TY - JOUR A1 - Tu, Rui A1 - Wang, Rongjiang A1 - Walter, Thomas R. A1 - Diao, FaQi T1 - Adaptive recognition and correction of baseline shifts from collocated GPS and accelerometer using two phases Kalman filter JF - Advances in space research N2 - The real-time recognition and precise correction of baseline shifts in strong-motion records is a critical issue for GPS and accelerometer combined processing. This paper proposes a method to adaptively recognize and correct baseline shifts in strong-motion records by utilizing GPS measurements using two phases Kalman filter. By defining four kinds of learning statistics and criteria, the time series of estimated baseline shifts can be divided into four time intervals: initialization, static, transient and permanent. During the time interval in which the transient baseline shift is recognized, the dynamic noise of the Kalman filter system and the length of the baseline shifts estimation window are adaptively adjusted to yield a robust integration solution. The validations from an experimental and real datasets show that acceleration baseline shifts can be precisely recognized and corrected, thus, the combined system adaptively adjusted the estimation strategy to get a more robust solution. (C) 2014 COSPAR. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved. KW - GPS KW - Strong-motion KW - Baseline shift KW - Kalman filter KW - Integration Y1 - 2014 U6 - https://doi.org/10.1016/j.asr.2014.07.008 SN - 0273-1177 SN - 1879-1948 VL - 54 IS - 9 SP - 1924 EP - 1932 PB - Elsevier CY - Oxford ER - TY - JOUR A1 - Socquet, Anne A1 - Valdes, Jesus Pina A1 - Jara, Jorge A1 - Cotton, Fabrice Pierre A1 - Walpersdorf, Andrea A1 - Cotte, Nathalie A1 - von Specht, Sebastian A1 - Ortega-Culaciati, Francisco A1 - Carrizo, Daniel A1 - Norabuena, Edmundo T1 - An 8month slow slip event triggers progressive nucleation of the 2014 Chile megathrust JF - Geophysical research letters N2 - The mechanisms leading to large earthquakes are poorly understood and documented. Here we characterize the long-term precursory phase of the 1 April 2014 M(w)8.1 North Chile megathrust. We show that a group of coastal GPS stations accelerated westward 8months before the main shock, corresponding to a M(w)6.5 slow slip event on the subduction interface, 80% of which was aseismic. Concurrent interface foreshocks underwent a diminution of their radiation at high frequency, as shown by the temporal evolution of Fourier spectra and residuals with respect to ground motions predicted by recent subduction models. Such ground motions change suggests that in response to the slow sliding of the subduction interface, seismic ruptures are progressively becoming smoother and/or slower. The gradual propagation of seismic ruptures beyond seismic asperities into surrounding metastable areas could explain these observations and might be the precursory mechanism eventually leading to the main shock. KW - seismology KW - GPS KW - subduction KW - precursor Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1002/2017GL073023 SN - 0094-8276 SN - 1944-8007 VL - 44 SP - 4046 EP - 4053 PB - American Geophysical Union CY - Washington ER - TY - JOUR A1 - Moreno, Marcelo Spegiorin A1 - Melnick, Daniel A1 - Rosenau, M. A1 - Báez, Juan Carlos A1 - Klotz, Jan A1 - Oncken, Onno A1 - Tassara, Andres A1 - Chen, J. A1 - Bataille, Klaus A1 - Bevis, M. A1 - Socquet, Anne A1 - Bolte, John A1 - Vigny, C. A1 - Brooks, B. A1 - Ryder, I. A1 - Grund, Volker A1 - Smalley, B. A1 - Carrizo, Daniel A1 - Bartsch, M. A1 - Hase, H. T1 - Toward understanding tectonic control on the M-w 8.8 2010 Maule Chile earthquake JF - Earth & planetary science letters N2 - The Maule earthquake of 27th February 2010 (M-w = 8.8) affected similar to 500 km of the Nazca-South America plate boundary in south-central Chile producing spectacular crustal deformation. Here, we present a detailed estimate of static coseismic surface offsets as measured by survey and continuous GPS, both in near- and far-field regions. Earthquake slip along the megathrust has been inferred from a Joint inversion of our new data together with published GPS, InSAR, and land-level changes data using Green's functions generated by a spherical finite-element model with realistic subduction zone geometry. The combination of the data sets provided a good resolution, indicating that most of the slip was well resolved. Coseismic slip was concentrated north of the epicenter with up to 16 m of slip, whereas to the south it reached over 10 m within two minor patches. A comparison of coseismic slip with the slip deficit accumulated since the last great earthquake in 1835 suggests that the 2010 event closed a mature seismic gap. Slip deficit distribution shows an apparent local overshoot that highlight cycle-to-cycle variability, which has to be taken into account when anticipating future events from interseismic observations. Rupture propagation was obviously not affected by bathymetric features of the incoming plate. Instead, splay faults in the upper plate seem to have limited rupture propagation in the updip and along-strike directions. Additionally, we found that along-strike gradients in slip are spatially correlated with geometrical inflections of the megathrust. Our study suggests that persistent tectonic features may control strain accumulation and release along subduction megathrusts. KW - GPS KW - Chile KW - Maule KW - slip model KW - FEM Y1 - 2012 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.01.006 SN - 0012-821X VL - 321 IS - 3 SP - 152 EP - 165 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - JOUR A1 - Moreno, Marcelo Spegiorin A1 - Melnick, Daniel A1 - Rosenau, M. A1 - Bolte, John A1 - Klotz, Jan A1 - Echtler, Helmut Peter A1 - Báez, Juan Carlos A1 - Bataille, Klaus A1 - Chen, J. A1 - Bevis, M. A1 - Hase, H. A1 - Oncken, Onno T1 - Heterogeneous plate locking in the South-Central Chile subduction zone building up the next great earthquake JF - Earth & planetary science letters N2 - We use Global Positioning System (GPS) velocities and kinematic Finite Element models (FE-models) to infer the state of locking between the converging Nazca and South America plates in South-Central Chile (36 degrees S -46 degrees S) and to evaluate its spatial and temporal variability. GPS velocities provide information on earthquake-cycle deformation over the last decade in areas affected by the megathrust events of 1960 (M-w = 9.5) and 2010 (M-w = 8.8). Our data confirm that a change in surface velocity patterns of these two seismotectonic segments can be related to their different stages in the seismic cycle: Accordingly, the northern (2010) segment was in a final stage of interseismic loading whereas the southern (1960) segment is still in a postseismic stage and undergoes a prolonged viscoelastic mantle relaxation. After correcting the signals for mantle relaxation, the residual GPS velocity pattern suggests that the plate interface accumulates slip deficit in a spatially and presumably temporally variable way towards the next great event. Though some similarity exist between locking and 1960 coseismic slip, extrapolating the current, decadal scale slip deficit accumulation towards the similar to 300-yr recurrence times of giant events here does neither yield the slip distribution nor the moment magnitude of the 1960 earthquake. This suggests that either the locking pattern is evolving in time (to reconcile a slip deficit distribution similar to the 1960 earthquake) or that some asperities are not persistent over multiple events. The accumulated moment deficit since 1960 suggests that highly locked patches in the 1960 segment are already capable of producing a M similar to 8 event if triggered to fail by stress transfer from the 2010 event. KW - GPS KW - Chile KW - Maule KW - locking degree KW - postseismic deformation KW - earthquake cycle Y1 - 2011 U6 - https://doi.org/10.1016/j.epsl.2011.03.025 SN - 0012-821X VL - 305 IS - 3-4 SP - 413 EP - 424 PB - Elsevier CY - Amsterdam ER - TY - THES A1 - Höchner, Andreas T1 - GPS based analysis of earthquake induced phenomena at the Sunda Arc T1 - GPS-basierte Analyse erdbebeninduzierter Phänomene am Sundabogen N2 - Indonesia is one of the countries most prone to natural hazards. Complex interaction of several tectonic plates with high relative velocities leads to approximately two earthquakes with magnitude Mw>7 every year, being more than 15% of the events worldwide. Earthquakes with magnitude above 9 happen far more infrequently, but with catastrophic effects. The most severe consequences thereby arise from tsunamis triggered by these subduction-related earthquakes, as the Sumatra-Andaman event in 2004 showed. In order to enable efficient tsunami early warning, which includes the estimation of wave heights and arrival times, it is necessary to combine different types of real-time sensor data with numerical models of earthquake sources and tsunami propagation. This thesis was created as a result of the GITEWS project (German Indonesian Tsunami Early Warning System). It is based on five research papers and manuscripts. Main project-related task was the development of a database containing realistic earthquake scenarios for the Sunda Arc. This database provides initial conditions for tsunami propagation modeling used by the simulation system at the early warning center. An accurate discretization of the subduction geometry, consisting of 25x150 subfaults was constructed based on seismic data. Green’s functions, representing the deformational response to unit dip- and strike slip at the subfaults, were computed using a layered half-space approach. Different scaling relations for earthquake dimensions and slip distribution were implemented. Another project-related task was the further development of the ‘GPS-shield’ concept. It consists of a constellation of near field GPS-receivers, which are shown to be very valuable for tsunami early warning. The major part of this thesis is related to the geophysical interpretation of GPS data. Coseismic surface displacements caused by the 2004 Sumatra earthquake are inverted for slip at the fault. The effect of different Earth layer models is tested, favoring continental structure. The possibility of splay faulting is considered and shown to be a secondary order effect in respect to tsunamigenity for this event. Tsunami models based on source inversions are compared to satellite radar altimetry observations. Postseismic GPS time series are used to test a wide parameter range of uni- and biviscous rheological models of the asthenosphere. Steady-state Maxwell rheology is shown to be incompatible with near-field GPS data, unless large afterslip, amounting to more than 10% of the coseismic moment is assumed. In contrast, transient Burgers rheology is in agreement with data without the need for large aseismic afterslip. Comparison to postseismic geoid observation by the GRACE satellites reveals that even with afterslip, the model implementing Maxwell rheology results in amplitudes being too small, and thus supports a biviscous asthenosphere. A simple approach based on the assumption of quasi-static deformation propagation is introduced and proposed for inversion of coseismic near-field GPS time series. Application of this approach to observations from the 2004 Sumatra event fails to quantitatively reconstruct the rupture propagation, since a priori conditions are not fulfilled in this case. However, synthetic tests reveal the feasibility of such an approach for fast estimation of rupturing properties. N2 - Indonesien ist eines der am stärksten von Naturkatastrophen bedrohten Länder der Erde. Die komplexe Interaktion mehrer tektonischer Platten, die sich mit hohen Relativgeschwindigkeiten zueinander bewegen, führt im Mittel zu ungefähr zwei Erdbeben mit Magnitude Mw>7 pro Jahr, was mehr als 15% der Ereignisse weltweit entspricht. Beben mit Magnitude über 9 sind weitaus seltener, haben aber katastrophale Folgen. Die schwerwiegendsten Konsequenzen hierbei werden durch Tsunamis verursacht, welche durch diese Subduktionsbeben ausgelöst werden, wie das Sumatra-Andamanen Ereignis von 2004 gezeigt hat. Um eine wirksame Tsunami-Frühwarnung zu ermöglichen, welche die Abschätzung der Wellenhöhen und Ankunftszeiten beinhaltet, ist es erforderlich, verschieden Arten von Echtzeit-Sensordaten mit numerischen Modellen für die Erdbebenquelle und Tsunamiausbreitung zu kombinieren. Diese Doktorarbeit wurde im Rahmen des GITEWS-Projektes (German Indonesian Tsunami Early Warning System) erstellt und umfasst fünf Fachpublikationen und Manuskripte. Projektbezogene Hauptaufgabe war die Erstellung einer Datenbank mit realistischen Bebenszenarien für den Sundabogen. Die Datenbank beinhaltet Anfangsbedingungen für die Tsunami-Ausbreitungsmodellierung und ist Teil des Simulationssystems im Frühwarnzentrum. Eine sorgfältige Diskretisierung der Subduktionsgeometrie, bestehend aus 25x150 subfaults, wurde basierend auf seismischen Daten erstellt. Greensfunktionen, welche die Deformation, hervorgerufen durch Verschiebung an den subfaults ausmachen, wurden mittels eines semianalytischen Verfahrens für den geschichteten Halbraum berechnet. Verschiedene Skalierungsrelationen für Erdbebendimension und slip-Verteilung wurden implementiert. Eine weitere projektbezogene Aufgabe war die Weiterentwicklung des ‚GPS-Schild’-Konzeptes. Dieses besteht aus einer Konstellation von GPS-Empfängern im Nahfeldbereich, welche sich als sehr wertvoll für die Tsunami-Frühwarnung erweisen. Der größere Teil dieser Doktorarbeit beschäftigt sich mit der geophysikalischen Interpretation von GPS-Daten. Coseismische Verschiebungen an der Erdoberfläche, ausgelöst durch das Erdbeben von 2004, werden nach slip an der Verwerfung invertiert. Die Wirkung verschiedener Erdschichtungsmodelle wird getestet und resultiert in der Bevorzugung einer kontinentalen Struktur. Die Möglichkeit von splay-faulting wird untersucht und erweist sich als zweitrangiger Effekt bezüglich der Tsunamiwirkung für dieses Ereignis. Die auf der Quelleninversion basierenden Tsunamimodelle werden mit satellitengestützen Radaraltimetriedaten verglichen. Postseismische GPS-Daten werden verwendet, um einen weiten Parameterbereich uni- und bi-viskoser Modelle der Asthenosphäre zu testen. Dabei stellt sich stationäre Maxwell-Rheologie als inkompatibel mit Nahfeld-GPS-Zeitreihen heraus, es sei denn, eine große Quantität an afterslip, entsprechend etwa 10% des coseismischen Momentes, wird angenommen. Im Gegensatz dazu ist die transiente Burgers-Rheologie ohne große Mengen an afterslip kompatibel zu den Beobachtungen. Der Vergleich mit postseismischen Geoidbeobachtungen durch die GRACE-Satelliten zeigt, dass das Modell basierend auf Maxwell-Rheologie, auch mit afterslip, zu kleine Amplituden liefert, und bekräftigt die Annahme einer biviskosen Rheologie der Asthenosphäre. Ein einfacher Ansatz, der auf einer quasi-statischen Deformationsausbreitung beruht, wird eingeführt und zur Inversion coseismischer Nahfeld-GPS-Zeitreihen vorgeschlagen. Die Anwendung dieses Ansatzes auf Beobachtungen vom Sumatra-Beben von 2004 ermöglicht nicht die quantitative Rekonstruktion der Ausbreitung des Bruches, da die notwendigen Bedingungen in diesem Fall nicht erfüllt sind. Jedoch zeigen Experimente an synthetischen Daten die Gültigkeit eines solchen Ansatzes zur raschen Abschätzung der Bruchausbreitungseigenschaften. KW - GPS KW - Erdbeben KW - Tsunami KW - Rheologie KW - GITEWS KW - GPS KW - Earthquake KW - Tsunami KW - Rheology KW - GITEWS Y1 - 2010 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus-53166 ER - TY - THES A1 - Antonoglou, Nikolaos T1 - GNSS-based remote sensing: Innovative observation of key hydrological parameters in the Central Andes T1 - GNSS-basierte Fernerkundung: Innovative Beobachtung der wichtigsten hydrologischen Parameter in den zentralen Anden N2 - The Central Andean region is characterized by diverse climate zones with sharp transitions between them. In this work, the area of interest is the South-Central Andes in northwestern Argentina that borders with Bolivia and Chile. The focus is the observation of soil moisture and water vapour with Global Navigation Satellite System (GNSS) remote-sensing methodologies. Because of the rapid temporal and spatial variations of water vapour and moisture circulations, monitoring this part of the hydrological cycle is crucial for understanding the mechanisms that control the local climate. Moreover, GNSS-based techniques have previously shown high potential and are appropriate for further investigation. This study includes both logistic-organization effort and data analysis. As for the prior, three GNSS ground stations were installed in remote locations in northwestern Argentina to acquire observations, where there was no availability of third-party data. The methodological development for the observation of the climate variables of soil moisture and water vapour is independent and relies on different approaches. The soil-moisture estimation with GNSS reflectometry is an approximation that has demonstrated promising results, but it has yet to be operationally employed. Thus, a more advanced algorithm that exploits more observations from multiple satellite constellations was developed using data from two pilot stations in Germany. Additionally, this algorithm was slightly modified and used in a sea-level measurement campaign. Although the objective of this application is not related to monitoring hydrological parameters, its methodology is based on the same principles and helps to evaluate the core algorithm. On the other hand, water-vapour monitoring with GNSS observations is a well-established technique that is utilized operationally. Hence, the scope of this study is conducting a meteorological analysis by examining the along-the-zenith air-moisture levels and introducing indices related to the azimuthal gradient. The results of the experiments indicate higher-quality soil moisture observations with the new algorithm. Furthermore, the analysis using the stations in northwestern Argentina illustrates the limits of this technology because of varying soil conditions and shows future research directions. The water-vapour analysis points out the strong influence of the topography on atmospheric moisture circulation and rainfall generation. Moreover, the GNSS time series allows for the identification of seasonal signatures, and the azimuthal-gradient indices permit the detection of main circulation pathways. N2 - Die Zentralanden sind eine Region, in der verschiedene Klimazonen nur durch kurze Übergänge gekennzeichnet sind. Der geographische Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in den südlichen Zentralanden im Grenzgebiet zwischen Argentinien, Bolivien und Chile, und der wissenschaftliche Schwerpunkt ist in der Überwachung der Bodenfeuchtigkeit und des Wasserdampfs mit Fernerkundungsmethoden des Globales Navigationssatellitensystem (Global Navigation Satellite System - GNSS) angesiedelt. Wegen der raschen zeitlichen und räumlichen Schwankungen des Wasserdampfs und den damit häufig verbundenen Niederschlägen und der Feuchtigkeitszirkulation ist die Beobachtung dieses Teils des hydrologischen Zyklus von entscheidender Bedeutung für das Verständnis des lokalen Klimas. Darüber hinaus haben GNSS-gestützte Techniken in anderen Studien bereits ein hohes Potenzial gezeigt, erfordern aber in einigen Bereichen weitere Untersuchungen. Diese Studie umfasst sowohl logistischen Aufwand als auch Datenanalyse. Dazu wurden drei GNSS-Bodenstationen in abgelegenen Orten im Nordwesten Argentiniens installiert, um Beobachtungen zu sammeln, da dort keine externen Daten verfügbar waren. Die methodische Entwicklung für die Beobachtung der Klimavariablen Bodenfeuchtigkeit und Wasserdampfs ist unabhängig voneinander. Die Messung der Bodenfeuchte mit Hilfe der GNSS-Reflektometrie ist eine Annäherung, die vielversprechende Ergebnisse erbracht hat, aber bisher noch nicht operationell eingesetzt wurde. Daher wurde ein fortschrittlicherer Algorithmus entwickelt, der Beobachtungen von mehreren Satellitenkonstellationen nutzt und unter anderem Daten von zwei Pilotstationen in Deutschland verwendet. Außerdem wurde dieser Algorithmus leicht modifiziert und in einer Meeresspiegelmesskampagne eingesetzt. Obwohl diese Andwendung nicht direkt mit der Überwachung hydrologischer Parameter zusammenhängt, basiert die Methodik auf denselben Prinzipien und hilft bei der Bewertung des entwickelten Algorithmus. Auf der anderen Seite ist die Überwachung des Wasserdampfs mit GNSS-Beobachtungen eine anerkannte Technik, die in der Praxis bereits seit mehreren Jahren eingesetzt wird. Diese Studie befasst sich daher mit der Durchführung einer meteorologischen Analyse der Luftfeuchtigkeitswerte entlang des Zenits und der Entwicklung von klimatischen Indizes, die sich auf den azimutalen Gradienten beziehen. Die Ergebnisse der Experimente zeigen, dass die Qualität der Bodenfeuchtebeobachtungen mit dem neuen Algorithmus vielversprechend und besser sind. Darüber hinaus zeigt die Analyse anhand der Stationen im nordwesten Argentiniens die Grenzen dieser Technologie aufgrund der sehr unterschiedlichen Bodenbedingungen auf und gibt mögliche zukünftige Forschungsrichtung an. Die Wasserdampfanalyse verdeutlicht den Einfluss der Topographie auf die Luftfeuchtigkeit und der Regenmenge. Außerdem ermöglichen die GNSS-Zeitreihen die Identifizierung der jahreszeitlichen Signaturen, und Messungen der azimutal Gradienten erlauben die Erkennung der wichtigsten Zirkulationswege. KW - remote sensing KW - GNSS KW - GPS KW - water vapour KW - soil moisture KW - Central Andes KW - zentrale Anden KW - globales Navigationssatellitensystem KW - globales Positionsbestimmungssystem KW - Fernerkundung KW - Bodenfeuchtigkeit KW - Wasserdampf Y1 - 2024 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-628256 ER -