Användning av satellitdata och HF-radar för att
mäta ytströmmar samt detektera fartyg i Skagerrak
Bakgrund
Möjligheten att kunna mäta havsströmmar längs svenska kusten är idag mycket begränsad. Det finns
ett fåtal förankrade bojar som kan mäta strömmar, men de ger bara värdet på de platser där de befinner
sig. Med en radar som arbetar på kortvågsbandet (HF-radar) kan man mäta ytströmar över ett större
område. Detta ger möjlighet att förbättra de datormodeller som beräknar havsströmmar, temperatur
och vattenstånd. Bättre och mer exakta modeller ger också större möjlighet att göra avdriftsprognoser
för till exempel oljeutsläpp eller en tappad container. Möjligheten att hitta en person som fallit
överbord ökar också om man kan begränsa sökområdet, men det förutsätter att man har tillförlitlig data
över rådande havsströmmar.
Havsströmmar kan mätas indirekt med hjälp av satellit, när dessa passerar över ett visst havsområde.
Men för att kunna verifiera att data man får från satelliter är riktig, behöver man kunna jämföra den
med andra data från samma område. Att använda HF-radar ger möjlighet att få in data över
havsströmmar närmast kusten. Radarns räckvidd är upp till 200 km. En begränsning hos radarn är att
den fungerar sämre om vattnets salthalt är lägre, till exempel i Östersjön. En möjlighet här är dock att
använda satellitdata för Östersjön, vars beräkningsalgoritmer verifierats i områden där HF-radar
kunnat användas.
En annan tillämpning på HF-radar är att kunna detektera fartyg på större avstånd än vad vanlig
mikrovågsradar tillåter. Detta är möjligt tack vare att HF-radarns signaler utbreder sig bortom
horisonten som en markvåg närmast havsytan, vars ledningsförmåga påverkas av salthalten. Det finns
därmed möjlighet att upptäcka fartyg som inte använder sin AIS (Automatic Identification System)
även på långa avstånd.
Syfte
Det fanns tre olika huvudsyften med projektet:
Validera havsströmmar ifrån satellitdata mot havsströmmar ifrån HF-radar
Undersöka möjligheten att assimilera mätta havsströmmar i en havsmodell
Undersöka möjligheterna att detektera fartyg med satellitdata och HF-radar
Genomförande och resultat
Radarsystemen kom på plats under oktober 2014. För att få strömriktning måste minst två radarsystem
användas, och det är i det gemensamma täckningsområdet en 2-dimensionell strömhastighet kan
beräknas. Ett ena systemet placerades på Måseskär, det andra på Väderöarana. Frekvensen som
användes inledningsvis var 9.33MHz, och det visade sig ganska snart att det fanns kraftiga periodiska
störningar inom bandet med en variation över dygnet. Då det var första gången denna frekvens
provades i Europa med det aktuella systemet, SeaSonde från CODAR Ocean Sensors, saknades
erfarenhet av hur man skulle åtgärda detta problem. Olika försök att minska påverkan från
störningarna gjordes, men gav inte riktigt den önskade effekten. I början av februari 2015 byttes sedan
frekvensen till 13.50MHz, vilket gav ett mycket bättre resultat. Räckvidden minskade något, men
upplösningen kunde ökas tack vare större bandbredd och betydligt mindre störningar. Data från HFradarn har under hela projektet kunnat ses på: http://smhi.portus-codar.qrms.net/portus/. Ett exempel
på en situationsbild ges i Figur 1.
1
Figur 1. Strömfält kl. 12:00 UTC, 1/7-2015. En radarantennsymbol markerar Väderöarna (nord) och Måseskär (syd).
Validering av satellitdata: Under projekttiden har en stor mängd satellitdata laddats ned ifrån det
område som HF-radarn täcker. De satellitdata som använts för uppskattning av havsströmmar är
infraröda bilder ifrån instrumentet AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) som finns
på flera amerikanska och europeiska vädersatelliter. Dessa bilder tas flera gånger varje dag och genom
att beräkna hur temperaturmönster på havsytan rört sig mellan två bilder kan man uppskatta
ytströmmarnas styrka och riktning. Ett exempel på detta visas i Figur 2. Metoden som används för att
beräkna rörelserna kallas MCC (Maximum Cross Correlation) och bäst resultat fås när tiden mellan
bilderna är runt fem timmar. För att kunna göra beräkningarna krävs molnfria bilder vilket gjort att
endast 10 % av alla tillgängliga bilder kunnat användas. De uppskattade ytströmmarna har jämförts
med mätningarna ifrån HF-radarsystemet och i de flesta fall visar de två metoderna samma
havsströmsmönster. Satellitresultaten har även jämförts med ett antal numeriska modeller och med ett
par lågupplösta havsströmsprodukter (AVISO och OSCAR) baserade på satellitdata ifrån
radaraltimetrar. Dessa jämförelser visar på betydande skillnader mellan de olika numeriska modellerna
och försvåras även av stora skillnader i rumslig upplösning.
Assimilering av HF-radardata: Det var inte helt klart att nuvarande havsmodell skulle klara av att
assimilera data från radarn. Detta visade sig dock gå bra, och de tester som gjorts visar på bättre
modellresultat när man assimilerar in strömdata jämfört med om man inte gör det. Flera olika
assimileringar gjordes, och i dessa påverkades olika variabler: havsytans höjd, assimileringsfrekvens
samt beaktande av inverkan i 2D eller 3D. Drifters (bojar som driver i ytan) användes som en
oberoende datakälla för ytström.
Fartygsdetektion: Det använda systemet SeaSonde har en antennlösning som är kompakt och
fungerar väl för oceanografiska mätningar vilket var det primära för validering av satellitdata. Det
ansågs redan från början mindre lämpat för fartygsdetektion, och om möjligt hade en annan,
otympligare, antennlösning med högre riktverkan varit att föredra. Egna algoritmer för
fartygsdetektion har inte använts då arbetsinsatsen för att få tillräckligt detaljerad kännedom om
radarsystemets funktionssätt och egenskaper bedömdes bli för omfattande. Detektionsresultat har
istället tillhandahållits av CODAR via en speciell mjukvara man utvecklat för detta ändamål, men som
2
i dagsläget inte kan användas i realtid. Den begränsade datamängden som har undersökts gäller
registreringar från ett dygn då HF-radarn arbetade på det mindre störda bandet 13.50MHz. Val av
dygn styrdes av närvaron av ett eget fartyg inom täckningsområdet. Positionsdata från detta fartyg har
kompletterats med registrerad AIS-information inom området under samma tidsintervall. Inga
detektioner från radarsystemet har på ett robust sätt kunnat korreleras mot de fartygsspår som förekom
i området enligt de kompletterande datakällorna.
Figur 2. Exempel på två infraröda satellitbilder (bild till vänster och i mitten) som tagits med fyra timmars mellanrum och de
ytströmmar (bild till höger) som beräknats utifrån dessa bilder.
Diskussion och slutsatser
Projektet har givit erfarenheter gällande möjligheter och begränsningar med HF-radarn. Det har
tidigare inte funnits denna typ av radar i Sverige, och den utrustning som använts under projektet har
varit hyrd. Erfarenheterna kommer vara viktiga vid eventuell framtida upphandling av HFradarsystem. Under projektet har två olika radarfrekvenser utvärderats. De olika frekvenserna gav
olika lång räckvidd (lägre frekvens når längre) och möjlighet till olika upplösning av strömfältet
(maximalt tillåten bandbredd hos den utsända signalen).
Försöken från Skagerrak med HF-radar visar på att möjligheten att mäta ytströmmar är god. Det finns
ofta dygnsvariationer av täckningsområdets storlek, och dessa beror troligtvis på atmosfäriska
störningar på kortvågsbandet. Möjligheten att detektera fartyg med radarsystemet är inte lika
utvecklat, utan havsström får ses som det primära användningsområdet. Detektion av fartyg med hjälp
av satellit blev aldrig utvärderad, främst på grund av att radarsystemet kom på plats mycket senare än
beräknat. Då var inte de satelliter som ursprungligen var tänkta att användas tillgängliga. Då HFradarns möjlighet för fartygsdetektion var mycket begränsad, skulle den heller inte kunnat användas
för verifiering, utan satellitdata hade behövt verifieras mot AIS-data oberoende av HF-radardata.
Förbättringar som kan göras i hårdvaran för fartygsdetektion gäller främst antennsystemets
utformning. Det kan nämnas att utveckling av fartygsdetektion är pågående, och CODAR har nyligen
annonserat förbättrade algoritmer där data från Skagerrak använts under utvecklingsarbetet.
Detektionsresultat från aktuellt dygn genererade med den uppgraderade programversionen har inte
kunnat utvärderas inom projekttiden.
Den begränsade tidsperioden som radarn använts innebär också att vissa av de satelliter som man tänkt
använda ej varit tillgängliga. Möjligheten att använda dessa satelliter för forskningssyften är ofta
begränsad, och den period då de är tillgängliga kan vara kort. Ett permanent HF-radarsystem skulle ge
möjlighet att testa även dessa, eftersom man då hela tiden har data från radarn tillgänglig. För
fartygsdetektion är det användna systemet mindre lämpligt då dess egenskaper inte uppfyller
kravbilden. Andra HF-radarsystem kan dock visa sig mer användbara för denna tillämpning.
Problematiken kring sändningstillstånd på lämpliga frekvenser och störningar från andra sändare,
3
ibland på andra sidan jorden, är andra faktorer som kan begränsa såväl införande som användning av
tekniken.
Den assimilering som gjordes skulle också kunnat göras med satellitdata. Utifrån havsmodellens
perspektiv hade det fungerat på motsvarande sätt som med data från HF-radarn. Detta ger möjlighet att
använda satellitdata för områden där radarn ej är lämplig, t ex. Östersjön.
Kontaktpersoner:
SMHI: Johan Kronsell, [email protected]
Chalmers: Leif Eriksson, [email protected]
FOI: Anders Gustavsson, [email protected]
4
