Validación de datos altimétricos en la Bahía de Algeciras y Estrecho de Gibraltar


Tesis de Máster, 2011
43 Páginas, Calificación: 9.3

Extracto

ÍNDICE GENERAL

RESUMEN

ABSTRACT

1 . INTRODUCCIÓN

2 . ALTIMETRÍA
2.1. Correcciones altimétricas
2.2. Altimetría costera
2.3. Calibración y validación

3 . ZONA DE ESTUDIO

4 . MATERIAL Y MÉTODOS
4.1. Datos altimétricos
4.2. Datos in-situ

5 . RESULTADOS
5.1. Perfiles Órbita – Rango
5.2. Validación de datos altimétricos
5.3. Corrección de marea

6 . DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

7 . FUTURAS LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

8 . AGRADECIMIENTOS

BIBLIOGRAFÍA

V A LIDACIÓN DE DATOS ALTIMÉTRICOS EN LA BAHÍA DE ALGECIRAS Y ESTRECHO DE GIBRALTAR

Bolado-Penagos, M.1, Gómez-Enri, J.1 y Tejedor, B.1

(1) Departamento de Física Aplicada. CASEM. Universidad de Cádiz. Av. República Saharaui s/n.

11510 Puerto Real (Cádiz). marina.boladopenagos@alum.uca.es

RESUMEN

Las aplicaciones en Oceanografía costera empleando el sensor radar altimétrico se han convertido en un reto para la comunidad científica dedicada al uso de este instrumento. Próximas a costa, las medidas altimétricas pueden presentar menor calidad por dos motivos fundamentales: mala calidad de las correcciones aplicadas a la medida y la contaminación de tierra sobre la propia medida altimétrica.

En este trabajo, se ha validado los datos altimétricos del satélite ENVISAT, usando medidas de tres mareógrafos situados en la Bahía de Algeciras y en los puertos de Tarifa y de Ceuta. Se ha analizado siete años y ocho meses (2002-2010) de datos altimétricos de una traza descendente del satélite, que cruza la zona de estudio. Se ha realizado un análisis de las correcciones aplicadas a las señales radar: dos correcciones de marea (GOT00.2b y FES2004), dos correcciones troposféricas húmedas (MWR y ECMWF) y dos correcciones ionosféricas (DORIS e instrumento). Dos de los puntos de la traza se localizan en la Bahía de Algeciras y otros dos en el Estrecho de Gibraltar. El primer punto, situado más al norte de la Bahía presenta un

5.71% de valores válidos de Rango, mientras que en el segundo el porcentaje asciende hasta un 52.86%. El tercer y cuarto punto, muestran porcentaje de 81.43 y

95.71% respectivamente. Debido al bajo porcentaje obtenido en el punto 1, este ha sido eliminado del estudio.

Los coeficientes de correlación obtenidos indican un buen ajuste entre las series altimétricas AINM (altura instantánea del nivel del mar) y las medidas in-situ, en los tres puntos analizados. Las correlaciones más altas se dan en el punto 3, en torno a

0.9. Al comparar las medidas altimétricas y los datos in-situ, una vez eliminado el efecto de la marea, se obtienen coeficientes de correlación inferiores (0.6). Además, de los tres puntos altimétricos analizados, sólo en el punto 3 se obtienen resultados estadísticamente significativos. Esto indica la necesidad de aplicar un modelo de marea loca a los datos altimétricos en la zona de estudio.

P alabras clave: Altimetría radar, mareógrafo, validación, Bahía de Algeciras, Estrecho de

Gibraltar.

ABSTRACT

The applications in Coastal Oceanography using the radar altimeter have become a challenge for the scientific community devoted to the use of this instrument.

Close to the coast, altimetry measurements can be of lower quality due to two reasons: the poor quality of the corrections applied to the measurements and the land contamination on the altimetry measurement itself.

In this research, altimetry data from ENVISAT satellite has been validated using measurements from three tide gauges located in Algeciras Bay, Tarifa and Ceuta. Altimetry data are from a descending satellite track, which intersects the study area. We analysed about seven years and eight months (2002-2010). An analysis of the corrections applied to the radar signals has been conducted: for two tidal corrections (GOT00.2b and FES2004), for the wet tropospheric correction (MWR and ECMWF) and for the ionospheric correction (DORIS and instrumental). Two track points are located in the Algeciras Bay and the other two in the Strait of Gibraltar. The first one, situated in the northern part of the Bay, presents 5.71 % of valid Range values, while for the second point this percentage rises to 52.86. The third and fourth points, both on the Strait, show percentage values of 81.43 and 95.71 respectively. Due to the low percentage presents in the first point, this has been removed from the research.

The correlation coefficients obtained show a good fit between the altimetry AINM series (instantaneous sea level height) and in-situ measurements in the three studied points. The highest correlations are given in the third point, about 0.9. When altimetry measurements and in-situ data are comparing, after moving tides contribution, correlation coefficients are lower (0.6). In addition, of the three analyzed altimetry points, just in point 3 the results are statistically significant. This indicates the need for a local tidal model in the study area.

Key words: Radar altimetry, tide gauge, validation, Algeciras Bay, Strait of Gibraltar.

1 . INTRODUCCIÓN

La altimetría radar por satélite fue desarrollada para el estudio del océano abierto, donde gran parte de los procesos tienen lugar a nivel de macroescala, tanto espacial como temporal. Actualmente existe el reto en la comunidad científica de extender esta tecnología al estudio de zonas próximas a costa, entendiéndose por tal una franja relativamente estrecha de transición entre los dominios marino y terrestre. La dinámica costera presenta mayor complejidad, dándose fenómenos que presentan variabilidad espacial y temporal mucho más pequeña que en océano abierto, difíciles de observar utilizando un producto altimétrico estándar. Una gran parte del desarrollo y actividad económica a nivel mundial tiene lugar en las zonas costeras, de ahí la importancia de conocer con precisión los procesos físicos, químicos y biológicos que ocurren en las zonas costeras y su impacto en la dinámica de dichas regiones.

Los satélites altimétricos actuales son capaces de medir la altura instantánea de la superficie del mar con una precisión aproximada de 3 cm en océano abierto, pero esta precisión disminuye al acercarse a costa. En dicha zona, las observaciones altimétricas a menudo presentan menor precisión o incluso pueden llegar a ser no interpretables, debido a diversos factores como son la contaminación terrestre (presencia de tierra) de la señal altimétrica o una mala caracterización de algunas de las correcciones geofísicas aplicadas a la señal (Brooks et al., 1998; Shum et al., 1998).

Las misiones altimétricas han permitido transformar nuestra percepción de la Tierra y sus océanos. Fue en la década de los 70 a partir del interés suscitado por el conocimiento de la dinámica marina, cuando aparecen los primeros satélites equipados con un radar altimétrico: Skylab (a partir del cual se obtuvieron las primeras medidas de la ondulación del geoide marino), GEO-3 y Seasat. Las tres fueron misiones de la NASA (National Aeronautics and Space Administration), a los que siguieron otras misiones: Geosat, ERS-1/2, Envisat y Cryosat (Agencia Espacial Europea: ESA), Topex/Poseidon y Jason-1/2 (Centro Nacional de Estudios Espaciales: CNES (Francia) y NASA) y, GFO (Jet Propulsion Laboratory: JPL). Conforme han pasado los años las agencias espaciales han ido mejorando la precisión en la determinación de la altura

orbital de los satélites altimétricos, reduciendo significativamente su error. Con el lanzamiento del satélite Topex/Poseidon en el año 1992 se alcanzó una precisión orbital a nivel de centímetro, lo que permitió grandes avances en la investigación marina y en la oceanografía operacional.

Con el fin de determinar la calidad de los datos altimétricos estos han de ser sometidos a un ejercicio de evaluación, ya que los datos altimétricos pueden presentar errores. A este proceso se le denomina validación. Dicha tarea de validación se hace fundamental cuando se trabaja con datos próximos a costa debido a los problemas comentados en las medidas por la cercanía a esta.

El objetivo fundamental de este trabajo es la validación de los datos altimétricos procedentes del sensor RA-2 a bordo del satélite Envisat en dos zonas muy próximas a regiones costeras: la Bahía de Algeciras y el Estrecho de Gibraltar. Para ello, las medidas altimétricas se han comparado con las obtenidas por varios mareógrafos localizados en la zona de estudio. Además, se estudiará el comportamiento de las variaciones del nivel del mar empleando distintas correcciones altimétricas: corrección troposférica húmeda, basada en el modelo ECMWF (modelo meteorológico), corrección troposférica húmeda, basada en las medidas realizadas por el radiómetro de microondas MWR, dos correcciones ionosféricas, DORIS (obtenida a partir del sistema de localización del satélite) y la obtenida por el propio radar y, dos correcciones globales de marea (GOT00.2b y FES2004). De esta forma, a partir de las comparaciones del nivel del mar del altímetro y las medidas in-situ, se podrá determinar cuáles de las correcciones presentan mejor correlación con las medidas in-situ. Las medidas altimétricas utilizadas se corresponden con el pase descendente del satélite Envisat por la Bahía de Algeciras y el Estrecho de Gibraltar. En esta zona de estudio se obtienen cuatro medidas a 1 Hz cada 35 días, distanciados cada uno de estos puntos entre sí por 7 km (Fig.1).

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Figura 1.- Ubicación de los mareógrafos y puntos altimétricos y localización geográfica del Estrecho de Gibraltar y Bahía de Algeciras (BA) con sus principales accidentes geográficos (CT: Cabo Trafalgar, CE: Cabo Espartel, PC: Punta Carnero, PE: Punta Europa, PA: Punta Almina, RP: Río Palmones, RG: Río Guadarranque) (modificado de Google Earth, 2011).

2 . ALTIMETRÍA

Los satélites altimétricos están provistos de un instrumento radar, el cual emite pulsos electromagnéticos con una frecuencia constante a una longitud de onda (perteneciente a las microondas). Estos pulsos viajan a través de la atmósfera y llegan hasta la superficie oceánica, donde se produce su reflexión. Una vez que se reflejan retornan hacia el radar. Los relojes internos de alta precisión a bordo del satélite, miden el tiempo que la señal electromagnética emplea en su viaje de ida y vuelta, a partir del cual se obtiene la distancia entre el centro de masas del satélite y la superficie observada. A esta distancia se le conoce como „Rango‟ (en inglés „Range ‟).

El radar altimétrico del satélite Envisat, posee una frecuencia de repetición del pulso de 1800 Hz. Con el fin de reducir el ruido asociado a las señales retorno, el instrumento realiza promedios de 100 señales, obteniéndose 18 señales retorno por segundo (18 Hz) (Roca et al., 2007). Estas señales promediadas se envían a las estaciones de recepción de datos, donde posteriormente son procesadas para obtener los parámetros geofísicos. Esto se hace a través de un procesado de señal denominado retracking, por el cual se obtiene la información geofísica: altura de ola significativa (SWH), distancia entre el centro de masas del satélite y la superficie observada („Range ‟) y velocidad del viento en superficie (U10). Posteriormente, los parámetros geofísicos obtenidos a 18

Hz se promedian, obteniéndose el producto estándar a 1Hz, denominado GDR

(Geophysical Data Record) (ESA, 2006), que es el que se va a validar en este trabajo.

2 .1. Correcciones altimétricas

La precisión de las medidas geofísicas mencionadas, va a depender de un conocimiento exhaustivo de la relación existente entre la potencia del pulso emitido y recibido. La radiación electromagnética generada por el altímetro se ve atenuada doblemente por su paso a través de la atmósfera. Además, la superficie oceánica absorbe y disipa una pequeña fracción de energía de la señal que también debe ser tenida en cuenta. Por lo tanto, la potencia de la

señal recibida en el radar dependerá de las características disipadoras de la superficie oceánica, las propias características del instrumento y de la doble atenuación provocada por la atmósfera.

De esta forma, el retraso sufrido por la señal debido a los efectos comentados anteriormente ha de ser minimizado. Esto se consigue mediante las denominadas correcciones geofísicas:

- Corrección troposférica seca: corrige el efecto causado por las moléculas de aire en la troposfera y es proporcional a la presión atmosférica en la superficie oceánica.
- Corrección troposférica húmeda: corrige el efecto producido por las moléculas de agua en la troposfera. En el producto GDR utilizado en este trabajo, existen dos correcciones: troposférica húmeda radiométrica (obtenida a partir del radiómetro de microondas a bordo del satélite) y troposférica húmeda del modelo, obtenida a partir de un modelo meteorológico en el European Centre for Medium Weather Forecasting (ECMWF).
- Corrección ionosférica: corrige el retardo producido por el contenido de iones en la atmósfera. Es directamente proporcional al contenido total de electrones en la atmósfera e inversamente proporcional al cuadrado de la frecuencia del pulso emitido.
- Corrección por estado del mar: corrige el efecto producido por la interacción entre la señal radar y la superficie oceánica.
- Corrección de marea oceánica: para realizar estudios de la variabilidad de largo periodo del nivel del mar usando registros altimétricos, es necesario eliminar la señal generada por las mareas.
- Corrección de marea polar: corrige la respuesta oceánica a la variación tanto de la Tierra como de los océanos del potencial centrífugo generado por pequeñas perturbaciones en la rotación del eje terrestre.
- Corrección de marea terrestre: corrige el efecto producido por las deformaciones debidas a la fuerza de marea en la superficie terrestre por la acción conjugada de atracciones ejercidas por la luna y el sol.
- Corrección dinámica atmosférica: corrige las oscilaciones provocadas por la acción del viento y de la presión atmosférica. Resulta de la combinación de la corrección de alta frecuencia generada por el modelo barotrópico forzado por la presión y el viento (MOG2D) y, la corrección de baja frecuencia de barómetro invertido.

2 .2. Altimetría Costera

Tras casi veinte años de altimetría por satélite, gran parte de las medidas cerca de costa se encuentran aún sin ser utilizadas, debido a dificultades intrínsecas en las correcciones a las que se debe someter a la señal (especialmente la componente troposférica húmeda, la señal atmosférica de alta frecuencia y las mareas), y problemas de contaminación de señales de tierra en la huella (área de la superficie iluminada por la señal radar) observada por el altímetro. La información obtenida a partir de las medidas cerca de costa, es de gran utilidad para el estudio de la circulación costera, la determinación de los cambios del nivel del mar (Cazenave and Nerem, 2004) o en los estudios sobre su impacto en la línea de costa. Además, suponen un lazo de unión entre las mediciones geodésicas terrestres y oceánicas (Anzenhofer e t al., 1999).

Varios estudios han tratado el problema del análisis de estos datos próximos a costa, y se han puesto en marcha diversas iniciativas con el fin de reformular el extenso registro de datos altimétricos costeros que permitan obtener toda la información posible. El primer intento para obtener información altimétrica en regiones oceánicas costeras mediante la mejora del procesamiento de datos fue el llevado a cabo por Manzella et al. (1997), quienes se centraron en recalcular la corrección troposférica húmeda para el altímetro a bordo del satélite ERS-1 en el Canal de Córcega. Crout (1998) examinó el potencial del Topex/Poseidon en regiones costeras empleando frecuencias de 1 Hz y 10 Hz (medidas realizadas cada 7 km y 750 metros respectivamente) pero sin obtener

mejoras en las correcciones. Observó que sobre una topografía costera lisa la señal útil se recuperaba más próxima a costa que en el caso de terrenos con fuertes rugosidades. Anzenhofer et al. (1999) realizaron un amplio estudio de altimetría costera, teniendo en cuenta todos los factores relacionados con el reprocesamiento de la señal altimétrica. Describieron la generación de datos de altimetría costera y fueron los primeros en analizar en detalle distintos algoritmos de retracking (reprocesamiento de la señal).

Vignudelli e t al. (2000) realizaron un estudio con el fin de mejorar el modelo de marea, donde observaron la relación de la variabilidad estacional e interanual del flujo de agua a lo largo del Canal de Córcega, y la diferencia de nivel del mar entre dos mares adyacentes a partir de datos de Topex/Poseidon a 1 Hz, en combinación con datos procedentes de correntímetros y mareógrafos. Se demostró por primera vez en el mar Mediterráneo el potencial de la altimetría para estudios de seguimiento a largo plazo de intercambio de agua entre cuencas contiguas. Este trabajo dio lugar a la iniciativa conjunta franco-italiana ALBICOCCA (ALtimeter-Based Investigations in COrsica, Capraia and Contiguous Areas) financiado por el Centro Nacional de Estudios Espaciales francés (CNES) y por la Agencia Espacial Italiana (ASI). Uno de sus resultados fue la generación de un producto costero en el noroeste del Mediterráneo empleando una técnica del filtrado específica (Roblou and Lyard, 2004) junto con correcciones atmosféricas y de marea. Esto permitió una mejor caracterización de la variabilidad a escalas estacionales, cuyas conclusiones se encuentran en Vignudelli et al. (2005).

En los últimos años se han realizado varios estudios en los cuales se han tratado las limitaciones y posibles mejoras de la altimetría costera: Brooks et al. (1998), Deng et al. (2002), Dong e t al. (2002), Fernandes et al. (2002) y Liebsch et al. (2002). En el Cooperative Institute for Oceanographic Satellite Studies (CIOSS) en cooperación con la National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), se analizaron datos de la misión Geosat a 10 Hz (Lillibridge, 2005) y datos del Jason-1 a 20 Hz, usando modelos de corrección troposférica húmeda para evitar la contaminación en los datos obtenidos por el

radiómetro de microondas a bordo, debido a la proximidad a tierra (CIOSS,

2006).

Existe consenso en el hecho de que la mejora de la altimetría en regiones oceánicas costeras, requiere el procesamiento de los datos altimétricos. Un ejemplo de lo citado podemos encontrarlo en el trabajo de Deng and Featherstone (2006) que reprocesaron los datos del ERS-2, o en Yi et al. (2006) donde se emplearon con éxito datos de Topex/Poseidon y varios reprocesadores de la señal, para medir cambios en el nivel del mar.

Más recientemente, el proyecto ALTICORE (value-added ALTImetry for COastal Regions) tuvo como principal objetivo alentar el uso operacional de la altimetría en costa, mejorando la disponibilidad y calidad de datos altimétricos de regiones costeras de algunos mares europeos. El proyecto ReCoSeTo (Regional Coastal Sea Level Change and Sea Surface Topography in Europe), se basó en la utilización de datos a 10 Hz y la mejora en las correcciones en altímetros adecuados para zonas costeras así como el reprocesado de la señal altimétrica (Beckers and Fenoglio, 2006).

El proyecto COASTALT (financiado por la ESA), tuvo como principal objetivo reprocesar datos altimétricos próximos a la costa, mediante el desarrollo de un procesador, de datos específico para las zonas costeras, generando un producto altimétrico a 18 Hz con una precisión al menos del mismo orden de magnitud que la conseguida con los datos a 1 Hz en mar abierto. Así mismo, el CNES ha financiado otro proyecto de gran relevancia PISTACH (Prototype Innovant de Système de Traitament pour les Applications Côtières et l‟Hydrologie), con el fin de mejorar el producto altimétrico obtenido en la misión Jason-2. En este caso el objetivo se centraba no sólo en regiones próximas a costa, sino también en aguas continentales.

[...]

Final del extracto de 43 páginas

Detalles

Título
Validación de datos altimétricos en la Bahía de Algeciras y Estrecho de Gibraltar
Universidad
University of Cádiz
Curso
Oceanografía Física
Calificación
9.3
Autor
Año
2011
Páginas
43
No. de catálogo
V232440
ISBN (Ebook)
9783656487616
ISBN (Libro)
9783656493433
Tamaño de fichero
944 KB
Idioma
Español
Etiqueta
validación, bahía, algeciras, estrecho, gibraltar
Citar trabajo
Marina Bolado Penagos (Autor), 2011, Validación de datos altimétricos en la Bahía de Algeciras y Estrecho de Gibraltar, Múnich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/232440

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