Геодезический мониторинг уровня Тихого океана
Последнее обновление страницы:16 April 2024
Вступление
Финансируемый Австралией проект по мониторингу уровня моря в Тихом океане и геодезическому мониторингу (PSLGM) (далее - Проект) направлен на получение точных данных об абсолютном и относительном уровне моря в 13 странах Тихоокеанского региона. Этот проект осуществляется в рамках Программы поддержки климата и океанов в Тихоокеанском регионе.
Сеть станций измерения уровня моря в Тихом океане была создана в начале 1990-х годов. Проект направлен на определение долгосрочных изменений уровня моря путем наблюдения и анализа уровня моря с использованием датчиков приливов (управляемых Бюро метеорологии (BOM)) и изменений высоты над уровнем моря с использованием данных Глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) (управляется Geoscience Australia (GA)) и данные о выравнивании (управляются Тихоокеанским сообществом (SPC)).
Рисунок 1. 13 Тихоокеанских островных стран, в которых размещена инфраструктура ГНСС и датчиков приливов, - это Острова Кука, Федеративные Штаты Микронезии, Фиджи, Кирибати, Науру, Ниуэ, Папуа - Новая Гвинея, Республика Маршалловы острова, Самоа, Соломоновы острова, Тонга, Тувалу и Вануату.
Измерение
В большинстве случаев для оценки того, меняется ли абсолютный уровень моря в данной точке, необходимы три типа измерений: данные приливомера, данные ГНСС и наблюдения за уровнем моря.
- Датчики приливов (управляемые компанией BOM) измеряют относительное изменение уровня моря;
- ГНСС (управляемые GA) измеряют абсолютное движение земли; и
- Наблюдения за выравниванием (проводимые SPC) для измерения разницы высот между площадкой ГНСС и датчиком прилива.
Приливомеры не измеряют абсолютное изменение уровня моря, поскольку абсолютная высота уровня моря относится к высоте уровня моря относительно центра Земли. Вместо этого они измеряют относительное изменение уровня моря. Относительный уровень моря относится к повышению или понижению уровня моря относительно местной контрольной точки, например, датчика прилива или линии, выгравированной на опоре причала. Относительный уровень моря - это то, что ощущают люди, живущие на островах, и он будет меняться в зависимости от сочетания пространственных изменений (например, теплового расширения), эвстатических изменений (например, таяния льда) и изменений высоты суши (например, оседания грунта, землетрясения). В местах, где абсолютная вертикальная скорость перемещения указателя приливов отрицательна, последствия повышения уровня моря могут усиливаться.
Сам по себе датчик прилива не может отличить изменения стерического/эвстатического уровня моря от движения суши или причала, к которым прикреплен датчик прилива. Например, смотрите рисунок 3. Если датчик приливов показывает повышение уровня моря на 5 мм в год, мы не можем определить, опускается ли суша, к которой подключен датчик приливов, на 5 мм в год (рис. 2i), повышается ли уровень моря на 5 мм в год (рис. 2ii) или какая-то комбинация этих факторов и то, и другое.
Рисунок 2: [i] оседание суши происходит со скоростью 5 мм/год без изменения абсолютного уровня моря; [ii] абсолютный уровень моря повышается на 5 мм/год без изменения суши.
Чтобы различать относительные и абсолютные колебания уровня моря по данным датчика приливов, необходимо знать движение датчика приливов в абсолютной системе отсчета. Абсолютной системой отсчета, которую мы используем, является центр Земли. Для измерения абсолютного перемещения данных датчика прилива мы используем комбинацию данных GNSS и данных нивелирования.
Анализ
Анализ GNSS
Данные GNSS собираются с использованием инфраструктуры, управляемой GA в каждой из 13 стран, и передаются обратно в GA для анализа. GA еженедельно вычисляет трехмерное положение объекта GNSS относительно центра Земли. Недельная составляющая высоты трехмерного местоположения изменяется главным образом из-за сочетания колебаний грунта (например, оседания грунта, землетрясения) и атмосферного шума.
Анализ выравнивания
Для всех съемок использовался метод дифференциального нивелирования, позволяющий каждые 18 месяцев в каждой стране вычислять разницу высот между местоположением ГНСС и датчиком приливов. Этот метод предполагает установку тахеометра (геодезического прибора) на полпути между двумя объектами и вычисление разницы высот между геодезическими отметками на земле (см. синие треугольники на рисунке 3).
Рисунок 3: Каждые 18 месяцев проводится нивелирование для расчета разницы высот между площадкой ГНСС и датчиком приливов. Синие треугольники обозначают устойчивые отметки на местности. Наблюдения проводятся между каждой из геодезических отметок и суммируются для вычисления разницы в высоте между местоположением ГНСС и датчиком прилива.
Суммируя разницу высот между всеми геодезическими отметками, мы можем вычислить разницу высот между площадкой ГНСС и датчиком приливов и, таким образом, вычислить абсолютную высоту датчика приливов. Наблюдая за разницей высот в обоих направлениях (от датчика прилива до площадки ГНСС, а затем в обратном направлении), мы можем подтвердить качество результатов.
Комбинированный анализ
Для вычисления абсолютного перемещения датчика приливов анализ данных GNSS и нивелирования объединяются. Это делается с помощью:
- Взятие сглаженной высоты ГНСС на день проведения нивелировочной съемки (например, в 2008.41 году высота площадки ГНСС Apia составляла 76,864 м);
- Добавляя выровненную разницу высот между местоположением ГНСС и датчиком приливов (-34,759 м) к сглаженной высоте ГНСС (76,864 м), можно вычислить абсолютную высоту датчика приливов (42,105 м).
- Повторите этот анализ для каждого набора данных о выравнивании (например, таблица 1).
Таблица 1: Сводная информация о разнице высот между сайтом GNSS и датчиком приливов для Apia. Дата указана в десятичных числах (например, 2012,58 = 1 июля 2012 года).
| Дата | Высота ГНСС (м) | Перепад высот (м) | Высота указателя прилива (м) | 95%-ный ДИ (м) |
|---|---|---|---|---|
| 2002.90 | 76.9229 | -34.7517 | 42.1712 | 0.010 |
| 2004.65 | 76.9289 | -34.7544 | 42.1745 | 0.010 |
| 2006.76 | 76.9259 | -34.7588 | 42.1671 | 0.010 |
| 2006.77 | 76.9259 | -34.7569 | 42.1690 | 0.010 |
| 2008.41 | 76.9299 | -34.7587 | 42.1712 | 0.010 |
| 2010.39 | 76.8749 | -34.7585 | 42.1164 | 0.010 |
| 2011.85 | 76.8589 | -34.7537 | 42.1052 | 0.010 |
| 2013.40 | 76.8489 | -34.7613 | 42.0876 | 0.010 |
| 2014.87 | 76.8409 | -34.7562 | 42.0847 | 0.010 |
| 2016.42 | 76.8299 | -34.7598 | 42.0701 | 0.010 |
| 2017.75 | 76.8139 | -34.7624 | 42.0515 | 0.010 |
| 2019.60 | 76.8069 | -34.7590 | 42.0479 | 0.010 |
- Рассчитайте 95%-ный доверительный интервал для комбинированного анализа данных GNSS и нивелирования (например, таблица 1). Это означает, что неопределенность высоты GNSS сочетается с неопределенностью нивелирования. В случае нивелирования, проведенного в 2008.41, суммарная погрешность составляет 0,010 м.
- Вычислите абсолютную вертикальную скорость перемещения (и погрешность) каждого датчика прилива (см. раздел 4).
ПРИМЕЧАНИЕ: Эти результаты не включают информацию, касающуюся данных об уровне моря. В настоящее время BOM анализирует и увязывает данные об абсолютном движении суши с данными о прибоях для создания набора данных об абсолютном уровне моря для тихоокеанских островных стран, чтобы улучшить их понимание изменений уровня моря.
Результаты
Для каждой из приведенных ниже вкладок со странами на верхнем рисунке (GNSS) показано изменение высоты точки GNSS (на расстоянии 1-5 км от датчика приливов). Изменение высоты точки GNSS измеряется относительно центра Земли. Серые точки - это высота сайта GNSS за неделю. Темно-синяя линия представляет собой сглаженное представление еженедельных данных, а светло-синие столбики ошибок показывают 95% доверительный интервал.
Нижняя цифра (TG) на вкладке каждой страны показывает изменение абсолютной высоты шкалы приливов. Столбики с ошибками показывают 95% доверительный интервал.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет -0,7 ± 1,3 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет 0,1 ± 1,7 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет -0,8 ± 0,9 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет -0,8 ± 1,1 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Комбинированный анализ с помощью GNSS и нивелирования показывает смещение датчика прилива на 0,9 ±1,1 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
- В отчете за 2020 год (Brown et al., 2020) вместо эллипсоидальной высоты контрольного показателя датчика на приборе для измерения приливов (NAURU14) была указана эллипсоидальная высота контрольного показателя датчика на приборе для измерения приливов (NAURU15). По этой причине приведенные здесь высоты эллипсоидов примерно на 2,1 м отличаются от значений, приведенных в отчете за 2020 год. Это не влияет на вертикальную скорость перемещения прибора для измерения приливов.
Записи:
- Комбинированный анализ с помощью GNSS и нивелирования показывает смещение датчика прилива на 2,8 ± 3,1 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет -2,2 ± 1,2 мм в год с доверительным интервалом 95%.
Записи:
- Комбинированный анализ с помощью GNSS и нивелирования показывает смещение шкалы прилива на 0,6 ±1,4 мм в год с доверительным интервалом 95%.
- Эта неопределенность больше, чем тренд. Это означает, что движение индикатора прилива не является достоверным.
- Для анализа абсолютного уровня моря следует предполагать, что движение манометра прилива составляет 0 мм в год до тех пор, пока временной ряд не будет расширен, неопределенность в данных ГНСС или данных нивелирования не уменьшится, или и то, и другое вместе.
Записи:
- Линейная регрессия данных о высоте указателя прилива показывает, что движение указателя прилива составляет -7,8 ± 2,2 мм в год при 95% доверительном интервале между 2010 и 2019 годами.
Записи:
- Движение указателя приливов для анализа абсолютного уровня моря составляет -2,4 ± 1,6 мм в год при 95% доверительном интервале между 2009 и 2019 годами.
Записи:
- Данные о выравнивании, наблюдавшиеся в 2008.77 году, были исключены из анализа тенденций, поскольку индикатор прилива находился в неправильном положении после столкновения с лодкой.
- Движение указателя приливов для анализа абсолютного уровня моря с момента его восстановления после столкновения с лодкой составляет -7,2 ± 2,3 мм в год при 95% доверительном интервале между 2010 и 2019 годами.
- В период с 2020 по 2022 год выравнивание не проводилось, и за это время площадка ГНСС поднялась примерно на 2 см.
Записи:
- Движение указателя приливов для анализа абсолютного уровня моря составляет -1,3 ± 1,2 мм в год при 95% доверительном интервале между 2003 и 2018 годами.
- На момент проведения нивелировочной съемки в 2019 году данные GNSS отсутствовали.
Записи:
- Движение указателя приливов для анализа абсолютного уровня моря составляет 3,5 ± 2,8 мм в год при 95% доверительном интервале между 2009 и 2019 годами.