Resultater fra strømmålinger Store Skorøya i Troms, 2014

Transkript

1 Resultater fra strømmålinger Store Skorøya i Troms, 2014 ved Akvaplan-niva AS Rapport:

2 Forsidebilde: Kart over måleområde (kartkilde:

3 Akvaplan -niva AS Rådgivning og forskning innen miljø og akvakultur Org.nr: NO MVA Framsenteret 9296 Tromsø Tlf: , Fax: Rapporttittel / Report title Resultater fra strømmålinger ved Store Skorøya i Troms, 2014 Forfatter(e) / Author(s) FrankGaardsted Eli Børve Akvaplan -niva rapport nr / report no Dato / Date Oppdragsgiver RambøllAS / Client Antall sider / No. of pages Distribusjon / Distribution Gjennomoppdragsgiver Oppdragsg. referanse / Client s reference HansOlav OftedalSømme Sammendrag / Summary Dennerapportenpresentererstrømmålingsresultater fra området sørfor StoreSkorøyai Troms. Målingeneble utført i mai-juni 2014.Dypetpåmålepunktetvar ca.40 m. Det ble målt strømgjennomhelevannsøylenvedhjelp av en akustiskprofilerendestrømmåler. Strømstyrkeuavhengigav retningvariertelite meddypeti måleperioden.denhøyestemedianverdienble funnetpå7 m dyp (5.3 cm/s), og denlavesteble funnetpå33 m dyp (4.4 cm/s).maksimalstrømstyrkevar over20 cm/s,mendette forekomsværtsjelden.denvanligstestrømretningenvar mot nord- nordøsti deulike dypene, mendetvar likevel en tendenstil enbimodalretningsfordeling,dvs.to dominerendestrømretninger.denandrehovedstrømretningen var mot sørvesti alle dyp. Det var ensvaknettostrøm(1-2 cm/s)mot nord-nordøsti alle dyp. Regulærtidevannsstrømutgjordeenbetydeligdel av strømbildetpåstedetog var hovedsakeligrettetmot sørvestpå stigendevannstandog mot nordøstpåsynkendevannstand.maksimaltidevannsstrømi måleperiodenble estimerttil 7.6cm/sog gjennomsnittligtidevannsstrømtil 2.6 cm/s. Prosjektleder / Project manager Kvalitetskontroll / Quality control FrankGaardsted Øyvind Leikvin 2014 Akvaplan -niva AS. Rapporten kan kun kopieres i sin helhet. Kopiering av deler av rapporten (tekstutsnitt, figurer, tabeller, konklusjoner, osv.) eller gjengivelse på annen måte, er kun tillatt etter skriftlig samtykke fra Akvaplan -niva AS.

4

5 INNHOLDSFORTEGNELSE FORORD INNLEDNING METODIKK Instrument og målemetode Dataanalyse og visualisering RESULTATER Strømstyrke Strømretning Variabilitet Tidevannsstrøm og reststrøm DISKUSJON REFERANSER APPENDIKS Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

6 Forord Kystverket har engasjertrambøll AS til å utføre strømmålingersør for Store Skorøyai Troms. I Rambølls oppdrag for Kystverket er Akvaplan-niva AS leverandør av oseanografisketjenester og har derfor gjennomført arbeidet som presenteresi denne rapporten.undersøkelsener gjennomførti forbindelsemed planleggingav mulig fremtidig deponeringav mudringsmasser i området. Følgendepersonerhardeltatti arbeidet: FrankGaardsted Akvaplan-niva Prosjektleder,rapportering Eli Børve Akvaplan-niva Utsetting/opptakav strømmåler, dataanalyse, rapportering Martin Biuw Akvaplan-niva Utsetting/opptakav strømmåler, Tromsø, FrankGaardsted Prosjektleder Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 2

7 1 Innledning I denne rapporten presenteres det resultater fra en og en halv måned med strømmålinger fra området sør for Store Skorøya i Troms (Figur 1). Måleren var plassert på ca. 40 m dyp. Resultatene som presenteres i denne rapporten gir et inntrykk av strømbildet i området, men det er viktig å presisere at det kan forekomme store variasjoner i tid og rom. Det vil si at strømmen på et gitt tidspunkt og i et annet område i nærheten muligens kan avvike betydelig fra disse resultatene. Figur 1. Oversiktskart. Sirkelen i gult midt i bildet markerer posisjonen til strømmåleren (kartkilde: Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

8 2 Metodikk 2.1 Instrument og målemetode Det ble brukt en profilerende strømmåler (RDCP 600; Recording Doppler Current Profiler, Aanderaa AS) for innsamling av strømdata. Måleren ble satt ut og tatt opp Data fra utsettingsdag til og med presenteres i rapporten. Instrumentet stod på ca. 40 m dyp, én meter over bunnen (Figur 2). Ved hjelp av akustiske signaler og doppler effekten, er måleren i stand til å måle strøm i hele vannsøylen ovenfor instrumentet. I dette tilfellet ble det logget hastighet hvert 10. minutt. Data fra følgende dyp presenteres her: 7 m, 14 m, 20 m, 26 m, 33 m og 36 m. I tillegg til strøm, ble det også målt trykk. Disse sensorene var plassert på selve instrumentet og målte kun på instrumentdypet, dvs. ca. 40 m. Table 1. Rigginformasjon Lengdegrad Breddegrad 'Ø 'N Måleperiode Dybde på måleinstrument Måleinstrument Måledyp strøm Andre sensorer Sampling intervall Ca. 40 m RDCP 600 (Aanderaa AS) 7 m, 14 m, 20 m, 26 m, 33 m og 36 m Trykk 10 min Figur 2. Riggskisse. Svarte firkanter er lodd, røde og gule sirkler er blåser/ flytekuler. Instrumentet er vist som grønn firkant. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 4

9 2.2 Dataanalyse og visualisering Strøm varierer både i styrke og retning over tid, og det kan derfor være vanskelig å illustrere alle trekk ved strømbildet i én figur. I kapittel 3 presenteres et utvalg figurer for å oppsummere hovedtrekkene ved måleresultatene. Noen andre måter å visualisere dataene på er inkludert i Appendiks. Variasjonen i strøm kan skyldes en rekke faktorer som for eksempel vind og ferskvannstilførsel. For å studere disse prosessene i detalj kreves en betydelig mer omfattende undersøkelse enn det som er gjennomført her. Tidevannsstrømmer er imidlertid et regelmessig fenomen som ofte kan estimeres basert på strømmålinger alene, gitt at måleserien er lang nok. I dette prosjektet ble det trukket ut data fra strømmåleren tilsvarende ca. 1.5 måned, noe som er tilstrekkelig for en brukbar analyse av tidevann. Ettersom periodene til de ulike komponentene av tidevannet er kjente, kan man søke systematisk etter dem i måleserien og dermed estimere tidevannets bidrag til variabiliteten i det totale strømbildet. Den vanligste teknikken for å gjøre dette kalles harmonisk analyse. Den harmoniske analysen i denne studien ble utført med programvaren MATLAB og programpakken T-Tide (Pawlowicz et al., 2002). Tidevannsstrømmer i forholdvis grunne områder varierer ofte lite med dypet (barotrop strøm) og tidevannsanalysen er derfor utført for vertikalmidlet strøm, og ikke for hver dybde. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

10 3 Resultater 3.1 Strømstyrke Et boks-plot over strømstyrke uavhengig av retning er vist i Figur 3. Medianen (dvs. den midterste verdien i strømstyrke sortert i økende rekkefølge, rød linje i figuren) er brukt for å vise sentralitetsmålet i strømstyrken. Dette målet tar ikke hensyn til størrelsen på målingene og er dermed lite sensitivt til ekstremverdier som kan skyldes enkeltstående tilfeller av veldig sterk strøm eller målefeil. Dette er et robust mål i tilfeller der fordelingen av måledata har én dominerende strømstyrke (dvs. én topp i et fordelingsdiagram, se Figur 11,). Strømstyrke uavhengig av retning varierte med lite med dypet i måleperioden. Den høyeste medianverdien ble funnet på 7 m dyp (5.3 cm/s) og den laveste ble funnet på 33 m dyp (4.4 cm/s). Variasjonsbredden i målingene var også noe høyere nært overflaten der 90 % av målingene ble funnet i intervallet cm/s (7 m dyp). På 36 m dyp lå 90 % av målingene i intervallet cm/s (se også Figur 10) Også strømstyrker høyere enn det som er vist i Figur 3 ble observert i måleperioden. De høyeste verdiene var over 20 cm/s på 7 og 14 m dyp og mellom 15 og 20 cm/s dypere i vannsøylen (Figur 9, Appendiks). Dette var imidlertid enkeltstående tilfeller og var uvanlige verdier i måleperioden. Dersom en antar at resultatene for vår måleperiode er representativ for normaltilstanden til strømstyrken for denne lokaliteten, vil strømstyrker over 95-prosentilen (Figur 10) kun forekomme 5 % av tiden. Figur 3. Boks-plot av strømstyrke på alle dyp. Den svarte boksen viser spennet i strømstyrke mellom 25-prosentil og 75-prosentil, dvs. at denne boksen inkluderer 50 % av alle målingene. Den røde linja viser medianen. De svarte horisontale linjene viser 5-prosentil og 95-posentil, dvs. at 90 % av alle målingene ligger i dette intervallet. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 6

11 3.2 Strømretning Retningsfordelingen til strømmen er vist i Figur 4. Det var strøm i alle retningssektorene i måleperioden. Den vanligste strømretningen var mot nord-nordøst, men målingen nærmest bunnen (36 m) hadde i tillegg ofte strøm mot øst. Det var en tendens til en bimodal retningsfordeling, dvs. to dominerende strømretninger området. Den andre hovedstrømretningen var mot sørvest i alle dyp. Middelstrømvektorer (nettostrøm) er også vist på Figur 4. Det var en svak nettostrøm mot nord eller nordøst i alle dyp. Denne var noe sterkere nært overflaten (ca. 2 cm/s) enn nært havbunnen (ca. 1 cm/s). Middelstrømvektorer sammen med tilhørende variansellipser er dessuten vist i på kart i Figur 5. En variansellipse forteller noe om graden av variabilitet, og forholdet mellom middelstrømvektor og variansellipse for strøm, kan sammenlignes med forholdet mellom middelverdi (gjennomsnitt) og standardavvik for andre datasett (for eksempel temperatur). Dersom standardavviket er lite i forhold til middelverdien vil verdiene over tid variere lite og ligge nært middelverdien. På samme måte, dersom en variansellipse er liten i forhold til middelstrømvektoren, vil strømmen på ulike tidspunkter avvike lite fra middelstrømvektoren. I andre tilfeller, for eksempel i områder med sterk strøm og sterkt skiftende strømretning, vil variansellipsen være stor i forhold til middelstrømvektoren, og middelstrømvektoren er da generelt ikke representativ for strømmen på et gitt tidspunkt. Det er ikke bare størrelsen på ellipsen som forteller noe om strømbildet; formen og orienteringen er også viktig. Dersom ellipsen er nesten helt rund betyr dette at avviket fra middelstrømvektoren på et gitt tidspunkt kan være i hvilken som helst retning. På den andre siden, dersom en ellipse er smal viser orienteringen til ellipsen hvilke retninger avviket fra middelstrømvektoren sannsynligvis vil ha. En annen måte å tenke på dette på er å se for seg at variansellipsen er plassert med sentrum i enden på middelstrømvektoren. Da vil området som dekkes av ellipsen være det området strømvektoren på et gitt tidspunkt mest sannsynlig vil holde seg innenfor. I målingene fra området sør fro Store Skorøya var variansellipsene store i forhold til middelstrømvektoren. Det betyr at strømmen på et gitt tidspunkt vanligvis avvek betydelig fra gjennomsnittssituasjonen. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

12 Figur 4. Strømroser som viser retningsfordeling, strømstyrkefordeling og nettostrøm. Totallengden på sektorene indikerer andel målinger(%) i respektive retninger i løpet av måleperioden. Lengden på hvert fargesegment i hver sektor bestemmer videre den relative andelen av målinger med korresponderende strømstyrke (se fargeskala) innenfor hver enkelt sektor. For eksempel, jo mer lyseblå farge i en sektor, desto mer strøm med styrke 4 8 cm/s i den retningen. Den svarte pilen viser styrken og retningen på nettostrømmen, skalert mot en 1 cm/s-pil nede til venstre i figurene. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 8

13 Figur 5. Kart over området med rigg-posisjon (svart kryss) og middelstrømvektoren (nettostrømmen) for måleperioden (rød pil). Rød ellipse sentrert om krysset viser variansellipsen for strømmålerserien. Denne gir et visuelt inntrykk av variabiliteten i både strømretning og styrke.. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

14 3.3 Variabilitet Tidsserier av strømhastighet for de ulike måledypene er vist i Figur 6. Tidsseriene er midlet over 24 timer og gir et bilde av variabiliteten fra dag til dag uten bidraget fra tidevannet. Det var en viss grad av samvariasjon mellom målingene i de øverste 26 m av vannsøylen; perioder med sterk strøm sammenfalt i tid, og retningen var omtrent den samme. Vedvarende strøm mot nord og nordøst forekom oftere enn strøm med en sørlig komponent. Dette samsvarer med nettostrøm mot nord-nordøst (Figur 4). Dypere i vannsøylen (33 og 36 m) var det generelt noe svakere strøm og oftere perioder med strøm i sørlig retning. Figur 6. Strømhastighet i alle dyp i løpet av måleperioden, De blå pilene viser strømstyrke og retning gjennom tidsserien, der nord er oppover, sør nedover, øst mot høyre og vest mot venstre. Lengden tilsvarende en strømhastighet på 10 cm/s er vist med linjen øverst i figuren. Dataserien er midlet med 1 dags løpende midling for bedre visualisering av strømmønsteret på tidsskala over 24 timer. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 10

15 3.4 Tidevannsstrøm og reststrøm For å skille ut tidevannskomponenten av strømmen ble det foretatt en harmonisk analyse av vertikalmidlet strøm. Den målte trykkvariasjonen og resultatet av tidevannsanalysen er vist i Figur 7. Den øverste kurven viser variasjonen i trykket (middelverdien er trukket fra) som målt på instrumentet. Trykket bestemmes i hovedsak av tyngden av vannet over måleinstrumentet, og ettersom vannstanden fortrinnsvis varierer med tidevannet, gir trykkmålingene en god indikasjon på tidevannsvariasjon i området. Tidevannssignalet i trykkmålingene var tydelig, med flo og fjære ca. to ganger per dag (halvdaglig), i tillegg til en halvmånedlig variasjon i amplituden til flo/fjære. Dette er et vanlig variasjonsmønster i Nord-Norge. Det var også en tidevannskomponent i strømmen på lokaliteten (rød kurve). Denne var sterkest i nord-sør retning og reflekterte i stor grad variasjonsmønsteret i trykkmålingene med både halvdaglige og halvmånedlige svingninger. Maksimal tidevannsstrøm var 7.6 cm/s, og gjennomsnittlig tidevannsstrøm var 2.6 cm/s. Tidevannsstrømmen var hovedsakelig rettet mot sørvest på stigende vannstand og mot nordnordøst på synkende vannstand (Figur 8). Reststrømmen i måleperioden varierte mye i styrke og retning. Maksimal styrke på reststrømmen var 11.0 cm/s, men så høye verdier forekom sjelden sjelden og restrømmen hadde en middelverdi på 3.0 cm/s. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

16 Figur 7. Trykkvariasjon (øverst) og estimert tidevannsstrøm og reststrøm (midten og nederst). Tidevannsanalysen er basert på vertikalmidlet strøm og er dekomponert i strøm mot øst (midten) og strøm mot nord (nederst). Negative verdier indikerer strøm mot vest og sør. Den røde kurven viser estimert tidevannsstrøm, og den blå kurven viser reststrømmen. Den totale strømmen er summen av tidevannsstrømmen og reststrømmen (grå kurve). Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 12

17 Figur 8. Estimert tidevannsstrøm fra én uke i juni 2014 plottet mot trykkvariasjon. Blå piler viser retning og styrke til estimert tidevannsstrøm. Resultatet er basert på harmonisk analyse av vertikalmidlet strøm. Den røde kurven viser variasjonen i trykket som ble målt av trykksensoren på strømmålerinstrumentet. Middelverdien er trukket fra slik at kurven varierer rundt null. Dette er en god approksimasjon på vannstandsvariasjonen. De grønne vertikale linjene markerer tidspunkt for flo og fjære. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

18 4 Diskusjon En rekke faktorer er med på å bestemme strømbildet i et område. Strømmen på et gitt sted vil til enhver tid påvirkes av ulike drivkrefter der noen opptrer regelmessig mens andre er uregelmessige. Strømmer påvirkes blant annet av vannstandsvariasjoner på grunn av tidevann, ferskvannstilførsel, vind, topografi, og potensielt også storskala sirkulasjon i det større området som målelokaliteten er en del av. Sirkulasjonen i kystnære områder kan derfor være komplisert og ofte svært variabel, både i tid og rom. Strømbildet ved Vannøya består både av regulær tidevannsstrøm og svært variabel reststrøm. Tidevannsstrømmen var hovedsakelig rettet mot sørvest på stigende vannstand og mot nordnordøst på synkende vannstand. Denne retningen er trolig bestemt av helningen på bunntopografien i området. Variabiliteten i reststrømmen skyldes sannsynligvis at målelokaliteten ligger i et forholdsvis åpent område, og det er rimelig å anta at reststrømmen i området vil være sterkt påvirket av værforhold som kan variere mye med tiden. Det var en svak nettostrøm mot nord-nordøst i måleperioden. Det er vanskelig å vite om dette er et permanent trekk ved strømbildet eller om det skyldtes spesielle forhold i måleperioden. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 14

19 5 Referanser Pawlowicz, R., B. Beardsley, and S. Lentz, Classical Tidal "Harmonic Analysis Including Error Estimates in MATLAB using t_tide", Computers and Geosciences, 28, (2002). Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

20 Appendiks Figur 9. Strøm uavhengig av retning. Dyp, middelverdi ± standardavvik, samt maksimumsstrøm er gitt over hver figur. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 16

21 Figur 10. Prosentvis kumulativ fordeling av strømstyrke for alle dyp. Stiplet rød linje markerer 50 % grensen (50 % av strømmålingene var lavere enn denne verdien). Nedre, stiplet blå linje markerer 5 % grensen og øvre, stiplet blå linje markerer 95 % linjen (disse verdiene samsvarer med de brukt i Figur 3). Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

22 Figur 11. Histogram med prosentvis fordeling av strømstyrke for utvalgte dyp. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 18

23 Figur 12. Histogram med prosentvis retningsfordeling for utvalgte dyp. Retningsintervallene er 20 grader. Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport

24 Figur 13.Progressive vektordiagram. Disse diagrammene viser hvordan en partikkel med samme oppdrift og egenvekt som vannmassen ville beveget seg gjennom måleperioden dersom den ble transportert med strømmen som målt på lokaliteten. Akvaplan-niva AS, 9296 Tromsø 20

25 Figur 14. Vertikalprofiler av temperatur, saltholdighet og tetthet (sigma-t). Målingene ble utført på posisjonen til strømmålerriggen Resultater fra strømmålinger ved store Skorøya i Troms, 2014 Akvaplan-niva AS Rapport