Corrientes, vientos y mareas II: ¿Cómo se mide el nivel del mar?

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1 Corrientes, vientos y mareas II: ¿Cómo se mide el nivel del mar?
Begoña Pérez Puertos del Estado III Máster Interuniversitario en Ingeniería de Puertos y Costas Universidad de La Laguna, 06/10/2016

2 Historia y aplicaciones Instrumentación
Mareógrafos en costa Altimetría espacial Sistemas de referencia. Nivelación Análisis de datos de mareógrafos y generación de productos de nivel del mar Centros nacionales e internacionales de datos

3 Un poco de historia Origen: marca en una roca o tabla (pleas y bajas registradas de esta forma en Amsterdam, Estocolmo, Brest y Liverpool), siglos XVII y XVIII 1830: primeros mareógrafos de flotador: registro curva de nivel completa 1874: primer mareógrafo de flotador del IGN en Alicante 1933: nace el Servicio Permanente del Nivel Medio del Mar (PSMSL, Reino Unido): recopilación de niveles medios de todo el globo 1943: el I. Español de Oceanografía (IEO) establece una red de mareógrafos de flotador Década 80: la COI (UNESCO) establece la red GLOSS de medida de nivel del mar a nivel global. Primeros satélites y medidas altimétricas 1992: Puertos del Estado establece la red REDMAR de mareógrafos en los puertos de interés estatal : NUEVAS ESTACIONES Y SISTEMAS PARA DETECCIÓN DE TSUNAMIS Actualidad: combinación altimetría y mareógrafos

4 Aplicaciones Ayuda a la navegación en puertos Realización de dragados
Diseño de obras portuarias y costeras (extremos) Cálculo de constantes armónicas de un puerto (para predicción marea) Definición de ceros o niveles de referencia Validación y asimilación en modelos numéricos de circulación (de nivel del mar y de corrientes) Estudio de tendencias del nivel medio del mar a largo plazo Sistemas de alerta (tsunamis, storm surge, etc)

5 Altimetría espacial (desde los años 80):
Instrumentación Mareógrafos: Miden el nivel del agua con respecto a un punto fijo en tierra Imprescindible su ubicación en la costa (puertos) y su enlace con los sistemas de referencia terrestre (locales/nacionales) Registran el nivel del mar con alta resolución temporal Pobre resolución espacial (línea de costa) Altimetría espacial (desde los años 80): Miden el nivel del mar desde el espacio, con respecto al elipsoide de referencia Mayor cobertura espacial global, pobre resolución temporal (un dato cada varios días) Referencia global (única) Peor calidad cerca de la costa

6 Mareógrafos de flotador:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos de flotador: Sistema de poleas que transmite el movimiento de un flotador a un registro gráfico (mareograma) Primeros equipos (s XIX) Sencillos y precisos Mucho mantenimiento Requieren un tubo o pozo Todavía gran número de ellos en funcionamiento Proveedores: Thalimedes/OTT…

7 Mareógrafos de flotador:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos de flotador:

8 Mareógrafos de presión:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos de presión: Miden la presión hidrostática de la columna de agua: sensores de presión absoluta: requieren barómetro sensores de presión autocompensados: posible condensación cable ventilación sensibles a la densidad difícil mantener estable la referencia. adecuados para campañas

9 Mareógrafos de presión:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos de presión: Diferentes modelos en función de la profundidad, permiten registro oleaje Única opción para medidas en aguas profundas (variabilidad) Proveedores: Paroscientific, Aanderaa, SeaBird, Valeport ….

10 Mareógrafos de presión por burbujeo:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos de presión por burbujeo: Red del Reino Unido Sensor de presión fuera del agua: mucho mantenimiento y poco precisos con fuerte oleaje

11 Sensores de presión múltiples:
Tipos de mareógrafos Sensores de presión múltiples: Sensor de presión adicional a mitad de marea para control de la estabilidad del cero Referencia muy estable Muy caros

12 Mareógrafos acústicos:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos acústicos: Transductor de ultrasonidos sobre la superficie del agua Obtienen el nivel a partir del tiempo invertido por los ecos de ultrasonidos en llegar a la superficie y volver Normalmente en el interior de un tubo Ventajas: fáciles de instalar y mantener Inconvenientes: sensibles a un gradiente de temperatura a lo largo del tubo. Proveedores: Sonar Research and Development, Aquatrak, MORS….

13 Mareógrafos acústicos:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos acústicos: SRD (Sonar Research&Develop-ment): Primeros sensores Red REDMAR de Puertos del Estado Sensibles a gradientes de temperatura

14 Mareógrafos acústicos:
Tipos de mareógrafos Mareógrafos acústicos: Aquatrak: sistema empleado en la NOAA y Australia

15 Sensores rádar: Tipos de mareógrafos
Microondas o radar en lugar de ultrasonidos Menos sensibles a gradientes de temperatura No necesitan tubo Poco mantenimiento y fácil instalación Muy precisos

16 Sensores rádar: Tipos de mareógrafos Dos tipos:
De pulso: mismo principio que los acústicos, más baratos, no miden oleaje/agitación Modulación de frecuencia: más caros, más fiables en alta frecuencia, miden oleaje/agitación (Red REDMAR Puertos del Estado) Proveedores: Radar pulso: Vegapuls, OTT (Kalesto), Geónica, SEBA…. Radar modul. frecuencia: RADAC, MIROS …..

17 Altimetría espacial Mismo principio que el rádar de pulso para determinación del nivel del mar (SSH) Seguimiento preciso de la órbita del satélite (sistema DORIS) Nivel del Mar (SSH) = nivel sobre el elipsoide de referencia

18 Altimetría espacial Varias misiones, datos desde 1986:
Credits: Cnes/CLS Productos básicos: SSH: Sea Surface Height SLA: Sea Level Anomaly Credits: CSIRO

19 Altimetría espacial Datos en la traza (along-track data):

20 Altimetría espacial Datos en una malla (“gridded” data):
Datos de varias misiones históricas interpolados global y regionalmente Combinación de misiones simultáneas para mejor resolución espacial y temporal

21 Sistemas de referencia. Nivelación
Referencia o cero: punto crítico de una estación de nivel del mar Objetivo de la nivelación: definición cero medidas, control del movimiento vertical local, y enlace con otras referencias (red geodésica, GPS). Precisiones milimétricas en las cotas y posición del cero del mareógrafo, para que los datos sean válidos a largo plazo

22 Sistemas de referencia. Nivelación
Referencias utilizadas para el nivel del mar: Cero hidrográfico: nivel de marea más bajo de 19 años de predicción de marea, obtenida a partir de no menos de 1 año de datos observados Cero del puerto: definido localmente por el puerto, coincidente o no con el cero hidrográfico Cero geodésico: referencia nacional de altitudes: Nivel Medio del Mar en Alicante en la península, nivel medio local en las islas Elipsoide de revolución (GPS): referencia global

23 Sistemas de referencia. Nivelación
Problemas en las redes de nivelación nacionales: Cambios periódicos debido a nuevas campañas de nivelación (no adecuado para topografía marina) Compensación de 1998 en la Red Nacional introduce grandes diferencias en los puertos del Cantábrico Necesario enlace para gran número de usuarios

24 Sistemas de referencia. Nivelación
Colaboración con Instituto Geográfico Nacional para nivelaciones de Alta precisión a la RedNAP

25 Sistemas de referencia. Nivelación
Algeciras: línea de 7 km Tarifa: línea de 3 km

26 Sistemas de referencia. Nivelación
h

27 Análisis de datos Fuente: tesis doctoral Pérez-Gómez, 2014

28 Análisis de datos Proceso de datos en función de la aplicación y latencia: Tiempo real (RT): latencias por debajo de 1 minuto, aplicación a sistemas de alerta de tsunamis, sin control de calidad o control de calidad muy básico Ejemplo: NEAMTWS (North East Atlantic Medi. And Adjacent Seas Tsunami Warning System, IOC Sea Level Station Monitoring Facility) Tiempo cuasi-real (NRT): latencias desde 15 min a varias semanas, modelos de “storm surge”, calibración de altímetro y oceanografía operacional. Control de calidad básico (L1). Ej: MyOcean InSitu Tacs Modo diferido (Delayed mode: DM): tratamiento de series históricas, incluye control de calidad L1, y generación de productos, control del datum, nivel medio del mar, etc (L2)

29 Análisis de datos Tiempo real, alertas de tsunamis:
Se aplica un control de calidad somero (cada minuto) basado en la comparación del último dato recibido con los últimos valores: sólo válido para detección de errores muy groseros y valores completamente fuera de rango Se filtra la señal y se eliminan las ondas de baja frecuencia para visualizar fenómenos tipo “secas” A ambas series de datos, y cada minuto, se le aplica un algoritmo de detección de oscilaciones fuertes (basado en la variación de la varianza de una ventana móvil), que incluye “alertas”, de nivel y de oscilación

30 Análisis de datos Tiempo cuasi-real, oceanografía operacional (cada 15 min): Control de calidad L1 y cálculo datos promediados a 5 minutos: Marcado de “picos” o ecos falsos mediante el método de “splines” Detección de valores constantes (o “test de estabilización”) Promediado a datos de 5 min Detección de huecos inferiores a min y generación de serie interpolada (para filtrado posterior) Actualización de flags de errores detectados en la Base de Datos de Cálculo del nivel horario del mar (filtrado) Cálculo de la marea y el residuo (componente meteorológica)

31 Análisis de datos Nivel horario, se aplica a los datos 5 min filtro del tipo: valor filtrado para cada hora Filtro simétrico de 54 puntos, elimina las oscilaciones de frecuencia superior a 0.5 ciclos/hora A partir de los datos horarios, una vez eliminadas posibles oscilaciones de alta frecuencia (onda larga, “secas”, etc), se realiza el análisis armónico y el cálculo de la componente de la marea.

32 dos componentes: predicción de marea
Análisis de datos Análisis armónico de mareas: Si X(t) es el nivel horario medido: X(t) = Z0(t) + M(t) + R(t) Nivel horario (mareógrafo) Diferencia entre nivel medido y marea. Predecible a corto plazo con modelo hidrodinámico Análisis armónico proporciona estas dos componentes: predicción de marea

33 Análisis de datos Fundamentos del análisis armónico:
El método armónico trata de ajustar la suma de un número finito de constituyentes o armónicos, cuyas frecuencias más importantes provienen de la Teoría de Newton y representan la componente de marea M(t), a los datos observados X(t). Si la componente de marea es: Los valores desconocidos son Z0 y los pares (Hn,gn) para cada constituyente; se denominan constantes armónicas y se trata de calcular qué valores han de tener para que sea mínimo:

34 Análisis de datos Fundamentos del análisis armónico:
Las constantes armónicas tienen valores prácticamente constantes para cada puerto. Una vez conocidas permiten obtener la predicción de marea o componente periódica del nivel del mar para cualquier instante de tiempo. En Puertos del Estado se utiliza el software de análisis y predicción de marea de Foreman (1977) Se calculan análisis armónicos anuales. Al cabo de cierto número de años se obtienen las constantes armónicas promedio para toda la serie histórica, y éstas se almacenan en la Base de Datos, y se utilizan en el Programa de Predicción de Marea de la web de Puertos del Estado

35 Análisis de datos Fundamentos del análisis armónico:
Se define el Factor de Forma de la marea de un puerto como la razón entre las amplitudes de los principales constituyentes diurnos y los principales semidiurnos, obtenidos a partir del análisis armónico, es decir: F = 0 a semidurna F = 0.25 a mixta, predominando la semidiurna F = 1.50 a 3.00 mixta, predominando la diurna F > diurna

36 Análisis de datos Otros parámetros que se pueden estimar a partir de las constantes armónicas son (en puertos con marea semidiurna): Pleamar Viva Media, Bajamar Viva Media: Pleamar Muerta Media, Bajamar Muerta Media: Edad de la marea: tiempo transcurrido entre la luna nueva o la luna llena y la máxima carrera de marea

37 Análisis de datos Cálculo de extremos y carreras de marea (L2):
Se calculan los extremos (máximo y mínimo), a partir de los datos cada 5 minutos y a partir de los niveles horarios: diarios, mensuales y anuales En puertos con marea semidiurna, se obtienen además las dos pleamares y las dos bajamares registradas por el mareógrafo, a partir de los datos de 5 minutos: carreras de marea observadas. A partir de Las mismas se generan tablas de carreras medias, máximas y mínimas, mensuales y anuales El proceso anterior se realiza también en puertos con marea semidiurna, con los mismos datos derivados de la predicción de marea astronómica

38 Análisis de datos Se calculan los niveles medios diarios, mensuales y anuales (L2): Medias diarias: se eliminan la marea diurna y semidiurna de los datos horarios y a continuación se aplica un filtro de convolución de 119 puntos, centrado en el mediodía. Medias mensuales: media aritmética de las medias diarias de cada mes, si hay más de 7 días sin datos, no se calcula la media de ese mes. Medias anuales: media de los niveles medios mensuales, pesada con el número de días con datos de cada mes Ciclo estacional medio: medias de los valores mensuales para todos los años disponibles (todos los Eneros, todos los Febreros..)

39 Análisis de datos Input o entradas:
Anualmente se ejecuta un proceso automático para toda la red: Input o entradas: Datos brutos de N estaciones Ficheros de configuración Salidas: Datos con control de calidad Datos derivados (constantes armónicas, residuos, medias mensuales...) Gráficos y estadísticas Productos integrados en la Base de Datos Informes de datos en pdf, disponibles en la web En este proceso anual se hace un control de calidad más detallado de posibles cambios en el nivel de referencia

40 Análisis de datos Tablas resumen de control de calidad para el año

41 Análisis de datos Constantes armónicas del año analizado

42 Análisis de datos Histogramas de nivel horario y de residuo

43 Análisis de datos Gráficos de niveles horarios y residuos por meses

44 Análisis de datos Tablas de extremos y gráficos de niveles medios

45 Análisis de datos Ciclo estacional medio

46 Análisis de datos Obtención de datums o referencias

47 Análisis de datos Análisis extremal de nivel del mar:
Ajuste máximos anuales (Gumbel) Método de picos por encima de umbral (POT) Método de Probabilidad Combinada (separando marea y calculando la probabilidad conjunta de marea y residuo)

48 Análisis de datos Efecto de la tendencia en el nivel medio del mar en el análisis extremal:

49 Análisis de datos Análisis extremal en ausencia de datos:
Simulaciones numéricas de varias décadas con modelos hidrodinámicos forzados con presión atmosférica y viento (HIPOCAS ): componente meteorológica Modelos más complejos simulando cambios en nivel medio, mareas y componente meteorológica ante los diversos escenarios de cambio climático

50 Análisis de datos

51 Análisis de datos

52 Análisis de datos Medias  Tendencias

53 Análisis de datos Tendencias: Relativas a tierra Desconocimiento
del movimiento del terreno Nuevo mareógrafo:

54 Centros internacionales:
Centros de datos Centros nacionales: Instituto Geográfico Nacional (5 estaciones, Alicante, 187?-) Instituto Español de Oceanografía (13 estaciones, 1943-) Puertos del Estado – Red REDMAR (35 estaciones, 1992-) Centros internacionales: GLOSS (Global Sea Level Observing System) PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level) IOC SLSMF -- > Alertas Tsunamis MyOcean In-situ TAC --> Oceanografía operacional

55 Red REDMAR de Puertos del Estado (1992-)
Centros de datos Red REDMAR de Puertos del Estado (1992-) 36 radares MIROS: Frecuencia original de muestreo: 2Hz Datos brutos almacenados “in situ” Envío de datos promediados cada 1 min a Puertos del Estado, en tiempo real, mediante Internet y GPRS Control de hora por GPS Envío de parámetros de oleaje cada 20 minutos a Puertos del Estado Formato estándar XML

56 Centros de datos

57 Centros de datos

58 Centros de datos Red GLOSS y Servicio Permanente del Nivel Medio del Mar (PSMSL): Objetivo inicial: tendencia del nivel medio global (cambio climático) estudios de circulación 290 estaciones distribuidas uniformemente por todo el globo Contribución de las redes nacionales o locales Actualmente mayor importancia de la transmisión en tiempo real (alerta de tsunamis) PSMSL: medias mensuales de todos los mareógrafos existentes (desde 1933) Requisitos: riguroso control del datum o cero, estabilidad de la referencia y precisión. Acceso a datos procesados horarios y mensuales.

59 Centros de datos Sistemas de alerta de tsunamis:
Desde el tsunami de Sumatra en 2004, la COI (UNESCO) y la WMO promueven la extensión de la red de medida de nivel del mar para alerta de tsunamis a todo el globo. Sistema inicial en el Pacífico (PTWS), años 60. Actualmente en desarrollo en: Indico: IOTWS Caribe: CARIBEAN TWS Europa y países limítrofes: NEAMTWS Requisitos: datos en tiempo real, intervalo de muestreo y transmisión 1 min o menos

60 Centros de datos Copernicus In-situ Tacs: Objetivo: oceanografía
operacional y validación de modelos Requisitos: datos actualizados una vez al día, muestreo varios minutos / horarios

61 Centros de datos Altimetría:

62 Más información y acceso a datos de altimetría:
Centros de datos Más información y acceso a datos de altimetría: Portal de Copernicus