Prof. dr hab. Aleksander Brzeziński Wydział Geodezji i Kartografii

Prof. dr hab. Aleksander Brzeziński
Wydział Geodezji i Kartografii Politechniki Warszawskiej
oraz
Centrum Badań Kosmicznych PAN w Warszawie
Warszawa, lipiec 2012 r.
OCENA
rozprawy habilitacyjnej pt. „Zastosowanie krótko-czasowych rozwiązań GPS do badania rezydualnych zmian deformacyjnych o charakterze dynamicznym w częstotliwościach pływowych” oraz dorobku naukowego dr. inŜ. Janusza Bogusza
Na rozprawę habilitacyjną dr. inŜ. Janusza Bogusza składa się jednotematyczny cykl 11. prac
opublikowanych w latach 2007-2012, z czego 10 to publikacje w języku angielskim w wydawnictwach o zasięgu międzynarodowym. Tylko pierwsza praca rozprawy jest jednoautorska, reszta to prace z udziałem kilku autorów, ale przy znaczącym wkładzie habilitanta (wg
załączonych deklaracji od 44% do 80%). Do rozprawy dołączona jest obszerna dokumentacja,
w tym autoreferat będący przeglądem całokształtu aktywności naukowej habilitanta po uzyskaniu przez niego doktoratu w roku 2000. Częścią autoreferatu jest przewodnik po publikacjach stanowiących rozprawę habilitacyjną.
Dr inŜ. Janusz Bogusz ukończył studia w 1995 r. na Wydziale Geodezji i Kartografii
Politechniki Warszawskiej, ze specjalnością geodezyjne pomiary podstawowe. W latach
1995-2000 był uczestnikiem studiów doktoranckich na Wydz. GiK PW. W roku 2000 Rada
Wydziału Geodezji i Kartografii PW nadała mu stopień naukowy doktora nauk technicznych
w zakresie geodezji i kartografii na podstawie rozprawy doktorskiej pt. „Badanie wpływu atmosfery na wyniki obserwacji grawimetrycznych pływów ziemskich”, napisanej pod kierunkiem prof. Tadeusza Chojnickiego z Centrum Badań Kosmicznych PAN. Po uzyskaniu doktoratu habilitant został zatrudniony na Wydziale GiK PW, w Instytucie Geodezji WyŜszej i
Astronomii Geodezyjnej (przekształconym później w Katedrę Geodezji i Astronomii Geodezyjnej). W roku 2008 dr Bogusz przeniósł się na Wojskową Akademię Techniczna, Wydział
InŜynierii Lądowej i Geodezji, gdzie jest do dziś zatrudniony w Zakładzie Geodezji na stanowisku adiunkta. Prowadził bądź prowadzi równieŜ zajęcia na Uczelni Warszawskiej im. Marii
Skłodowskiej-Curie oraz w Szkole WyŜszej im. Bogdana Jańskiego w Warszawie.
Obszar działalności naukowej dr. inŜ. Janusza Bogusza obejmuje zagadnienia związane
z geodynamiką, w szczególności badanie pływów Ziemi, analizy czasowo-częstotliwościowe
szeregów obserwacji geodezyjnych oraz interpretację występujących w nich oscylacji o charakterze okresowym. Jego dorobek naukowy po doktoracie obejmuje ok. 60 publikacji, z czego 11 zostało włączonych do rozprawy habilitacyjnej, oraz 16 prac opublikowanych w materiałach konferencyjnych. Ponadto jest autorem bądź współautorem ponad 30. ekspertyz i raportów naukowych. Wyniki swoich badań referował wielokrotnie na krajowych i międzynarodowych konferencjach naukowych, m.in. podczas Zgromadzeń Generalnych European
Geophysical Society (EGS) w Nicei (w latach 2000, 2001, 2002, 2003), European
Geosciences Union (EGU) w Nicei (2004), w Wiedniu (2005, 2006, 2007, 2008, 2009, 2010,
2011, 2012), Earth Tides Symposium w Mizusawie, Japonii (2000) i Jenie (2008), COSPAR
Scientific Assembly w Warszawie (2000), podczas Zgromadzenia Generalnego International
Union of Geodesy and Geophysics (IUGG) w Melbourne (2011), Czech-Polish Workshops
„On recent geodynamics of the Sudeten and adjacent areas” w Szklarskiej Porębie (2009),
Zamku Třešt’, Czechy (2010) i Jugowicach, Polska (2011).
1
Dr Janusz Bogusz był uczestnikiem ponad dwudziestu projektów badawczych, w tym
kierownikiem projektu własnego Ministerstwa Nauki i Informatyzacji (2005-2006) oraz kierownikiem dwóch projektów badawczych Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa WyŜszego
(2010-2012, 2012-2013). W latach 2000-2008 był wykonawcą w projekcie badawczym
„Udział Astrogeodezyjnego Obserwatorium Międzynarodowej SłuŜby IGS w Józefosławiu w
europejskich i globalnych programach badawczych” dofinansowywanym ze środków na
SPUB-y. Pełnił równieŜ rolę wykonawcy w dwóch duŜych projektach zamawianych oraz
trzech projektach badawczych MNiSW.
Na wysoką ocenę zasługuje aktywność dr. Janusza Bogusza w sferze organizacji nauki.
Jest członkiem organizacji naukowych krajowych – Stowarzyszenia Geodetów Polskich
(SGP) oraz Komisji ds. Młodej Kadry SGP, Sekcji Dynamiki Ziemi Komitetu Geodezji PAN,
Komisji Geodezji Satelitarnej Komitetu Badań Kosmicznych i Satelitarnych PAN, jak równieŜ międzynarodowych – Europejskiego Towarzystwa Geofizycznego (EGS), a później jego
następczyni Europejskiej Unii Nauk o Ziemi (EGU). Podczas kongresu IUGG w Melbourne w
2011 roku został wybrany na kadencję 2011-2015 współprzewodniczącym podkomisji 3.1
Międzynarodowej Asocjacji Geodezyjnej (IAG – International Association of Geodesy) – cochair of the Sub-Commission 3.1 „Earth Tides and Geodynamics” within the IAG
Commission 3 “Earth Rotation and Geodynamics”. Był takŜe zaangaŜowany w organizację
kilku konferencji pełniąc m.in. funkcję przewodniczącego komitetów organizacyjnych 3rd
European Permanent Network Workshop w Warszawie (2001) oraz seminarium „Studies of
the Earth Crust Deformation in Central Europe” w Józefosławiu (2008). JuŜ po złoŜeniu dokumentacji habilitacyjnej dr Janusz Bogusz podjął się trudnej misji zorganizowania w roku
2013 w Warszawie międzynarodowej konferencji dotyczącej tematyki komisji 3 IAG oraz jej
podkomisji - 3.1 „Earth Tides and Geodynamics”, 3.2 „Crustal Deformation”, 3.3 „Earth
Rotation and Geophysical Fluids”, 3.4 „Cryospheric Deformation”, 3.5 „Tectonics and
Earthquake Geodesy” i Global Geodynamics Project. Główną częścią konferencji będzie
sympozjum poświęcone tematyce pływowej, 17-th Earth Tides Symposium.
Dr Janusz Bogusz był kilkakrotnie nagradzany za osiągnięcia naukowe, Nagrodą Rektora Politechniki Warszawskiej (6 razy, w tym 2 razy za osiągnięcia indywidualne) oraz Nagrodą Rektora Wojskowej Akademii Technicznej.
Praca [1] rozprawy habilitacyjnej (będę tutaj stosował chronologiczną numerację prac
zastosowaną w załączonej dokumentacji, tzn. od [1] do [11]) wyróŜnia się w cyklu tym, Ŝe
jako jedyna jest jednoautorska oraz dotyczy wyłącznie tematyki pływowej. Habilitant badał w
niej wpływ czynników środowiskowych na pomiary pływów grawimetrycznych prowadzone
w Astronomiczno-Geodezyjnym Obserwatorium PW w Józefosławiu. Dokonał łącznej analizy obserwacji pływowych oraz pomiarów czynników zakłócających takich, jak zmiany ciśnienia atmosferycznego, temperatury, ilości opadów i wilgotności gruntu. W wyniku opracowania powstał najbardziej kompletny i wiarogodny model matematyczny grawimetrycznych
pływów na stacji Józefosław.
Pozostałe prace rozprawy są próbą wykorzystania doświadczenia w badaniu pomiarów
pływowych do analizy zmian współrzędnych stacji wyznaczonych z analiz obserwacji GNSS
(Global Navigation Satellite System) w reŜimie godzinnym. Jest to temat bardzo interesujący
ze względu na nagromadzenie w obserwacjach GNSS róŜnego rodzaju efektów w zakresie
częstotliwości dobowych i subdobowych. Są to zarówno sygnały fizyczne – rezydualne deformacje pływowe wynikające z niedoskonałości modelu a priori, przemieszczenia związane z
dobowym cyklem termicznym, jak równieŜ błędy systematyczne związane m.in. z półdobowym okresem orbitalnym satelitów GPS (Global Positioning System). Lepsze poznanie struktury tych sygnałów oraz ulepszanie ich modeli jest bardzo waŜne m.in. w kontekście realizacji
globalnych ziemskich układów odniesienia.
2
Wstępna analiza danych GPS opracowanych w 4-godzinnych oknach czasowych przesuwanych z krokiem godzinnym, opisana w pracy [2], wykazała istnienie rezydualnych oscylacji w zakresie częstotliwości dobowych i półdobowych. Oscylacje te występują zarówno w
składowej pionowej, jak i w składowych poziomych. Ich amplitudy, będące na poziomie kilku
milimetrów, róŜnią się nieco dla poszczególnych stacji oraz podlegają wahaniom sezonowym.
W pracy [3] zawęŜono okno czasowe analizy danych do trzech godzin pokazując jednocześnie, Ŝe jest to nieprzekraczalna dolna granica szerokości okna. Jest to pierwsza praca rozprawy, w której przedmiotem analizy były dane satelitarne z polskiej aktywnej sieci geodezyjnej ASG-EUPOS.
Praca [4] opisuje próbę weryfikacji modelu pływu Ziemi stałej IERS2003, zastosowanego w programie Bernese. Wykorzystano zaproponowany w pracy [1] model matematyczny
opisujący reakcję Ziemi lepko-spręŜystej na działanie sił pływowych dla obszaru Polski.
Otrzymano rezydualne amplitudy na poziomie kilku milimetrów, przy czym ich odchylenia
standardowe wskazują na wiarogodność wyznaczeń.
W kolejnej publikacji [5] wyznaczono mapy rozkładu amplitud składowych dobowej i
półdobowej we współrzędnej pionowej stacji, policzone dla ponad 130 stacji ASG-EUPOS.
Analiza Fouriera wykazała maksimum energii w częstotliwościach K1 i K2, co było podstawą
wniosku, Ŝe wyznaczone zmiany mogą być artefaktami związanymi z systemem GPS.
W pracy [6] zastosowano analizę falkową (wavelet analysis) do badania zmian czasowych amplitud fal dobowych i półdobowych we współrzędnych stacji ASG-EUPOS. Wyniki
analizy były podstawą podziału sieci na stacje stabilne i niestabilne. Badano równieŜ jaki
wpływ na obserwowane zmiany mogą mieć czynniki zewnętrzne (np. anomalie pogodowe)
oraz sposób montaŜu anteny.
Publikacja [7] stanowi początek badań nad zagadnieniem stabilności zmian współrzędnych geodezyjnych punktów sieci ASG-EUPOS w kontekście realizacji systemu ETRS89.
RozwaŜano w niej m.in.. moŜliwość korelacji między niezamodelowanymi zmianami krótkookresowymi a wyznaczanymi zmianami długookresowymi, włączając trend i wyrazy sezonowe. Nowym elementem było porównanie wyznaczeń współrzędnych w niezaleŜnych systemach nawigacyjnych GPS i GLONASS.
W kolejnej publikacji [8] analizowano współrzędne ponad 130 stacji sieci ASG-EUPOS
w celu wyznaczenia rezydualnych amplitud i faz dobowych i półdobowych harmonik pływowych. Stwierdzono, Ŝe konwencjonalne modele pływu Ziemi stałej (IERS2003) oraz pośredniego efektu pływu oceanicznego (model FES2004) redukują amplitudy oscylacji do poziomu
poniŜej 1 mm, za wyjątkiem składowych S1, S2 oraz K1, K2.
Praca [9] poświęcona była badaniu właściwości statystycznych rezyduów obserwacyjnych dla stacji sieci ASG-EUPOS. Stwierdzono, Ŝe mają one strukturę szumu kolorowego.
Generalnie wyŜszy poziom szumu stwierdzono w danych ze stacji z południowych i wschodnich rejonów Polski.
Ostanie dwie prace cyklu [10, 11] są poświęcone badaniu parametrów rezydualnych
składowych harmonicznych o częstotliwościach S1, S2 oraz K1, K2, wyodrębnionych ze
zmian współrzędnych stacji sieci ASG-EUPOS. WaŜnym wnioskiem jest stwierdzenie spójnego charakteru rozkładu parametrów oscylacji S1 na obszarze Polski, co potwierdza hipotezę
o jej pochodzeniu termicznym. Z kolei rozkład powierzchniowy amplitud i przesunięć fazowych oscylacji o częstotliwościach K1 i K2 ma charakter przypadkowy, wskazujący Ŝe mogą
to być artefakty. Potencjalnym ich źródłem są szczątkowe efekty orbitalne, okres obiegu satelitów GPS, nie do końca zamodelowane wpływy troposfery oraz efekt wielodroŜności sygnału.
A oto moje uwagi krytyczne dotyczące rozprawy, które dotyczą w zasadzie wyłącznie
problemów warsztatowych.
3
1. Habilitant stosuje do analizy szeregów czasowych współrzędnych stacji programy opracowane pod kątem analizy parametrów pływowych, np. metodę Tadeusza Chojnickiego,
czy program ETERNA autorstwa Hansa-Georga Wenzla. W sytuacji, kiedy z góry wiadomo Ŝe sygnały pływowe stanowią tylko część obserwowanych zmian współrzędnych, jest
to w moim przekonaniu nieuprawnione. W wymienionych algorytmach narzucone są pewne warunki wynikające ze specyfiki sygnału pływowego, które czynią przyjęty algorytm
nieadekwatnym do analizy innych zmian (fala termiczna S1, przewyŜszająca o jeden rząd
wielkości odpowiadającą falę grawitacyjną, sztuczne harmoniki wynikające z wielodroŜności sygnału GPS, czy teŜ związane z cyklem orbitalnym satelitów GPS o okresie ½ doby
gwiazdowej). Przykładem takich warunków jest załoŜenie (opisane np. w pracy [10]), Ŝe w
obrębie pojedynczej grupy częstotliwości pływowych współczynnik wzmocnienia amplitudy oraz przesunięcie fazowe przyjmują stałą wartość. Jeśli którakolwiek harmonika z
danej grupy wyraŜa w istotnej części efekt niepływowy, otrzymane z analizy oszacowanie
parametrów będzie błędne dla całej grupy. W konkluzji chciałbym zasugerować, by analizy harmoniczne obserwowanych zmian współrzędnych stacji wykonywać klasyczną metodą najmniejszych kwadratów. Wykorzystanie oprogramowania pływowego powinno być
poprzedzone jego gruntownymi modyfikacjami mającymi na celu usunięcie załoŜeń, które
są nieadekwatne do opracowywanych obserwacji.
2. Opisane w kilku pracach rozprawy analizy widmowe parametrów obserwacyjnych wykonywane były przy pomocy metody FFT (Fast Fourier Transform). Zaletą algorytmu FFT
jest duŜa szybkość i niewielkie wymogi dotyczące mocy komputera, natomiast wadą jest
konieczność rezygnacji z części danych, bądź uzupełnienie ich do ilości będącej potęgą
liczby 2 zerami, co prowadzi do deformacji estymowanego widma. Wymieniona zaleta
FFT straciła w znacznej mierze swoje znaczenie w sytuacji, kiedy „zaawansowanie techniczne sprzętu oraz moc obliczeniowa komputerów są niemalŜe nieograniczone” (cytat z
autoreferatu dr. J. Bogusza), natomiast jej wada moŜe być bardzo waŜna przy badaniu subtelnych efektów. W przypadku równoodległych danych moŜna zastosować do estymacji
widma klasyczną analizę Fouriera bądź metody parametryczne (np. model autoregresji z
kryterium największej entropii), w przypadku danych nierównoodległych, bądź z przerwami jak te na rysunkach 17-19 pracy [11], analizę Fouriera z wykorzystaniem metody
najmniejszych kwadratów.
3. W pracach składających się na rozprawę moŜna znaleźć szereg uproszczeń interpretacyjnych, z których opiszę poniŜej dwa. Pierwsze dotyczy wniosku z publikacji [4] mówiącego, Ŝe „duŜą rozbieŜnością i odchyleniem standardowym charakteryzują się zmiany fazy,
aczkolwiek tylko dla fal, których amplituda jest bliska zeru”. I dalej efekt ten jest tłumaczony następująco „gdy dla danej fali amplituda jest równa zeru, to mówimy o tzw. punkcie amfidromicznym, w którym faza jest niemoŜliwa do określenia”. Mamy tu do czynienia z prostym efektem matematycznym. Jeśli estymowana harmonika ma amplitudę bliską
zeru (w porównaniu z błędem jej wyznaczenia), wówczas jej faza jest słabo określona.
Skutkuje to tym, Ŝe błąd wyznaczenia fazy jest duŜy; w skrajnym przypadku moŜe on być
równy 2π, czyli faza jest w pełni nieokreślona. Uciekanie się do wyjaśnienia poprzez
punkty amfidromiczne jest niepotrzebne, a przy tym błędne, poniewaŜ te ostatnie pojawiają się jedynie w modelowaniu pływów morskich. Drugim przykładem, wziętym z pracy
[11], jest kojarzenie wyznaczonego metodą FFT okresu ok. 350 dni z tzw. „draconitic
year” wynoszącym 351.4 dni. Autorzy pracy czynią to z duŜą ostroŜnością, niemniej sama
myśl, Ŝe przy rozdzielczości widma FFT wynoszącej 0.333 cpy (cycles per year) moŜliwe
jest rozróŜnienie składowych harmonicznych o częstotliwościach róŜniących się o zaledwie 0.039 cpy (roczną 1.000 cpy i „draconitic” 1.039 cpy) jest zaskakująca i wskazuje na
brak doświadczenia w wykonywaniu analiz widmowych.
4
4. Mam pewne zastrzeŜenia co do terminologii uŜywanej w autoreferacie oraz publikacji [4].
W tytule rozprawy uŜyte jest określenie „krótko-czasowych rozwiązań GPS”. Znaczenie
zbitki słownej „krótko-czasowy” jest niejasne, dopóki nie zdefiniujemy referencyjnego interwału czasu. Zastąpienie „krótko-czasowych” przez „godzinnych” bądź „subdobowych”
uczyniłoby tytuł rozprawy znacznie bardziej jednoznacznym. RównieŜ uŜyte w tytule
określenie „zmian deformacyjnych o charakterze dynamicznym” zawiera pewne zdudnienie informacji. UŜywane w publikacji [4] określenie „model pływowy” powinno być zastąpione przez „model pływu Ziemi stałej”, które byłoby zgodne z równolegle uŜywanym
określeniem „model pływu oceanicznego”, jak równieŜ z terminologią w języku angielskim „solid Earth tide” oraz „ocean tide”.
5. Ostatnia uwaga dotyczy określenia procentowego udziału w przygotowaniu publikacji.
Według ogólnie przyjętych reguł, w pracach wieloautorskich wypisuje się autorów w kolejności ich wkładu w przygotowanie pracy, bądź alfabetycznie, jeśli ich udział jest taki
sam. Zaskakujące jest zatem, Ŝe habilitant zgodził się być drugim autorem w pracach, w
których jego udział jest największy (praca [2] – 45%, przy 35% pierwszego autora) lub
wręcz dominujący (praca [3] – 60%, przy zaledwie 20% pierwszego autora!).
Przedstawione wyŜej uwagi krytyczne dotyczące rozprawy habilitacyjnej nie zmieniają
faktu, Ŝe jako całość oceniam ją pozytywnie. Mam nadzieję, Ŝe habilitant zechce skorzystać z
moich uwag i wskazówek w przypadku kontynuacji omawianych badań.
Podsumowując oceniam, Ŝe dr inŜ. Janusz Bogusz ma znaczący dorobek naukowy, a
wyniki zaprezentowane w rozprawie habilitacyjnej stanowią istotny wkład do rozwoju prac
dotyczących interpretacji subdobowych rozwiązań GPS pod kątem zastosowań geodynamicznych. W związku z powyŜszym stwierdzam, Ŝe spełnione są ustawowe (Ustawa z dnia 14
marca 2003 r. z późniejszymi zmianami i uzupełnieniami) i zwyczajowe wymagania stawiane
kandydatom do stopnia doktora habilitowanego i przedkładam wniosek o dopuszczenie
dr. inŜ. Janusza Bogusza do dalszych etapów przewodu habilitacyjnego.
Aleksander Brzeziński
5