VALIDACIÓN DE RADARES HF CON MEDIDAS DE …

“ Inves t ing in our common fu ture. ”Pablo Lorente Jiménez,

Puertos del Estado

VALIDACIÓN DE RADARES HFCON MEDIDAS DE CORRENTÍMETROS

Cartagena, 7 de Mayo del 2013

P. Lorente (1) , S. Piedracoba (2), E. Álvarez-Fanjul (1)

ÍNDICE1. Motivaciones y objetivos.2. Descripción del sistema HFR de Galicia.3. Validación de radiales.4. Estatus actual y planes de futuro.

(1) Puertos del Estado, Madrid.(2) Departamento de Física Aplicada, Universidad de Vigo.


Puertos del Estado

1.- Motivaciones y objetivos.MOTIVACIONES:

Necesidad de conocer lascorrientes marinas

Probada eficiencia y utilidad de los radares de alta frecuencia Tecnología en auge!

• Ecológico: dispersión de contaminantes.• Biológico : transporte de nutrientes, pesquerías.• Humano: salvamento marítimo• Social: ayuda a la navegación y seguridad portuaria


Fuerte desembolso económico para su instalación y mantenimiento. Tecnología muy sensible: averías frecuentes Descalibración!

Desarrollo de herramientas de valor añadido que usan datos HFR como INPUT: Oil-spill: modelos lagrangianos. SASEMAR: áreas de probabilidad de búsqueda Validación de modelos oceanográficos. NECESIDAD DE DATOS DE CALIDAD

Herramientas de control de calidad RT / NRT / delayed-mode


Puertos del Estado

OBJETIVO:Creación de una herramienta de validación automática que permita:1. Cuantificar las incertidumbres asociadas a esta tecnología …de manera rutinaria y operativa2. Contrastar la calidad de las medidas de corrientes de los radares HF desplegados en las costas

españolas …mediante la generación de indicadores de calidad objetivos

1.- Motivaciones y objetivos.

EXPERIENCIAS PREVIAS: Diversos trabajos publicados de validación con vectores totales. En el caso de Puertos del Estado, validación del sistema de Galicia.

Validación de vectores totales de corrientes / oleaje (Nov 2005 - Feb 2006) Sistema de Galicia (2 Sites), comparación con la boya de Silleiro Buenos resultados, CORR: U= 0.8 / V= 0.7 / Wave height = 0.9 Para frecuencias inerciales y subinerciales.



Puertos del Estado

A) VALIDACIÓN DE DATOS RADIALES• Sistema de Galicia (4 sites, año de estudio: 2012)• Basado en los papers de Paduan et. al (2006) y Emery et. al (2003)• Permite estimar la calidad de las medidas de cada site por separado…

Evaluando el funcionamiento de cada antera de manera independiente Eliminándose fuentes de error derivadas del proceso de combinación de radiales

procedentes de, al menos, dos sites, para obtener el campo de corrientes totales del radar HF

Validación mensual («delayed mode») Exportacion automatica de estadisticas a un EXCEL: Indicadores de calidad (QC)

1.- Motivaciones y objetivos.


B) VALIDACIÓN DE DATOS TOTALES• Una vez selecionados los tipos de datos radiales más óptimos (ideals / measured) se

combinan (Toolbox de Kaplan) variando diferentes parámetros de entrada:o Averaging Radiuso Grid Spacingo Current Velocity Limito Distance Angular Limit


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2.- Descripción del sistema HFR de Galicia

Radar HF:• Seasonde de Ocean Codar Sensors• Frecuencia: 4.86 MHz • Resolución: 6 km / Alcance: 200 km• Datos horarios 2 metros• 4 Sites:

1. Prior (Dic 2011)2. Vilano (Dic 2011)3. Finisterre4. Silleiro

BOYAS de aguas profundas:• Correntímetros ultrasónicos FSI / Nortek Vilano (43.50oN, 9.22oW) Silleiro (42.12oN, 9.44oW) Medidas horarias a 3.5 m de profundidad



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2.1.- Disponibilidad de datos durante el 2012

Importantes discontinuidades en el Site y la Boya de Silleiro


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2.2.- Porcentaje de cobertura durante el 2012

El site de Silleiro apenas alcanza el 50%


Puertos del EstadoCartagena, 7 de Mayo del 2013

3.1.- Evolución MENSUAL de parámetros físicos: RANGE & BEARING

Noviembre, 2012

Ciclos de 10 dias: 1-11 de Diciembre, 2012

Sites Nuevos: ESTABLES

• Flutuaciones ciclo dia / noche• Herramienta de validación NRT

Sites Antiguos: ANOMALIAS

3.- Validación de datos RADIALES (NRT)


Puertos del EstadoCartagena, 7 de Mayo del 2013

3.2.- Evolución MENSUAL del nº de datos / fichero(Información complementaria a los parámetros RANGE & BEARING)

Noviembre, 2012

Ciclos de 10 dias: 1-11 de Diciembre, 2012

• Evolución anómala para Silleiro• Herramienta de validación NRT

3.- Validación de datos RADIALES (NRT)


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METODOLOGÍA:

• Validación MENSUAL de radiales 2 a 2 • Selección del arco más cercano a las boyas

• Proyección de medidas de correntímetro sobre los ejes radiales para cada punto del arco seleccionado

• Ángulos según criterio matemático:

- Prior arco 14- Vilano arco 7- Finisterre arco 17- Silleiro arco 8

E = 0ºW = 180º

S = 270º

N = 90º

3.- Validación de datos RADIALES DELAYED MODE



Puertos del Estado

PROPÓSITO:1. Calculo de CORR y RMSE a lo largo de todos los

puntos del arco.• Radiales ideals• Radiales «measured»• Para series brutas y sub-inerciales

(filtro Butter low-pass de 30h)

2. Determinación del «Bearing Error»Máximos de CORR (suelen se coincidentes con mínimos de RMSE) en puntos del arco que NO se corresponden con el más próximo a la localización de la boya, sino que están ligeramente desplazados.

Información muy útil para calibrar el sistemay obtener medidas de corrientes superficialesmás precisas.




Puertos del Estado

2.- Determinación del «Bearing Error»Máximos de CORR (coincidentes con mínimos de RMSE) en puntos del arco que NO se corresponden con el más próximo a la localización de la boya, sino que están ligeramente desplazados.

∆α ~ 5-15º

FINISTERRE FILTRADA ideals Octubre 2012




Puertos del Estado

Pablo Lorente Jiménez, Puertos del Estado

PROPÓSITO:3.- Cálculo de CORR y RMSE a lo largo de todos los puntos del DOMINIO.

• Radiales ideals• Radiales «measured»• Para series brutas y sub-inerciales

PRIOR FILTRADA ideals Dic-2012

0.9

0.7




Puertos del Estado

3.- Validación de datos RADIALES

PRIOR FILTRADA ideals Dic-2012

PROPÓSITO:3.- Cálculo de CORR y RMSE a lo largo de todos los puntos del DOMINIO.

• Radiales ideals• Radiales «measured»• Para series brutas y sub-inerciales

0.14

DELAYED MODE

GRÁFICAS COMPLEMENTARIAS! Ofrecen perspectivas diferentes:

• ARCO (corte transversal PERFIL): Determinación del «bearing error»

• DOMINIO (plano cenital) - Observación de patrones espaciales. - Facilita la interpretación física



Puertos del Estado

RESULTADOS PRIOR ENERO 2012

BRUTA FILTRADA

IDEAL

MEASURED

R = 0.60RMSE = 14.24∆α = 15.41º

R = 0.74RMSE = 12.87∆α = 30.41º

R = 0.88RMSE = 6.82∆α = 5.41º

R = 0.88RMSE = 12.13∆α = 15.41º

Definimos CRITERIO para detección «bearing error»: Punto de MAX CORR: ∆α = 5-15º


Puertos del Estado

RESULTADOS PRIOR 2012 Análisis del punto del arco más cercano a la boya:α = 186.6º (boya = 185.89º)


PRIOR BRUTA (ENERO 2012): BOYA -VS- HFR

REGRESIÓN

LINEAL

SIGNIFICATIVA AL 95%

“ Inves t ing in our common fu ture. ”

IDEALS BRUTA MEAS. BRUTA IDEALS FILTR. MEAS. FILTR.MES RMSE CORR BEAR RMSE CORR BEAR RMSE CORR BEAR RMSE CORR BEAR

1 14,24 0,6 15,41 12,87 0,74 30,41 6,82 0,88 5,41 12,13 0,88 15,412 16,29 0,69 20,41 13,26 0,75 10,41 8,78 0,93 10,41 10,88 0,9 10,413 11,71 0,55 0,41 12,96 0,65 10,41 8,56 0,74 5,41 13,9 0,79 20,414 10,11 0,52 4,59 5,91 0,68 145,19 4,65 0,79 29,59 6,19 0,84 14,595 12,94 0,5 9,59 8,34 0,56 45,41 7,74 0,84 0,41 8,44 0,85 14,596 13,06 0,57 0,41 12,58 0,71 5,41 6,75 0,79 4,59 7,65 0,88 5,417 14,13 0,52 4,59 16,45 0,62 5,41 8,66 0,73 0,41 10,68 0,8 145,198 12,61 0,68 14,59 14,51 0,67 5,41 4,95 0,84 9,59 12,48 0,94 15,419 16,32 0,63 14,59 29,65 0,77 20,41 11,18 0,75 14,59 16,99 0,94 20,41

10 15,47 0,51 9,59 7,1 0,56 89,79 6,16 0,73 9,59 8,01 0,74 4,5911 12,54 0,68 5,41 12,21 0,76 30,41 6,46 0,8 4,59 16,31 0,88 15,4112 11,71 0,76 9,59 17,05 0,82 10,41 10,47 0,94 5,41 15,36 0,95 10,41

RESULTADOS PRIOR 2012 (DETERMINACIÓN BEARING ERROR)

13.43 0.60 9.10 7.60 0.81 8.3313.57 0.69 34.09 11.59 0.87 24.35Promedio anual:

Pablo Lorente Jiménez, Puertos del EstadoCartagena, 7 de Mayo del 2013

- CORR más altas para MEASURED…- … pero RMSE mayor y bearing error superior! - IDEALS BRUTA: α = (9.10 ± 6.28) - IDEALS FILTRADA: α = (8.33 ± 7.85) ∆α ~ 0-15º


RESULTADOS PRIOR 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)

IDEALS BRUTA MEAS. BRUTA IDEALS FILTR. MEAS. FILTR.MES RMSE CORR RMSE CORR RMSE CORR RMSE CORR

1 11,26 0,58 13,76 0,43 5,75 0,87 5,65 0,842 9,66 0,64 15,01 0,55 6,93 0,84 9,16 0,83 11,71 0,55 12,85 0,33 8,83 0,72 7,98 0,474 10,19 0,48 11,53 0,47 6,11 0,61 4,08 0,745 13,49 0,49 16,65 0,32 7,74 0,84 10,54 0,486 13,06 0,57 17,31 0,44 6,78 0,74 7,39 0,727 15,78 0,48 18,12 0,32 8,66 0,73 7,9 0,58 17,01 0,48 16,34 0,62 6,29 0,81 6,29 0,839 18,15 0,43 18,86 0,59 12,61 0,52 10,36 0,78

10 16,97 0,39 19,69 0,46 8,12 0,52 12,19 0,511 12,42 0,66 14,17 0,51 7,51 0,79 7,28 0,7712 13 0,75 16,27 0,74 9,65 0,92 13,31 0,93

13.56 0.54 7.91 0.7415.88 0.48 8.51 0.70Promedio anual:


- CORR razonablemente altas cerca de la boya- Mejores resultados para series filtradas- Radiales Measured parecen NO mejorar a los Ideals



SCATTER (HFR = A* buoy+ B) PRIOR 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)

1.14 0.36 0.70


IDEALS BRUTA MEAS. BRUTA IDEALS FILTR. MEAS. FILTR.MES A B R2 A B R2 A B R2 A B R2

1 0,82 -1,11 0,33 0,67 4,35 0,19 1,31 -4,73 0,75 1,22 -0,34 0,712 0,82 -6,31 0,41 1,14 -5,84 0,30 0,90 -6,16 0,71 1,33 -5,49 0,643 0,97 -5,75 0,3 0,72 -2,09 0,11 1,33 -6,98 0,51 0,92 -3,12 0,224 0,77 0,81 0,23 0,92 -0,24 0,22 0,83 0,53 0,37 0,89 -0,26 0,545 0,78 2,66 0,24 0,53 7,16 0,10 1,86 -1,6 0,7 0,96 4,93 0,236 0,8 1,1 0,33 0,73 2,68 0,20 1,38 0,55 0,55 1,25 1,95 0,527 0,85 -5,43 0,23 0,62 -1,79 0,10 1,58 -4,38 0,54 0,84 -1,55 0,258 0,65 -1,7 0,23 0,95 -1,57 0,39 1,13 -2,08 0,65 1,12 -1,71 0,709 0,5 -4,29 0,19 0,85 0,43 0,35 0,52 -4,2 0,27 0,97 1,19 0,61

10 0,82 3,72 0,15 0,67 9,88 0,22 1,31 3,24 0,26 1,22 10,07 0,2511 0,89 3,38 0,44 0,72 2,07 0,26 1,32 1,76 0,63 1,38 -0,37 0,5912 1,34 2,81 0,57 1,5 4,67 0,55 1,95 -1,87 0,85 2,32 -0,95 0,86


(0.83 ± 0.09) (-0.84 ± 1.02) 0.30 (95%) (1.29 ± 0.08) (-2.16 ± 0.56) 0.57 (95%)

(0.84 ± 0.16) (1.64 ± 1.67) 0.25 (95%) (1.20 ± 0.11) (0.36 ± 0.86) 0.51 (95%)

IDEALS

MEASURED

- Mejores resultados para series filtradas- Radiales Measured parecen NO mejorar a los Ideals- CONCLUSIÓN PRIOR 2012: Usaremos IDEALS


Puertos del Estado

RESULTADOS VILANO DICIEMBRE 2012

BRUTA FILTRADA

IDEAL

MEASURED

R = 0.8RMSE = 13.1∆α = 120º

R = 0.9RMSE = 13.1∆α = 100º

R = 0.8RMSE = 13.1∆α = 110º

R = 0.9RMSE = 13.1∆α = 110º


RESULTADOS VILANO MARZO 2012

BRUTA FILTRADA

IDEAL

MEASURED

R = 0.52RMSE = 11.2∆α = 105º

R = 0.73RMSE = 8.3∆α = 105º

R = 0.8RMSE = 10.9∆α = 100º

R = 0.9RMSE = 7.2∆α = 100º


Puertos del Estado

RESULTADOS VILANO DICIEMBRE 2012

BRUTA FILTRADA

IDEAL

0.90.7∆α > 90º ∆α > 90º


RESULTADOS VILANO MARZO 2012

BRUTA FILTRADA

IDEAL

MEASURED

0.5 0.7

0.5 0.7


RESULTADOS VILANO 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)


1 14,42 0,25 12,24 0,53 9,41 0,45 7,82 0,432 17,97 0,35 8,25 0,57 15,94 0,53 5,82 0,663 14,25 -0,06 8,88 0,51 10,29 -0,01 5,01 0,594 17,27 -0,06 11,06 0,53 14,18 -0,13 5,69 0,715 24,62 0,02 13,32 0,71 18,27 -0,13 6,6 0,626 19,52 0,1 15,78 0,58 11,99 0,23 6,59 0,377 25,77 -0,2 15,85 0,61 18,19 -0,31 6,12 0,68 24,36 -0,1 17,39 0,68 14,45 -0,09 9,59 0,639 26,28 -0,04 14,47 0,64 19,57 -0,34 6,82 0,63

10 23,77 0,02 15,36 0,73 14,47 -0,2 7,68 0,7711 23,71 0,1 12,22 0,7 17,21 0,38 6,36 0,7712 32,5 0,32 28,06 0,72 28,05 0,72 9,22 0,79

22.04 0.06 16.0 0.0914.41 0.63 6.94 0.63Promedio anual:


- Ideals: no evaluable- Measured:

1. CORR moderadamente buenas2. RMSE muy elevados

- En adelante usaremos radiales «Measured»


SCATTER (HFR = A* buoy+ B) VILANO 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)



1 0,32 2,38 0,06 0,7 -5,11 0,28 0,83 3,36 0,2 0,53 -5,38 0,182 0,68 13,16 0,12 0,8 -2,25 0,33 1,2 12,49 0,28 0,92 -2,37 0,433 -0,09 0,96 0 0,74 -2,32 0,26 -0,01 1,26 0 1,01 -1,03 0,354 -0,13 0,75 0 0,95 1,31 0,29 -0,32 0,79 0,02 1,08 1,27 0,515 0,03 -11,21 0 1,17 0,1 0,51 -0,4 -12,75 0,02 1,14 0,01 0,386 0,16 1,95 0,01 1,03 -0,38 0,34 0,75 2,97 0,05 0,77 -0,91 0,147 -0,44 11,74 0,04 1,35 -0,57 0,38 -1,19 11,1 0,1 1,45 -0,63 0,368 -0,14 6,58 0,01 1,21 -5,24 0,47 -0,12 6,52 0,01 1,19 -5,31 0,49 -0,07 4,5 0 1,01 -4,18 0,42 -1,3 6,21 0,12 1,01 -4,17 0,4

10 0,02 -2,89 0 0,7 -3,58 0,54 -0,41 -3,73 0,04 0,53 -3,2 0,5911 0,19 -6,07 0,01 1,08 -0,49 0,48 1,91 -3,87 0,14 1,86 0,84 0,5912 1,03 -17,86 0,1 1,24 -5,59 0,51 3,89 -7,39 0,51 1,73 -3,4 0,62


(0.16 ± 0.15) (0.33 ± 1.50) 0.03 (0.51 ± 0.23) (1.42 ± 1.12) 0.12

(1.00 ± 0.10) (-2.36 ± 0.9 0.40 (95%) (1.10 ± 0.10) (-2.03 ± 0.52) 0.41 (95%)

IDEALS

MEASURED


Puertos del Estado

FINISTERRE FEBRERO 2012

IDEAL

MEASUREDBRUTA FILTRADA

FILTRADABRUTA

FINISTERRE DICIEMBRE 2012

IDEAL

MEASUREDBRUTA FILTRADA

FILTRADABRUTA

R = 0.42RMSE = 9.8∆α = 10º

R = 0.45RMSE = 7.7∆α = 10º

R = 0.76RMSE = 8.9∆α = 10º

R = 0.82RMSE = 6.3∆α = 10º

R = 0.41RMSE = 9.6∆α = 10º

R = 0.45RMSE = 7.7∆α = 10º

R = 0.72RMSE = 9.2∆α = 10º

R = 0.81RMSE = 5.5∆α = 10º



Puertos del Estado

FINISTERRE OCTIUBRE 2012 FINISTERRE DICIEMBRE 2012

IDEAL FILTRADA IDEAL FILTRADA

0.7 0.7



RESULTADOS FINISTERRE 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)


1 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9992 18,41 0,27 11,49 0,38 17,39 0,31 9,15 0,463 10,83 0,11 10,26 0,38 8,77 -0,21 7,68 -0,084 17,25 0,16 10,96 0,53 15,91 -0,03 8,42 0,65 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9996 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9997 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9998 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9999 16,15 0,28 11,81 0,66 9,58 0,33 6,66 0,61

10 15,16 0,52 13,83 0,55 9,55 0,81 6,95 0,7311 17,9 0,35 10,9 0,7 12,72 0,63 6,07 0,7112 16,43 0,61 10,52 0,56 13,98 0,78 5,59 0,74


- Salto cualitativo signiticativo tras el verano- Measured mejores que Ideals, sobre todo 2º semestre CORR moderadamente buenas y RMSE menores

15.50 0.18 14.02 0.0210.90 0.43 8.42 0.33Promedio 1-6:

Promedio 6-12: 16.41 0.44 11.77 0.62 11.46 0.64 6.32 0.70


SCATTER (HFR = A* buoy+ B) FINIST. 2012 (PUNTO MAS CERCANO A LA BOYA)


- Mejores resultados con «Measured», sobre todo 2º semestre:


1 -0,17 -2,05 0 0,12 -0,05 0 -0,76 -0,49 0,07 -0,17 0,81 0,012 1,01 -11,83 0,08 1 -6,39 0,15 1,45 -11,9 0,1 1,19 -6,47 0,213 0,17 -1,3 0,01 0,6 -4,49 0,14 -0,36 -0,68 0,04 -0,08 -3,66 0,014 0,35 -9,21 0,02 0,81 -6,93 0,28 -0,08 -10,05 0 0,8 -6,9 0,365 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9996 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9997 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9998 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -999 -9999 0,27 -1,8 0,08 0,71 -1,3 0,43 0,55 -0,87 0,11 0,86 -0,63 0,37

10 -0,17 8,32 0,27 0,12 -0,04 0,3 -0,76 6,73 0,65 -0,17 -0,74 0,5411 0,44 3,61 0,12 0,7 -1,98 0,49 1,48 0,44 0,4 0,83 -2,42 0,512 1,06 8,23 0,37 0,7 -0,7 0,32 1,61 4,36 0,6 0,72 0,81 0,55

0.51 -7.45 0.03 0.34 -7.54 0.050.80 -5.94 0.14 0.64 -5.68 0.151-6:6-12: 0.58 4.59 0.21 0.68 -1.01 0.39 1.18 2.67 0.44 0.83 -1.15 0.49



Puertos del Estado

RESULTADOS SILLEIRO 2012: NO EVALUABLE!!

• Averías• Boya de Silleiro: no disponible durante el verano

RESULTADOS SILLEIRO Nov 2005 – Febrero 2006: IDEALS

DICIEMBRE 2005

FEBRERO 2006

IDEAL BRUTA IDEAL FILTRADA

R = 0.8RMSE = 8.3∆α = 15º

R = 0.9RMSE = 5.4∆α = 10º

R = 0.65RMSE = 9.6∆α = 5º

R = 0.84RMSE = 6.1∆α = 5º


Puertos del Estado

A) VALIDACIÓN DE DATOS RADIALES• Continuar con procesos de validación VILANO• Extender metodología otros sistemas HFR gestionados por PdE• Avanzar hacia procesos de validación e índicadores de calidad RT.

4.- Planes de futuro.



combinan (Toolbox de Kaplan) variando diferentes parámetros de entrada:o Averaging Radiuso Grid Spacingo Current Velocity Limito Distance Angular Limit


Puertos del Estado

4.- Planes de futuro.



combinan (Toolbox de Kaplan) variando diferentes parámetros de entrada:o Averaging Radiuso Grid Spacing = 6 kmo Current Velocity Limit = 100 cm/s FIXED!o Distance Angular Limit = 30º

A) VALIDACIÓN DE DATOS RADIALES• Continuar con procesos de validación VILANO• Extender metodología otros sistemas HFR gestionados por PdE• Avanzar hacia procesos de validación e índicadores de calidad RT.


Puertos del Estado

5.- REFERENCIAS

• Paduan J.D. et. al. «Calibration and validation of direction-FindingHigh-Frequency Radar Ocean surface Current Observations». IEEEJournal of Oceanic Engineering, Vol 31, No. 4, October 2006.

• De Alfonso, M., Álvarez-Fanjul, E. and López, J.D. «Comparison ofcodar SeaSonde HF Radar operational waves and currentsmeasurements with Puertos del Estado buoys. Final report». Internaldocument. March, 2006.

• Emery et. Al, «Evaluating radial current measurements from CODARHigh-frequency radars with moored current meters». Journal ofAtmospheric and Oceanic technology, September 2003.


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