logo NCGeo

Identification and Modeling of Sea Level Change Contributors

Pog 73, Wouters, 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 pagina's. ISBN: 978 90 6132 316 7.


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 Ni/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.


  • Summary  iii
  • Samenvatting  vii
  • Introduction  1
  • Filtering the GRACE data using EOF Analysis  11
  • Performance of the EOF Filter  49
  • Ocean Mass and Steric Variations  65
  • Weighing the Greenland Ice Sheet  91
  • Seasonal selfgravitation effects  129
  • Conclusions and recommendations  151
  1. A Performance study of the forward model  157
  2. Bibliography  161
  • Curriculum Vitae  179
  • Acknowledgments  181


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.

Ga naar boven
JSN Boot template designed by JoomlaShine.com