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Near Real-Time High-Rate GPS Data Analysis for Earthquake and Tsunami Early Warning

Mendoza Malia, Leonor :
Near Real-Time High-Rate GPS Data Analysis for Earthquake and Tsunami Early Warning.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Near Real-Time High-Rate GPS Data Analysis for Earthquake and Tsunami Early Warning
Language: English
Abstract:

GPS has evolved lately in amazing ways: accurate surveying, financial transactions, precision agriculture and vehicle navigation, among others, are fields of study where GPS capabilities are highly involved. The use of GPS for earthquake magnitude determination and tsunami early warning has been introduced in the past years, along with an improvement in the accuracy of the solutions and an increase in processing speed. Earthquake magnitude determination is mainly achieved by using GPS as seismometers. Tsunami early warning is attained by estimating rupture parameters and comparing them with pre-computed models, obtaining an assessment of the threat. With further improvements in data obtention, transfer velocity and analysis methods, and the densification of GPS networks, warning times can be shortened and a better evaluation of the threat can be achieved, reducing or even eliminating false alarms. The first goal of this Thesis is to validate the capability of the custom processing here presented for earthquake detection. In particular, the 2011 Mw5.1 magnitude Lorca Earthquake was successfully identified, and the recorded peak-to-peak displacement agreed with seismic observations. It is one of the few medium-magnitude earthquakes that have been observed by GPS to date. The second and final goal of this Thesis is to introduce an approach for tsunami early warning, focused on the Iberian Peninsula and based on the load that a tsunami-induced redistribution of water imposes in the crust. This idea has not been observed in-situ due to the lack of real tsunami data in the area since the introduction of GPS. However, said approach has been tested for the stations in the Peninsula during two periods of extremely high tides in 2011. Also, a cyclone which hit the North Sea in December 2013 was successfully monitored by the use of GPS measurements, obtaining a good agreement between modeled and real surge data. This validates the detection capability and reveals the time that the crust takes to accommodate a big load. Some tsunami models have been later used to estimate the possible crustal deformation due to extreme events of specific characteristics. In summary, it is demonstrated that the processing of GPS data presented here, which can be achieved in near real-time, is applicable to detect a neighbouring medium-size earthquake. It can be also utilized as a redundant method for tsunami early warning and alert validation for the Iberian Peninsula, even when only those GPS stations already available there are used.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In den letzten Jahren hat GPS eine erstaunliche Entwicklung insbesondere in der Vielfalt der Anwendungen durchlaufen. Beispiele hierfür sind die genaue Vermessung, die Zeitzuordnung bei Finanztransaktionen, präzise Landwirtschaft und Fahrzeugnavigation. So ist in den letzten Jahren auch die Nutzung von GPS zur Bestimmung der Erdbeben-Magnitude und zur Tsunami-Frühwarnung aufgekommen, vor allem aufgrund auf einer verbesserten Genauigkeit und reduziertem Zeitaufwand zur Datenprozessierung. Die Bestimmung der Erdbeben-Magnitude geschieht durch die Nutzung von GPS als Seismometer, wärend die Tsunami-Frühwarnung durch die Bestimmung von Bruchparametern und deren Vergleich mit zuvor berechneten Modellen erreicht wird. Dies ermöglicht eine Einschätzung der Gefahrenlage. Durch weitere Verbesserungen in Bezug auf effizienten Datenfluss, Datenanalysenmethoden und Verdichtung von GPS-Netzen kann die Vorwarnzeit verlängert und die Gefahreneinschätzung verbessert werden. So können Fehlalarme reduziert oder gar ganz eliminiert werden. Der erste Schwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Validierung der Möglichkeit zur Erdbebenerkennung durch maßgeschneiderte Datenprozessierung. Das Lorca Erdbeben im Jahr 2011 mit einer Magnitude von Mw5.1 wurde erfolgreich erkannt und der geschätzte maximale Versatz stimmt mit der seismischen Beobachtung überein. Dies ist eines der wenigen Erdbeben mittlerer Magnitude, die bisher durch GPS erfasst wurden. Den zweiten Schwerpunkt der Arbeit bildet die Untersuchung verschiedener Methoden zur Tsunami Früherken- nung am Beispiel der Iberischen Halbinsel, wobei die Belastung der Erdkruste durch das vom Tsunami verdrängte Wasser analysiert wird. Dieser Effekt konnte nicht in-situ beobachtet werden, da es keine Daten zu Tsunamis in diesem Gebiet gibt. Stattdessen wurde die Methode für zwei Zeitpunkte 2011 mit extrem starken Flutereignis- sen getestet. Zusätzlich konnte das Modell durch den Vergleich von berechneten und gemessenen GPS-Daten während eines Sturms im Jahr 2013 in der Nordsee verifiziert werden. Anhand dieser Beispiele konnte die Modellierung der Anflasteffekte validiert und die Zeit untersucht werden, in der die Erdkruste auf die erhöhte Wasserlast reagiert. Einige Tsunamimodelle wurden zur Abschätzung der möglichen Deformation der Erdkruste bei derartigen extremen Ereignissen eingesetzt. Zusammenfassend kann gesagt werden, dass mit der hier gezeigten Prozessierung der GPS-Daten, die auch in Echtzeit durchgeführt werden kann, die gezeigten nähergeliegenden Erdbeben mittlerer Stärke ermöglicht wird. Darüber hinaus kann diese Prozessierung als redundante Methode zu Tsunami-Frühwarnung und Alarmvalidierung für die iberische Halbinsel angesehen werden, sogar wenn nur die derzeit installierten GPS-Stationen verwendet werden.German
Series Name: Schriftenreihe Fachrichtung Geodäsie der Technischen Universität Darmstadt
Number: 44
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 07 Jul 2015 12:22
Last Modified: 07 Jul 2015 12:22
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-46092
Referees: Becker, Prof. Dr Matthias and Martin Davila, Prof. Dr Jose and Sörgel, Prof. Dr Üwe
Refereed: 17 June 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4609
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