Kontinuerlig GPS ved vannstandsmålere

Transkript

1 Kontinuerlig GPS ved vannstandsmålere Arne E. Ofstad og Oddgeir Kristiansen Statens kartverk Innledning I løpet av de siste årtier er det blitt stadig tydeligere at menneskelig aktivitet påvirker utviklingen av jordens klima. I følge FN s klimapanel (IPCC 1 ) sin tredje rapport om verdens klimasituasjon [IPCC 2001] viser observasjoner at det har vært en global oppvarming gjennom det 20. århundre. I følge rapporten har temperaturen økt med 0.6 C. Snødekke og is har minket. Havets nivå har steget og havet har blitt varmere. En av følgene av en global oppvarming er at havets nivå kan komme til å stige. Dette kan få alvorlige konsekvenser for store deler av jordens befolkning. Store områder kan permanent eller periodevis bli satt under vann, og enda større områder bli utsatt for erosjon gjennom en økt sårbarhet mot stormflo og uvær. Mange steder vil vannforsyningen bli ødelagt av saltvann som trenger inn i grunnvannet. I følge IPCC [IPCC 2001] har det globale havnivået har steget med 1-2 mm per år de siste 100 år, og mye tyder på at denne trenden vil forsterkes med tiden. Anslag fra SRES (Special Report on Emission Scenarios, skrevet av en arbeidsgruppe i FN s klimapanel) viser at havnivået vil stige med mellom 0.09 og 0.88 m mellom 1990 og Bestemmelse av en global havnivåendring er komplisert. Grunnlaget for bestemmelsen ligger i analyse av lange tidsrekker med vannstandsmålinger. Disse målingene har mange svakheter i forhold til løsning av denne oppgaven. Den største svakheten er at fordelingen av vannstandsmålere med lange måleserier (>50 år) er svært inhomogen (se Figur 1). For det første ligger målerne langs kysten (ingen målere på åpent hav). For det andre ligger de fleste målere i industrialiserte land på den nordlige halvkule (Figur 1). Store deler av landområdene både i Europa og Nord Amerika har fortsatt en vertikal bevegelse som følge av siste istids nedpressing av Skandinavia og Canada. Effekten benevnes ofte Post Glacial Rebound (PGR). Effekten av PGR er vist i Figur 2. Dette medfører at måleserier fra ulike vannstandsmålere gir svært sprikende vertikale trender. For å kunne se sammenhengen mellom tidsseriene, må det brukes modeller som blant annet beskriver PGR. Et videre problem er at mange av de eldre vannstandsmålerene ligger i byområder med en lokal innsynkning på grunn av urbaniseringen. Når forskerne har kommet fram til at havnivået har endret seg mellom cm de siste 100 år, er dette ingen direkte observert størrelse, men en vurdering som i utstrakt grad er basert på modeller. 1 Intergovernmental Panel on Climate Change 1

2 Figur 1 Oversikt som viser plasseringen av vannstandsmålere med lange tidsrekker. Figuren er hentet fra [Mitchum m.fl. 1999]. Figur 2 Figuren viser områder påvirket av PGR. De heltrukne linjene viser områder som var isdekket under siste istid, og områdene mellom de heltrukne og den stiplede linjen fikk en landhevning under istiden. De forholdene som er beskrevet ovenfor viser at det er et stort behov for uavhengige målinger som kan styrke modellene og derigjennom redusere usikkerheten i antagelsene. Både GPS og absolutt gravimetri er i denne sammenheng aktuelle måleverktøy. GPS kan brukes til å observere den geometriske endringen av stasjonskoordinatene over tid, og absolutt gravimetri kan brukes til å observere hvordan tyngdefeltet ved målestasjonene endres over tid. 2

3 Internasjonalt er det satt i gang aktiviteter der nasjonene oppfordres til å montere GPS-utstyr permanent på eller i nærheten av eksisterende vannstandsmålere (ESEAS 2 og TIGA-PP 3 ). Dette er noe av bakgrunnen for at Kartverket har etablert permanente GPS stasjoner ved enkelte vannstandsmålere. Krav til utstyr og beregning I jakten på høydeendringer med en hastighet på 1 mm/år, viser det seg at episodiske GPSmålinger (GPS-målinger av 1-3 dagers varighet som gjentas med visse (f.eks. årlige) intervall) ikke gir tilstrekkelig nøyaktighet. Det er derfor et krav at GPS-utstyret må stå permanent installert på målestedet. Ved beregningene bestemmes en daglig posisjon til GPS-stasjonen. Beregningene utføres slik at posisjonen i så liten grad som mulig avhenger av bevegelsene til andre GPS-stasjoner. Metoden med absolutt posisjonsbestemmelse basert på IGS 4 -banedata eller data fra IGSmålenettet vil kunne gi en slik løsning. Dette forutsetter bruk av tofrekvente GPS-mottakere. Det må sikres en god kontroll på vertikal bevegelse mellom vannstandsmåleren og GPSstasjonen. Under forutsetning av at avstanden ikke er for stor, vil et hyppig (årlig) nivellement mellom GPS-stasjonen og vannstandsmåleren sikre overvåkningen av høydeendringene. Lokale forhold, som f.eks. innsynkning av kaien der vannstandsmåleren er montert, kan allikevel lett forkludre resultatene, særlig dersom høydeendringene ikke skjer lineært over tid. Det vil derfor være gunstig å holde avstanden mellom vannstandsmåleren og GPS-stasjonen så kort som mulig. Da forholdene ved de ulike vannstandsmålerene er svært forskjellige, finnes det ingen absolutte krav til maksimumsavstand. Avstander under 1 km betraktes i denne sammenhengen som korte avstander. Dersom forholdene ved vannstandsmåleren er ugunstige slik at det er stor avstand til en god lokalitet for GPS målestasjonen, anbefales det å sette opp to GPS målestasjoner i forbindelse med den enkelte vannstandsmåleren. En permanent GPS stasjon plasseres på et godt og stabilt sted innen noen få km fra vannstandsmåleren, og en annen permanent GPS-stasjon plasseres i umiddelbar nærhet av vannstandsmåleren. Dette er en noe kostbar løsning, men den sikrer en god kontroll på høydeendringene ved vannstandsmåleren. Med en slik løsning vil det være tilstrekkelig å bruke en enfrekvent GPS-mottaker ved vannstandsmåleren. Hva har vi gjort (utstyr, stasjoner) I dag er tre norske vannstandsmålere utstyrt med GPS-mottakere som måler kontinuerlig (CGPS). Dette gjelder Ny-Ålesund, Andenes og Tregde. Ved en fjerde vannstandsmåler (Vardø) er antennemasten installert, mens GPS-mottakeren enda ikke er på plass. Dette er vist i Figur 3. Med unntak av Ny-Ålesund er GPS-mottakerene plassert direkte på vannstandsmåleren. Selv om lokaliteten til vannstandsmåleren ikke skulle være stabil, ønsker vi at GPS-målingene 2 ESEAS (European Sea Level Service) er et samarbeidsprosjekt mellom mange europeiske land med hovedformål å bedre tilgjengeligheten på vannstandsdata. 3 TIGA-PP (GPS Tide Gauge monitoring pilot project) er en undergruppe av IGS 4 som rutinemessig analyserer data fra CGPS-stasjoner ved vannstandsmålere. En av formålene med aktiviteten er å fremme bruken av GPS til blant annet overvåkning av havnivåendringer. 4 IGS (International GPS Service) er et omfattende internasjonalt samarbeid om drift av et globalt GPSmålenett. 3

4 gjenspeiler vannstandsmålerens bevegelser. Differansen mellom vannstandsmålingene og GPS-målingene vil derved direkte gjenspeile havflatens vertikale bevegelse. Figur 3 Vannstandsmålere som drives av Statens kartverk. Målere merket med satellitt viser steder hvor kontinuerlig GPS er montert. I Vardø er GPS-mottakeren enda ikke i drift. Ny-Ålesund I Ny-Ålesund startet Polarinstituttet vannstandsmåling med en trykkmåler i Sjøkartverket overtok ansvaret for målingene i 1992, og vi foretar målingene med en flottørmåler. I forbindelse med geodesilaboratoriet i Ny-Ålesund ble det i 1993 etablert en stasjon for kontinuerlig GPS-måling i nærheten av vannstandsmåleren. 4

5 I Ny-Ålesund er det ca 1,5 km mellom vannstandsmåleren og GPS-stasjonen. Her er plasseringen av GPS-stasjonen bestemt ut fra ønske om samlokalisering med VLBI 5 og andre sensorer. Avstanden til vannstandsmåleren er vurdert som akseptabel. Det er gjennomført presisjonsnivellement til vannstandsmåleren i årene 1992, 1993, 1994, 1997 og Nivellementene viser ingen trend, noe som tyder på at vannstandsmåleren er stabil i forhold til referansepunktet (TGBM 6 ) I Ny-Ålesund er GPS-antennene montert på nettingmaster i stål (type Satref ) (Se Figur 4). Figur 4 Øverst: Målehytte for vannstandsmåler er plassert ca 1,5 km fra CGPS og VLBI -stasjon i Ny-Ålesund. Nederst: GPS-antennene ved Geodesilaboratoriet i Ny-Ålesund. 5 VLBI (Very Long Baseline Interferometry) er en rombasert måleteknikk for bestemmelse av relativ posisjon og orientering mellom målestasjoner på jorden. Teknikken krever store antenner og omfattende teknisk utrustning. VLBI-stasjonene er permanente installasjoner plassert med flere tusen kilometers avstand. 6 TGBM (Tide Gauge Bench Mark) er et referansepunkt for en vannstandsmåler. I Norge er punktet vanligvis merket som en bolt i fjell. 5

6 Andenes Sjøkartverket har siden 1991 drevet vannstandsmålinger på Andenes 7. I 2000 ble det etablert en stasjon for kontinuerlig GPS-måling ved vannstandsmåleren. GPS-antennen er montert på nettingmast i stål (type Satref ) (Se Figur 5). I tillegg finnes det på Andøya en IGS-stasjon i forbindelse med Alomar observatoriet 8. Denne er lokalisert 7,3 km fra vannstandsmåleren. GPS antenne Antennemast Figur 5 GPS-antennen står like utenfor målehytta for vannstandsmåleren på Andenes Tregde Vannstandsmåleren i Tregde har vært i drift siden Sjøkartverket overtok ansvaret for driften i I 2001 ble det montert utstyr for kontinuerlig GPS-måling. I Tregde er GPSantennen montert på en egenkonsturert glassfibermast (se nærmere beskrivelse Vedlegg 1). 7 I Sjøkartverkets database finnes det data fra , men dette er data av dårlig kvalitet som ikke bør brukes i tidsrekkeanalyser. 8 Alomar observatoriet på Andøya driver med atmosfæreforskning. Vitenskapelige grupper fra 6 nasjoner bemanner observatoriet. 6

7 Figur 6 Målehytta i Tregde med GPS-antennen stikkende opp over taket. Figur 7 I Tregde er GPS-antennen montert på en mast med samme fundament som vannstandsmåleren. 7

8 Vardø For Vardø har Sjøkartverket eldre vannstandsdata for perioden Vi har nyere målinger fra I 2003 ble det satt opp en antennemast til bruk for kontinuerlig GPSmåling. Det er benyttet samme type mast som i Tregde. I Vardø er GPS-mottakeren enda ikke montert. Figur 8 I Vardø er antennemasten for GPS-mottakeren montert på samme fundament som vannstandsmåleren. Erfaringer så langt Data fra CGPS-stasjoner ved norske vannstandsmålere viser alle i større eller mindre grad en bevegelse når en ser på stasjonenes koordinater gitt i en ITRF 9 referanseramme. Denne bevegelsen kan deles i to hovedkomponenter. En del av bevegelsen skyldes tektoniske platebevegelser (driften av den Eurasiske platen) og PGR-effekter. En annen del av bevegelsen skyldes lokale forhold på målestedet. De lokale variasjonene domineres ofte av konstruksjonsmessige endringer som følge av temperaturvariasjoner over året. Lokal innsynkning av konstruksjonen kan også forekomme. 9 ITRF (International Terrestrial Reference Frame) er betegnelsen på en gruppe geosentriske koordinatsystem som roterer med jordkroppen. Koordinatsystemene defineres slik at den midlere bevegelsen av ITRFkoordinatene til alle punkt på jordoverflaten skal være null. 8

9 Koordinatenes sesongvariasjoner kan være svært framtredende i datamaterialet, og disse effektene må skilles fra beregningen av langsiktige trender i koordinatene. I dataanalysen har vi valgt å bestemme en harmonisk funksjon med en helårlig og en halvårlig periode sammen med bestemmelsen av en lineær trend i koordinatene. Dette er gjort i henhold til internasjonale anbefalinger [Blewitt & Lavallée 2002]. Som et eksempel på dominerende sesongvariasjoner, er det i Figur 9 vist variasjoner i nord-komponenten av GPS-antennen ved vannstandsmåleren på Andenes. Deviation from reference position [mm] Andenes North coordinate Linear trend: mm/year Year Figur 9 GPS målinger ved vannstandsmåleren på Andenes viser at stasjonens ITRFkoordinater i tillegg til en tydelig trend, også viser en betydelig sesongvariasjon. Den røde kurven viser en lineær kurvetilpasning satt sammen med en harmonisk funksjon med to frekvenser (periode 1 år og 0.5 år). Den blå streken viser kun den lineære funksjonen. I den videre framstillingen omtales kun stasjonenes vertikale posisjon, og horisontale bevegelser holdes utenfor diskusjonen. Det foreligger enda ingen offisielle resultater for bevegelsen av de ulike stasjonene. De resultatene som presenteres her må derfor kun betraktes som foreløpige verdier som vil bli endret etter hvert som vi får mer data og bedre modeller for å fange opp svingninger i observasjonsmaterialet. Ny-Ålesund GPS-målingene fra Ny-Ålesund viser at stasjonens vertikale koordinat gitt i en ITRFrefranseramme er påvirket av en tydelig landhevning. Stasjonen stiger med 7.7 mm/år. Standardavvik for den beregnede trenden er 0.11 mm/år. Dette er vist i Figur 10. Vannstandsmålingene viser en trend på mm/år med et standardavvik på 0.7 mm/år. Dette er vist i Figur 11. Det kan virke som om trenden for perioden etter ca 1990 er noe 9

10 brattere enn trenden beregnet fra hele datasettet. Ettersom denne siste perioden er kortere enn 18.6 år 10, er det enda for tidlig å si om den beregnede trenden (3.16 mm/år) kan være feil. Deviation from reference position [mm] Ny Ålesund (NYA1) Height coordinate Linear trend: mm/year Year Figur 10 GPS-målingene fra Ny-Ålesund viser en tydelig landhevning. Stasjonens vertikale posisjon gitt i en ITRF-referanseramme stiger med 7.7 mm/år. Standardavvik for dette estimatet et 0.11 mm/år. 10 I analyse av vannstandsdata kreves det at observasjonene må dekke en full nutasjonsperiode for å gi en tilfredsstillende middelvannsberegning. 10

11 2200 Height above m 0 [mm] Ny Ålesund water level observations Monthly means Linear trend: mm/year Figur 11 Vannstandsmålinger fra Ny-Ålesund viser en trend på mm/år (havnivået synker i forhold til vannstandsmåleren). Beregnet standardavvik for trenden er 0.70 mm/år. Det kan virke som at trenden for perioden etter ca 1990 avviker fra trenden for resten av datasettet. M 0 er referansenivået for måleren. Year Andenes GPS-målingene ved vannstandsmåleren på Andenes viser at stasjonens vertikale koordinat gitt i en ITRF-refranseramme har en svak trend. Stasjonen synker med 1.12 mm/år. Standardavvik for den beregnede trenden er 0.47 mm/år. Dette er vist i Figur 12. Denne figuren viser en svak sesongvariasjon i koordinatene. En tilsvarende sesongvariasjon kan også observeres ved å se på baselinjen mellom GPSmottakeren ved vannstandsmåleren på Andenes og IGS-mottakeren på Alomar-observatoriet på Andøya (se Figur 13). Den lineære trenden på vertikalkomponenten av vektoren mellom de to stasjonene er ikke signifikant. Dette tyder på at kaien der vannstandsmåleren står er tilfredsstillende stabil. Figur 14 viser at vannstandsmålinger fra Andenes har en ikke signifikant trend på 0.19 mm/år (havnivået stiger i forhold til vannstandsmåleren). Beregnet standardavvik for trenden er 3.34 mm/år. 11

12 Deviation from reference position [mm] Andenes Height coordinate Linear trend: mm/year Figur 12 GPS-målingene ved vannstandsmåleren på Andenes viser at stasjonens vertikale koordinat gitt i en ITRF-refranseramme har en trend på mm/år. Standardavvik for den beregnede trenden er 0.47 mm/år. Year Deviation from reference position [mm] Andøya IGS - Andenes tide gauge Height coordinate Linear trend: mm/year Figur 13 Variasjon i vertikal komponent av baselinjen mellom IGS-stasjonen på Andøya og CGPS-stasjonen ved vannstandsmåleren på Andenes. Det speilvendte funksjonsforløpet (i forhold til Figur 12) skyldes at baselinjen er beregnet fra IGSstasjonen til vannstandsmåleren. Year 12

13 Height above m 0 [mm] Andenes water level observations Monthly means Linear trend: mm/year Figur 14 Vannstandsmålinger fra Andenes viser en trend på 0.19 mm/år (havnivået stiger i forhold til vannstandsmåleren). Beregnet standardavvik for trenden er 3.34 mm/år. Trenden er ikke signifikant. Year Tregde GPS-målingene ved vannstandsmåleren på Tregde viser at stasjonens vertikale koordinat gitt i en ITRF-refranseramme har en trend på 2.73 mm/år. Standardavvik for den beregnede trenden er 0.84 mm/år. Dette er vist i Figur 15. Denne figuren viser en svak sesongvariasjon i koordinatene. Figur 16 viser at vannstandsmålinger fra Tregde har en trend på 0.17 mm pr år (havnivået stiger i forhold til vannstandsmåleren) med et standardavvik på 0.13 mm/år. 13

14 Deviation from reference position [mm] Tregde Height coordinate -20 Linear trend: mm/year Year Figur 15 GPS-data fra vannstandsmåleren i Tregde viser at stasjonens vertikale koordinat gitt i en ITRF-refranseramme har en trend på 2.73 mm/år. Standardavvik for den beregnede trenden er 0.84 mm/år. Height above m 0 [mm] Tregde water level observations Monthly means Linear trend: mm/year Year Figur 16 Vannstandsmålinger fra Tregde viser en trend på 0.17 mm pr år (havnivået stiger i forhold til vannstandsmåleren) med et standardavvik på 0.13 mm/år. 14

15 Konklusjoner og videre planer Kartverkets permanente utplassering av GPS mottakere ved enkelte utvalgte vannstandsmålere har gitt gode måleserier fra disse lokalitetene. Med unntak av Ny-Ålesund er tidsrekkene med GPS-data enda relativt korte. I løpet av noen få år vil imidlertid data fra GPS mottakerene kunne gi gode verdier for trenden på de ulike stasjonene (5 år med GPSdata bør gi en god trend for stasjonen). Da det kreves relativt lange tidsrekker med vannstandsdata for å kunne bestemme en god trend for middelvannsutviklingen på en stasjon, vil tilgang til gode vannstandsdata være den begrensende faktor for overvåkning av havnivåendringer. Det vil for eksempel enda ta nesten 10 år før vi har tilstrekkelig med vannstandsdata til å kunne bestemme en god trend for Andenes. Videre planer vil avhenge av kartverkets økonomiske rammebetingelser. Forhåpentligvis vil Kartverket kunne fortsette driften på de stasjonene som i dag er utstyrt med CGPS. Vi håper også at stasjonen i Vardø kan utrustes med GPS-utstyr. Videre har Sjøkartverket enda en antennemast klar for oppsetting, og vi har et ønske om å montere denne masten ved en av våre vannstandsmålere. Det er enda ikke klart hvilken lokalitet vi bør velge, men geometrisk sett burde vi ha en stasjon i Midt-Norge. Mange andre hensyn kan imidlertid påvirke en slik beslutning. Etter hvert som tidsrekkene med GPS-data og gode vannstandsdata blir lengre, vil målingene bli analysert på nytt. Referanser IPCC 2001 Climate Change 2001 IPCC third assesment report. Intergovernmental Panel on Climate Change (FN s klimapanel) sin tredje rapport om utviklingen av jordens klima. Rapprten kan finnes på internet ( Blewitt & Lavallée Effect of annual signals on geodetic velocity. [2002] Geoffrey Blewitt og David Lavalle. Journal og Geophysical Research, Vol. 107, No B7, /2001JB000570,2002. Mitchum m. fl 1999 The future of sea surface height observations av Gary T. Mitchum, Robert Cheney, Lee-Lueng Fu, Christian Le Provost, Yves Menard og Philip Woodworth. Proceedings of the OCEANOBS 99, St. Raphael, Frankrike. Oktober

16 Vedlgg 1 Beskrivelse av GPS-antennemast i glassfiber Kriterier lagt til grunn ved konstruksjon av glassfibermasten: - Minimere høydevariasjoner som følge av temperaturendringer i masten. - Tilrettelegge for en innendørs installasjon som sikres en bedre beskyttelse mot omgivelsene. - Redusere mengden av metall i tilknytning til GPS-antennen. Konstruksjonen er bygd over en avkortet antennemast i glassfiber beregnet på montering ombord på skip. På toppen av den avkortede masten er det montert et dreibart feste for en GPS-antenne. Festet er laget i syrefast stål, og er forbundet med antennesokkelen ved hjelp av en 16 mm stang av invarstål. Avstandsholdere støtter opp invar-stangen innvendig i glassfibermasten. Dette sikrer mot bøyning av invar-stangen. Toppen av antennen kan bevege seg vertikalt (± 5 mm) uavhengig av glassfibermasten. Stangen av invarstål sikrer en stabil høyde på GPS-antennen, selv om temperaturendringer medfører at glassfibermastens lengde vil kunne variere. Masten monteres inne i hytta der vannstandsmåleren står, og føres gjennom taket i hytta. Masten monteres fritt, slik at den ikke er i kontakt med taket i hytta, men gis mulighet for ca 1 cm horisontal bevegelse ved gjennomføringen i hyttetaket. På hyttetaket monteres det et vertikalt rør der masten føres gjennom. For å sikre tetting mot regn, limes en glassfiberkappe på toppen av masten etter montering. Glassfiberkappen dekker røret som er montert på hyttetaket og fungerer etter samme prinsipp som en svanehals. Invarstang 16