Optimisation of inversion methods for near-surface current measurements in regions with strong horizontal shear

Abstract

Havprosessene som finner sted i sjiktet nær overflaten er en av nøkkelfaktorene i klimasystemet, og egnede metoder for å måle strømninger i den øvre delen av vannsøylen er nødvendig for å forstå mønstrer og drivkrefter. Bruk av inversjonsmetoder for å måle strømningshastighet gjør det mulig å bruke fjernmåling, og har potensial til å kartlegge strømninger over flere km^2. Inversjonsmetoder kan enten kan måle overflatehastighet eller en dybdeavhengig strømningsprofil. Hastigheter blir avledet ved å analysere bølgespredningen innenfor definerte romlige vinduer. Størrelsen og plasseringen av disse vinduene bestemmer den horisontale og vertikale oppløsningen til strømningsprofilene. Formålet med denne oppgaven er å undersøke om det finnes en optimal vindusstørrelse for å fange opp horisontalt skjær og vertikal skjær, og om det finnes en vindusstørrelse som lykkes i å fange opp begge deler. Målinger av bølgeoverflaten ble utført med Free Surface-Synthetic Schlieren og strømningshastigheten ble beregnet med tre inversjonsmetoder. Effective Depth Method gir en lineær, dybeavhengig strømningsprofil, Polynomial Effective Depth Method gir en polynomisk dybdeavhengig strømningsprofil og den siste metoden måler strømningshastigheten nær overflaten. Tre alternativer for vindusplassering ble undersøkt, og de beregnede strømningshastighetene ble evaluert opp mot hastighetsmålinger utført med Particle Image Velocimetry. Studien viser at høy horisontal oppløsning oppnås for små, tett plasserte vinduer, mens høy vertikal oppløsning og stort rekkevidde på dybden oppnås ved å analysere bølgedispersjonen i store vinduer. Det ble identifisert et lite utvalg av vindusstørrelser som ga et godt kompromiss mellom behovene til horisontal og vertikal oppløsning. For disse vindusstørrelsene kan både overflate- og dybdeoppløsningen utledes med relativt lave kvadratisk gjennomsnitts-feil. Resultatene viser hvordan vindusstørrelse og vindusavstand kan justeres i områder med sterkt horisontalt skjær for å optimalisere den horisontale og vertikale nøyaktigheten.

Upper-ocean processes are one of the key factors in the climate system, and suitable methods for measuring currents in the upper part of the water column is needed to understand the patterns and driving forces. Current measurements using inversion methods enables the use of remote sensing and has the potential to map currents over multiple km^2. Inversion methods can measure either the surface current or a depth-dependent current profile. Velocities are derived by analysing the wave dispersion within defined spatial windows. The size and placement of these windows determine the horizontal and vertical resolution of the current profiles. The purpose of this thesis is to explore whether there is an optimal window size for capturing horizontal shear and vertical shear, and whether there is a window size that successfully captures both. Measurements of the wave surface were performed with Free Surface-Synthetic Schlieren and the current velocity calculated with three inversion methods. The Effective Depth Method derives a linear, depth-dependent velocity, the Polynomial Effective Depth Method derives a polynomial current profile and the last method derives the near-surface current velocity. Three options for window placement were explored and the calculated currents were evaluated with Particle Image Velocimetry used as truth measurement. The study shows that high horizontal resolution is achieved for small and closely spaced windows, whereas high vertical resolution and large depth-range is achieved by analysing the wave dispersion in large windows. A small range of window sizes that provided a good compromise between the needs of horizontal and vertical resolution was identified. For these window sizes both the surface and depth resolution could be derived with relatively low Root-Mean-Square errors. The results demonstrate how the window size and window spacing can be adjusted in regions of strong horizontal shear in order to optimise the horizontal and vertical accuracy.