Identification and Modeling of Sea Level Change Contributors
On
GRACE Satellite Gravity Data and their Applications to Sea Level Change
Monitoring
B. Wouters
Publications on Geodesy 73
Delft, 2010. 194 pages. ISBN: 978 90 6132 316 7. € 10.50
Summary
Recently, the Intergovernmental Panel on Climate Change named sea
level rise as one of the major challenges of the 21st century. Given the
high population density of coastal regions, a small rise of the sea
level will have a substantial impact on human society. However, the
Earth’s climate system is a complex matter and model predictions of the
sea level changes likely to be expected in the coming century currently
show a wide spread. Clearly, a thorough understanding of present-day
climate variability is imperative narrow this uncertainty band, which on
its turn depends on the availability of accurate and detailed
observations of our climate. A valuable contribution to the expanding
array of satellites dedicated to observations of the Earth System, are
the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellites, launched
in March 2002. This mission is dedicated to observing changes of the
Earth’s gravity field at (sub-)monthly intervals. At time-scales of a
few years, these changes are mostly related to the redistribution of
water on the Earth’s surface. For example, a thinning of the Greenland
ice sheet will manifest itself as a local negative anomaly in the
gravity field, whereas the water that is added to the ocean will show up
as a predominantly positive anomaly. The main objective of this
dissertation is to study how the GRACE observations can be used to
improve our knowledge of changes in the Earth’s climate systems, and how
the data should be processed in order to optimize quality and spatial
resolution.
The GRACE data provided by the science teams consist of spherical
harmonic coefficients. They show particular correlations between
coefficients of identical order and even and odd degree, respectively,
due to the mission’s architecture and deficiencies in the background
models used throughout the processing of the satellite measurements.
These noise artifacts show up as striping patterns along the north-south
direction in the monthly maps of surface mass changes, hampering the
interpretation of the observations. In this dissertation, it is shown
that empirical orthogonal function (EOF) analysis is an effective method
to reduce the noise in the GRACE data. This statistical tool separates a
data set into a number of characteristic (eigen)modes of variance, in
combination with an index describing the amplitude of the mode in time,
i.e. the principal components. The EOF analysis can be applied to the
maps of surface mass changes, in which case the first few modes are
related to the annual and long-term trend components. The fourth mode
appears to be related to the El Niño/Southern Oscillation. The noise
signals are absorbed by the higher modes, which makes the leading modes
largely stripe-free up to a resolution of approximately 400 kilometers.
A further reduction of the noise can be obtained by applying the EOF
decomposition directly to the spherical harmonic coefficients, after
grouping them following order. The principal components are compared to
a random process and, if the two are statistically sufficiently alike,
not used in the further data processing. A series of tests shows that
this approach reduces the noise by 60–80%, compared to the non-filtered
case. An important feature of this filter is that it does not alter the
shape of the signal and causes less reduction its power, compared to
other commonly used filter methods based on the approach of Swenson and
Wahr (2006). Using the filtered data, changes in the mass content of the
ocean have been studied. The GRACE satellites are capable of capturing
seasonal changes in the ocean mass content accurately on a global scale.
In combination with sea surface height observations made by satellite
altimeter, the steric sea level component (related to changes in the
heat and salinity content of the ocean) can be separated as well. A
comparison with reference data sets shows that locally a coherent signal
can be obtained at a (Gaussian) resolution of approximately 500 km over
the oceans. These steric changes dominate the sea level in most of the
oceans, but strong ocean bottom pressure fluctuations are observed in
several areas, e.g., the Gulf of Carpentaria and the Gulf of Thailand.
Estimates of long-term changes in the ocean mass and heat content are a
more challenging problem, and require a longer observation period and a
better modeling of mass redistribution in the solid earth and the
position of the center of mass of the Earth, two components to which the
GRACE observations are particularly sensitive.
It is found that the global spherical harmonic coefficients contain more
information than previously acknowledged. This is demonstrated by using
the GRACE data to obtain a picture of the mass balance of the Greenland
ice sheet at a regional scale. From the research in this dissertation,
it shows that Greenland lost 179 Gigaton each year on average between
2003 and 2008, causing a global mean rise of sea level by 0.5 mm/yr.
Comparing the trend in the first few to that in the last few years shows
a speed-up of the thinning, which corroborates the picture of an
increasingly negative mass balance of the ice sheet since the mid 1990’s
as indicated by, for example, regional climate models and radar
altimetry observations. The majority of the losses occur in the coastal
regions in the southeastern sector. The northwestern coastal zones were
approximately in balance up to the summer of 2005, but show strong
negative trends since. Large year-to-year differences in the mass
balance of the ice sheet are observed, with a record loss in the warm
summer of 2007. A strong correlation between the GRACE observations in
summer and satellite measurements of surface melt area extent is
demonstrated. Also, good agreement is found with regional climate
modeling data, highlighting the potential of the GRACE observations to
validate and improve the numerical models.
A mass redistribution on land will cause a change in the shape of the
global geoid. Sea level, when not acted upon by any other forcings, will
adjust to this equipotential surface. Therefore, when water is exchanged
between ocean and continents (and changes due to ocean dynamics are
disregarded), sea level will not rise or fall uniformly, which is known
as the so-called selfgravitation effect. Due to their global coverage,
the GRACE observations of continental mass distribution are an excellent
input to model this phenomenon. Strongest deviations from a uniform
distribution are found off the coast of Alaska and in the Bay of Bengal,
where differences of more than 100% are found on seasonal time-scales.
In these regions, inclusion of the selfgravitation effect into numerical
ocean model would result in a better agreement between modeled and
observational data.
From the work presented in this dissertation, it shows that the GRACE
satellites are an invaluable tool for the monitoring of our climate
system. Statistically filtering of the data reveals a wealth of
information. In combination with altimetry observations, the GRACE data
allows the separation of mass and steric components in sea level on
seasonal time scales. Given a longer observational period and an
improved understanding of the processes in the solid earth, expected to
come available soon thanks to ESA’s GOCE missions, long-term trends in
these components will be identifiable. Furthermore, the GRACE mission
allows us to put a constraint on the contribution of the Greenland ice
sheet to present-day sea level rise. The technique to recover these
changes can easily be expanded to other regions, such as the Antarctic
or the Alaskan glacier fields. The synergy between GRACE data, future
missions such as Cryosat-2, which will map height variations of the
cryosphere with an unprecedented accuracy, and regional climate models,
uncovering the physical processes behind the observed changes, promises
a leap forward in our understanding of the mass balance of the ice
sheets. Finally, comparing the modeled deviations from uniform sea level
changes with in-situ data such as from tide-gauges, may lead to a direct
validation of the aforementioned selfgravitation theory with present-day
data.
Contents
Summary iii
Samenvatting vii
1. Introduction 1
2. Filtering the GRACE data using EOF Analysis 11
3. Performance of the EOF Filter 49
4. Ocean Mass and Steric Variations 65
5. Weighing the Greenland Ice Sheet 91
6. Seasonal selfgravitation effects 129
7. Conclusions and recommendations 151
A Performance study of the forward model 157
Bibliography 161
Curriculum Vitae 179
Acknowledgments 181
Samenvatting
Identificatie en modellering van
zeespiegelveranderingscomponenten:
over GRACE satellietzwaartekrachtwaarnemingen en hun toepassingen op het
gebied van klimaatmonitoring
Het Intergovernmental Panel on Climate Change noemde zeespiegelstijging
onlangs als een van de grootste uitdagingen van de 21ste eeuw. Aangezien
kustgebieden vaak dichtbevolkt zijn, zal een kleine stijging van de
zeespiegel al snel een grote impact hebben op onze samenleving. Het
aardse klimaatsysteem is echter een complexe materie en de
modelvoorspellingen van de te verwachten zeespiegelveranderingen in de
komende eeuw vertonen nog een grote marge. Vanzelfsprekend is een goed
begrip van het hedendaags klimaat een voorwaarde voor het maken van
betrouwbare voorspellingen, wat op zijn beurt weer afhangt van de
beschikbaarheid van nauwkeurige en gedetailleerde observaties.
Een belangrijke bijdrage hiertoe wordt sinds maart 2002 geleverd door de
Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellieten. Het doel
van deze missie is het in kaart brengen van veranderingen in het aardse
zwaartekrachtsveld. Op tijdschalen van enkele jaren zijn deze
veranderingen grotendeels gekoppeld aan de verplaatsing van watermassa’s
op het aardoppervlak. Een afname van de hoeveelheid ijs op Groenland zal
zich bijvoorbeeld manifesteren als een plaatselijke negatieve afwijking
in het zwaartekrachtsveld, terwijl het smeltwater dat zich in de oceaan
verspreidt een voornamelijk positieve afwijking veroorzaakt. Het
hoofddoel van dit proefschrift is te onderzoeken hoe de GRACE
waarnemingen kunnen worden gebruikt om onze kennis van het
klimaatsysteem te verbeteren, en hoe de data verwerkt dient te worden om
de kwaliteit en resolutie te optimaliseren.
De GRACE data wordt door de missieteams aangeleverd in de vorm van
sferische harmonische coëfficiënten. Deze vertonen kenmerkende
correlaties tussen coëfficiënten van eenzelfde orde en even of oneven
graad, wat een gevolg is van het missieconcept en tekortkomingen in de
correctiemodellen die gebruikt worden in het verwerken van de
satellietmetingen. Deze ruissignalen uiten zich als een Noord-Zuid
streeppatroon in de maandelijkse watermassa-verdelingobservaties, wat de
interpretatie ervan ernstig bemoeilijkt. In dit proefschrift wordt
aangetoond dat empirische orthogonale functie (EOF) analyse een
geschikte methode is om het ruissignaal te verminderen. Deze
statistische methode deelt een data set op in een aantal eigenmodes die
de variantie in het systeem weergeven, tezamen met een index die het
gewicht van de mode in de tijd beschrijft (de 'principal component').
Als de EOF analyse wordt toegepast op de maandelijkse
watermassa-verdelingsobservaties, zullen de eerste modes de jaarlijkse
cyclus en een langetermijnstrend vertegenwoordigen. De vierde mode is
waarschijnlijk gerelateerd aan het El Niño verschijnsel. De ruissignalen
worden geabsorbeerd in de hogere modes, waardoor de eerste modes
relatief ruisvrij blijven.
Een verdere reductie van de ruissignalen kan worden verkregen door de
EOF analyse direct toe te passen op de sferische harmonische
coëfficiënten, na ze te groeperen volgens orde. De tijd-gewichtsindex
van elke mode wordt dan vergeleken met een randomproces, en, indien de
twee statistisch gezien voldoende gelijkenis vertonen, niet meer verder
gebruikt in de verwerking van de data. Een reeks van tests toont aan dat
de ruis hierdoor met 60 tot 80% vermindert. Een belangrijk kenmerk van
de filtermethode is dat de vorm van de signalen behouden blijft en dat
er minder signaalafzwakking plaatsvindt, in vergelijking met andere,
vaak toegepaste filtermethodes zoals die van Swenson and Wahr (2006).
Met deze verbeterde data werden vervolgens veranderingen in de
massa-inhoud van de oceaan bestudeerd. De GRACE satellieten zijn in
staat om de seizoensgebonden cyclus in de massa-inhoud waar te nemen op
een globale schaal. In combinatie met radarhoogtemetingen van de
zeespiegel kan ook de sterische component (gerelateerd aan de
warmte-inhoud en het zoutheidsgehalte van de oceaan) worden gescheiden.
Vergelijking met referentiedata toont aan dat lokaal een coherent
signaal gemeten wordt met een (Gaussische) resolutie van ongeveer 500
kilometer. De sterische cyclus domineert de zeespiegelvariatie in de
meeste delen van de oceaan, maar sterke massafluctuaties worden
waargenomen in verschillende regio's, zoals de Golf van Carpentaria en
de Golf van Thailand. Langetermijnsveranderingen in de massa- en
warmte-inhoud van de oceaan vormen nog een uitdaging, en kunnen enkel
nauwkeurig geschat worden met behulp van langere observaties én een
betere modellering van processen in de vaste aarde en een betere kennis
van de positie van het middelpunt van de aarde, twee factoren waaraan de
GRACE metingen erg gevoelig zijn.
Verder is aangetoond dat de sferische harmonische coëfficiënten meer
informatie bevatten dan tot nu toe werd aangenomen. Dit werd
gedemonstreerd door de GRACE data te gebruiken om de massabalans van de
Groenlandse ijskap op een regionale schaal in kaart te brengen. Uit het
onderzoek in dit proefschrift blijkt dat Groenland gemiddeld genomen 179
Gigaton per jaar verloor tussen 2003 en 2008, wat een stijging van 0.5
mm/jaar van de gemiddelde zeespiegel veroorzaakt. Een vergelijking van
de data in het eerste paar jaren van de observaties met dat in het
laatste paar, toont een versnelling van het ijsverlies, wat past in het
plaatje van een steeds negatievere massabalans van de ijskap sinds het
midden van de jaren '90, aangegeven door bijvoorbeeld regionale
klimaatmodellen en radarhoogtemetingen. Het merendeel van de verliezen
treedt op in het zuidoostelijke kustgebied. De noordwestelijke
kustgebieden waren tot midden 2005 in evenwicht, maar vertonen sindsdien
ook een sterke afname. Grote jaar-tot-jaar verschillen worden
waargenomen in de massabalans, met een recordverlies in de warme zomer
van 2007. Een hoge correlatie wordt gevonden tussen de GRACE
waarnemingen tijdens de zomermaanden en de totale oppervlakte met smelt
in de toplaag van de ijskap uit satellietwaarnemingen. Ook wordt een
goede overeenkomst gevonden met regionale klimaatmodellen, hetgeen het
potentieel van de GRACE observaties voor validatie en verbetering van
deze numerieke modellen aangeeft.
Een verandering in de massadistributie op de continenten brengt een
verandering in de geoïde teweeg. De zeespiegel zal zich, indien er
verder geen andere krachten op werken, vormen naar dit
equipotentiaalvlak. Daardoor zal bij een uitwisseling van water tussen
de continenten en de oceaan (en indien veranderingen ten gevolge van
oceaan dynamica buiten beschouwing worden gelaten) de zeespiegel geen
uniforme stijging of daling vertonen, wat bekend staat als het 'zelfgravitatie-effect'.
Dankzij hun wereldwijde dekking, vormen de GRACE waarnemingen van de
continentale massaherverdeling een uitstekend middel om dit effect te
modelleren. Op seizoengebonden schaal worden de sterkste afwijkingen van
een uniforme oceaanverdeling waargenomen in de Golf van Bengalen en in
de kuststreek van Alaska, waar de verschillen kunnen oplopen tot meer
dan 100%. Indien het zelfgravitatie-effect wordt meegenomen in numerieke
oceaanmodellen, verbetert de overeenkomst tussen modeldata en observatie
in deze gebieden.
Zoals blijkt uit het werk dat in dit proefschrift gepresenteerd wordt,
zijn de GRACE satellieten een uiterst belangrijk instrument voor het
observeren van ons klimaatsysteem. Met behulp van statistische filters
kan een schat aan informatie verkregen worden. In combinatie met
radarhoogtemetingen kunnen de massa en sterische component van de
zeespiegel gescheiden worden op seizoensschaal. Mits langere observaties
en verbeterd inzicht in de processen in de vaste aarde – die verwacht
worden uit ESA's GOCE missie – kunnen ook langetermijnsverander- ingen
in deze componenten gescheiden worden. Verder laat de GRACE missie toe
om de bijdrage van de Groenlandse ijskap aan zeespiegelveranderingen
nauwkeurig vast te leggen. De techniek die hiervoor gebruikt werd kan op
eenvoudige wijze toegepast worden in andere gebieden, zoals Antarctica
of de gletsjergebieden van Alaska. De synergie tussen de GRACE
waarnemingen, toekomstige missies zoals Cryosat-2, die de
hoogteveranderingen van de ijskappen nauwkeurig in kaart zal brengen, en
regionale klimaatmodellen, die inzicht geven in de fysische processen
achter de waargenomen veranderingen, belooft een sprong voorwaarts te
leveren in onze kennis van de massabalans van de ijskappen. Tenslotte
kan het vergelijken van de gemodelleerde afwijkingen van een uniforme
zeespiegelverandering met insitu data, bijvoorbeeld van getijdestations,
leiden tot de directe validatie van de zelfgravitatietheorie met
hedendaagse data.