Assessing changes of tidal dynamics in the North Sea

Abstract

Die drei Tideparameter Tideniedrigwasser, Tidehochwasser und Tidehub wurden für lange Zeit im Allgemeinen als konstant angenommen. Nur auf Zeitskalen von vielen hundert Jahren und länger waren großräumige Tideveränderungen durch Variationen der Beckengeometrie bekannt (Jänicke et al., 2020). Erst in den 1980er Jahren wurden von Jensen (1984) bzw. Führböter & Jensen (1985) großräumige, potenziell beckenweite Veränderungen der Tideparameter anhand von Pegelmessungen in der Nordsee für die zweite Hälfte des 20. Jahrhunderts diskutiert. Da von einer Stationarität der astronomischen Einflüsse auf die Tide über die Zeitspanne der Pegelbeobachtungen ausgegangen werden kann, verbleiben sowohl die physikalischen Ursachen als auch die räumliche Ausdehnung der Veränderungen unbekannt. Die bisherigen Erkenntnisse auf diesem Gebiet zeigen weiterhin, dass die Überlagerung von klein- und großräumigen Einflüssen die Ursachenforschung grundsätzlich erschwert und damit als maßgebliches Hindernis bei der Identifizierung physikalischer Ursachen sowie deren Zuordnung zu beobachteten Tideänderungen gilt (Woodworth, 2010; Haigh et al., 2020; Talke & Jay, 2020). Um die räumliche Ausdehnung der Tideänderungen in der Nordsee zu untersuchen, wurden in die-ser Dissertation die langfristigen Trends der drei genannten Tideparameter untersucht und signifi-kante Veränderungen detektiert. Es konnte jeweils ein mittlerer, beckenweiter Anstieg des Tidenied-rig- und des Tidenhochwassers nachgewiesen werden. Hierbei übersteigen die Trends des Tidenied-rigwassers die des Tidehochwassers in Großbritannien während in der Deutschen Bucht die Trends des Tidehochwassers größer ausfallen als die des Tideniedrigwassers. Es resultiert ein dipolartiges Muster in den Trends des Tidehubs mit negativen Trends in Großbritannien sowie positiven Trends in der Deutschen Bucht. Anschließend wurde eine Hauptkomponentenanalyse durchgeführt, um großräumige Signale, die kohärent über mehrere Tidepegel auftreten, von eher lokalen, kleinräumi-gen Veränderungen zu separieren. Für jeden der drei Tideparameter konnten großräumige Signale (PCs) detektiert werden, die einen Großteil der Veränderungen erklären. In einem weiteren Schritt wurden diesen PCs physikalische Ursachen zugeordnet. Die Veränderungen der Tidewasserstände konnten größtenteils auf Veränderungen des mittleren Meeresspiegels zurückgeführt werden. Die Veränderungen im Tidehub basieren dagegen auf einem baroklinen (PC1) und einem barotropen Effekt (PC2). PC2 wirkt vornehmlich an der britischen Nordseeküste und scheint durch einen exter-nen, beckenweiten Antriebsmechanismus aus dem Nordatlantik verursacht zu werden. PC1 dagegen dominiert die südliche und östliche Nordsee und wird größtenteils durch Schichtungsänderungen in den Flachwasserbereichen erzeugt. Es ist damit erstmals gelungen, großräumige Gezeitenänderungen der Nordsee zu detektieren und zu beschreiben sowie die zugrundeliegenden großräumigen, physikalischen Effekte zu identifizieren, zu separieren und zu quantifizieren. Diese Analysen verbessern nicht nur das fundamentale Verständnis der zugrundeliegenden Prozesse erheblich, sondern könnten auch die Grundlage für künftige Vor-hersagen von Gezeitenänderungen und deren Folgen, z. B. für den Küstenschutz oder die Schiffbar-keit von Nordseehäfen, bilden.

Perhaps because of the close connection between the periodic and predictable nature of astronomical variations and the corresponding tidal water levels, the tidal parameters of tidal low water, tidal high water and tidal range were generally assumed to be constant on time scales over which basin geome-try undergoes only minor changes (i.e. decades to centuries, Jänicke et al., 2020). Jensen (1984) and Führböter & Jensen (1985) were the first to discuss large-scale, potentially basin-wide changes in tidal parameters for the North Sea in the second half of the 20th century. Nevertheless, the spatial extend of these changes as well as their forcing factors remain uncertain, considering the stationarity of astronomical forcing over the period of tide gauge observations. The superposition of small-scale and large-scale effects on water level has proven to be particularly problematic in causal research and been identified by many studies in the past as the most important unsolved obstacle in identifying physical causes and attributing them to observed tidal changes (Woodworth, 2010; Haigh et al., 2020; Talke & Jay, 2020). To examine the spatial extent of tidal changes in the North Sea, in this thesis the long-term trends of the three tidal parameters were considered first and significant changes were detected. A median basin-wide increase of both tidal low and high water was detected, forming a dipole-like pattern with tidal low water trends exceeding tidal high water trends in the United Kingdom (UK) and vice versa in the German Bight. As a result, negative trends of tidal range occur in the UK whereas positive trends can be detected in the German Bight. A Principal Component Analysis was then performed to separate large-scale signals appearing coherently over multiple stations from rather localized, small-scale changes. Two leading principal components (PCs) were identified for each of the three tidal parameters, representing large-scale effects, which explain a major part of the changes and resemble the dipole pattern of the trends. In a last step, physical causes were assigned to these signals and large-scale changes in both tidal low and high water could be assigned mainly to changes in Mean Sea Level. Furthermore, changes in tidal range were attributed to a baroclinic (PC1) and a barotropic large-scale signal (PC2) by applying numerical and statistical analyses. PC2 is caused by an external and basin-wide forcing mechanism from the adjacent North Atlantic, while PC1 dominates in the southern North Sea and originates, at least in part, from stratification changes in nearby shallow waters. Therefore, it was possible to not only detect and describe large-scale tidal changes, but to identify, separate, and quantify the underlying large-scale effects for the first time. These analyses not only significantly improve the fundamental understanding of the underlying processes, but could also form the basis for future forecasting of tidal changes and their consequences, e.g. in coastal protec-tion or the navigability of North Sea ports.