logo NCGeo

Roadmap to a mutually consistent set of offshore vertical reference frames

Pdf: PoG 82, D.C. Slobbe, Roadmap to a mutually consistent set of offshore vertical reference frames

D.C. Slobbe

Publications on Geodesy 82
Delft, 2013. 263 pagina's. ISBN: 978 90 6132 344 0. Alleen verkrijgbaar als pdf.


Summary

Dutch waters lack an accurate and easily accessible 3D description of the lowest astronomical tide (LAT) surface, i.e., a so-called “separation model”. This tidal datum, defined as “the lowest tide level that can be predicted to occur under average meteorological conditions and under any combination of astronomical conditions” (International Hydrographic Organization 2011a, Technical Resolution 3/1919), is, in those regions where tides have an appreciable effect on the water level, adopted as chart datum (CD) by the International Hydrographic Organization (IHO). Having an accurate separation model of LAT provides numerous benefits to a variety of commercial and non-commercial users, including faster, cheaper, and more accurate hydrographic survey data for nautical charts; more precise navigation, even over areas with submarine hazardous objects; merging of depth data with height data for coastal zone management; and an accurate planning of depth maintenance in port approach areas.

The current practice to obtain a coastal-waters-inclusive continuous (CWIC) separation model of LAT is to express it as the sum of LAT values derived from a global/regional ocean tide model and an altimeter-derived mean sea level (MSL) model, complemented by LAT values derived from water level observations and GNSS ellipsoidal heights at tide gauges. The latter are the sole information source for deriving the separation model of LAT in coastal waters. This is due to the lack of information about the MSL in these waters as a consequence of the degrading accuracy of radar altimeter data in the vicinity of land (e.g., Andersen & Knudsen 2000, Deng et al. 2002). To obtain a continuous surface in coastal waters out of these point data, strong interpolation is required. This interpolation is not trivial as the tidal behavior at a particular tide gauge location, and hence the LAT value, is not necessarily representative for nearby locations. Furthermore, significant gaps may exist between the tide gauge locations. Alternatively, information about the MSL can be derived from GNSS surveys (e.g., Pineau-Guillou & Dorst 2011). These are, however, expensive and therefore this approach is not preferable.

To derive an accurate and continuous separation model of LAT in Dutch waters including the coastal waters, Wadden Sea, and Eastern and Western Scheldt estuaries, avoiding interpolation, we developed an alternative approach. In this approach, the ellipsoidal heights of LAT are computed as the sum of the quasi-geoid heights and the heights of LAT relative to this quasi-geoid. The latter can be derived from modeled water levels of a vertically referenced hydrodynamic model, which comprise the tide and the time-averaged meteorological and steric contributions.

In this study, a new quasi-geoid model is estimated that covers the whole Netherlands Continental Shelf and the Dutch mainland, because the European Gravimetric Geoid 2008 (EGG08) lacks accuracy for two reasons. First, EGG08 does not include data acquired by the Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satellite; these data have become publicly available in May 2010. Second, in the estimation of EGG08, satellite radar altimeter data have been corrected for using a global ocean tide model. In this study, we use a shallow water hydrodynamic model which provides apart from tides also the surge and steric contributions to the dynamic topography corrections.

The fact that all contributions are obtained from the same model has the additional advantage that any non-linear interaction between the three contributions (e.g., between tide and surge (Prandle & Wolf 1978)) is accounted for. The fact that we have to use a hydrodynamic model both in deriving the separation between the quasi-geoid and LAT and in estimating the quasi-geoid itself requires a small, but important, change of our approach to derive a separation model of LAT. Instead of a one-way link between the quasi-geoid and the hydrodynamic model, a two-way link exists. This two-way link results in a chicken-and-egg problem. On the one hand, we aim to use a hydrodynamic model to derive a proper quasi-geoid, while on the other hand this quasi-geoid needs to be the model’s reference surface. The development of a methodology that solves this problem is our main research objective.

In this thesis, we first present the overall procedure by means of a flowchart. Three steps can be distinguished: (i) the data preprocessing; (ii) the estimation of the quasigeoid and the realization of a hydrodynamic model that provides water levels relative to this quasi-geoid; and (iii) the realization of the LAT and mean dynamic topography (MDT) surfaces once the final quasi-geoid and the vertically referenced hydrodynamic model are available. The latter surface can be used to produce the ellipsoidal heights of the MSL (as the sum of quasi-geoid and MDT), which is often used as a vertical reference surface in the offshore industry. The model used in this study is the Dutch Continental Shelf Model version 5 (DCSM), which is a 2D storm surge model. In the remainder of the thesis, we elaborate on four key elements of this procedure.


Contents

  • Preface ... ix
  • Summary ... xiii
  • Samenvatting ... xxi
  • Introduction ... 1
  • Overall approach to offshore vertical reference frame realization ... 23
  • Vertical referencing of a shallow water hydrodynamic model ... 29
  • Estimation of the quasi-geoid ... 67
  • LAT reference surface ... 129
  • The spherical Slepian basis as a means to obtain spectral consistency ... 157
  • Conclusions and recommendations ... 191
  1. On the use of free-air gravity anomalies ... 203
  2. Overview tide gauge data ... 205
  3. Validation of LAT using tide gauge data ... 209
  • Bibliography ... 213
  • About the author ... 233

Samenvatting

Roadmap naar een onderling consistente set van offshore verticale referentievlakken

Voor het Nederlandse deel van de Noordzee ontbreekt een nauwkeurige en toegankelijke 3D-beschrijving van het laagste astronomische getij (LAT) verticale referentievlak. Dit referentievlak, gedefinieerd als het laagste getijdenniveau dat voorspeld kan worden onder gemiddelde meteorologische omstandigheden en onder elke combinatie van astronomische omstandigheden (International Hydrographic Organization 2011a, Technische Resolutie 3/1919), is in de gebieden waar het getij een aanzienlijk effect op de waterbeweging heeft door de Internationale Hydrografische Organisatie (IHO) aangenomen als het reductievlak voor dieptes in zeekaarten (chart datum (CD)). De beschikbaarheid van een nauwkeurige 3D-beschrijving van het LATreferentievlak levert een groot aantal voordelen op voor uiteenlopende commerciële en niet-commerciële organisaties, waaronder een snellere, goedkopere en nauwkeurigere inwinning van bathymetrische data ten behoeve van zeekaarten; een preciezere navigatie, vooral in gebieden met gevaarlijke ondiepten; een vereenvoudigde combinatie van diepte en hoogte data ten behoeve van kustzonemanagement; en het maakt een nauwkeurigere planning mogelijk van de baggerwerkzaamheden die worden uitgevoerd om de aanvaarroutes naar de havens op diepte te houden.

De gangbare praktijk om een continue 3D-beschrijving van het LAT-referentievlak te verkrijgen dat de kustwateren omvat (hier aangeduid als een coastal-waters-inclusive continuous (CWIC) model) is om het uit te drukken als de som van LAT-waarden afgeleid met behulp van een mondiaal of regionaal getijmodel en een van radar altimetrie afgeleid model van het gemiddeld zeeniveau (MSL), aangevuld met LATwaarden afgeleid van waargenomen waterstanden en GNSS-hoogtes op getijdestations. Laatstgenoemde dataset is de enige bron van informatie om een continue 3Dbeschrijving van het LAT-referentievlak af te leiden in de kustwateren. Dit als gevolg van een gebrek aan informatie over de ligging van het MSL-referentievlak, wat op zijn beurt weer het gevolg is van de lagere nauwkeurigheid van uit radar altimetrie afgeleide waarnemingen van de hoogte van het zeeniveau in de buurt van land (bv. Andersen & Knudsen 2000, Deng et al. 2002). Om uit deze puntwaarnemingen een continue beschrijving van het LAT-referentievlak te verkrijgen, moet er sterk geïnterpoleerd worden. Deze interpolatie is niet triviaal, omdat de getijbeweging op een bepaalde meetlocatie, en daarmee ook de LAT-waarde, niet noodzakelijk representatief is voor de omgeving van deze locatie. Daar komt bij dat er behoorlijke afstanden kunnen zijn tussen de locaties waar getijmeters zijn geïnstalleerd. Als alternatief kan de ligging van het MSL-referentievlak bepaald worden uit GNSS-hoogtes van het zeeniveau die met een schip zijn opgenomen (bv. Pineau-Guillou & Dorst 2011). Vanwege de hoge kosten heeft deze aanpak echter niet de voorkeur.

Om een nauwkeurige en continue 3D-beschrijving van het LAT-referentievlak af te leiden voor de Nederlandse zeewateren (waaronder de kustwateren, Waddenzee en de Ooster- en Westerschelde), waarbij interpolatie wordt vermeden, hebben wij een alternatieve aanpak ontwikkeld. In deze aanpak worden de ellipsoïdische hoogtes van het LAT-referentievlak berekend als de som van de quasi-geoïdehoogtes en de hoogtes van LAT ten opzichte van deze quasi-geoïde. Laatstgenoemde hoogtes kunnen worden afgeleid van waterstanden die de bijdragen van het getij en de tijdsgemiddelde meteorologische en sterische componenten bevatten, en die afkomstig zijn van een ondiepwatermodel waarvan de ligging van het verticale referentievlak is vastgelegd.

In deze studie is een nieuw quasi-geoïdemodel geschat dat het gehele Nederlandse deel van de Noordzee en het vaste land omvat. Reden hiervoor is dat het beschikbare state-of-the-art quasi-geoïdemodel, de European Gravimetric Geoid 2008 (EGG08), de minimaal vereiste nauwkeurigheid mist. Hiervoor zijn twee redenen te noemen. Ten eerste is in de berekening van EGG08 geen gebruik gemaakt van data afkomstig van de Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer (GOCE) satelliet; deze data waren pas beschikbaar in mei 2010. Ten tweede zijn in de schatting van EGG08 de radar altimeter waarnemingen gecorrigeerd voor de dynamische zeetopografie met behulp van een mondiaal getijmodel. In deze studie gebruiken we een ondiepwatermodel waarin naast het getij ook de bijdragen van de windopzet en sterische waterstandsvariaties worden meegenomen. Het feit dat al deze drie bijdragen worden bepaald met hetzelfde model heeft als bijkomend voordeel dat elke niet-lineaire interactie tussen de drie bijdragen (bv. tussen getij en windopzet (Prandle & Wolf 1978)) wordt meegenomen.

Het gebruik van een ondiepwatermodel voor zowel het afleiden van de hoogte van het LAT-referentievlak ten opzichte van de quasi-geoïde als voor de schatting van de quasi-geoïde, vereist een kleine, maar wel belangrijke verandering in de voorgestelde aanpak om een continue 3D-beschrijving van het LAT-referentievlak te verkrijgen. Dit resulteert in een “kip-en-ei” probleem: enerzijds willen we het ondiepwatermodel gebruiken om een goede quasi-geoïde te berekenen, terwijl anderzijds deze quasigeoïde het verticale referentievlak van het model moet zijn. De ontwikkeling van een methode die dit probleem oplost is het belangrijkste doel van dit onderzoek.

In dit proefschrift wordt eerst de algehele procedure gepresenteerd. Drie stappen worden onderscheiden: (i) de voorbewerking van alle benodigde data; (ii) de schatting van de quasi-geoïde en de realisatie van een ondiepwatermodel dat waterstanden levert ten opzichte van deze quasi-geoïde; en (iii) de realisatie van het LATreferentievlak en de gemiddelde dynamische zeetopografie (mean dynamic topography (MDT)) zodra de uiteindelijke quasi-geoïde en het model waarvan de ligging van het verticale referentievlak is vastgelegd beschikbaar zijn. Dit laatste referentievlak kan worden gebruikt om de ellipsoïdische hoogtes van het MSL-referentievlak uit te rekenen (als de som van de quasi-geoïde en de MDT), wat gebruikt wordt door de offshore industrie als verticaal referentievlak. Het model dat we in deze studie gebruiken is het Dutch Continental Shelf Model versie 5 (DCSM). Dit is een 2D-model voor windopzet en getijberekeningen. In het resterende deel van dit proefschrift worden vier sleutelelementen uit de procedure uitgewerkt.

Go to top
JSN Boot template designed by JoomlaShine.com