Sammenligning av absolutt havnivå fra vannstandsmålere og kystnær altimetri

Abstract

Vannmassene i havet påvirkes av en rekke ytre krefter, som gir vannstanden vertikal bevegelse. Vannstandsmålere plassert langs kysten måler i utgangspunktet vannstanden relativt til sitt lokale nullnivå (TGZ). Dette fører med seg utfordringer da også landjorda er dynamisk og beveger seg vertikalt. Vannstanden må derfor refereres til et absolutt nivå for å kunne måle faktisk vannstandsendring. Løsningen er å etablere såkalt tide gauge benchmark (TGBM). Dette er høydefastmerker bestemt ved nivellement fra GNSS-innmålte lands- og stamnettpunkter i nærheten. Vannstandsmålerens nullnivå holdes konstant med TGBM som referanse ved jevnlig nivellement mellom dem og eventuell kalibrering. Altimetrisatellitter gjør avstandsobservasjoner til havoverflaten ved hjelp av utsendte og reflekterte radarpulser. Av gangtiden beregnes ellipsoidisk havnivå (SSH) da satellitthøyden er kjent. I forbindelse med utprøvning av kystaltimetri langs Norskekysten, trengs det vannstandsdata for sammenlikning. Altimetri-datasettet som studeres i denne oppgaven kalles PEACHI og er gitt av satellitten SARAL/AltiKa. Denne refererer havnivå til Topex-ellipsoiden. For best mulig sammenlikningsgrunnlag transformeres dermed observasjoner fra vannstandsmålere til SSH-verdier referert til Topex-ellipsoiden, interpolert til tidspunkt for altimetriobservasjon. I denne oppgaven er SSH i vannstandsmåleren beregnet med to ulike metoder. Begge ved bruk av eksisterende tilknytning mellom TGBM og TGZ. Den ene bruker GNSS-innmålte høyder i TGBM. Og den andre ved transformasjon fra opprinnelig referansesystem (NN2000) til ellipsoidiske høyder ved bruk av geoidereferansemodellen HREF. Sistnevnte er benyttet for alle vannstandsmålerne langs kysten, mens GNSS-innmålingen foregikk ved de fire nærmeste vannstandsmålerne i forhold til NMBU. Feltarbeidet resulterte i mindre nøyaktige høyder enn hva man ellers kan oppnå med statisk GNSS-måling. Resultatene inneholder noen større feilbidrag fra prosesseringen av vektorer, da avstandene til referansestasjonene ser ut til å være for lange. Høydebestemmelse ved hjelp av HREF viser seg å også kunne inneholde feil på flere centimeter. Dette skyldes at geoidehøyden gitt av HREF ikke er konstant mellom TGBM og TGZ, men gir en tilt i geoiden i forhold til ellipsoiden. Disse geoidehøyde-avvikene forplanter seg til ellipsoidisk vannstand da høydeforskjellen mellom TGBM og TGZ er bestemt ved nivellement. PEACHI viser seg å ha svært god korrelasjon med vannstandsobservasjonene langs Norskekysten. Det er mulig å teste fem såkalte "trackere" i PEACHI. Trackerne er ulike prosesseringsmetoder tilpasset blant annet kystsonen. Av disse viste det seg at standard tracker var betydelig bedre enn de spesialtilpassede trackerne. Havnivå gitt av PEACHI i forhold til havnivå beregnet av vannstandsobservasjoner har et konstantavvik når vi sammenlikner midlede SSH-verdier. Konstantavviket for standardtrackeren ligger mellom -38 cm og +15 cm, med et standardavvik på 11 cm. De fire stedene jeg hadde mulighet til å sammenlikne to ulike SSH-verdier fra vannstandsobservasjoner, viste de innmålte høydene seg å gi SSH-verdier som samsvarte enda bedre med PEACHI.

A number of external forces affects the ocean, and give the water a vertical motion. Tide gauges located along the coast initially measures sea level relative to their local tide gauge zero (TGZ). This poses challenges, as the land also are dynamic and moves vertically. Therefore, the sea level must refer to an absolute reference frame in order to measure actual sea level change. The solution to this is to establish so-called tide gauge benchmarks (TGBM). These are benchmarks determined by leveling from high precision GNSS-measured benchmarks. The height of TGZ is in constant offset to TGBM by regularly leveling and calibration if needed. Altimetry satellites measures distances to the ocean’s surface using transmitted and reflected radar pulses. By measuring the time spent for a signal to return, the distance can be determined and the ellipsoidal sea surface height (SSH) calculated, as the satellite height is known. In the context of testing a type of coastal altimetry along the Norwegian coast, sea level measurements are required for comparison. The altimeter dataset studied in this task is called PEACHI and is given by the satellite SARAL/AltiKa. This satellite uses the Topex-reference ellipsoid. For best possible tide gauge observations for the comparison, the observations are transformed into values of SSH with the Topex reference ellipsoid, interpolated to the time of altimetry observation. In this task, SSH values from tide gauges are calculated using two different methods, both using TGBM’s existing connection to TGZ. One uses GNSS-measured ellipsoidal heights in TGBM. The other transforms TGBM’s height from the original reference system (NN2000) to ellipsoidal height using the HREF geoid reference model. The latter is used for all tide gauges along the coast, while the GNSS measurement was performed at the four nearest tide gauges relative to NMBU. The fieldwork resulted in less accurate heights than what is possible to achieve with static GNSS measurement. The results contain some significant errors from the processing of vectors, as the distances to the reference stations appear to be too long. Height determination using HREF turns out to also may contain errors of several centimeters. This is because the geoide height differs between the two positions TGBM and TGZ. It gives a tilt in the geoid relative to the ellipsoid. These geoide height deviations is transmitted to ellipsoidal SSH as the height difference between TGBM and TGZ is determined by leveling. PEACHI proves to have very good correlation with tide gauge observations along the Norwegian coast. It is possible to test five so-called "trackers" in PEACHI. The trackers are different processing methods adapted for example to the coastal zone. Of these, it appeared that the standard tracker was significantly better than the custom trackers. SSH given by PEACHI, relative to SSH calculated by tide gauges, has a constant deviation when comparing average SSH values. The constant deviation of the standard tracker is between -38 cm and +15 cm, with a standard deviation of 11 cm. At the four places I have had fieldwork, PEACHI is compared with SSH given by ellipsoidal height by both of the two methods. The comparison showed that the GNSS measured heights gave SSH values that matched better with PEACHI than the HREF-method.