy było dokonanie analizy różnych metod modelowania efektów
atmosferycznych oraz wskazanie najlepszego rozwiązania do obliczania odpowiednich
poprawek do obserwacji grawimetrycznych. Rozdział zatytułowany „Wstęp
1
i motywacja” zawiera zwięzłe wprowadzenie wyjaśniające przyczyny podjęcia badań,
opis badanego zjawiska, omówienie istotności poprawek atmosferycznych w pomiarach
grawimetrycznych, a następnie sformułowaną tezę i cel rozprawy. We wprowadzeniu
wyróżniono dwa główne elementy wpływu atmosfery na przyspieszenie siły ciężkości,
a mianowicie efekt grawitacyjny oraz efekt deformacyjny. W rozdziale 1 przedstawiono
klasyczne sposoby wyznaczania poprawki atmosferycznej wykorzystujące wartości
ciśnienia atmosferycznego zarejestrowane na stacji grawimetrycznej. Przeprowadzono
także dyskusję nad metodami modelowania współczynnika wpływu atmosfery na
pomiary przyspieszenia siły ciężkości na podstawie pomiarów grawimetrycznych
i
ciśnienia
atmosferycznego.
W
metodach
tych,
zaszeregowanych
do jednowymiarowych (1D) metod modelowania, wpływ atmosfery na przyspieszenie
siły ciężkości wyznaczany jest w postaci współczynnika na podstawie lokalnych
wartości ciśnienia atmosferycznego. W rozdziale 2 podano zwięzłą charakterystykę
numerycznych modeli pogody oraz wskazano możliwości wykorzystania ich
do obliczania poprawek atmosferycznych do obserwowanych wartości przyspieszenia
siły ciężkości. Rozdział 3 zawiera opis zjawiska deformacji skorupy ziemskiej pod
wpływem ciśnienia atmosferycznego i związanych z nimi zmian przyspieszenia siły
ciężkości, jego matematyczny model przy wykorzystaniu funkcji Greena oraz analizę
wpływu różnych czynników na jego wartości. Omówiono w nim również możliwość
wykorzystania lokalnych wartości ciśnienia atmosferycznego do obliczenia efektu
deformacyjnego. Zasadnicza część rozprawy dotyczy dyskusji nad dwuwymiarowymi
(2D) i trójwymiarowymi (3D) metodami modelowania efektu grawitacyjnego
na zmiany przyspieszenia siły ciężkości. Rozdział 4 poświęcono modelowaniu 2D
efektu
grawitacyjnego
na podstawie
powierzchniowych
wartości
parametrów
meteorologicznych. W rozdziale 5 przedstawiono modelowani 3D tego efektu
na podstawie przestrzennego rozkładu parametrów meteorologicznych. Wyniki
porównania różnych metod obliczania poprawki atmosferycznej zawarto w rozdziale 6.
W rozdziale tym przeprowadzono także analizę residuów obserwacji wykonanych
grawimetrami nadprzewodnikowymi na stacjach sieci GGP w aspekcie wykazania
znaczenia dokładnego modelowania poprawek grawimetrycznych. W oddzielnym
rozdziale zawarto podsumowanie przeprowadzonych badań i sformułowano wnioski.
Spis literatury zawiera 81 pozycji literaturowych, niemal w całości w języku
angielskim, oraz 7 adresów internetowych. Informacje uzupełniające podano
w 5 załącznikach.
2
2. Ocena zasadniczej tezy rozprawy i jej oryginalności
Teza rozprawy doktorskiej mgr inż. Marcina Rajnera została sformułowana
następująco. „Uwzględnienie fizycznego charakteru wpływu atmosfery w obliczeniach
atmosferycznych poprawek grawimetrycznych pozwala na pełniejszy opis tego zjawiska
oraz jego dokładniejsze modelowanie. Stosowanie zaawansowanych metod redukcji
w precyzyjnych pomiarach grawimetrycznych przyczynia się do lepszej interpretacji
wyników w kontekście badań geofizycznych i geodynamicznych.” Poprawność
i intuicyjna słuszność postawionej tezy nie budzi wątpliwości. Teza rozprawy posiada
również niezaprzeczalne cechy oryginalności. Brak było dotychczas w literaturze
kompleksowych i wyczerpujących opracowań, które można by uznać za jednoznacznie
weryfikujące tezę recenzowanej rozprawy. W celu weryfikacji postawionej tezy Autor
rozprawy wykonał obliczenia przy użyciu utworzonych przez siebie algorytmów
pozwalających
na
modelowanie
efektów
atmosferycznych
z
uwzględnieniem
fizycznego charakteru tego zjawiska, a następnie przeprowadził wnikliwą analizę
uzyskanych wyników.
3. Ocena rozwiązania i użytych metod
Weryfikację tezy postawionej w rozprawie Autor poprzedził kompleksowymi
badaniami, które przeprowadził z dużą skrupulatnością. Mgr inż. Marcin Rajner
zręcznie wykorzystał narzędzia badawcze, z którymi spotkał się w literaturze, co więcej,
rozwinął je i rozszerzył, a część algorytmów znanych z literatury zmodyfikował.
W szczególności za cenne należy uznać analizy wpływu poszczególnych zjawisk
na wyznaczane wartości efektu atmosferycznego. Do oryginalnych należy zaliczyć
rozważania dotyczące wykorzystania danych z numerycznych modeli pogody
do
wyznaczania
atmosferycznych
poprawek
grawimetrycznych.
Oryginalnym
osiągnięciem Autora jest również zbadanie wpływu modelu topografii terenu, w tym
wysokorozdzielczego modelu ETOPO1, użytego w numerycznych modelach pogody,
na wyznaczenie zmiany przyspieszenia siły ciężkości przy użyciu tych modeli. Dużo
uwagi poświęcił Autor zagadnieniom związanym z funkcjami Greena i ich
wykorzystaniem.
Do
obliczania
efektu
grawitacyjnego
zostały
policzone
i stabelaryzowane wartości funkcji Greena. Podjęta została także próba wykorzystania
lokalnych i chwilowych funkcji Greena do obliczania efektu atmosferycznego.
Wynikiem praktycznym przeprowadzonych badań jest program obliczeniowy
3
umożliwiający obliczanie wpływu atmosfery na przyspieszenie siły ciężkości przy
wykorzystaniu numerycznych modeli atmosfery. Przewidując trudności związane
z użyciem tego programu mgr inż. Marcin Rajner opracował i udostępnił serwis
internetowy, nadający się dodatkowo do wykonywania własnych analiz efektu
atmosferycznego. W podsumowaniu Autor rozprawy słusznie stwierdził, że
w przypadku interpretacji długookresowych zmian przyspieszenia siły ciężkości
wskazane jest użycie zaawansowanych metod obliczania efektu atmosferycznego,
w szczególności korzystając z trójwymiarowego numerycznego modelu pogody.
4. Ocena wiedzy Autora zaprezentowanej w pracy
Mgr inż. Marcin Rajner wykazał się dogłębną znajomością obszernej
problematyki związanej z tematem jego rozprawy doktorskiej. Jego wiedza w zakresie
grawimetrii, geodezji fizycznej i teorii opracowania danych geodezyjnych w połączeniu
ze
znajomością
wybranych
aspektów
fizyki
atmosfery
oraz
umiejętnością
programowania w języku Fortran zaowocowały w postaci opracowanego przez niego
oryginalnego oprogramowania do obliczania wpływu atmosfery na obserwacje
przyspieszenia siły ciężkości, a następnie udostępnienia go w postaci serwisu
internetowego. Wybór kryteriów użytych w określeniu eksperymentów obliczeniowych
oraz trafność interpretacji uzyskanych wyników świadczą o umiejętności prowadzenia
prac badawczych przez Autora.
5. Ocena umiejętności prezentowania wyników badań własnych oraz stanu wiedzy
W rozprawie doktorskiej mgr inż. Marcin Rajner w logiczny i konsekwentny
sposób zaprezentował tezy i wyniki przeprowadzonych badań w nawiązaniu
do wyników literaturowych. Fragmenty opisowe zamieszczone w rozprawie zostały
właściwie dobrane i bardzo dobrze wkomponowują się w całość rozprawy. Wyniki
przeprowadzonych eksperymentów numerycznych zostały zilustrowane graficznie oraz
poddane wyczerpującej dyskusji. O umiejętności Autora w zakresie prezentowania
wyników badań własnych oraz stanu wiedzy świadczy także struktura i przyjęty układ
logiczny rozprawy.
Wyczerpujące wprowadzenie zostało przedstawione w rozdziale zatytułowanym
„Wstęp i motywacja”. Wyjaśniono w nim przyczyny podjęcia badań, istotność
poprawek atmosferycznych w pomiarach grawimetrycznych, a następnie podano
zwięzły opis badanego zjawiska i sformułowano tezę i cel rozprawy. We wprowadzeniu
4
wyróżniono dwa główne elementy wpływu atmosfery na przyspieszenie siły ciężkości,
a mianowicie efekt grawitacyjny oraz efekt deformacyjny. Pierwsza część
prezentowanych prac badawczych dotyczy krytycznej analizy klasycznych metod
modelowania współczynnika wpływu atmosfery. W metodach tych, zaszeregowanych
do jednowymiarowych metod modelowania, wpływ atmosfery na przyspieszenie siły
ciężkości wyznaczany jest w postaci współczynnika na podstawie lokalnych wartości
ciśnienia atmosferycznego. Dyskusję nad dwuwymiarową i trójwymiarową metodą
modelowania efektu grawitacyjnego poprzedzono oddzielnym rozdziałem zwierającym
podstawowe informacje o numerycznych modelach pogody wraz z ich charakterystyką.
Kolejny rozdział poświęcono modelowania efektu deformacyjnego. Podano w nim opis
zjawiska, jego matematyczny model przy wykorzystaniu funkcji Greena, a następnie
przeanalizowano wpływ różnych czynników na jego wartości. Przebadano również
możliwość wykorzystania lokalnych wartości ciśnienia atmosferycznego do obliczenia
efektu deformacyjnego. W metodzie modelowania efektu grawitacyjnego określonej
w rozprawie jako dwuwymiarowa wykorzystywane są powierzchniowe rozkłady
ciśnienia atmosferycznego. Analiza wyników modelowania efektu grawitacyjnego przy
użyciu tych metod skupiła się na zagadnieniu wyznaczenia funkcji Greena,
ze szczególnym uwzględnieniem funkcji lokalnych i chwilowych, określeniu wpływu
różnych czynników na wartości efektu grawitacyjnego, a także na możliwości
wykorzystania lokalnych wartości ciśnienia atmosferycznego do obliczenia efektu
grawitacyjnego. Trójwymiarowa metoda modelowania efektu grawitacyjnego opiera się
na numerycznych modelach pogody. W analizie wyników modelowania poświęcono
szczególną uwagę ocenie wpływów parametrów obliczeniowych na wyznaczany efekt
grawitacyjny. W końcowej fazie rozprawy dokonano analizy porównawczej badanych
metod obliczania poprawki atmosferycznej. Wynika z niej, że najlepszą metodą
obliczania atmosferycznych poprawek grawimetrycznych, jaką należy zalecać
do stosowania jest metoda wykorzystująca numeryczny model pogody. Stwierdzenie to
Autor następnie weryfikuje korzystając z szeregów obserwacji grawimetrami
nadprzewodnikowymi na stacjach sieci GGP.
Mgr inż. Marcin Rajner wykazał się znajomością literatury w czasopismach
o obiegu międzynarodowym w zakresie tematyki objętej rozprawą. Wykazał się on
również umiejętnością korzystania z literatury naukowej.
Rozprawa doktorska mgr inż. Marcina Rajnera została wydrukowana
w eleganckiej postaci graficznej z zachowaniem jednolitej formy edytorskiej. Autor
5
wyraźnie starał się zachować jednolitość w prezentacji rysunków. W niektórych
wypadkach, np. rysunki 3.3, 4.1, obniżyło to jednak znacząco ich czytelność.
6. Uwagi krytyczne i dyskusyjne
Istotnym elementem rozprawy są analizy oparte na porównaniu współczynników
czy poprawek wyznaczanych różnymi metodami. Uwzględnienie w nich błędów
(niepewności) porównywanych wartości zwiększyłoby wiarygodność wniosków
wyciągniętych z analiz.
Zamieszczenie zestawienia użytych symboli ułatwiłoby korzystanie z rozprawy,
a jednocześnie pomogłoby autorowi uniknąć wieloznaczności, np. symbol α w (1.1)
oznacza
współczynnik
proporcjonalności
pomiędzy
zmianami
ciśnienia
atmosferycznego i przyspieszenia siły ciężkości, w (4.7) oznacza kąt zenitalny,
a w (4.15) - azymut. Z kolei w (5.2) i (5.3) azymut oznaczono symbolem A.
Wystąpił pewien brak konsekwencji w stosowaniu jednostek. W większości
przypadków przyspieszenie siły ciężkości wyrażono zgodnie z powszechnie przyjętym
zwyczajem w mikrogalach (μGal). Jednak w niektórych fragmentach rozprawy
naprzemiennie z mikrogalami stosowane są nm/s 2, co wyraźnie utrudnia śledzenie
wywodów Autora. Podobna uwaga dotyczy jednostek ciśnienia; obok hektopaskali
używane są również milibary.
W rozdziale „Podsumowanie i wnioski” we fragmencie poświęconym wynikom
Autor skoncentrował się wyłącznie na wyniku uzasadniającym słuszność tezy
postawionej w rozprawie. Nie znalazło się w nim wiele istotnych wniosków
wynikających z przeprowadzonych analiz. Aczkolwiek można je odnaleźć
w
poszczególnych
fragmentach
rozprawy,
ich
zwięzłe
przedstawienie
w podsumowującym rozdziale ułatwiłoby korzystanie z rozprawy.
7. Uwagi szczegółowe
Mimo skrupulatnego opracowania edytorskiego rozprawy pozostały w niej
nieliczne niepoprawne wyrażenia, nieścisłości oraz pomyłki, które należałoby usunąć
w wypadku przeznaczenia fragmentów rozprawy do publikacji. A oto kilka przykładów.
W streszczeniu zamiast „wartość siły ciężkości” powinno być „wartość
przyspieszenia siły ciężkości”.
W rozprawie często używane jest określenie „współczynnik wpływu atmosfery”
bez podania obiektu wpływu. Właściwe byłoby albo używanie pełnej nazwy,
6
np. „współczynnik wpływu atmosfery na zmiany przyspieszenia siły ciężkości” albo
używanie stosownego symbolu.
Wzór (1.12) na str. 28 zacytowany z publikacji (Warburton i Goodkind, 1977)
podano w postaci uproszczonej. Wzmianka o uproszczeniu powinna się znaleźć
w tekście.
Nieprawdziwe jest zdanie na str. 31: „Przedstawiona na rysunku 1.6 koherencja
rezydualnych obserwacji grawimetrycznych i zmian przyspieszenia siły ciężkości
prowadzi do istotnych dla rozprawy wniosków”. Powinno ono brzmieć: „Przedstawiona
na rysunku 1.6 koherencja rezydualnych zmian przyspieszenia siły ciężkości i zmian
ciśnienia atmosferycznego prowadzi do istotnych dla rozprawy wniosków” (patrz
podpis pod rysunkiem 1.6.).
Fragment podpisu pod rysunkiem 1.13 na str. 37: „Korelacja zmian siły
rezydualnych wartości siły ciężkości ze zmianami ciśnienia atmosferycznego…”
powinien brzmieć; „Korelacja zmian rezydualnych wartości siły ciężkości ze zmianami
ciśnienia atmosferycznego…”.
Fragment pierwszego zdania ostatniego akapitu na str. 42: „… niepewność
przyspieszenia siły ciężkości rzędu jednego mikrogala.” należałoby zastąpić
fragmentem „… niepewność przyspieszenia siły ciężkości na poziomie jednego
mikrogala.”
Odniesieniem do wzoru (3.3) na str. 46 powinna być publikacja (Longman, 1963)
wcześniejsza od zacytowanej (Farrell, 1972).
W pierwszym zdaniu pierwszego akapitu podrozdziału 3.2.1 na str. 47 wyrażenie
„w postaci funkcji harmonicznych sferycznych” należy zastąpić wyrażeniem „w postaci
sferycznych funkcji harmonicznych”.
Użyty we wzorze (3.9) parametr go został określony jako „średnie przyspieszenie
siły ciężkości Ziemi”. Nie jest to jednoznaczne określenie.
We wzorach (4.2) i (4.4) na str. 60 zamiast symboli γ i gn oznaczających zmiany
przyspieszenia siły ciężkości powinno się użyć odpowiednio Δγ i Δgn lub δγ i δgn.
We wzorach (4.5) na str. 61, (4.9) na str. 63 i (4.16) na str. 68 w ostatnim
składniku wyrażenia w mianowniku (Rz + z) pominięto wykładnik potęgi 2.
Ostatnie zdanie akapitu w podrozdziale „Model temperatury atmosfery” na str. 65
„Rząd 0,2 μGal jest poniżej rozdzielczości współczesnej grawimetrii, ale jest na tyle
istotny, że należy mieć go na uwadze w kontekście dalszej poprawy osiąganych
7
dokładności pomiarów grawimetrycznych” nie tylko jest niepoprawnie sformułowane
ale również nie jest w pełni prawdziwe.
Zamieszczone powyżej uwagi krytyczne i szczegółowe nie zmniejszają wartości
recenzowanej rozprawy.
8. Konkluzja
Rekapitulując swoje uwagi stwierdzam, że mgr inż. Marcin Rajner wykazał
umiejętność stawiania i rozwiązywania problemów naukowych, wykazał przy tym
bardzo dobrą znajomość przedmiotowej literatury krajowej i zagranicznej, doskonałe
opanowanie warsztatu badawczego i umiejętność poprawnego wnioskowania, a także
prezentacji uzyskanych wyników. Stwierdzam, że przedłożona mi do oceny rozprawa
spełnia warunki określone w art. 13 ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach
naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki (Dz. U.
z 2003 r. nr 65 poz. 595 z późn. zm.). Wnioskuję zatem o dopuszczenie
mgr inż. Marcina Rajnera do publicznej obrony.
Jednocześnie wyrażam opinię iż rozprawa posiada wszelkie cechy kwalifikujące
ją do wyróżnienia. Wnioskuje zatem o wyróżnienie rozprawy.
Jan Kryński
8