Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten

Transkript

1 Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten Geodesi- og hydrografidagene 015 Sundvolden hotell Vegard Ophaug, stipendiat

2 Geodetisk oseanografi? Geodetiske observasjoner inneholder informasjon om havnivå og havstrømmer Geoiden og MSS/MSL (mean sea surface/mean sea level) er viktige fysiske størrelser innen både geodesi og fysisk oseanografi For et upåvirket hav i ro, vil MSS/MSL være nært parallell med geoiden Forskjellen mellom MSS/MSL og geoide er kjent som midlere dynamisk topografi (mean dynamic topography, MDT) Dersom vi har presis kjennskap til MDT, vil vi kunne avlede midlere overflatestrømmer

3 Dynamisk topografi og havstrømmer v s = g f (MDT) x P isobar g Dynamisk topografi H =MDT v s 1000 km 1 m Geoiden H = 0 x

4 Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten Global MDT

5 Geodetisk oseanografi GNSS ALTIMETRISATELLITT GOCE GEOIDEN HAVOVERFLATEN (SSH) MDT ABSOLUTT- GRAVIMETER VANNSTANDS- MÅLER N h ELLIPSOIDEN

6 Geodetisk MDT Den geodetiske MDT er altså gitt ved H = h N MSS/MSL er uttrykt som en høyde h over referansellipsoiden N er geoidens høyde over referansellipsoiden H er differansen mellom de to; MDT Standardisering; referansesystem og tidekrefter

7 Oseanografisk MDT Tidligere: Hydrografiske observasjoner av saltinnhold og temperatur fra skip Idag: Numeriske havmodeller In situ-observasjoner (saltinnhold og temperatur) og meteorologiske data (vind og lufttrykk) driver modellene (såkalte forcings) MDT er et uttrykk for havmodellens midlere dynamiske respons på de drivende kreftene Beregnes fra et sett med dynamiske ligninger

8 Havdynamikk i kystsonen Havstrømmer i Norskehavet opprettholder vårt relativt milde klima Regional biologisk produktivitet avhengig av disse havstrømmene, implikasjoner for fiskeri Sjøisproduksjon i Barentshavet og rundt Svalbard On- og offshoreaktiviteter, økosystemprosesser, havnivåendringer

9 m Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten MDT i kystsonen 7 o N 69 o N o N o N 60 o N o N 0 o 8 o E 16 o E 4 o E 3 o E 0.8

10 Generelle utfordringer i kystsonen Både satellittaltimetri og oseanografiske MDT-modeller viser store uregelmessigheter i kystsonen Havnivåobservasjoner fra altimetri kontamineres av landmassene, vannstandsmålerne er utsatt for landhevning Lengre avstand mellom altimetriobservasjonene og mindre presise observasjoner Tidevannet er komplekst langs kysten og globale modeller er ikke nødvendigvis gyldige der Vanskelig å gjøre observasjoner fra land, kystsone og åpent hav ensartede Bare noen få havmodeller for kystsonen og kystaltimetridatasett er utviklet for bestemte områder

11 Utfordringer for norskekysten I tillegg til landhevningen kommer ekstrem topografi grunnet øyer, skjærgård, høye fjell samt trange og dype fjorder Isdekte havområder Stor forskjell mellom flo og fjære Høye breddegrader begrenser tilgangen til visse typer data Ennå finnes ingen grundig validering av kystdatasettenes kvalitet i den norske kystsonen

12 MDT langs norskekysten - status De senere års raske utvikling av geodetiske måleteknikker og modeller har gjort dem nøyaktige nok til å utfylle og validere oseanografiske resultater Hva er status på geodetisk og oseanografisk beregning av MDT langs norskekysten? Spørsmålet danner utgangspunktet for den aktuelle studien, som er gjort sammen med Kristian Breili (Kartverket/NMBU) og Christian Gerlach (Det bayerske vitenskapsakademi/nmbu) Resultatene er nylig publisert [Ophaug et al., 015]

13 Studiens sentrale spørsmål Hvor godt stemmer nye geodetiske og oseanografiske MDT-estimater overens langs norskekysten? Gir nye GOCE-baserte geoidemodeller en forbedring i forhold til eksisterende modeller? Gir punktbaserte dedikerte kystaltimetridatasett en forbedring i forhold til de vanlige altimetridatasettene de er basert på? Hvor godt stemmer punktbaserte altimetridata overens med et state-of-the-art rutenettsdatasett? Og, som følge av vår tilnærming til å bestemme vannstandsmålernes absolutte høyde, hva er forskjellen på å benytte data fra gammelt (NN1954) og nytt (NN000) høydesystem?

14 Hvorfor punktbasert? Studien fokuserer på vannstandsmålere (punktverdier) og punktvise altimetriobservasjoner i satellittens bevegelsesretning (along-track) I stedet for å interpolere altimetridata til vannstandsmålere har vi valgt observasjoner i nærheten av vannstandsmålerne, men fortsatt innenfor altimetersporet Altimetripunkter er valgt ved å plotte hver vannstandsmåler sammen med de nærliggende altimetersporene, for så å velge punkt der sporene krysser Slik inneholder hvert altimetripunkt observasjoner fra alle benyttede altimetridatasett Alle rutenett benyttet i studien er interpolert til vannstandsmåler- og altimetripunkt

15 19 vannstandsmålere og 37 altimetripunkt 66 o N 7 o N 64 o N 6 o N 1 RORV 1 1 MAUS 1 HEIM 1 KRIN ALES 1 MALO 71 o N 70 o N 69 o N 1 1 HONN HAMM VARD 1 1 TROM 1 ANDE 1 60 o N 58 o N 0 o 3 o E 1 1 BERG HELG STAV VIKE 1 1 TREG 1 6 o E 9 o E 1 o E 68 o N 67 o N 66 o N HARS KABE 1 1 BODO 15 o E0 o E 5 o E30 o E 35 o E

16 Geoidemodeller Utgangspunkt: NMA014, stilt til rådighet av Ove C. D. Omang ved Kartverket, gitt på et regulært rutenett, basert på GOCE DIR4 I stedet for å beregne en ny regional kvasigeoide er GOCE TIM5/DIR5 kombinert med NMA014 vha. en filtreringsteknikk Filtrering i frekvensdomenet er umulig da NMA014 allerede er gitt på et rutenett i det romlige domenet; derfor er GOCE kvasigeoidene beregnet i rutenettspunktene til NMA014 vha. SHS (til sine maksimale grad/orden) I denne studien har vi benyttet et Gauss-lavpass-filter

17 Geoidemodeller GOCE GOCE C nm, S nm SHS Nmax n=0 ζ GOCE 1 4π W (ψ, b) ζ GOCE dσ σ ζgoce LP ζ reg 1 4π W (ψ, b) ζ reg dσ σ ζ reg LP ζ reg ζ reg LP ζ reg HP ζlp GOCE + ζ reg HP = ζcomb I tillegg ble EGM008 beregnet i rutenettspunktene til NMA014 til maksimal grad/orden (190) Validering mot GNSS/nivellementsdata: Kvasigeoide ˆσ (cm) TIM5 + NMA km 3.07 DIR5 + NMA km 3.07 NMA EGM GOCE TIM5 8.3 GOCE DIR5 7.37

18 MSL fra vannstandsmåler Med unntak av Mausund, har vi benyttet årlige MSL-verdier fra PSMSL Mausundobservasjoner er hentet fra Kartverkets database disse er gitt i NN1954 PSMSL: Data fra RLR-settet MSL gitt relativt til vannstandsmålerens hovedfastmerke (TGBM) Ideelt: Absolutt høyde til MSL bør være en observert størrelse (GNSS; kontinuerlig eller god kampanje)

19 MSL fra vannstandsmåler Ingen av TGBMene i studien vår er observert med tilstrekkelig nøyaktighet 6/4 vannstandsmålere har GNSS montert, men mangler den nødvendige forbindelsen mellom ARP og TGZ Vi har derfor benyttet absolutt MSL avledet fra en høydereferanseflate (HREF) HREF: En kvasigeoide tilpasset GNSS/nivellementsfastmerker, som muliggjør konvertering av høyder H i det nasjonale høydesystemet til ellipsoidiske høyder h, ved sammenhengen h = H+HREF Norge går for tiden over til nytt nasjonalt høydesystem, derfor benytter denne studien både NN1954- og NN000-relaterte H og HREF

20 MSS fra altimetri Vi har benyttet 6 altimetridatasett: konvensjonelle enkeltoppdrags-datasett fra Envisat og Jason- Grunnet banekonfigurasjonen til Jason-, er disse dataene kun tilgjengelige opp til 66 N 3 kystaltimetridatasett: CTOH (Envisat), Ocean3 (Jason-) og Red3 (Jason-) 1 rutenettsdatasett basert på flere satellittoppdrag: DTU13MSS

21 Datakonsistens Permanente tidesystemer standardisert i mean tide Ellipsoidiske høyder referert til GRS80-ellipsoiden Korreksjoner for havets invers-barometer-respons Alle MSS- og MSL-verdier er midlet over perioden 1996 tom 000, for å stemme overens med de oseanografiske MDTene Til slutt beregnes de geodetiske MDTene ved MDT= h ζ

22 Oseanografisk MDT De geodetiske MDTene er validert mot numeriske havmodeller uavhengige av geodetiske data Vi har benyttet 6 havmodeller; 5 globale (Nemo1, NemoQ, L-MITf, L-MITc, OCC1) og 1 kystmodell (POLCOMS) De globale modellene ble levert av Christopher W. Hughes ved National Oceanography Centre, Liverpool Alle havmodeller med unntak av POLCOMS ble levert ferdig resamplet til 1/4 regulære rutenett POLCOMS ble direkte lasted ned i form av et 1/9 1/6 regulært rutenett, men er begrenset til 65 N

23 Benyttede rutenettsmodeller Kvasigeoide Modell Utstrekning Tidsperiode Oppløsning ( ) eller g/o TIM5+NMA ϕ λ 36 DIR5+NMA ϕ λ 36 NMA ϕ λ 40 EGM008 Global 190 MSS Havmodell DTU13MSS Global /60 1/60 Nemo1 Global /1 1/1 NemoQ Global /4 1/4 L-MITf Global /5 1/6 L-MITc Global OCC1 Global /1 1/1 POLCOMS ϕ /9 1/ λ 13

24 MDT-profiler for vannstandsmålere a b c d VARD HONN HAMM Nemo1 NemoQ Liv MITf Liv MITc OCCAM1 POLCOMS VARD HONN HAMM DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo1 VARD HONN HAMM DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo1 VARD HONN HAMM TROM TROM TROM TROM ANDE ANDE ANDE ANDE HARS HARS HARS HARS KABE KABE KABE KABE BODO BODO BODO BODO RORV RORV RORV RORV MAUS MAUS MAUS MAUS HEIM HEIM HEIM HEIM KRIN KRIN KRIN KRIN ALES ALES ALES ALES MALO MALO MALO MALO BERG BERG BERG BERG STAV STAV STAV STAV TREG TREG TREG TREG HELG HELG HELG HELG VIKE VIKE VIKE VIKE (cm) (cm) (cm) (cm)

25 MDT-profiler i altimetripunkt, hele kysten VARD_ VARD_1 HONN_ HONN_1 HAMM_ HAMM_1 TROM_1 TROM_ ANDE_ ANDE_1 HARS_ HARS_1 KABE_1 KABE_ BODO_ BODO_1 RORV_ RORV_1 MAUS_ MAUS_1 HEIM_1 HEIM_ KRIN_ KRIN_1 ALES_ ALES_1 MALO_ MALO_1 BERG_ BERG_1 STAV_ STAV_1 TREG_1 TREG_ HELG_1 HELG_ VIKE_1 a b c d Nemo1 NemoQ Liv MITf Liv MITc OCCAM (cm) VARD_ VARD_1 HONN_ HONN_1 HAMM_ HAMM_1 TROM_1 TROM_ ANDE_ ANDE_1 HARS_ HARS_1 KABE_1 KABE_ BODO_ BODO_1 RORV_ RORV_1 MAUS_ MAUS_1 HEIM_1 HEIM_ KRIN_ KRIN_1 ALES_ ALES_1 MALO_ MALO_1 BERG_ BERG_1 STAV_ STAV_1 TREG_1 TREG_ HELG_1 HELG_ VIKE_1 DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo (cm) VARD_ VARD_1 HONN_ HONN_1 HAMM_ HAMM_1 TROM_1 TROM_ ANDE_ ANDE_1 HARS_ HARS_1 KABE_1 KABE_ BODO_ BODO_1 RORV_ RORV_1 MAUS_ MAUS_1 HEIM_1 HEIM_ KRIN_ KRIN_1 ALES_ ALES_1 MALO_ MALO_1 BERG_ BERG_1 STAV_ STAV_1 TREG_1 TREG_ HELG_1 HELG_ VIKE_1 DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo (cm) VARD_ VARD_1 HONN_ HONN_1 HAMM_ HAMM_1 TROM_1 TROM_ ANDE_ ANDE_1 HARS_ HARS_1 KABE_1 KABE_ BODO_ BODO_1 RORV_ RORV_1 MAUS_ MAUS_1 HEIM_1 HEIM_ KRIN_ KRIN_1 ALES_ ALES_1 MALO_ MALO_1 BERG_ BERG_1 STAV_ STAV_1 TREG_1 TREG_ HELG_1 HELG_ VIKE_1 DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo (cm)

26 MDT-profiler i altimetripunkt, sør for 66 N a b c d Nemo1 RORV_ RORV_ RORV_ RORV_ NemoQ RORV_1 Liv MITf RORV_1 RORV_1 RORV_1 MAUS_ Liv MITc MAUS_ MAUS_ MAUS_ OCCAM1 MAUS_1 MAUS_1 MAUS_1 MAUS_1 HEIM_1 HEIM_1 HEIM_1 HEIM_1 DIR5+NMA014 DIR5+NMA014 HEIM_ HEIM_ HEIM_ HEIM_ TIM5+NMA014 TIM5+NMA014 KRIN_ KRIN_ NMA014 KRIN_ NMA014 KRIN_ KRIN_1 KRIN_1 EGM008 KRIN_1 EGM008 KRIN_1 Nemo1 Nemo1 ALES_ ALES_ ALES_ ALES_ ALES_1 ALES_1 ALES_1 ALES_1 MALO_ MALO_ MALO_ MALO_ MALO_1 MALO_1 MALO_1 MALO_1 BERG_ BERG_ BERG_ BERG_ BERG_1 BERG_1 BERG_1 BERG_1 STAV_ STAV_ STAV_ STAV_ STAV_1 STAV_1 STAV_1 STAV_1 TREG_1 TREG_1 TREG_1 TREG_1 TREG_ TREG_ TREG_ TREG_ HELG_1 HELG_1 HELG_1 HELG_1 HELG_ HELG_ HELG_ HELG_ DIR5+NMA014 TIM5+NMA014 NMA014 EGM008 Nemo1 VIKE_1 VIKE_1 VIKE_1 VIKE_ (cm) (cm) (cm) (cm)

27 8 Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten Taylordiagram for vannstandsmålere, hele kysten C o r r e l a t i o n Standard deviation (cm) NN1954 NN1954 NN1954 NN1954 NN000 NN000 NN000 NN000 L MITc OCC1 L MITf NemoQ Nemo1 1

28 Taylordiagram for altimetripunkt, hele kysten C o r r e l a t i o n 8 ctoh ctoh ctoh 0.7 Standard deviation (cm) envi envi ctoh envi L MITc dtu13 dtu13 envi dtu13 dtu13 OCC1 L MITf NemoQ R M S Nemo1 1

29 4 Geodetisk bestemmelse av havets topografi langs norskekysten Taylordiagram for altimetripunkt, sør for 66 N C o r r e l a t i o n Standard deviation (cm) 8 L MITc 6 4 red3 jas ctoh ctoh oce3 oce3 red3 ctoh oce3 OCC1 ctoh jas dtu13 dtu13 jas L MITf oce3 red3 envi envi dtu13 jasenvi dtu13 envi red3 NemoQ R M S Nemo1 1

30 Konklusjoner Geodetiske og oseanografiske MDTer stemmer overens på 3-7 centimeters nivå i vannstandsmålerne, og på 5-11 centimeters nivå i altimetripunktene Bidragene til det totale feilbudsjettet estimert til: Oseanografisk MDT: 5 cm MSS: 7 cm/msl: 3 cm ζ: 4cm Geodetiske og oseanografiske MDTer korrelerer med Nemo1 på samme nivå, hvilket antyder konvergens av metodene Kystaltimetri gir generelt ingen forbedring i forhold til de konvensjonelle datasettene de er basert på Punktbasert altimetri gir resultater som er sammenlignbare med DTU13MSS på 5 centimeters nivå For de fleste vannstandsmålere oppnås bedre resultater med det nye høydesystemet NN000

31 Referanser Ophaug, V., K. Breili, and C. Gerlach, A comparative assessment of coastal mean dynamic topography in Norway by geodetic and ocean approaches, J. Geophys. Res.: Oceans, 015, doi:10.100/015jc

32 Takk for oppmerksomheten!