Transcript Mareas y Corrientes II: ¿Cómo se mide el nivel del mar? Begoña Pérez Puertos del Estado Curso de Experto en Ingeniería de Puertos y.

Mareas y Corrientes
II: ¿Cómo se mide el nivel del mar?
Begoña Pérez
Puertos del Estado
Curso de Experto en Ingeniería de Puertos y Costas
Universidad de Las Palmas
10/01/2013
Universidad de Las Palmas, 10/01/2013
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
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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
2004-2005: NUEVAS ESTACIONES Y SISTEMAS PARA
DETECCIÓN DE TSUNAMIS
Actualidad: combinación altimetría y mareógrafos
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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)
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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
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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…
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Tipos de mareógrafos
Mareógrafos de flotador:
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Tipos de mareógrafos
Mareógrafos de presión:
 Miden la presión hidrostática de la columna de agua:
h  ( p  pa) /( g )
 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
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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 ….
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Tipos de mareógrafos
Mareógrafos de presión por burbujeo:
 Red del
Reino Unido
 Sensor fuera del agua, mucho mantenimiento y poco precisos don fuerte
oleaje
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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
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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….
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Tipos de mareógrafos
Mareógrafos acústicos:
 SRD (Sonar
Research&Development): Primeros
sensores Red
REDMAR de
Puertos del Estado
 Sensibles a
gradientes de
temperatura
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Tipos de mareógrafos
Mareógrafos acústicos:
 Aquatrak: sistema
empleado en la
NOAA y Australia
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Tipos de mareógrafos
Sensores rádar:
 Microondas o radar en lugar
de ultrasonidos
 Menos sensibles a gradientes
de temperatura
 No necesitan tubo
 Poco mantenimiento y fácil
instalación
 Muy precisos
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Tipos de mareógrafos
Sensores rádar:
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 …..
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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
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Altimetría espacial
 Banda más
usada: Ku
(TOPEX,
JASON-1,
Envisat...)
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Altimetría espacial
Varias misiones, datos desde 1986:
•Credits: Cnes/CLS
Productos básicos:
SSH: Sea Surface Height
SLA: Sea Level Anomaly
•Credits: CSIRO
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Altimetría espacial
Datos en la traza (along-track data):
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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
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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
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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
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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
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Sistemas de referencia. Nivelación
Colaboración con Instituto Geográfico Nacional para nivelaciones de
Alta precisión a la RedNAP
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Sistemas de referencia. Nivelación
•Algeciras: línea de 7 km
•Tarifa: línea de 3 km
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Sistemas de referencia. Nivelación
•h
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Análisis de datos
Recepción y
control de calidad
automáticos
datos brutos en
la estación
(muestreo 2Hz)
email,
1 min
QC1
1 min
QC1
20 min
Web, niveles 1 min:
incluye alertas
QC2 12 h
Verificación previsiones
nivel del mar y oleaje (Nivmar y Sapo)
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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)
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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
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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 10-15 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)
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Análisis de datos
Para el cálculo del nivel horario, se aplica a los datos 5 min un
filtro del tipo:
X f (t )  F0 . X (t )   Fm  X (t  m)  X (t  m)
M
m 1
X f (t )
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.
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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)
Análisis armónico
proporciona estas
dos componentes:
predicción de marea
Diferencia entre nivel
medido y marea.
Predecible a corto
plazo con modelo
hidrodinámico
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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
M
(t)Z  Hf cos(tg (Vu))
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:
0
n n
n
n
n
n
n
M (t ) Z 0   H n f n cos( nt  g n  (Vn  un ))
n
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:
R
(t)2 (X(t)M
(t))2
R(t )  ( X (t )  M (t ))
2
2
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Especie y nombre:
Símbolo
Periodo (hora
solar)
Semidiurnos:
Lunar principal:
Importancia relativa
Análisis de datos
M2
12.42
100
2
12.00
47
12.66
19
11.97
13
Fundamentos
del
análisis armónico:
Solar
principal:
S
Elíptico lunar
N2
constantes
mayor: armónicas tienen
 Las
para cada puerto.
Semidiurno
Lunisolar
M
(t)Z0
H
os(ntgn(V
un))
nfnc
n
K2
valores prácticamente constantes
n
 Una
permiten obtener la predicción de marea o
Diurnoperiódica
Lunisolar
58
componente
delK1nivel del23.93
mar para cualquier
instante de
tiempo. Diurno Lunar
O
25.82
42
vezDiurnos:
conocidas
1
Principal

En Puertos
delSolar
Estado se utiliza
el software
de análisis19y predicción de
Diurno
P1
24.07
marea dePrincipal
Foreman (1977)
Elíptico Lunar
Mayor
Q1
26.87
8
Semi-anual Solar
Ssa
4383
8
Anual Solar
Sa
8759
1
Marea Nodal
Mn
18.6 años
 Se calculan análisis armónicos anuales. Al cabo de cierto número de
Largo periodo:
años se obtienen las constantes armónicas promedio para toda la serie
Quincenal Lunar
Mf 2
327.9
17
2
histórica, y éstas se almacenan
la(X
Base
de
Datos,
R
(
t)en
(t661.3
)
M
(t)) y se 9utilizan en el
Mensual Lunar
Mm
Programa de Predicción de Marea de la web de Puertos del Estado
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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
(t)Z 
Hf cos(tg (Vu))
y los M
principales
semidiurnos, obtenidos a partir del análisis armónico,
es decir:
0
n n
n
n
n
n
n
H ( K1 )  H (O1 )
F
H ( M 2 )  H ( S2 )
F = 0 a 0.25 semidurna
F = 0.25 a 1.50 mixta, predominando la semidiurna
F = 1.50 a 3.00 mixta,2predominando la2diurna
(t) (X(t)M
(t))
F > 3.00 diurna R
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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:
M
(t)Z0
H
os(ntgn(V
un))
nfnc
n
PVM  Z0  ( H M 2  H S2 )
BVM  Z0  ( H M 2  H S2 )
n

Pleamar Muerta Media, Bajamar Muerta Media:
PMM  Z0  ( H M 2  H S2 )
BMM  Z0  ( H M 2  H S2 )

Edad de la marea: tiempo transcurrido entre la luna nueva o la luna
llena y la máxima carrera de marea

t

g(St2)
M
g M(t2))2
R
(t)2 (X
2 0   1 
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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 seR
realiza
en(t
puertos
con marea
(t)2 también
(X(t)M
))2
semidiurna, con los mismos datos derivados de la predicción de marea
astronómica
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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..)
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Análisis de datos
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
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Análisis de datos
Tablas resumen de control de
calidad para el año
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Análisis de datos
Constantes armónicas del año analizado
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Análisis de datos
Histogramas de nivel horario y de residuo
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Análisis de datos
Gráficos de niveles horarios y residuos por meses
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Análisis de datos
Tablas de extremos y gráficos de niveles medios
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Análisis de datos
Ciclo estacional medio
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Análisis de datos
Obtención de datums o
referencias
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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
calculando la probabilidad conjunta de marea y residuo)
marea
y
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Análisis de datos
Efecto de la tendencia en el nivel medio del mar en el análisis extremal:
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Análisis de datos
Análisis extremal en ausencia de datos:

Simulaciones numéricas de varias décadas con modelos hidrodinámicos
forzados con presión atmosférica y viento (HIPOCAS 1958-2001):
componente meteorológica

Modelos más complejos simulando cambios en nivel medio, mareas y
componente meteorológica ante los diversos escenarios de cambio
climático
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Análisis de datos
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Análisis de datos
Tendencia (mm/año)
Bilbao: 1.2
Santander: 1.1
Gijón: 1.2
Coruña: 0.3
Villagarcía: 4.5
Vigo: 0.9
Huelva: -0.2
Bonanza: 2.5
Málaga: 1.4
Valencia: 2.8
Barcelona: 1.4
Tenerife: 2.8
Las Palmas: 2.5
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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
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Centros de datos
Red REDMAR de Puertos del Estado (1992-)
35 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
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Centros de datos
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Centros de datos
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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)
http://www.psmsl.org/
Requisitos: riguroso control del datum o
cero, estabilidad de la referencia
y precisión. Acceso a datos procesados
horarios y mensuales.
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Centros de datos
Sistemas de alerta de tsunamis:
http://www.ioc-sealevelmonitoring.org/
 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
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Centros de datos
MyOcean In-situ Tacs:
Objetivo: oceanografía
operacional y validación
de modelos
Requisitos: datos actualizados una vez al
día, muestreo varios minutos / horarios
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Centros de datos
Altimetría:
http://www.aviso.oceanobs.com/en/home.html
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Centros de datos
Más información y acceso a datos de altimetría:
•Portal de MyOcean
•http://www.aviso.oceanobs.com/en/altimetry.html
•http://www.cmar.csiro.au/sealevel/sl_meas_sat_alt.html
•http://www.aoml.noaa.gov/phod/satprod/index.php
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