Preliminary analysis of ship mounted ADCP data in enclosed bays

This thesis was made in collaboration with the Port and Airport Research Institute of Japan and consists in the preliminary analysis of Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) data taken at the entrance of the two most important enclosed bays in Japan, Tokyo bay and Ise bay. The data is necessary for several studies concerning these locations, included in an important project of the Japanese government that aims to the restoration of the most critical and urbanized coastal areas of the country. The ambition of this work is finding a rapid way to access and manipulate the available ADCP data and developing a method to detect its quality and filter the measures accordingly, allowing the usage of reliable information for any study. Firstly, the analysis provides an overview of the instrument and of the datasets, both of them complex and rich of criticalities. The measures have been taken continuously, every 20 or 30 seconds, for some years, from the two ferries that cross daily the entrance of the bays. This makes the measurement particularly problematic, as it is performed in a very variable environment, from a moving – and not controlled – vessel. Secondly, a set of MATLAB scripts is presented. These programs were produced in order to facilitate and speed up the reading and management of the data, that was previously performed manually, file-by-file. The scripts, among their functions, allow to erase the port stays, saving only the valid ADCP data, link temporally other measures of water quality, and detect errors or gaps in the data. The last conclusive part of the work is the quality analysis of the measures, that has the double purpose of understanding which mechanisms affect the most the goodness of the data, and of designing a screening to reject unreliable values. The analysis employs some parameters, measured together with the current velocities, that give information about the trustworthiness of the measurement. The observation of the variations of these indicators, simultaneously with the changes in the velocity data, in space and time, suggest that the measures are more sensitive to the side lobe interference - a technical disturbance that affects the data near the bottom -, to depth – because in deeper water the ADCP’s measurement is performed over a too wide area -, and to the weather. In particular, with strong wind and waves, it was observed that over 90% of the measures taken under those conditions can be unreliable. The designed screening, also based on the ADCP quality parameters, succeeds in erasing these wrong velocities and provides a filtered and reliable dataset. The calibrated thresholds are similar, but still different, in the two study sites, proving that the quality screening is case-specific. However, the overall procedure can be easily and widely adapted, and it provides very helpful information for any ADCP-based research. The filters obtained with this thesis work are currently used with success in various studies by the Port and Airport Research Institute.

Questa tesi è stata elaborata in collaborazione con il Port and Airport Research Institute, ente amministrativo indipendente subordinato al Ministero delle Infrastrutture e dei Trasporti del Giappone, e consiste in un’analisi preliminare di dati di corrente raccolti tramite Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) all’imbocco di due delle principali baie giapponesi, quelle di Tokyo e di Ise. Queste zone sono particolarmente critiche dal punto di vista ambientale e sono al centro di un vasto progetto governativo che verte al miglioramento e al monitoraggio delle acque costiere giapponesi, con il fine principale di ripristinare varie importanti attività economiche. L’obiettivo del lavoro è dunque ottenere una solida base di partenza per i successivi studi, producendo dei validi strumenti per leggere, gestire e manipolare i file ADCP, nonché per determinare la qualità delle misure, così da filtrare i dati errati e non affidabili. In primo luogo, viene fornita una panoramica dello strumento utilizzato e dei dataset disponibili, evidenziandone la complessità e le numerose criticità. Le misure sono infatti raccolte da diversi anni, in continuo, ogni 20 o 30 secondi, da ADCP posizionati sulla carena dei due traghetti che attraversano quotidianamente l’entrata delle baie. Questa scelta risulta efficiente, ma particolarmente problematica, dal momento che la misurazione è effettuata da un oggetto in movimento, in condizioni non controllabili e altamente sensibili a disturbi esterni. La seconda parte del lavoro espone i codici MATLAB prodotti per velocizzare e facilitare la visione e gestione delle misure ADCP. Questo passaggio era in precedenza molto laborioso ed eseguito per ogni singolo file. I programmi sviluppati consentono invece un rapido accesso alle misure in più file, e inoltre, tra le varie funzioni assolte, eliminano i dati non utili raccolti nei porti, legano temporalmente altre misure di qualità dell’acqua effettuate dagli stessi traghetti e individuano errori e lacune nei file. La fase conclusiva della tesi riguarda infine lo studio della qualità dei dati ADCP, che si pone il duplice scopo di individuare i fenomeni che più influenzano la bontà delle misure e di progettare un filtro per rimuovere i dati di cattiva qualità. Questa analisi sfrutta alcuni parametri, generati dall’ADCP insieme alla velocità della corrente, che forniscono informazioni sull’affidabilità delle misure. Osservando le variazioni nello spazio e nel tempo di questi indicatori, contemporaneamente alla fluttuazione dei vettori velocità, è possibile verificare che le misure ADCP sono maggiormente condizionate dal side lobe interference (un disturbo che inficia sulle misure vicino al fondo), dalla profondità (in quanto più la misura è distante dallo strumento, meno è precisa), e dalle condizioni metereologiche. In particolar modo, con vento e onde forti, delle misure raccolte in tali circostanze spesso più del 90% va eliminato. I filtri decisi si basano anch’essi sui parametri di qualità dell’ADCP e consentono di scartare le misure errate, mantenendo set di dati completi e affidabili; essi sono stati riconosciuti ottimali ed efficaci da più parti, e attualmente sono utilizzati con successo dal Port and Airport Research Institute. I valori limite calibrati per la scrematura differiscono leggermente nei due siti analizzati, a dimostrazione del fatto che sono legati alla specifica situazione e non possono essere estesi a casi diversi senza un accurato controllo. La procedura ideata per scegliere questi filtri è invece ciò che ben si presta a studi differenti basati su dati da ADCP, che possono avvalersene per sondare il proprio dataset e ottimizzarlo prima di qualsiasi ricerca.