Wieloletnia zmienność trendów poziomu Morza Bałtyckiego na podstawie satelitarnych danych altymetrycznych
Jagoda Barbara Białogrodzka1, Małgorzata Stramska1
1Instytut Oceanologii, Polska Akademia Nauk; stramska@iopan.gda.pl
Wstęp
Jedną z ważniejszych obserwacji potwierdzających kierunek i wielkość zmian klimatycznych jest zmiana wysokości poziomu morza. Najważniejsze przyczyny wzrostu poziomu oceanów to wzrost masy wody w basenach oceanicznych w związku z topnieniem lodu lądowego oraz ekspansja termiczna ogrzewającej się wody oceanicznej (Antonov i in., 2005). Dane ze stacji brzegowych niekoniecznie dostarczają informacje reprezentatywne dla całego obszaru oceanu, gdyż stacje mareograficzne podlegają ruchom izostatycznym lądu. Ponadto wahania poziomu morza w strefie brzegowej zależą od efektów topograficznych, które mogą znacząco modyfikować lokalną wielkość spiętrzenia wody podczas sztormów. W celu określania średnich trendów poziomu morza dla dużych obszarów morskich wykorzystuje się więc dane satelitarne. Błędy w tych pomiarach minimalizuje się poprzez zastosowanie odpowiednich poprawek atmosferycznych. Satelitarne badania poziomu morza są jednym z przykładów zastosowania teledetekcji aktywnej za pomocą technik radarowych. Metoda ta pozwala na uzyskiwanie ciągłych serii pomiarowych. W przeciwieństwie do metod koloru morza czy teledetekcji temperatury powierzchni morza, zachmurzenie nie stanowi przeszkody w pomiarach radarowych wysokości powierzchni morza.
Głównym celem niniejszego opracowania jest analiza dwudziestoletnich serii danych anomalii poziomu morza (SLA) otrzymanych z pomiarów satelitarnych dla obszaru Morza Bałtyckiego. Wykonywanie analiz regionalnych jest bardzo istotne, gdyż trendy regionalne mogą znacznie różnić się od wartości reprezentujących zmienność globalną. Zrozumienie trendów zmian w wysokości poziomu Morza Bałtyckiego jest ważne ze względu na to, że zmiany te mogą modyfikować wiele procesów, takich jak erozja przybrzeżna czy podtopienia w zaludnionych rejonach przybrzeżnych. Serie wieloletnie wysokości poziomu Bałyku dostępne są jako dane ze stacji przybrzeżnych oraz dane satelitarne. Dane altymetrii satelitarnej były wykorzystywane w rejonie Morza Bałtyckiego w postaci analiz krótkich serii pomiarowych (Yan i in., 2004; Madsen i in., 2007). Wykonano też wstępny szacunek trendów wieloletnich oraz opisano cykle sezonowe (Stramska i Chudziak, 2013; Stramska i in, 2013, Stramska, 2013), jednak w niniejszej pracy pokazano po raz pierwszy trendy w postaci map przestrzennych. Niniejsze badania są częścią projektu SatBałtyk (Satellite Monitoring of the Baltic Sea Environment, www.iopan.gda.pl/projects/SatBaltyk).
1. Materiały i metody
Do niniejszej analizy wykorzystane zostały dane altymetryczne AVISO dostępne dla okresu 20 lat (od 1993 do 2012 roku). Wykorzystane dane są danymi dobowymi anomalii poziomu morza (SLA), które dostępne są z baz AVISO dla analizowanego obszaru badań.
Wykorzystano dane dla regionu obejmującego obszar 0-31°E oraz 53-67°N. Analizy
wykonane były dla całego obszaru badań oraz dla 5 mniej rozległych regionów w celu pokazania zmienności regionalnej.
Rysunek 1. Trend Anomalii Poziomu Morza (SLA)
na podstawie serii danych wieloletnich (20 lat) w milimetrach na rok.
Biały obszar oznacza znaczący brak danych (ponad 300 dni).
R1 jest regionem obejmującym obszar całego Morza Bałtyckiego ograniczonego czarną linią na zachodzie. Szare prostokąty z oznaczeniem R2-R5 określają położenie geograficzne innych regionów
opisanych w tekście.
Kiedy przytaczane są wartości średnie dla regionu Morza Bałtyckiego, autorzy uwzględniają obszar pomiędzy 13°E 66°N a 30°E 53°N (Rysunek 1). W rejonie Zatoki Botnickiej oraz Zatoki Fińskiej zbiór danych nie jest pełen. W związku z tym z analizy wykluczono te obszary, dla których brakowało co najmniej 300 wartości w całym okresie badań.
Zastosowano maskę, która usuwała wartości w obszarze Bałtyku na północ od równoleżnika 63,4°N oraz na wschód od południka 24,6°E. Obszary wykluczone przedstawione są na rysunku za pomocą białego koloru. W celu określenia lokalnych trendów wieloletnich poziomu Morza Bałtyckiego oraz zmienności w cyklu rocznym wybrane zostały cztery regiony na obszarze Bałtyku. Dodatkowo dla porównań uwzględniono jeden obszar na Morzu Północnym, na zachód od Cieśnin Duńskich. Podsumowując (Rys. 1, Tab. 1): Region 1 – to region Morza Bałtyckiego, położony na wschód od 13°E (na rysunku granica ta przedstawiona jest czarną linią), Region 2 (Zatoka Botnicka) jest położony pomiędzy 18,4°E 62,4°N a 19,9°E 60,9°N; Region 3 (Bałtyk Południowy) jest zlokalizowany pomiędzy 16,4°E 56,4°N oraz 17,9°E 55,6°N; Region 4 (Głębia Gdańska) rozciąga się od 18,6°E 55,9°N - 20,1°E 55,1°N. Dodatkowy Region 5 (Morza Północne), znajduje się w granicach: 1,9°E 60,1°N - 3,9°E 58,4°N. W pracy wykonano również porównanie danych satelitarnych SLA z indeksem oscylacji północnoatlantyckiej (NAO Index) i zbadano korelacje pomiędzy średnimi zimowymi (dla miesięcy: grudzień, styczeń, luty) wartościami tych wielkości.
Wartości Indeksu NAO dla miesięcy grudzień, styczeń i luty otrzymano z https://climatedataguide.ucar.edu/climate-data/hurrell-north-atlantic-oscillation-nao-index-pc- based.
2. Wyniki i dyskusja
Jedną z wyliczonych wartości jest średnia wartość trendu SLA dla obszaru Morza Bałtyckiego, która wskazuje na wzrost poziomu tego akwenu o 4,5 mm na rok w okresie 20 lat (od 1993 do 2012 roku). Jedna z poprzednich prac dotyczących tej zmiennej dla obszaru Bałtyku podaje wartość 3,3 mm na rok (Stramska i Chudziak, 2013). Wartość ta dotyczyła nieco krótszych serii danych satelitarnych (18 lat). Natomiast praca Ekmana (2009), oparta na danych poziomu morza ze stacji brzegowych dla okresu 50 lat, szacuje wartość wzrostu poziomu Morza Bałtyckiego na 1 mm na rok. Wartość wyliczona w niniejszej pracy jest wyższa od średniego globalnego trendu wyliczonego przez AVISO (3,3 mm/rok;
www.aviso.altimetry.fr/en/data/products/ocean-indicators-products/mean-sea-level.html) oraz przez CSIRO (3,2 mm/rok (www.cmar.csiro.au/sealevel/sl_hist_last_15.html)). Wartość wyliczona dla obszaru Morza Bałtyckiego (Region 1) jest także wyższa od wartości trendu dla obszaru Morza Północnego (Region 5, trend=2,5 mm/rok), wyliczonego na podstawie serii pomiarowych z tych samych lat. Na Rysunku 1 oraz w Tabeli 1, w której przedstawione są wartości trendu dla poszczególnych regionów, można zaobserwować zmienność regionalną.
Tabela 1 Trendy poziomu morza wraz z odchyleniem standardowym danych dobowych SLA.
Podano też współczynnik determinacji (R2) dla porównań średnich wartości zimowych (grudzień, styczeń, luty) SLA ze średnimi wartościami zimowymi Indeksu NAO.
Region Pozycja
geograficzna Trend [mm/rok]
Odchylenie standardowe
[cm]
Współczynnik determinacji (R2)
Indeks NAO Region 1
(Morze Bałtyckie)
53-66°N 13-30°E
4,5 15,4 0,70
Region 2 (Zatoka Botnicka)
60.9-62.4°N 18.4-19.9°E
5,0 15,8 0,67
Region 3 (Bałtyk Południowy)
55.6-56.4°N 16.4-17.9°E
3,9 15,0 0,70
Region 4 (Głębia Gdańska)
55.1-55.9°N 18.6-20.1°E
4,4 15,9 0,73
Region 5 (Morze Północne)
58.4-60.1°N 1.9-3.9°E
2,5 6,7 0,01
Analiza wykonana dla poszczególnych regionów wykazała też obecność charakterystycznego niesymetrycznego cyklu rocznego – z minimum wysokości poziomu morza obserwowanym wiosną oraz maksimum w okresie jesienno-zimowym (Rys. 2).
Rysunek 2. Cykl roczny anomalii poziomu morza (SLA) w oparciu o uśrednione miesięcznie dane z altymetrii radarowej.
Analiza zmienności międzyletniej na podstawie średnich rocznych wartości SLA dla poszczególnych regionów, pokazuje, że dla regionów położonych na obszarze Bałtyku zmienność wartości pomiędzy poszczególnymi latami jest analogiczna (nie pokazano w abstrakcie danych rocznych). Przebieg zmienności międzyletniej dla uśrednionych wartości SLA w miesiącach zimowych (grudzień – luty) wygląda podobnie dla Regionów 1- 4, podczas gdy wykres dla Regionu 5 (czarna linia) nie ma podobnego kształtu (Rys. 3).
Porównane też zostały uśrednione wartości z miesięcy zimowych Indeksu NAO z danymi SLA (Rys. 3).
Analiza tych wartości pokazuje, że istnieje korelacja pomiędzy zmiennością indeksu NAO a zmiennością wartości anomalii poziomu Morza Bałtyckiego dla miesięcy zimowych – dla Regionów 1-4. Współczynnik R2 dla tych regionów (Tab. 1) wyniósł powyżej 0,65.
Natomiast dla Regionu 5 wartość tego współczynnika jest dużo niższa i wynosi 0,01, co wskazuje na brak związku zmienności w tym regionie z indeksem NAO.
Rysunek 3. Średnie wartości z uśrednionych dla miesięcy zimowych (grudzień-luty) wartości anomalii poziomu morza na podstawie dwudziestoletniej serii danych (1993-2012) dla pięciu regionów omawianych w niniejszym tekście (linie ciągłe). Wartości Indeksu Cyrkulacji Północnoatlantyckiej
(NAO) oznacza czarna linia przerywana.
Literatura
Antonov, J.I., Levitus, S., Boyer, T.P., 2005, Thermosteric sea level rise, 1955–2003, Geophysical Research Letters , 32.
Ekman, M., 2009, The changing level of the Baltic Sea during 300 years: a clue to understanding the Earth, Summer Institute for Historical Geophysics, Åland Islands, 168.
Madsen, K.S., Høyer, J.L., Tscherning, C.C., 2007, Near-coastal satellite altimetry: Sea surface height variability in the North Sea–Baltic Sea area, Geophysical Research Letters, 34.
Stramska M., N. Chudziak, 2013. Recent multiyear trends in the Baltic Sea level, Oceanologia, 55(2), 319-337
Stramska M., H. Kowalewska-Kalkowska, M. Swirgon, 2013. Seasonal variability of the Baltic Sea level, Oceanologia, 55 (4), 1-21
Stramska M., 2013. Temporal variability of the Baltic Sea level based on satellite
observations, Estuarine, Coastal and Shelf Science,
http://dx.doi.org/10.1016/j.ecss.2013.09.002
Yan, Z., Tsimplis, M.N., Woolf, D., 2004, Analysis of the relationship between the North Atlantic oscillation and sea-level changes in northwest Europe, International Journal of Climatology, 24, 743–758.
