Mechanisms of sea-level variability in the Baltic Sea region for the period 1850-2100

Abstract

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Analyse der langfristigen Meeresspiegelschwankungen (von interannuellen bis zu mehreren Dekaden) in der Ostsee und deren Verbindung mit der Nordsee, sowie auf die antreibenden Faktoren, die für diese Variabilität verantwortlich sind. Folgende Forschungsfragen sollen beantwortet werden: 1. Welchen Einfluss hat die atmosphärische Zirkulation auf die jüngsten Meeresspiegelschwankungen auf einer mehrjährigen Zeitskala? 2. Gibt es, abgesehen von der Wirkung der atmosphärischen Zirkulation, noch andere Faktoren, die dekadische Trends in der Ostsee modulieren? 3. Wie stark kann eine sich verändernde atmosphärische Zirkulation den Meeresspiegelanstieg der Ostsee gemäß dem RCP8.5-Szenario im 21. Jahrhundert beeinflussen? Die vorliegende Studie basiert hauptsächlich auf der statistischen Analyse verschiedener Datensätze einschließlich Meeresspiegel von Wasserstandsdaten, Meeresoberflächenhöhenrekonstruktionen und Satellitenaltimetrie. Zusätzlich wurden Klimaaufzeichnungen ab 1900, einschließlich gegitterter Beobachtungen, meteorologischer Reanalyse sowie die Ergebnisse von Klimasimulationen mit globalen Klimamodellen für das rezente und künftige Klima im Zeitraum 1850-2100 untersucht. Das Hauptanliegen des ersten Teils der Arbeit besteht darin, den Einfluss der atmosphärischen Zirkulation auf die Meeresspiegelschwankungen in der Ostsee und Nordseeregion auf einer interannuellen Zeitskala zu ermitteln und nach Möglichkeit zu quantifizieren. Bisherige Studien hatten festgestellt, dass die Nordatlantische Oszillation (NAO), ein wichtiger Modus der atmosphärischen Variabilität im Nordatlantik und in Europa, einen starken Einfluss auf die Meeresspiegelschwankungen in der Ostsee hat. Die vorliegende Arbeit konnte zeigen, dass tatsächlich ein anderes atmosphärisches Muster stärker mit den Meeresspiegelschwankungen im Ostseeraum korreliert, und dass diese Korrelationen zeitlich und räumlich stabiler sind als jene zwischen der Ostsee und der NAO. Die physikalischen Mechanismen, die den Zusammenhang zwischen den Meeresspiegelschwankungen im Ostseeraum und diesem neuen atmosphärischen Index erklären, weisen jahreszeitlich unterschiedliche Ausprägungen auf. Hierbei spielt der invers barometrische Effekt sowohl in der Winter- als auch in der Sommersaison eine bedeutsame Rolle. Im Gegensatz dazu kommt dem Frischwasserzufluss nur im Sommer eine tragende Rolle zu, während der Netto-Wärmefluss nur im Winter bedeutsam ist. Im Sommer kann der Windstress, der dem neuen atmosphärischen Muster zugeschrieben wird, eine wichtige Rolle spielen, weil dadurch ein möglicher Ekman-Transport von Wasser aus der Nordsee in die Ostsee, wie im Fall der NAO, stattfindet. Die zweite Forschungsfrage wird geleitet von der Notwendigkeit eines besseren Verständnisses jener Faktoren, die die dekadischen Meeresspiegeltrends in der Vergangenheit moduliert haben und verfolgt dabei das Ziel, bessere Meeresspiegelprognosen für die nächsten Jahrzehnte bereitzustellen. Untersucht werden mögliche Faktoren, die die dekadischen Trends des Ostseeraums modulieren und nicht von der direkten Auswirkung der atmosphärischen Zirkulation herrühren. Es konnte gezeigt werden, dass sowohl im Sommer als auch im Winter der Niederschlag der jeweils vergangenen Jahreszeit über dem Einzugsgebiet der Ostsee eine wichtige Einflussgröße auf diese dekadischen Meeresspiegelschwankungen darstellt. Der dritte Teil dieser Studie zielt darauf ab, den Einfluss von langfristigen Veränderungen in der atmosphärischen Zirkulation aufgrund des anthropogenen Klimawandels auf den künftigen Anstieg der Ostsee abzuschätzen. Die Analyse bezieht sich auf Simulationen mit aktuellen globalen Klimamodellen, die unter dem High-End-Treibhausgas-Emissionsszenario für das 21. Jahrhundert angetrieben werden. Nach der Abschätzung der Sensitivitäten des Meeresspiegels gegenüber des Zustandes der atmosphärischen Zirkulation mittels Beobachtungen, wurde in einem zweiten Schritt der Beitrag dieser atmosphärischen Zustände zu den Ostsee-Tendenzen durch die projizierten atmosphärischen Muster über das 21. Jahrhundert abgeschätzt. Das wichtigste Ergebnis dieses Teils der Arbeit ist, dass der durch die Atmosphäre angetriebene Meeresspiegelanstieg in der Ostsee relativ gering ausfällt und dass die interne Klimavariabilität die von der Atmosphäre geprägten Trends dominiert.

The present work focuses on the analysis of the long-term (from interannual to multidecadal) sea-level variability in the Baltic Sea and its connection straights to the North Sea, as well as on the driving factors that are responsible for this variability. More specifically, this study aims at answering the following research questions: 1. What is the contribution of atmospheric circulation to the recent sea-level variability in the Baltic Sea and North Sea region on interannual time scale? 2. Apart from the effect of atmospheric circulation, is there any other underlying factor(s) that modulates decadal sea-level trends in the Baltic Sea? 3. How strongly can a changing atmospheric circulation influence the future Baltic Sea level trends under the RCP8.5 scenario over the 21st century? This study is mainly based on the statistical analysis of different data sets including sea-level from tide gauges, sea-surface height reconstructions and satellite altimetry. Additionally, climate records starting in 1900, including gridded observations, meteorological reanalysis and finally the outputs of climate simulations with global climate models for the recent and future climate over the period 1850-2100 have been used. The main purpose of the first part is to explore, and when possible to quantify, the contribution of atmospheric circulation to sea-level variability in the Baltic Sea and North Sea region on the interannual time scale. Although previous studies had found that the North Atlantic Oscillation (NAO), an important mode of atmospheric variability in the North Atlantic and Europe, has strong influence on the Baltic Sea level variations, this thesis found that actually it is another atmospheric pattern that displays stronger correlations with the Baltic Sea level, which are also more stable over time and space than the correlations between the Baltic Sea level and the NAO. The physical mechanisms that explain the link between the Baltic Sea level and this new atmospheric index are different in winter and summer. Although the inverse barometer effect contributes to this link in the winter and summer seasons, freshwater flux is connected to the link only in summer and net heat flux only in winter. In summertime, the wind forcing that is attributed to the new atmospheric pattern may play an important role possibly due to the Ekman transport of water from the North Sea into the Baltic Sea, as in the case of the NAO. The second research question is motivated by the need to better understand the factors that have modulated the decadal sea-level trends in the past, with the aim of providing a better range of sea-level predictions for the next few decades. This part of the thesis investigates the possible factors that modulate the Baltic Sea level decadal trends and that do not originate from the direct effect of atmospheric circulation. The main conclusion is that, for each season, the precipitation over the Baltic Sea drainage basin in the previous season is an important factor that influences those decadal sea-level trends. The third part of this study aims at estimating the influence of long-term changes in atmospheric circulation due to the anthropogenic climate change on the future Baltic Sea level rise. The analysis is based on simulations of state-of-the-art global climate models driven under the high-end greenhouse gas emission scenario for the 21st century. After estimating the sensitivity of the Baltic Sea level to the modes of the atmospheric circulation using observations, the contribution of these atmospheric modes to the Baltic Sea level trends is estimated from the projected atmospheric modes over the 21st century. The main result of this part is that atmosphere-driven sea-level rise in the Baltic Sea will remain relatively small, and that internal climatic variability dominates those atmospheric-driven trends.