GOCE for coastal ocean dynamics and geodesy

ESA-satellitten GOCE gikk i bane rundt jorden mellom 2009 og 2013. Den var spesialbygd for å måle jordens gravitasjonsfelt i en høyde på 250 km. Seks akselerometre ble benyttet for å måle den deriverte av gravitasjonens komponenter i tre retninger i rommet. Oppløsningsevnen på jordoverflaten tilsvarer en sirkel med diameter 80 km. I sin polare bane med omløpstid 90 minutter kartla GOCE gravitasjonsfeltet med jevnt fordelte målinger over (nesten) hele kloden. Fra dataene kan man avlede beliggenheten av en referanseflate som geodetene kaller geoiden. Det er den potensialflaten i jordens tyngdefelt som faller best mulig sammen med midlere havnivå i det tidsintervallet observasjonene dekker. Denne referanseflaten danner utgangspunkt for mange undersøkelser i geodesi og oseanografi. Den er nullpunkt for måling av høyder i Norge og resten av verden (høyde over havet). Tilsvarende vil den over havområder avdekke strømningsmønstre hvis den sammenlignes med observasjoner av havets topografi fra altimetrisatellitter. Det gir innsikt i naturens transportmekanismer for varme og har avgjørende effekt på regionalt klima. Forskningsmessig er det en utfordring å få til dette i eller nær kystsonen fordi altimetrisignalet reflekteres fra både vann og land. Utvikling av regionale geoidemodeller basert på GOCE-data, særlig ved assimilering av bakkedata, gir spesielle utfordringer på den matematiske siden. Metodiske spørsmål er grundig drøftet. Nye data fra GOCE-satellitten er kombinert med bakkedata for å bestemme en forbedret regional geoide langs norskekysten. Validerte kystaltimetridata er benyttet til å bestemme midlere dynamisk havtopografi (MDT) i posisjoner langs kysten der det er oppstilt vannstandsmålere. Det er også foretatt sammenligninger av MDT med oseanografiske modeller. Inngående studier i numeriske sekvensielle og stegvise kollokasjons-teknikker er gjennomført til benyttelse ved regional geoidemodellering og for å beregne formell feilforplantning i et komplisert system. Det er utfordringer knyttet til topografiske effekter langs kysten og til valg av filtre (basert på feilforplantning og/eller sammenligning med uavhengige data) ved kombinasjon av satellittdata og terrestriske data. Altimetridata med høy romlig oppløsning fra CryoSat-2-satellitten ble validert i den norske kystsonen der det foreligger tidsserier fra vannstandsmålere. Spesielle matematiske metoder er utviklet for å analysere signalet fra altimetrisatellitten. MDT-verdier overensstemmer innenfor 3-5 cm mellom observasjonsteknikkene. SAR-altimetri med CryoSat-2 er analysert for å avdekke strømningsmønstre langs norskekysten med bedre romlig oppløsning enn tidligere. Det har skapt forventninger om enda bedre resultater med Sentinel-3 i nær fremtid. Det er en utfordring at marine tyngdemålinger er ujevnt fordelt i kystsonen og av variabel kvalitet. Resultatene antyder at MDT-signalet er signifikant for skalaer mindre enn det GOCE-satellitten oppnådde. Siden Norge hever seg etter siste istid vil den vertikale forskyvningen av masser endre tyngdefeltet med tiden. Data for flere kyststasjoner som er observert med NMBUs absoluttgravimeter er analysert. Endringene i tyngdefeltet er forskjellig fra sted til sted og følger samme mønster som den vertikale landhevningen. Det har direkte innvirkning på det nasjonale høydesystemet og på det regionale havnivåets endring med tiden bestemt ved hjelp av vannstandsmålere. Tre modeller for tidsforløpet av postglasial landhevning er beregnet og sammenlignet med nåtidsobservasjoner i Fennoskandia. De viser at det er viskositeten i i den nedre mantelen som bestemmer landhevningsraten, mens litosfærens tykkelse er mest bestemmende for det relative havnivået. Landhevningen fra GPS-tidsserier på vannstandsstasjoner er sammenlignet med tidsseriene av havnivået, også fra satellittaltimetri med CryoSat-2. Gjennomsnittlig landhevning fra 20 vannstandsmålere er 2,8 mm/år, mens CryoSat-2 satellitten gir 2,4 mm/år og 3,3 mm/år, med lang eller kort samplingsrate i altimeteret. Prosjektet har gitt to doktorgrader og to mastergrader. Stipendiatene har deltatt på internasjonale sommerskoler, presentert resultater på vitenskapelige konferanser og hatt forskningsopphold hos utenlandske partnere (Vitenskapsakademiet i München og Romforskningsinstituttet ved Danmarks Tekniske Universitet).

Prosjektet har etablert et sterkt internasjonalt samarbeid og har inkludert flere nasjonale aktører i forvaltningen. De internasjonale forskningsoppholdene hadde avgjørende betydning. Akademisk utfall: 2 doktorgrader, 2 mastergrader, internasjonal erfaring med publisering, konferansedeltakelse og foredrag. Nansen Environmental and Remote Sensing Center (NERSC) og Meteorologisk Institutt ønsker å benytte prosjektets MDT-resultater til prediksjoner av havstrømmer og i studier av den norske kyststrømmen. Det vil gi økt samarbeid mellom flere disipliner av geovitenskapene.

The main applications of ESA's satellite mission GOCE are in oceanography and geodesy. Ocean circulation is of relevance for climate and sea-level related studies due to the large heat-storage and transport capacity of the world's oceans. Ocean currents c an be inferred from the height of the mean sea surface (observed by means of satellite altimetry) above a horizontal surface at mean sea level (in geodetic terminology called the geoid). GOCE-derived geoid surfaces have already improved our knowledge of o cean circulation on fine spatial scales and the results have been validated by comparison with numerical dynamic ocean models. Such comparisons are usually limited to the deep ocean, because both satellite altimetry and ocean models have peculiarities clo se to the coast. Coastal currents have gained increased interest in recent years due to their societal impacts related to coastal sea-level rise, shipping, fishery and various kinds of off-shore activities. There exist dedicated coastal dynamic models as well as dedicated altimetric products. However, not all models and data are available along the Norwegian coast, and for those available reliable quality assessment is hardly found. Therefore GOCODYN aims at comparison of all available data and models to derive reliable quality estimates. This is of fundamental importance for their future application and it has not been investigated along the Norwegian coast which is challenging due to its many fjords and islands. The required GOCE-based geoid model (refi ned by additional terrestrial data) does not only serve as reference surface for the ocean's mean dynamic topography, but also for topographic heights on land. The second aim of GOCODYN is to assess the quality of the current Norwegian vertical reference frame which is based on spirit leveling and to relate it to a globally consistent and homogenous frame. Applications are in geodesy, engineering and all fields where precise height information is required.