GPS:n käyttömahdollisuudet mareografitutkimuksessa

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "GPS:n käyttömahdollisuudet mareografitutkimuksessa"

Anni-Kristiina Ketonen
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 GPS:n käyttömahdollisuudet mareografitutkimuksessa Maaria Tervo, Markku Poutanen ja Hannu Koivula Geodeettinen laitos, Abstract Sea level monitoring is an important part of oceanography and climate investigation. It is done traditionally with tide gauges, which measure the sea level relative to a benchmark. Movements of these benchmarks and thus movements of the tide gauges and the ground around them have been conventionally observed by levelling. It can also be done with GPS (Global Positioning System). This study introduces some possible applications of GPS for tide gauge stability monitoring as well as possibilities for observing the absolute sea level rise with GPS and tide gauge time series. 1 JOHDANTO Merenpinnan tason seuranta on tärkeä osa merien ja ilmaston tutkimusta. Vedenkorkeutta on perinteisesti tarkkailtu mareografeilla, jotka mittaavat merenpintaa suhteessa rannalla sijaitsevaan kiintopisteeseen. Näiden kiintopisteiden ja mareografien liikkeitä on seurattu vaaitsemalla. Samaan tarkoitukseen voidaan käyttää myös GPS:ää (Global Positioning System). Tässä työssä esitellään merenpinnan absoluuttisen nousun määrittämismahdollisuuksia GPSja mareografiaikasarjoista sekä GPS:n käyttömahdollisuuksia mareografien stabiilisuuden seurannassa. Datana on käytetty Suomen kiinteän GPS asemaverkon FinnRefin dataa sekä Merentutkimuslaitoksen mareografiaikasarjoja (Tervo, 2004, Poutanen et al., 2004). 2 TEORIA Mareografit mittaavat merenpintaa suhteessa maanpintaan, jolloin saadaan havaittu merenpinnan korkeus. Maanpinnan korkeus saadaan joko vaaitsemalla tai GPS:n avulla. Vaaitseminen tuottaa ortometrisen korkeuden H ja GPS ellipsoidikorkeuden h (Kuva 1a). Geoidin ja ellipsoidin välinen ero on geoidinkorkeus N (N = h H). Todellinen merenkorkeus on ortometrisen korkeuden ja havaitun merenpinnan korkeuden välinen erotus S. 229

Movements of these benchmarks and thus movements of the tide gauges and the ground around them have been conventionally observed by levelling. It can also be done with GPS (Global Positioning System).

2 a) b) Kuva 1. Korkeuksia määritettäessä käytettävät a) pinnat ja suureet b) pintojen ja suureiden muutokset. Kun aika kuluu, tasot muuttuvat ja saadaan mitattua muutossuureita (Kuva 1b.). Kuoren deformaatio H voidaan laskea ortometrisistä tai ellipsoidikorkeuksista, erona on vain geoidinkorkeus. Ortometrisen korkeuden muutos on H H 1 H 0 tai käyttämällä ellipsoidi ja geoidinkorkeuksia H ( h1 h0 ) ( N1 N 0 ) h N. (2) Havaittu merenkorkeus on kiintopisteen ja merenpinnan välinen korkeus joten havaittu merenpinnan muutos on S H S, (3) obs1 obs2 ( S0 S H S ) ( H S ) ( H H ) ( S ) (4) H S. (5) Absoluuttiseksi merennousuksi saadaan S H. (6) Yhdistämällä kaavat (2) ja (6) saadaan laskukaava ellipsoidikorkeuksia käytettäessä S h N. (7) Havaittu merennousu sisältää kuoren deformaatiota, merenpinnan topografian muutoksia sekä geoidin muutoksia. Kuoren deformaatio lasketaan GPS havainnoista ja geoidin muutokset geoidimalleista. 3 TULOKSET 3.1 Merenpinnan muutos Merenpinnan absoluuttinen muutosnopeus Itämerellä lasketaan kaavalla 7. Kuvassa 2 on esimerkit mareografi (tide gauge) ja GPS aikasarjoista Vaasan asemilta. GPS aikasarja on laskettu suhteessa Metsähovin GPS asemaan. Merenkorkeusaikasarjat ovat kahdelle (1) 230

(2) Havaittu merenkorkeus on kiintopisteen ja merenpinnan välinen korkeus joten havaittu merenpinnan muutos on S H S, (3) obs1 obs2 ( 1 1 0 0 1 0 1 S0 S H S ) ( H S ) ( H H ) ( S ) (4) H S.

3 erimittaiselle ajanjaksolle. Lyhyempi aikasarja on vuodesta 1996 vuoteen 2002 ja pidempi aikasarja on mareografin koko aikasarja, eli Vaasan tapauksessa vuodesta 1883 lähtien. Kuudelle mareografille aikasarjoista lasketut trendit ovat taulukossa 1. Kuva 2. Aikasarjat Vaasan kiinteälle GPS asemalle ja Vaasan mareografille. Huomaa, että GPS aikasarjan skaala on 10 cm ja mareografiaikasarjojen 3 metriä. Taulukko 1. Mareografiaikasarjoista lasketut absoluuttiset merennousunopeudet. Lyhyt aikasarja tarkoittaa vuosia ja pitkä aikasarja on pisin mahdollinen mareografille löytyvä aikasarja. Maannousu sarakkeessa merennousuarvot on korjattu maannousulla ja Geoidin nousu sarakkeessa myös mallista saadulla geoidin nousunopeudella (Tervo, 2004). Nousunopeudet (mm/vuosi) Lyhyt aikasarja Pitkä aikasarja Maannousu Geoidin nousu Maannousu Geoidin nousu Helsinki 16,3 16,0 2,2 1,9 Hamina 15,5 15,3 1,4 1,2 Turku 16,5 16,1 2,6 2,3 Rauma 17,0 16,6 3,3 2,9 Vaasa 16,7 16,2 1,6 1,1 Oulu 14,5 14,1 0,5 0,1 Globaalisti merenpinnan nousunopeudeksi mareografiaikasarjoista on saatu 1 2 mm/vuosi (Douglas, 2001), pitkistä aikasarjoista saadut tulokset sopivat siis hyvin maailmanlaajuiseen trendiin. Lyhyen aikavälin nousevaa trendiä ei sen sijaan ole pystytty tyydyttävästi selittämään (Johannson et al., 2003). 3.2 Kuormitus Merenpinnan vaihteluista johtuvaa maanpinnan kuormitusta pyrittiin havaitsemaan GPShavainnoista laskemalla 6 tunnin aikasarjoja ja vertaamalla niitä mareografien tuntidataan (Kuva 3). Korrelaatiota ei tässä käytetyllä aineistolla löytynyt. Seuraava vaihe olisi ottaa mukaan meteorologiset havainnot. 231

Huomaa, että GPS aikasarjan skaala on 10 cm ja mareografiaikasarjojen 3 metriä. Taulukko 1. Mareografiaikasarjoista lasketut absoluuttiset merennousunopeudet.

4 Kuva 3. a) Joensuu Metsähovi vektorin korkeuskomponentti ja b) Helsingin mareografin korkeus samalle ajanjaksolle. (DOY= Day of Year) 3.3 Stabiilisuus GPS antennin erotuskykyä millimetriluokan liikkeissä tutkittiin pienellä mittauskampanjalla. Kaksi identtistä antennia olivat vierekkäin ja toista liikutettiin pystysuunnassa, niin että liikkeet tiedettiin. Millimetriluokan liikkeet eivät ole havaittavissa yhden antennin avulla päiväratkaisuissa (Kuva 4), koska kohinan osuus nousee päiväratkaisuissa liian suureksi (Poutanen et al, 2004). Sen sijaan pidemmillä aikasarjoilla millimetriluokankin vertikaaliliikkeet ovat havaittavissa, kuten maannousuaikasarjat osoittavat (Mäkinen et al, 2003). Kuva 4. a) Liikutellun antennin havaitut (Masala B) ja todelliset liikkeet (Ground truth) b) Paikallaan olleen ja liikutellun antennin korkeuksien havaittu (Difference) ja todellinen erotus (Ground truth). 4 YHTEENVETO GPS sopii hyvin mareografien seurantaan, erityisesti Itämeren alueella. Merennousunopeudeksi Itämeren Suomen rannikolla saatiin 0,5 3,3 mm/vuosi. Maailmanlaajuisissa mareografien aikasarjojen tulkinnoissa nousun on havaittu olevan luokkaa 1 2 mm/vuosi, eli 232

Kaksi identtistä antennia olivat vierekkäin ja toista liikutettiin pystysuunnassa, niin että liikkeet tiedettiin.

5 tämän työn tulokset sopivat globaaliin trendiin, joskin hajonta ja trendin epävarmuus ovat varsin suuria. Myös GPS:n tarkkuutta pienten pystysuuntaisten liikkeiden havaitsemisessa tutkittiin. Tulokseksi saatiin, että päivän mittaiset havaintojaksot eivät ole tarpeeksi pitkiä millimetrien luokkaa olevien liikkeiden havaitsemiseksi. Pitkissä aikasarjoissa äkilliset hypyt ja muutokset kuitenkin todennäköisesti huomattaisiin. Meren aiheuttamia kuormituksia maan kuoressa pyrittiin myös tutkimaan. GPS aikasarjoista laskettiin kuuden tunnin havaintojaksoilla puolen vuoden aikasarja, jota verrattiin mareografin tuntidataan samalta ajanjaksolta. Selvää korrelaatiota ei löytynyt, seuraava askel olisi säähavaintojen mukaan ottaminen. GPS:lle löytyy useita sovelluksia merentutkimuksen yhteydessä. Tärkein sovellus on mahdollisuus absoluuttisten merennousunopeuksien laskemiseen mareografiaikasarjoista GPS aikasarjojen avulla. Mareografien ja GPS asemien maailmanlaajuinen yhdistäminen tarjoaa mareografeille sekä sitä myötä myös merennousunopeuksille hyvin määritellyn koordinaattijärjestelmän. LÄHTEET Douglas, B.C., 2001, Sea level change in the era of the recording tide gauge, Julkaisussa: Sea level rise, B. C. Douglas, M. S. Kearney, S. P. Leatherman (toim.), International geophysics series, vol. 75, Academic press, San Diego, p Johansson, M., K. Kahma ja H. Boman, 2003, An improved estimate for the long term mean sea level on the Finnish coast, Geophysica, 39: Mäkinen, J., H. Koivula, M. Poutanen ja V. Saaranen, 2003, Vertical velocities in Finland from permanent GPS networks and repeated precise levelling, Journal of Geodynamics, 38: Poutanen, M., H. Koivula, M. Tervo, K. Kahma, M. Ollikainen ja H. Virtanen, 2004, GPS time series and sea level, Julkaisussa: Celebrating a decade of the international GPS service Proceedings, Meindl, M. (toim.) Astronomical Institute, University of Berne, CD Tervo, M., 2004, Benefits of combining tide gauges and GPS stations, Pro gradu tutkielma, Helsingin yliopisto, 45 s. 233

Pitkissä aikasarjoissa äkilliset hypyt ja muutokset kuitenkin todennäköisesti huomattaisiin. Meren aiheuttamia kuormituksia maan kuoressa pyrittiin myös tutkimaan.

6 234

Samankaltaiset tiedostot

Tarkkavaaituksilla määritetty vuosittainen maannousu Suomen alueella

Tarkkavaaituksilla määritetty vuosittainen maannousu Suomen alueella Abstract Veikko Saaranen Geodeettinen laitos, PL 15, 02431 Masala Veikko.Saaranen@fgi.fi Land uplift rates relative to mean sea level