Sea level, ocean currents, and vertical land motion along the Norwegian coast

Abstract

Ocean circulation plays a fundamental role in climate and sea-level related studies due to the ocean’s large heat-storage and transport capacity. Ocean circulation can be derived from numerical ocean models, which might be driven by various sets of observations, such as wind fields or water salinity and temperature. One of the most important ocean-observing systems is satellite altimetry, which allows to construct maps of the mean sea surface (MSS). The ocean’s mean dynamic topography (MDT) is the height of MSS above the geoid and its inclination reveals magnitude and direction of ocean currents. A detailed picture of the marine geoid in combination with an altimetry derived MSS leads to an increased understanding of ocean circulation. The application of satellite altimetry is mostly limited to the open or deep ocean because of its peculiarities close to the coast. The presence of land in altimetric footprints makes the retrieval of radar echos difficult. Also, tidal models used to correct altimetric observations are degraded along the continental shelf border and in the coastal zone. However, coastal zones have gained increased interest in recent years by cause of their high relevance to society considering sea-level rise, shipping, and other off-shore activities. Thus, there are increased efforts in coastal altimetry, and its applicability to monitor the coastal environment was identified. The application of satellite altimetry in coastal zones has become possible, among others, due to the European Space Agency’s CryoSat-2 (CS2) satellite. CS2 carries a radar altimeter, which enables the determination of coastal MDT due to its smaller footprint and delay-Doppler processing. Precise monitoring of sea-level changes is essentially important for understanding not only climate but also social and economic aspects of sea-level rise, especially in coastal zones. Coastal cities are built upon the Earth’s crust, which can be subject to uplift or subsidence. Today, vertical land motion (VLM) rates in Fennoscandia reach values of up to ~10 mm/year and are dominated by glacial isostatic adjustment (GIA), while additional signals caused, e.g., by the elastic rebound from contemporary melting of glaciers, tectonic processes or hydrological loading contribute less. GIA is the ongoing response of the Earth and oceans to the melting of late-Pleistocene ice sheets. The unloading initiated an uplift of the crust close to the centers of former ice sheets. This phenomenon affects the national height systems directly as well as observations of regional sea level and its temporal changes as measured by tide gauges along the coast. The thesis consist of two major blocks, namely, satellite altimetry and GIA. The first part of the thesis investigates the possibilities of CS2 SAR(In) altimetry to provide observations in the Norwegian coastal zone and addresses the determination and quality assessment of the coastal MDT. The second part comprises the quantification of the Earth’s response to melting of late-Pleistocene ice sheets by either modelling (i.e., solving the sea-level equation) or combining sea-surface measurements from CS2 and sea-level records from tide gauges. It is shown that CS2 is able to provide valid observations in Norwegian coastal areas that were previously not monitored by conventional altimetry. CS2 sea-level anomalies within 45 km×45 km boxes were compared with in situ sea level at 22 tide gauges. Over all tide gauges, CS2 shows a standard deviation of differences of 16 cm with a correlation of 0.61. Ocean-tide and inverse barometer geophysical corrections were identified as most crucial, and it was noted that a large amount of observations at land-confined tide gauges were not assigned an ocean-tide value. Due to the availability of local air-pressure observations and ocean-tide predictions, the standard inverse barometer and ocean-tide corrections were replaced with local ones. The refined corrections give an improvement of 24% (to 12.2 cm) and 12% (to 0.68) in terms of standard deviations of difference and correlations, respectively. Using new regional geoid models as well as CS2, three geodetic coastal MDT models in Norway were determined and validated against independent tide-gauge measurements as well as the operational coastal ocean model NorKyst800. The CS2 MDT models agree on a ~3-5 cm level with both tide-gauge and ocean MDT models. In addition, geostrophic surface currents were computed in order to identify errors in the used geoid models. Even though the regional geoids are all based on the latest satellite gravity data provided by GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer), the resulting circulation patterns are dependent upon geoids they were based on. It is demonstrated that some of these differences are due to erroneous or lack of marine gravity data. In addition, the coincidence of the CS2 geographical mode mask with the Norwegian Coastal Current makes it challenging to distinguish between artifacts in CS2 observations that arise during mode switches and real ocean signal. Using ice histories from the ICE-x series (ICE-5G and ICE6G_C) along with related Earth models (VMx), vertical velocity fields as well as time series of relative sea level (RSL) change were predicted. Computations were performed with the open-source sea-level equation solver (SELEN) and validated against external data, i.e., the semi-empirical land-uplift model NKG2016LU_abs and geological RSL reconstructions. In addition, SELEN solutions were compared with published grids of vertical velocities derived by other authors in order to quantify the significance of software’s assumptions and approximations. In general, all software solutions agree on a ~1mm/year level with NKG2016LU_abs in terms of standard deviations of differences. In view of ice models, all uplift rates as well as RSL predictions calculated with ICE6G_C show a considerably better fit to NKG2016LU_abs and RSL data than model results of ICE-5G, which confirms an improvement within the ICE-x series. For both ice models, predictions of present-day vertical velocity fields based on VMx rheologies agree better with observations than predictions based on NKG rheologies. On the other hand, predictions with NKG rheologies fit better RSL data than predictions with VMx rheologies. Applying a well known method for the determination of VLM by combining satellite altimetry and tide-gauge observations, for the first time, CS2 data (within 45 km×45 km boxes) were used for this purpose, bridging thereby the two major thesis’ blocks. Hence, 7.5 years of CS2 and tide-gauge data were combined to estimate linear VLM trends at 20 tide gauges along the Norwegian coast. Monthly-averaged tide-gauge data from PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level) and a high-frequency tide-gauge data set with 10-minute sampling rate from NMA (Norwegian Mapping Authority) were used. Estimated VLM rates from 1 Hz CS2 and high-frequency tide-gauge data reflect well the amplitude of coastal VLM as provided by NKG2016LU_abs. A coastal average of 2.4 mm/year (average over all tide gauges) was found, while NKG2016LU_abs suggests 2.8 mm/year; the spatial correlation is 0.58.

Havstrømmer spiller en grunnleggende rolle i klima- og havnivårelaterte studier på grunn av havets transportevne og store varmekapasitet. Havstrømmer kan avledes fra numeriske havmodeller basert på ulike observasjoner, så som vindfelt eller vannets saltinnhold og temperatur. Satellittaltimetri er en av de viktigste observasjonssystemene for å konstruere den geografiske fordelingen av midlere havnivå (MSS - mean sea surface). Havets midlere dynamiske topografi (MDT - mean dynamic topography) er høyden til MSS over geoiden. MSS-flatens helning i forhold til geoiden avgjør havstrømmenes styrke og retning. Et detaljert bilde av den marine geoiden kombinert med MSS avledet fra altimetri-observasjoner fører til en bedret forståelse av havstrømmene. Satellittaltimetri kan anvendes direkte over åpent dyphav, men må underkastes spesiell oppmerksomhet for data nær kysten. Radarekko fra hav og land samtidig gjør tolkningen av observasjonene vanskelig. Altimetrihøyder må korrigeres for tidevannseffekter og nær kontinentalsokler og kystsoner er modellene for tidevannsberegning mer usikre. Kystsoner fått økt oppmerksom i de senere år på grunn av den samfunnsmessige betydning for befolkning, skipsfart og off-shore virksomheter, som vil bli påvirket av endringer i havnivået. Følgelig har det vært økende aktivitet innen kystsonealtimetri med påvisning avmetodens anvendelse for overvåking av kystmiljøet. Dette har særlig utviklet seg med den europeiske romfartsorganisasjonen ESAs CryoSat-2 (CS2) satellitt. CS2 har et radar-altimeter som gjør det mulig å bestemme MDT nær kysten fordi instrumentet har mindre fotavtrykk enn tidligere versjoner og ved å benytte forsinket-Doppler-prosessering av dataene. Presis overvåking av havnivåets endringer er avgjørende viktig for å forstå ikke bare klimavariasjoner, men også samfunnsmessige og økonomiske konsekvenser av havnivåøkning, spesielt i kystsoner. Byer i kystsonen er bygget på jordklodens faste overflate, og den kan være underkastet både landhevning og innsynkning. I dag er den vertikale bevegelsen i Fennoskandia opptil ~10 mm/år og domineres av postglasial isostatisk landhevning (GIA - glacial isostatic adjustment). I tillegg er detmindre bidrag fra jordoverflatens elastiske respons forårsaket av dagens nedsmelting av isbreer, tektoniske prosesser og belastninger fra hydrologiske prosesser. GIA er jordoverflatens og havets langsomme respons på nedsmeltingen av store iskapper i sen- Pleistocene, etter siste istid. Avtagende belastning fra disse massene forårsaket en landhevning av jordoverflaten der iskappen var. Dette fenomenet påvirker nasjonale høydesystemer direkte. Observasjoner med tidevannsmålere langs kysten av regionalt havnivå og dets forandringer påvirkes også når landet hever seg med tiden. Denne doktoravhandlingen har to hovedtemaer, nemlig satellittaltimetri og GIA. I den første delen undersøkes mulighetene for å utnytte CS2 SAR(In) interferometriske altimetri-observasjoner til bestemmelse av MDT i den norske kystsonen med kvalitetsvurderinger av resultatet. I den andre delen kvantifiseres jordoverflatens respons på avsmelting av iskapper etter siste istid, både ved modellering (dvs. løsning av havnivåligningen) og ved kombinasjon av havnivåmålinger fra CS2 satellitten og fra tidevannsmålere langs kysten. Vi viser at CS2 bidrar med observasjoner av den norske kystsonen i områder som tidligere ikke kunne observeres med konvensjonell altimetri fra andre satellitter. Havnivå-anomalier innenfor kvadrater på 45 km×45 km avledet fra CS2 data ble sammenlignet med in situ havnivå bestemt ved 22 tidevannsmålere. Forskjellene har et standard avvik på 16 cm med en korrelasjon på 0.61. Korreksjoner for tidevannsvariasjoner og geofysiske invers barometer effekter ble identifisert som helt nødvendige for resultatet. Mange observasjonsserier på tidevannsstasjoner inne i fjorder hadde ikke tilordnede tidevannsverdier. Siden både lokalt lufttrykk og tidevannsprediksjoner var tilgjengelig, ble disse benyttet i stedet for standardmodeller for invers barometer og tidevannskorreksjoner. Det førte til en forbedring på 24% (til 12.2 cm) i standardavviket og 12% (til 0.68) i korrelasjon. Vi benyttet tre nye regionale geoidemodeller sammen med data fra CS2 til å bestemme tre geodetiske MDT-modeller for den norske kystsonen. De ble validert mot både uavhengige tidevannsmålinger og den operasjonelle havmodellen NorKyst800. MDT-modellene overensstemmer innenfor 3-5 cm med både tidevannsmålinger og havmodell. Vi beregnet også geostrofiske overflatestrømmer i et forsøk på å identifisere feil i de anvendte geoidemodellene. Selv om alle de regionale geoidemodellene er basert på de siste gravitasjonsdataene fra GOCE-satellitten, så avhenger de beregnede strømningsmønstrene av de enkelte geoidemodellene. Vi viser at noen av forskjellene skyldes feilaktige eller mangelfulle marine tyngdedata. Dessuten har CS2 en geografisk modemaskering som faller sammen med den norske kyststrømmen. Det gjør det vanskelig å skille mellom havsignalet og særegenheter i CS2 dataene når satellitten foretar mode-endringer. Vi benyttet tidsforløpene i ICE-x modellene (ICE-5G og ICE6G_C) sammen med geofysiske jordmodeller (VMx) til å beregne vertikale hastighetsfelt og tidsserier for relativt havnivå. Beregningene ble gjort ved hjelp av tilgjengelig (open-source) programvare til løsning av havnivåligningen (SELEN) og ble validert mot eksterne data, nemlig den semi-empiriske landhevningsmodellen NKG2016LU_abs og geologiske rekonstruksjoner av relativt havnivå. SELEN-løsningene ble også sammenlignet med vertikale hastigheter publisert av andre forfattere (som benyttet annen programvare) i et forsøk på å kvantifisere betydningen av de antagelser og tilnærminger som programvaren var bygget på. Forskjellen fra våre løsninger overensstemmer innenfor et standardavvik på ~1 mm/år med vertikalhastighetene i NKG2016LU_abs. Ismodellen ICE6G_C gir vertikale hastigheter og havnivåforløp som overensstemmer mye bedre med NKG2016LU_abs og dataserier for relative havnivåendringer enn den tidligere modellen ICE-5G. Det antyder en mer treffende beskrivelse av ishistorien. Prediksjoner av dagens vertikale hastighetsfelt basert på VMx-rheologier og ismodellene gir bedre overensstemmelse med observasjonene enn med rheologiene benyttet i NKGmodellen. Derimot gir prediksjoner av relativt havnivå bedre overensstemmelse med NKG-rheologier enn med VMx-rheologier. Med utgangspunkt i havnivåligningen har vi for første gang bestemt den vertikale landhevningen ved å kombinere data fra satellittaltimetri og tidevannsmålere. CS2 data (i 45 km×45 kmkvadrater) knytter dermed avhandlingens to temaer sammen. Til sammen 7.5 år med CS2 data ble kombinert med data fra 20 tidevannsmålere langs norskekysten for å estimere lineære trender for vertikale hastigheter. Tidevannsmålinger ble analysert som tidsserier av månedsmidler fra PSMSL (Permanent Service for Mean Sea Level) og som tidsserier med 10 minutter oppløsning fra Kartverket. De beregnede vertikale hastigheter fra 1 Hz CS2 og den høyfrekvente tidevannsserien gjenspeiler verdiene langs kysten i NKG2016LU_abs. Et gjennomsnitt for alle tidevannsmålerne er 2.4 mm/år, mens NKG2016LU_abs gir 2.8 mm/år; den romlige korrelasjonen er 0.58.