A likely role for stratification in present-day changes of the global ocean tides

Abstract

Ocean tides are a phenomenon familiar to the general society, as they are observable in almost any coastal area. The regular rise and fall of the global oceans, caused by the gravitational attraction of Sun and Moon, affects nearly all oceanographic and geodetic satellite observations. Both satellite and in situ observations of the sea surface reveal subtle changes of ocean tides on interannual to secular time scales (~1-3 cm per century^-1 in amplitude) that are unrelated to the astronomical forcing. Recent research aims to unravel and understand the physical mechanisms behind the observed tidal changes. Connections can possibly made with climate change, as it has the potential to impact tides through different physical processes. One such process is relative sea level rise, driven mainly by steric expansion of seawater and the mass input from melting ice sheets. However, sea level rise alone cannot account for observed large-scale tidal trends in the open-ocean. A second, related process is climate-induced upper ocean warming, which increases the stratification—that is, the density contrast—in the upper part of the ocean's vertical water column. The connection of tides to stratification mainly arises from the energy conversion from barotropic (depth-independent) to baroclinic (or internal) tides, when tidal currents are reflected and scattered at inclined underwater topography. The resulting internal waves of dense water are pushed upwards into lighter water, such that an oscillation is excited that depends on the strength of the stratification. As the ocean's stratification changes, tidal conversion and the energy left for propagation of the barotropic tide are modified, too. Using a three-dimensional global ocean model, I show that changes in ocean stratification are a leading cause for the interannual and long-term changes of tidal surface amplitudes observed over past decades. When analyzed from 1993 to 2020, open-ocean trends of the barotropic M₂ tide are predominantly negative (~-0.1 mm per year^-1), matching the trends estimated from satellite altimetry in spatial pattern and to some extent in magnitude. The tendency for decreasing barotropic M₂ amplitudes indicates enhanced energy transfer to baroclinic tides, which indeed show a positive trend in their surface amplitude over the same time span. A comparison to modeled tidal changes associated with relative sea level rise highlights the primary role of stratification in driving present-day M₂ trends in the open ocean. Toward coastal areas, where the impact of sea level rise increases, stratification still exerts controls on the tidal signal, in part overprinting the effects of sea level rise, e.g., at the US West Coast or in Northwest Australia. Analysis of year-to-year variations over 1993-2020 at individual tide gauge locations reveals that stratification also modulates tidal amplitudes on interannual time scales and with a certain regional coherence (e.g., western Pacific or Gulf of Mexico), despite the analysis being hampered by local factors. Additional simulations in decadal steps until 2100 and under a high greenhouse gas emission scenario suggest that the projected increase of ocean stratification forces future tidal changes, mostly causing decreasing M₂ amplitudes on a global scale (consistent with present-day). The decrease in M₂ amplitude does not scale linearly with time, counter to what might be expected from the projected near-monotonic increase in stratification. Alongside stratification, changes in ocean basin geometry—i.e., water depth and coastline position—affect future tides. In particular, relative sea level rise mainly drives coastal tide changes of up to ~10 cm, whereas expansion of the cavities underneath melting Antarctic ice shelves mostly acts on open-ocean tides. The relative importance of three drivers (stratification, sea level rise, ice shelf melt) and the magnitude of the induced tidal changes depend both on location and the adopted climate scenario. Taken together, the findings of this work are deemed a major step toward improved understanding of the processes underlying global tidal changes on different temporal and spatial scales.

Ozeangezeiten sind allgemein bekannt, da sie in nahezu jedem Küstengebiet zu beobachten sind. Das regelmäßige Auf- und Ab der Ozeane, verursacht durch die gravitative Anziehungskraft von Sonne und Mond, ist in fast allen ozeanographischen und geodätischen Beobachtungen enthalten. Sowohl in-situ als auch Satellitenbeobachtungen der Meeresoberfläche zeigen kleine aber messbare zwischenjährliche bis langfristige Änderungen der Ozeangezeiten (~1-3 cm pro Jahrhundert^-1 in der Amplitude), die nicht durch Schwankungen der gravitativen Anziehungskraft erklärt werden können. Die Entschlüsselung der physikalischen Mechanismen hinter diesen beobachteten Gezeitenveränderungen ist Gegenstand aktueller Forschung. Ein viel diskutierter und offenkundig relevanter Prozess ist der relative Meeresspiegelanstieg, welcher hauptsächlich durch die sterische Ausdehung des Meerwassers und den Masseneintrag aufgrund schmelzende Eisschilde verursacht wird. Jedoch ist aus vergangenen Modellierungsstudien bekannt, dass der Meeresspiegelanstieg die beobachteten großräumigen Gezeitentrends im offenen Ozean nicht alleine verursachen kann. Ein zweiter Prozess ist die klimabedingte Erwärmung der Ozeane, welche die Schichtung—d.h. den vertikalen Dichtekontrast—verstärkt. Der Zusammenhang zwischen Gezeiten und der Ozeanschichtung besteht hauptsächlich in der Energieumwandlung von barotropen (tiefenunabhängigen) Gezeiten in barokline (oder interne) Wellen, wenn Gezeitenströmungen an geneigter Unterwassertopographie reflektiert und gestreut werden. Die daraus resultierenden internen Wellen aus Wasser mit hoher Dichte werden nach oben in leichteres Wasser ausgelenkt, sodass eine Oszillation erzeugt wird, die von der Stärke der Schichtung abhängt. Wenn sich die Schichtung ändert, ändert sich auch diese Form des Energietransfers und damit die Energie, die für die Ausbreitung der barotropen Gezeiten zur Verfügung steht. Anhand eines dreidimensionalen globalen numerischen Ozeanmodells wird in dieser Arbeit gezeigt, dass Veränderungen in der Ozeanschichtung maßgeblich zu den in den letzten Jahrzenten beobachteten zwischenjährlichen und langfristigen Veränderungen der Oberflächenamplituden der Gezeiten beitragen. Im Analysezeitraum von 1993 bis 2020 sind die modellierten Trends der barotropen M₂ Amplituden im offenen Ozean vorwiegend negativ (~-0.1 mm pro Jahr^-1) und decken sich in ihrer Struktur und Magnitude zu einem großen Teil mit Trends aus Satellitenaltimetrie. Die Tendenz zu abnehmenden barotropen M₂ Amplituden deutet auf eine verstärkte Energieübertragung auf barokline Gezeiten hin, welche in der Tat einen positiven Trend in ihren Oberflächenamplituden über den Zeitraum 1993-2020 aufweisen. In küstennahen Gebieten, wo der Meeresspiegelanstiegsganz wesentlich zu Gezeitentrends beiträgt, übt die Schichtung dennoch einen Einfluss auf das Gezeitensignal aus und überlagert teilweise die Auswirkungen des Meeresspieglanstiegs, z.B. an der US-Westküste oder in Nordwestaustralien. Eine Analyse der jährlichen Schwankungen zwischen 1993 und 2020 an global verteilten Gezeitenpegeln zeigt, dass die Schichtung auch die Gezeitenamplituden auf zwischenjährlichen Zeitskalen mit einer gewissen regionalen Kohärenz (z.B. im westlichen Pazifik oder im Golf von Mexiko) moduliert, obwohl diese Form der Analyse durch lokale Faktoren erschwert wird. Zusätzliche Simulationen in dekadischen Abständen bis 2100 unter einem Szenario mit hohen Treibhausgasemissionen deuten darauf hin, dass die prognostizierte Verstärkung der Ozeanschichtung auch zukünftig global abnehmende M₂ Amplituden verursachen wird. Die Abnahme skaliert dabei nicht linear mit der Zeit, obwohl dies aufgrund der prognostizierten nahezu monotenen Zunahme der Schichtung zu erwarten wäre. Neben der Schichtung, wirken sich auch Veränderungen der Geometrie der Ozeanbecken—d.h. Wassertiefe und Küstenposition—auf die künftigen Gezeiten aus. Insbesondere der relative Meeresspiegelanstieg verändert Gezeitenhöhen an der Küste bis zu ~10 cm, während sich das Abschmelzen von großen Eisschelfen und damit die veräderte Beckengeometrie rund um die Antarktis hauptsächlich auf die Gezeiten im offenen Ozean auswirkt. Das Verhältnis zwischen den drei Antriebsfaktoren (Schichtung, Meeresspiegelanstieg, Rückgang der Eisschelfe) und die Größenordnung der induzierten Gezeitenveränderungen variieren räumlich und hängen stark vom angenommenen Klimaszenario ab. Zusammenfassend sind die Erkenntnisse dieser Arbeit ein wichtiger Schritt zu einem besseren Verständnis der Prozesse, welche den Veränderungen globaler Ozeangezeiten auf verschiedenen zeitlichen und räumlichen Skalen zugrunde liegen.