A regional study of Norwegian coastal long-period sea-level variations and their causes | with special emphasis on the pole tide

In a regional study based upon a large set of sea-level data and meteorological data, the long-period variations in sea-level and the fluctuations of meteorological parameters have been investigated for the Norwegian coast. In the period range between 1 and 20 years, the sea-level is found to be dominated by a few distinct signals. The interaction between meteorological parameters and sea-level is discussed. The sea-level is found to respond to long-period air pressure variations as an inverse barometer. Most of the sea-level signals with periods between 1 and 5 years are at least partly due to similar signals in air pressure and/or wind stress. In the Chandler band, the meteorological parameters contain at least two distinct signals. The oceanic pole tide signal is masked by the atmospheric forcing of the sea-level. This leads to temporal variations in the apparent pole tide, which are uncorrelated with the temporal variations of the Chandler wobble. The air pressure corrected pole tide is still not an equilibrium tide, but the large deviations in phase from equilibrium may well be due to unaccounted effects of wind stress and temperature. The Chandler wobble in polar motion is important as the driving force of the pole tide. In an extensive numerical investigation, the simple and physically reasonable model of a single frequency, damped, harmonic oscillation, which is frequently excited at random times and with random amplitude is found to explain all features of the observed Chandler and annual wobbles. Comparing the results from the numerical investigations to the results from analyses of the polar motion gives strong evidence for the Chandler wobble period to be either 428.5± 1.0 days or 437.2±0.8 days and not the usually assumed period of ≈434 days. No final decision can be made which of the two periods is the true Chandler period, though the shorter one is favoured by several facts. The signals in meteorological parameters can all be related to the variations in sunspot numbers. A non-linear response of the atmosphere to the annual solar forcing, which is modulated by the sunspot cycles explains the observed frequency patterns. The excess of the observed sunspot effects in surface air temperature over those predicted from simple climate models by a factor of 10 indicates the existence of strong positive feedback mechanisms, which are responsible for the signals in air pressure and wind stress, too. The 18.6-year nodal tide lags the equilibrium tide by 0.8 radian, while the amplitudes exceed the equilibrium amplitudes by a factor of 3 to 5. At most parts of the coast, the nodal modulation of the amplitude of the fortnightly lunar tide Mf also lags the equilibrium modulation by 0.5 to 0.7 radian. The amplitude of the nodal modulation is close to equilibrium, except for Oslo and Bergen. At the latter stations, resonance effects may modify the modulation. Mf itself is found to have an amplitude of two to three times the equilibrium amplitude and a phase lag of slightly more than π. Determining the land uplift at the Norwegian coast from the trend in sea-level leads to a varying pattern of isolines, with the land uplift gradient being perpendicular to the general direction of the coast line, and being rather large at parts of the coast. At most parts of the coast, the zero line is further out in the sea than given on other published charts.

Die vorliegende Arbeit über langperiodische Variationen des Meeresspiegels entlang der norwegischen Küste basiert auf umfangreichen Datensätzen von Meeresgezeiten und Meteorologie. Alle verwendeten Meeresgezeitendaten lagen als Stundenstützstellen vor, die nach sorgfältiger Fehlersuche auf monatliche Mittelwerte reduziert wurden. Die längsten Meeresgezeiten-Registrierungen an der norwegischen Küste sind für Oslo und Bergen verfügbar, wo die Zeitreihen das Intervall von 1914 bis 1985 umfassen. Für sieben Stationen lagen Registrierungen von 1952 bis 1985 vor, und für jeweils weitere 2 Stationen waren Registrierung für die Zeiträume von 1961 bis 1985 bzw. von 1970 bis 1985 verfügbar. Die meteorologischen Daten standen an drei Station für die längeren Zeiträume von 1952 bis 1983 (Oslo und Bergen) bzw. von 1957 bis 1975 (Narvik ) zur Verfügung, und für 15 Stationen waren die Daten für den kürzeren Zeitraum von 1970 bis 1984 vorhanden. Dabei ist der Luftdruck mit einem Stützstellenabstand von drei Stunden registriert worden, während die übrigen Parameter (Windgeschwindigkeit und -richtung, Lufttemperatur) mit einem Stützstellenabstand von 6 Stunden vorliegen. Auch hier wurden aus den Daten monatliche Mittelwerte berechnet. Da die Wirkung des Windes auf die Meeresoberfläche als dem tangentialen Windstress proportional angenommen wird, wurden aus den Winddaten monatliche Mittelwerte für die beiden tangentialen Windstress-Komponenten berechnet. In dem Periodenbereich von einem bis etwa zwanzig Jahren sind die Schwankungen des Meeresspiegels von einigen wenigen, fast-periodischen Variationen bestimmt. Die Perioden, die in den Meeresspiegelschwankungen gefunden wurden, sind überwiegend auch in den untersuchten meteorologischen Parametern zu finden. Dabei sind diese Signale in Periode, Amplitude und Phase räumlich sehr homogen. Bei der Untersuchung der Signale in den meteorologischen Parametern Luftdruck, Ost-West- und Nord-Süd- Komponente des Windstress und Lufttemperatur zeigte sich, daß der überwiegende Teil der Perioden in ein Muster paßt, daß sich aus der Modulation der jährlichen solaren Anregung der Atmosphäre durch den Sonnenfleckenzyklus ergibt. Aus der Literatur ist bekannt, daß die Variationen in den Sonnenflecken mit Schwankungen in der Solarkonstanten und damit mit Variationen im Wärme-Input in das System Atmosphäre-Ozean verbunden sind. Die in der Lufttemperatur gefundenen Schwankungen mit Perioden zwischen einem und zwanzig Jahren haben Amplituden von ≈0.5°C und liegen damit um eine Größenordnung höhere als die aus einfachen Klima-Modellen abgeschätzten Effekte des Sonnenfleckenzyklus. Nur wenn man die Existenz positiver Rückkopplungs- Mechanismen annimmt, können die in den Beobachtungen gefundenen Variationen erklärt werden. Diese Rückkopplungen sind in beobachteten Veränderungen der vorherrschenden Wetterbedingungen mit dem Sonnenfleckenzyklus zu suchen. Änderun- gen der vorherrschenden Wetterbedingungen erklären dann auch das Vorhandensein dieser Perioden in Luftdruck und Windstress. Benutzt man die monatlichen Mittelwerte um die Antwort des Meeresspiegels auf Luftdruckschwankungen zu ermitteln, so ergibt sich für den größten Teil der Küste eine isostatische Antwort, vergleichbar einem inversen Barometer. Abweichungen finden sich insbesondere an Stationen am Ende von Fjorden (Oslofjord, Ofotfjord). Dort ist dann aber die Korrelation zwischen Windstress und Meeresspiegel höher als an Stationen an der offenen Küste, so daß diese Abweichungen von der isostatischen Antwort in wesentlichen durch Windeffekte bewirkt werden. Im Bereich der Chandler Periode sind im Luftdruck mindestens zwei Signale vorhanden, die mit Perioden von ≈1.14 Jahren und ≈1.22 Jahren die vom Chandler Wobble bewirkte Poltide verdecken. Die Signale im Luftdruck haben Amplituden (bis zu 200 Pa), die bei einer isostatischen Antwort des Meeresspiegels (etwa -1 cm/HPa) zu Signalen im Meeresspiegel führen, deren Amplituden deutlich über der Amplitude einer Gleichgewichts-Poltide (etwa 0.5 cm an der norwegischen Küste) liegen. Zu diesen Signalen im Luftdruck kommen noch Signale im Windstress und in der Lufttemperatur hinzu. Die Veränderungen in der Lufttemperatur können mit einiger Phasenverschiebung zu Signalen in der Wassertemperatur und über den Dichteeffekt zu entsprechenden Signalen im Meeresspiegel führen. Signale in der Temperatur des Meerwassers im Chandler-Band sind aus der Literatur bekannt. Diese komplizierte Wechselwirkung zwischen Atmosphäre und Ozean führt zu einer Verdeckung der vom Chandler Wobble bewirkten Poltide. Die Frequenz-Unterschiede zwischen den Signalen im Chandler-Band in der Atmosphäre und der Chandler Periode selbst (die auch der Periode der Poltide entspricht), führen zu langperiodischen Modulationen einer scheinbaren Poltide. Dadurch sind die beobachteten zeitlichen Variationen der Poltide nicht korreliert mit den zeitlichen Variation des Chandler Wobbles. Wird der isostatische Effekt des Luftdrucks auf den Meeresspiegel eliminiert, so ergibt sich eine Poltide, deren Amplitude nahe der Gleichgewichtsamplitude liegt. Der wesentliche Teil der Amplituden-Überhöhung der beobachteten Poltide gegenüber der Gleichgewichtsamplitude ist damit auf Luftdruckeffekte zurückzuführen. Die Phasenbeziehung zwischen beobachteter Poltide und der Gleichgewichtstide zeigt allerdings starke zeitliche Variationen. So ist im Interval von 1970 bis 1979 die Phase der beobachtete Poltide nahe der Gleichgewichtstide, während sich für das Interval von 1957 bis 1979 deutliche Abweichungen ergeben. Diese zeitliche Variabilität ist durch das Zusammenwirken verschiedener Signale im Chandler Band zu erklären. Insbesondere die in der Temperatur und im Wind gefundenen Signale mit Perioden nahe bei 14 Monaten können diese Variationen bewirken. Insgesamt wurden keine Hinweise gefunden auf eine von der Gleichgewichtstide abweichende Poltide. Der Chandler Wobble in der Polbewegung ist als Ursache für die Poltide wichtig für die vorliegende Arbeit. Da die in der Literatur publizierten Resultate bezüglich des Chandler Wobbles sehr widersprüchlich sind, wurden die Polbewegungsdaten des ILS/IPMS und vom BIH im Rahmen dieser Arbeit erneut analysiert. Mit Hilfe umfangreicher numerischer Untersuchungen konnte gezeigt werden, daß das einfache und physikalisch sinnvolle Modell eines mono-frequenten Chandler Wobbles, der häufig an zufälligen Zeitpunkten mit zufälliger Amplitude angeregt wird, ausreicht, um alle Eigenschaften des beobachteten Chandler Wobbles zu erklären. Durch Vergleich der Modellrechungen mit den Ergebnissen aus der beobachteten Polbewegung ergab sich, daß die tatsächliche Chandler Periode entweder bei 428.5± 1.0 Tagen oder bei 437.2±0.8 Tagen liegt, und nicht bei den üblicherweise angenommenen ≈434 Tagen. Dieses überraschende Ergebnis ist von großer Bedeutung für alle Arbeiten zur rheologischen Struktur der Erde. Dabei ist anzumerken, daß noch keine endgültige Aussage möglich ist, welche der beiden Perioden der tatsächlichen Chandler Periode entspricht. Allerdings wird die Periode von 428.5 Tagen durch einige Ergebnisse bevorzugt. Die in der Literatur üblicherweise genannte Periode von 434 Tagen ergibt sich gewöhnlich aus stark geglätteten Spektren. Diese Glättung führt bei einer Anregung nach dem oben beschriebenen Modell zu fehlerhaften Perioden. Die Untersuchung der aus den Polbewegungen ermittelten Gleichgewichtsbewegungen des Meeresspiegels erbrachte eine weitere interessante Korrelation: Eliminiert man aus diesen Gleichgewichtsbewegungen Poltide und jährliche Variation, so findet sich in den Residuen eine quasi-periodische Schwankung mit einer Periode von grob 30 Jahren. Diese Variation in den Gleichgewichtsbewegungen ist auf die als Markowitz Wobble bezeichnete Polbewegung zurückzuführen. Eine entsprechende, phasengleiche Variation findet sich auch in den Residuen der Meeresspiegelschwankungen, wenn man alle wichtigen Signale mit Perioden von einschließlich einem Jahr bis hin zu etwa 10 Jahren eliminiert. Falls diese Korrelation nicht zufällig ist, so müßte sie auch global zu finden sein. In der globalen Oberflächentemperatur und in der Änderung der Tageslänge finden sich ebenfalls Variationen, die mit den im residualen Meeresspiegel und in den Gleichgewichtsbewegungen gefundenen Signalen korrelieren, wobei die Variationen in der globalen Temperatur gegenüber den andern Parametern phasenverschoben sind. Die nodale Tide mit einer Periode von 18.6 Jahren zeigt entlang der norwegischen Küste gegenüber der Gleichgewichtstide eine Phasenverschiebung von etwa 0.8 Radian, und die Amplituden liegen um einen Faktor von 3 bis 5 über der entsprechenden Gleichgewichtsamplitude. Die Untersuchung der Variationen der Amplitude der vierzehntägigen Tide Mf zeigt eine ähnlich große Phasenverschiebung zwischen der beobachteten und der erwarteten nodalen Modulation, wobei hier die relativen Amplituden für alle Stationen mit Ausnahme von Oslo und Bergen nahe den Erwartungen liegen. Allerdings ist hier zu bemerken, daß die Amplituden der Mf um den Faktor 2 bis 3 über der Gleichgewichtstide liegen, und somit auch die Modulationen entsprechend erhöht sind. Die Unterschiede in Oslo und Bergen deuten auf Resonanz-Effekte hin. Der Trend im Meeresspiegel relativ zum Land ist an der norwegischen Küste im wesentlichen auf die Landhebung infolge der post-glazialen Entlastungsbewegungen zurückzuführen. Bestimmt man die Isolinien der Landhebungen aus den in dieser Arbeit ermittelten Trends, so ergeben sich Linien, die zu dem generellen Verlauf der Küste parallel sind. Bei Ålesund ergibt sich eine deutliche Verzerrung dieser Linien. In Ålesund finden sich starke zeitliche Variationen im Trend, die mit kleinräumigen Prozessen in Verbindung stehen müssen. Generell ist der Gradient der Landhebung senkrecht zum großräumigen Verlauf der Küste. Der hier ermittelte Gradient ist aber höher als in bisher publizierten Arbeiten, und die Lage der Nullinie ist weiter zur See hin verschoben.

thesis

DFG, SUB Göttingen