Łata wodowskazowa i mareograf we Władysławowie

Wodowskaz we Władysławowie założony został w 1938 roku, po zakończeniu budowy portu w Wielkiej Wsi (Władysławowie). Władysławowo jest posterunkiem położonym z dala od ujść rzecznych.

Wodowskaz znajduje się w porcie rybackim, na końcu falochronu wewnętrznego. Łata wodowskazowa przymocowana jest do nabrzeża południowego tego falochronu. Obok łaty wodowskazowej, wewnątrz niskiego betonowego pawilonu w kształcie sześciokąta, zainstalowany został analogowy mareograf pływakowy. Rura tego mareografu o średnicy 110 cm wykonana jest z kręgów betonowych. Niestety nie zachowały się z tego okresu żadne materiały obserwacyjne ani dokumentacja. Po wojnie, w 1947 roku, wznowione zostały obserwacje wodowskazowe przy końcu falochronu wewnętrznego, na rzędnej zera –5.000 m. NN. W dniu 1 stycznia 1948 roku ponownie uruchomiono przy tym wodowskazie mareograf. Usytuowanie i poziom zera wodowskazu nie były zmieniane w całym okresie obserwacyjnym. W odniesieniu do układu Kronsztadt rzędna zera wynosi –5.076 m. Kr. Od 1949 roku we Władysławowie wykonywane są także regularnie pomiary temperatury wody i pobór wody na oznaczanie zasolenia.

Stacja mareograficzna we Władysławowie wykorzystywana jest do badań zmian poziomu morza oraz zmian klimatu Ziemi od roku 1990, w ramach współpracy naukowo-badawczej zawartej między Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk (CBK PAN) i Instytutem Meteorologii i Gospodarki Wodnej, Oddział Morski w Gdyni (IMGW-OM Gdynia), obecnie IMGW-PIB.

Stacja we Władysławowie – kolokacja różnych techniki obserwacyjnych

Mareografy rejestrują lokalne zmiany poziomu wody odniesione do lokalnego podłoża, do którego są umocowane(Rys. 1.). Na te zmiany istotny wpływ mają ruchy pionowe skorupy ziemskiej w bezpośrednim sąsiedztwie stacji mareograficznej, które w wielu rejonach świata mogą niekiedy nawet odwrócić obserwowany trend zmian poziomu wody (Rys. 2.).

Dlatego też badanie zmian poziomu mórz i oceanów w skali globalnej wymaga monitorowania ruchów pionowych stacji mareograficznych w jednolitym, geocentrycznym układzie odniesienia w celu wyeliminowania ich z odczytów mareograficznych (Rys. 3.).

Wyniki opracowania obserwacji z satelitarnych technik pomiarowych (GPS/GNSS, SLR, DORIS, Geodetic-SAR) i grawimetrii absolutnej z wieloletnich serii pomiarowych, wsparte kontrolą z niwelacji precyzyjnej, wykorzystywane są do szacowania pionowych ruchów stacji i jej okolic, a następnie – zmian poziomu morza (wartości zarówno względnych, jak i absolutnych). Analizy tego typu – po ujednoliceniu układu odniesienia dla regionalnej lub globalnej sieci stacji mareograficznych, dzięki zastosowaniu kolokacji różnych technik obserwacyjnych, mogą dostarczać wielu istotnych informacji o cyrkulacji wód oceanu światowego oraz o zachodzących zmianach klimatycznych, określając globalne trendy tych zmian. W efekcie doprowadzić to powinno do lepszego zrozumienia wzajemnych związków pomiędzy zmianami klimatu a efektami wahań poziomu mórz i zmian ich topografii.

Projekt BSLP (1990-1993)

Początek aktywności CBK związanej z badaniami zmian poziomu morza datuje się na koniec lat 80., wraz z przystąpieniem do międzynarodowego projektu w ramach IAG SSG 5.147 o nazwie BSLP (Baltic Sea Level Project). Projekt ten polegał na zaprojektowaniu i realizacji jednorodnego dla obszaru całego basenu Morza Bałtyckiego trójwymiarowego, geocentrycznego układu odniesienia w którym, poprzez połączenie obserwacji GPS, niwelacji oraz odczytów mareograficznych na tych samych, wybranych stacjach, możliwe było wyznaczenie zarówno różnic między układami wysokościowymi, obowiązującymi w poszczególnych krajach regionu, ich deformacji jak i przede wszystkim analiza obserwacji mareograficznych (ich szeregów czasowych) w jednolitym układzie. Realizacja trzech kampanii GPS na stacjach mareograficznych w latach 1990, 1993 oraz 1997 pozwolić miała także na oszacowanie wartości pionowych ruchów skorupy ziemskiej na badanych stacjach, a w konsekwencji oszacowanie bezwzględnych wartości zmian poziomu morza.

W okresie realizacji projektu przeprowadzono dwie międzynarodowe kampanie pomiarowe wokół basenu Morza Bałtyckiego, na terenie Szwecji, Finlandii, Polski, Niemiec i Danii, ustawiając w pobliżu wybranych stacji mareograficznych (tide gauge – TG) jedne z pierwszych modeli odbiorników dwuczęstotliwościowych systemu GPS. Punkty odniesienia wysokościowego mareografów (Contact Points – CP) zostały związane wysokościowo z punktami odniesienia GPS oraz z wybranymi reperami krajowych osnów wysokościowych w poszczególnych krajach, metodą niwelacji precyzyjnej. Współrzędne stacji GPS biorących udział w projekcie wyznaczone zostały w nawiązaniu do, nielicznych jeszcze w tym okresie, permanentnych stacji GPS serwisu IGS.

Poniższa mapka ilustruje rozmieszczenie stacji mareograficznych (TG) oraz GPS w drugiej kampaniach pomiarowej w czerwcu 1993 roku.

Projekt EUVN-97

Podczas Sympozjum EUREF w Helsinkach w 1995 roku przedstawiona została propozycja połączenia istniejącej sieci EUREF, regionalnych sieci niwelacyjnych Europy (UPLN i UELN) oraz sieci mareografów w jednolitą, zintegrowaną sieć. Elementem wiążącym wymienione sieci w jedną całość była międzynarodowa kampania GPS, która zawierała odpowiednio rozmieszczone punkty trzech wymienionych wyżej sieci. Opracowanie wyników tej kampanii umożliwiło zdefiniowanie ‘European Vertical Reference Network’ (EUVN), który to układ wysokościowy miał spełniać istniejące potrzeby naukowe i praktyczne. Kampania obserwacyjna GPS o nazwie ‘EUVN ’97’ została zrealizowana w dniach od 21 do 29 maja 1997 roku. Ostatecznie pomiary wykonano na 196 punktach w 32 krajach.

Główne cele sieci EUVN były następujące:

• stworzenie zintegrowanego układu wysokościowego;
• ujednolicenie krajowych układów wysokościowych w Europie;
• dostarczenie punktów odniesienia dla potrzeb badania przebiegu geoidy w Europie, tak zwanych fiducial points;
• dostarczenie powiązań między poziomami odniesienia w różnych krajach europejskich, zdefiniowanymi przez lokalny średni poziom mórz i oceanów;
• dostarczenie danych do tworzonego absolutnego, globalnego układu wysokościowego;
• dostarczenie informacji umożliwiających rozdzielenie ruchów pionowych  skorupy ziemskiej od zmian poziomu mórz i oceanów;
• umożliwienie wyrażania wyników opracowania regionalnych projektów geodynamicznych w jednolitym układzie odniesienia EUREF (ETRS89), w celu ich późniejszej, poprawnej interpretacji

W sieci tej, na etapie opracowania danych, została wyodrębniona podsieć, obejmująca swym zasięgiem rejon Morza Bałtyckiego, która została dodatkowo opracowana niezależnie jako nieformalna, 3-cia kampania BSL-97 (Rys. 5.).

Projekt ESEAS-RI (2002-2005)

W okresie od 2002-11-01 do 2005-10-30, w ramach 5. Programu Ramowego Unii Europejskiej, realizowany był ogólnoeuropejski projekt pod nazwą ‘European Service for Mean Sea Level – Research Infrastructure’ (ESEAS-RI, numer projektu: EVR1-CT-2002-40025), który powstał w wyniku wypracowanych koncepcji badawczych i strategii działania w ramach Akcji COST-40 (EOSS), w której CBK PAN reprezentowało stronę polską od 2000 roku. W projekcie tym uczestniczyło 21 instytucji z niemal całej Europy, w tym dwie z Polski: CBK PAN i IMGW.

Głównym celem naukowym projektu było podjęcie studiów nad zmianami poziomu morza w różnych skalach czasu: od najkrótszych (sezonowych) do wiekowych oraz dokonanie oszacowań wielkości możliwych w przyszłości zmian średniego poziomu morza.

Celem technologicznym było zaś zapewnienie wsparcia dla infrastruktury naukowo-badawczej serwisu ESEAS, niezbędnego dla pełnego wykorzystania naukowego obecnie istniejących jak i przyszłych obserwacji poziomu morza.

Spodziewane rezultaty:

– ujednolicenie standardów pomiarowych na wybranych stacjach, wypracowanie jednolitych formatów zapisu danych pomiarowych i metadanych, niezbędnych do prawidłowego opracowania tych danych i poprawnej interpretacji wyników;

• dostępność baz danych zawierających jednorodne i sprawdzone pod względem jakości (potwierdzone certyfikatem) godzinne dane mareograficzne;
• unowocześnienie sieci stacji mareograficznych i udoskonalenie infrastruktury naukowo-badawczej w obrębie serwisu;
• powstanie modeli empirycznych zmian poziomu morza, stanowiących unikalną bazę dla dalszych studiów nad procesami klimatycznymi zachodzącymi w różnych skalach czasu dla lepszego poznania Oscylacji Północnego Atlantyku i jej wpływu na kontynent europejski a także spójnego opisu występowania stanów ekstremalnych poziomu morza w akwenach morskich otaczających kontynent europejski;
• stymulacja integracji środowiska badawczego, zajmującego się wyznaczaniem europejskiego poziomu morza,  z  sieciami  zewnętrznymi,  bardziej  rozległymi  i  promowanie  koordynacji  badań;
• wkład do raportów oceny środowiska i zmian klimatu;
• dostarczenie informacji ewentualnych przeszkód i trudności w dostępie do istniejących międzynarodowych baz danych.

Powyższa mapka prezentuje lokalizację wszystkich stacji mareograficznych i stacji CGPS, włączonych do projektu ESEAS-RI. W ramach projektu, na terenie Polski wytypowane zostały dwie stacje mareograficzne: we Władysławowie (stacja główna) oraz w Darłowie.

Na stacji we Władysławowie zainstalowana została i pracowała dla potrzeb projektu następująca aparatura pomiarowa:

• mareograf pływakowy, rejestrujący względne zmiany poziomu morza w sposób ciągły techniką analogową od 1949 roku (IMGW). Instrument ten, po okresie kilkuletnich, równolegle prowadzonych obserwacjach z nową, zainstalowaną w ramach projektu aparaturą pomiarową, ostatecznie został zdemontowany ze stanowiska pomiarowego;
• mareograf pływakowy, rejestrujący względne zmiany poziomu morza techniką cyfrową w sposób automatyczny od kwietnia 2004 Przesyła on zdalnie i automatycznie  dane w interwale 10 minutowym do Centrum w Gdyni (IMGW);
• mareograf ciśnieniowy z cyfrową rejestracją danych, zainstalowany w kwietniu 2003, przesyłający w sposób automatyczny dane (depesze SMS) w interwale 10 minutowym do Centrum w Gdyni (IMGW);
• w bezpośrednim sąsiedztwie łaty wodowskazowej i czujników mareograficznych, w odległości zaledwie kilku metrów, na dachu posterunku mareograficznego, zastabilizowany został na niskim słupie betonowym punkt dla permanentnej stacji GPS/GNSS, na którym zainstalowany został w kwietniu 2003 roku odbiornik GPS Ashtech uZ-CGRS z anteną Ashtech Choke-Ring: model ASH701945E_M Punkt-stacja GPS/GNSS otrzymał numer 12222M001 WLAD (CBK PAN).
• lokalna automatyczna stacja meteorologiczna, rejestrująca ciśnienie, temperaturę oraz wilgotność względną powietrza wokół stacji GPS (CBK PAN);
• pomiar ten uzupełniony jest o pomiar poziomu zasolenia wody i temperatury powierzchni morza, wykonywany przez czujnik, stanowiący wyposażenie mareografu ciśnieniowego (IMGW);
• w odległości około 5 km od linii brzegowej wybudowano stanowiska dla absolutnych oraz względnych pomiarów grawimetrycznych. W ramach projektu, we współpracy z FGI z Helsinek, wykonane zostały 3 kampanie pomiarowe metodą pomiarów absolutnych: w październiku 2004 r., we wrześniu 2005 oraz, już po zakończeniu projektu, w grudniu 2007 roku instrumentem FG5 (CBK PAN).

Okresowo wykonywane są ponadto pomiary metodą niwelacji precyzyjnej w celu powiązania wysokościowego punktów odniesienia (Contact Points-CP) poszczególnych instrumentów obser- wacyjnych, zainstalowanych na stacji we Władysławowie między sobą i dla ich dowiązania do układów wysokościowych oraz w celu monitorowania ich stabilności wysokościowej w czasie.

Stacja GPS/GNSS WLAD w krajowej sieci ASG-EUPOS

Od roku 2008, na mocy podpisanej umowy między CBK PAN i Głównym Urzędem Geodezji i Kartografii, permanentna stacja GPS we Władysławowie (stacja WLAD 12222M001) została włączona do utworzonej sieci permanentnych stacji GPS/GNSS w Polsce o nazwie ASG-EUPOS. Po modernizacji wykonanej przez GUGiK, zainstalowana stacja permanentna GPS/GNSS, sprzętowo przygotowana jest do pracy zarówno w trybie autonomicznym jak i z poprawkami różnicowymi DGPS/RTK. Od roku 2014, po wymianie zestawu odbiornik/antena na Leica GR10/LEIAR20 LEIM, stacja stała się multi-systemową stacją GNSS (GPS+GLONASS+GALILEO+SBAS). Obecnie zainstalowany jest tam zestaw: LEICA GR30 / LEIAR20 LEIM, który pracuje od sierpnia 2018 roku.

Projekt Baltic Plus (2019-2021)

W latach 2019 – 2021, w ramach międzynarodowego konsorcjum realizowany był projekt ESA – Grant ‘Geodetic SAR’ w ramach Tematu 5: ‘Geodetic SAR for Baltic Height System Unification and Baltic Sea Level Research’.

Głównymi zadaniami naukowymi tego projektu były:

• geometryczne połączenie wybranych stacji mareograficznych z siecią stacji GNSS w pobliżu tych stacji w celu określenia lokalnych ruchów pionowych oraz dokonania korekty wskazań poziomów morza ze względu na ten efekt. W tym celu zastosowana została do celów testowych nowa, obiecująca technika opracowania danych techniką SAR – Geodetic-SAR, która w przyszłości stwarza możliwości znacznego zagęszczenia  istniejących  geometrycznych  sieci  stacji  GNSS,  szczególnie  w  pobliżu istniejących stacji mareograficznych, z których ogromna większość nie jest, jak dotąd, wyposażona w żaden system pozwalający wyznaczać lokalnie wartości pionowych ruchów skorupy ziemskiej i redukować je z odczytów. Z uwagi na testowy charakter wykorzystania, która była weryfikowana przez wysoko dokładne opracowania sieci stacji GNSS,
• wyznaczenie na stacjach mareograficznych geoidy o wysokiej rozdzielczości, opartej na wynikach misji GOCE oraz dostępnych, naziemnych obserwacji grawimetrycznych w celu dostarczenia bezwzględnych wysokości mareografów w odniesieniu do globalnej ekwipotencjalnej powierzchni odniesienia,
• wspólna analiza geometrycznych i fizycznych układów odniesienia w celu zapewnienia ich kompatybilności oraz określenia poprawek do zastosowania w połączonej analizie wysokości geometrycznych i fizycznych.

W ramach projektu, na polskim wybrzeżu wybrane zostały dwie stacje mareograficzne, na których zainstalowane zostały elektroniczne, aktywne transpondery techniki Geodetic-SAR firmy Metasensing, w projekcie pracujące z satelitami  SAR: Sentinel-1A  i 1B.  Na obu tych  stacjach,  niedaleko  stacji mareograficznych znajdują się permanentne stacje GNSS, przy czym we Władysławowie zaledwie w odległości około 1.5 m w kierunku północnym (Rys. 10.).