Estimates of Future Sea Level Changes for Norway norsk sammendrag

Estimates of Future Sea Level Changes for Norway norsk sammendrag 26. mars 2012 Matthew Simpson, Kristian Breili, Halfdan Pascal Kierulf, Dagny Lysaker, Mohammed Ouassou and Even Haug

2 Introduksjon Kartverkets prognose for framtidig havnivå langs norskekysten er dokumentert i rapporten Estimates of Future Sea-Level Changes for Norway. Arbeidet med prognosen har omfattet gjennomgang av litteratur fra fagområdets forskningsfront, analyse av observert havnivå, utvikling av en ny landhevingsmodell og bruk av klimamodeller for å beregne framtidig havnivå. Rapporten presenterer også repetisjonsnivåer for stormflo. Studiens motivasjon er hentet i at havnivåendringene varierer fra sted til sted. Dette innebærer at globale prognoser ikke nødvendigvis beskriver situasjonen i norske områder på en tilfredsstillende måte. En egen tilpasset studie er derfor nødvendig for å beregne framtidig havnivå langs norskekysten. Bakgrunn Et komplisert samspill mellom prosesser i havet, atmosfæren og i den faste jorda er opphavet til havnivåendringer. De to viktigste bidragene kommer fra landfast is som smelter og endringer i vannets tetthet. Varmere vann tar større plass, og ferskvann er lettere enn saltvann. Vi må skille mellom absolutte havnivåendringer målt i forhold til jordas massesenter og relative havnivåendringer målt i forhold til landjorda. For framtidige arealplaner er relative havnivåendringer av størst interesse, og disse kan beregnes ved å korrigere absolutte havnivåendringer for landheving. Landheving er spesielt viktig å ta hensyn til langs norskekysten der landet stiger med 2 til 5 millimeter per år. De ulike prosessene påvirker havnivået forskjellig fra sted til sted. Dette skyldes blant annet at ulike havområder har forskjellig varmeopptak og smeltevann fra isbreer ikke vil fordele seg jevnt over verdenshavene. Lokalt vil endringer i havets saltkonsentrasjon kunne være av betydning, mens denne effekten globalt er neglisjerbar, ettersom den totale saltmengden i havet er tilnærmet konstant. Det må også understrekes at det per i dag ikke eksisterer noen full forståelse av prosessene som fører til havnivåendringer. Spesielt stor usikkerhet knytter det seg til hvordan de store ismassene på Grønland og i Antarktis vil respondere på et endret klima. 2

3 Prognoser for framtidig globalt havnivå finnes blant annet i FNs klimapanels (IPCC) fjerde tilstandsrapport fra 2007 [Meehl et al., 2007], heretter kalt IPCC AR4. Prognosene er beregnet ved hjelp av 17 klimamodeller og indikerer at havnivået i perioden 2090 til 2099 vil være 18 til 59 cm høyere enn havnivået i perioden 1980 til 1999. Prognosens intervall gjenspeiler ikke prognosens faktiske usikkerhet, men viser variasjonen mellom de ulike klimamodellene og klimascenarioene. Det er verdt å merke seg at IPCC ikke knytter sannsynlighet til prognosen eller presenterer noen øvre grense for havstigning i sin rapport fra 2007. For norskekysten finnes det prognoser for framtidig havnivå i rapporten Hanivåstigning [Vasskog et al., 2009]. I dette arbeidet er en global semi-empirisk modell utgangspunktet. Den semi-empiriske modellen oppretter en matematisk sammenheng mellom jordas middeltemperatur og globalt havnivå. I tillegg antas det at havstigningen langs norskekysten vil være 10 cm større enn det globale gjennomsnittet. Totalt gir dette 90 cm absolutt havstigning for det 21. århundret. Relative havnivåendringer oppnås ved å bruke en landhevingsmodell hentet fra Vestøl [2007]. Ny modell for landheving Langs norskekysten krever prognoser for framtidig havnivå en presis beskrivelse av landheving, og derfor har en viktig del av Kartverkets arbeid vært å beregne en ny landhevingsmodell for Norge. Den nye modellen er basert på observasjoner fra permanente GPS-stasjoner. Analyse av GPS-måleseriene viser at minimum tre år med data er nødvendig for at landhevingsraten skal være pålitelig. Dette kravet oppfyller måleseriene fra 66 norske GPS-stasjoner, se figur 1. En av hovedutfordringene har vært å bestemme landhevingen mellom GPS-stasjonene. To teknikker er utprøvd og rapporten presenterer resultatene fra begge. Innenfor områder med kort avstand mellom GPS-stasjonene anbefaler vi å bruke landhevingsrater beregnet med den statistiske interpoleringsmetoden kriging. Denne metoden fungerer tilfredsstillende sør for Trondheimsfjorden og på kysten av Troms. I andre områder anbefaler vi å bruke landhevingsrater fra en geofysisk 3

4 landhevingsmodell tilpasset GPS-målingene. Landhevingsratene har en usikkerhet estimert til 0,7 mm/år. Figur 1. Venstre: Plasseringen til Fastlands-Norges 139 permanente GPS stasjoner. Symbolene angir stasjonenes alder. Stjerner indikerer mer enn 10 år med data, diamanter mer enn 5 år og sirkler mer enn 3 år. Prikker markerer stasjoner med mindre enn 3 år med data og disse stasjonene ble ikke brukt i dette arbeidet. Kartet til høyre viser Kartverkets nye landhevingsmodell. Enhet er mm/år. Landheving innebærer også endringer i jordas tyngdefelt på grunn av omfordeling av masser i jordas mantel. Virkningen dette har på havnivået kan forstås som at geoiden 1 og havnivået følger noe med etter hvert som landjorda stiger. For å beregne geoidens endring har vi benyttet den samme geofysiske modellen som ble benyttet til å interpolere mellom GPS målepunktene. Beregninger viser at geoiden endrer seg med 0,2 til 0,5 mm/år langs norskekysten. I et hundreårsperspektiv gir den nye landhevingsmodellen opptil 20 cm større landheving enn modellen brukt i Vasskog et al. [2009]. Dette illustrerer landhevingsmodellens store betydning for en presis prognose for framtidig havnivå langs norskekysten. 1 Geoiden er en ekvipotensialflate i jordas tyngdefelt som sammenfaller med midlere havnivå dersom vi ser bort fra havstrømmer, vær og tide-krefter fra sol og måne. Dersom geoidens høyde endrer seg, endres også havnivået. 4

5 Observert havnivå Kartverket drifter et nettverk av vannstandsmålere langs norskekysten. Disse vannstandsmålerne gir informasjon om tidevann og havnivåendringer målt i forhold til et geodetisk fastmerke i fjell. Vannstandsmålerne observerer altså differansen av endret havnivå og landheving. For vannstandsmålere med tilstrekkelig gode måleserier, har vi beregnet havnivåets endring over 1) den perioden hver enkelt vannstandsmåler har vært operativ og 2) for de siste 30 årene. En oversikt over de beregnede ratene (gjennomsnittlig havnivåendring per år) er gitt i figur 2. Når hele måleserien benyttes er den relative endringsraten mindre enn null for de fleste stasjonene. Dette viser at landhevingen har vært raskere enn havstigningen for store deler av Norge i det 20. århundret. Havnivåendringer, slik de ville være i hvert målepunkt uten landheving, kan beregnes ved å korrigere målingene for landheving og geoidens endring. Med disse korreksjonene blir havnivåets endringsrater mellom 2 og 4 mm/år. Dette indikerer at havstigningen langs norskekysten i det 20. århundret har vært noe større enn det globale gjennomsnittet på 1,8 mm/år [Church og White, 2011]. Ratenes verdi øker og blir større enn null på de fleste stasjonene når kun de siste 30 årene med data benyttes. Dette tyder på at havstigningen har økt de siste tiårene. Fremdeles er landhevingen større enn havstigningen rundt Oslofjorden og i Midt-Norge. Etter at observasjonene er korrigert for geometrisk landheving, blir ratene mellom 3 og 5 mm/år (unntatt Kabelvåg). Dette samsvarer med altimetrimålinger fra perioden 1993 til 1998 som indikerer 2-5 mm/år havstigning langs norskekysten [Cazenave and Llovel, 2010]. 5

6 Figur 2. Endringsrater for havnivå langs norskekysten; relative (blå), korrigert for landheving (rød) og korrigert for både landheving og endret geoide (åpne rød). Ratene er estimert fra observasjoner fra Kartverkets nettverk av vannstandsmålere. Øvre del av figuren viser rater der hele tidsseriens lengde er analysert (29 til 96 år), og den nederste delen viser rater beregnet over perioden 1980 til 2010. De vertikale søylene angir standardavviket. 6

7 Framtidige havnivåendringer langs norskekysten Hvert enkelt bidrag til endret havnivå må analyseres individuelt for å utarbeide en regional prognose for framtidig havnivå. Dette er et viktig prinsipp Kartverket har etterlevd ved å følge tett en metode presentert i Slangen et al. [2011]. Med denne metoden brukes klimamodeller til å finne bidragene som følge av endret vanntetthet, havstrømmer og avsmelting fra isbreer. For det sistnevnte bidraget forteller klimamodellene hvor og hvor mye is som smelter. Med denne informasjonen tilgjengelig kan havnivålikningen løses for å bestemme den virkningen isbreene har på havnivået langs norskekysten. Til sammen gir de nevnte prosessene absolutte havnivåendringer. Relative havnivåendringer oppnås ved å trekke Kartverkets nye landhevingsmodell fra de absolutte endringene. Kartverkets valg av metode er i tråd med liknende arbeider utført i Storbritannia og av den nederlandske Delta-kommisjonen. Metodikken er skjematisk illustrert i figur 3. Figur 3. Skjematisk framstilling av metoden Kartverket har tatt i bruk for å beregne en regional prognose for framtidig havnivå. Kartverkets prognose er basert på de samme 17 klimamodellene som ligger til grunn for prognosene i IPCC AR4. Disse modellene er tilgjengelige for de tre klimascenarioene A2, A1B og B1. Våre beregninger viser at det er større forskjell mellom modellene enn 7

8 mellom scenarioene og vi lar derfor gjennomsnittet av både modeller og scenarioer utgjøre prognosens sentralverdi. Alle verdiene som presenteres gir havnivå i perioden 2090 til 2100 i forhold til havnivået i perioden 1981 til 2000. Bidraget som skyldes endring i vanntetthet og havstrømmer er beregnet til 31 cm for norskekysten. Dette er ca 10 cm mer enn det globale gjennomsnittet på 22 cm. Bidraget fra is varierer fra 15 cm i sør til 7 cm lengst i nord. Til sammen gir dette 38 til 46 cm absolutt havstigning langs. Korrigert for landheving og geoidens endring vil havnivået målt i forhold til landjorda endre seg med - 20 til 30 cm. Dette er illustrert i figur 5 og verdier for utvalgte kystbyer er å finne i tabell 1. Fra figuren framkommer det at havnivået vil synke i områder der landhevingen er større enn havstigningen. Dette gjelder områdene rundt Oslo- og Trondheimsfjorden. Størst havstigning vil det bli på Sør-Vestlandet og langs kysten av Troms der havet vil stige med oppimot 30 cm. Tetthet og havstrømmer (1σ ± 10 cm) Isbreer (1σ ± 4 cm) Landheving og endret geoide (1σ ± 7 cm) Total relativ havnivåendring (1σ ± 13 cm) Oslo 31 13-54 -10 Stavanger 31 13-16 28 Bergen 31 12-22 21 Trondheim 31 11-52 -10 Tromsø 31 8-24 11 Tabell 1. Kartverkets prognose for framtidig havnivå basert på IPCCs klimamodeller i utvalgte kystbyer. Tallene gir havnivåets høyde i perioden 2090-2099 i forhold til perioden 1980-1999. Usikkerhet og Kartverkets høy-prognose Prognosens totale standardavvik er 13 cm og illustrerer klimamodellenes variasjon og landhevingsmodellens standardavvik. Prognosens faktiske usikkerhet er per i dag ikke mulig å tallfeste, ettersom klimamodellene har enkelte mangler og kan ha ukjente systematiske feil. I tillegg er det vanskelig å gi en sikker beskrivelse av framtidas klima. Spesielt stor usikkerhet knytter det seg til det dynamiske bidraget 2 fra Grønland og 2 Det dynamiske bidraget skyldes isbreenes bevegelse mot havet. Der breene møter havet vil havet tilføres nye vannmasser i form av isfjell som kalver fra breene. Prosessene som styrer det dynamiske bidraget er per i dag ikke fullt ut forstått. 8

9 Antarktis. Observasjoner indikerer raske pågående forandringer (se for eksempel Rignot et al., 2011) dagens generasjon ismodeller ikke inkluderer, på grunn av manglende forståelse av de prosessene som virker [Pfeffer 2011]. Imidlertid er det et åpent spørsmål hvilke tidsskalaer de siste årenes raske endringer virker over. Det er ikke å forvente at bedre ismodeller vil være tilgjengelig før flere år inn i framtida. Det har derfor vært nødvendig å ta i bruk forenklede metoder for å tallfeste det dynamiske bidraget. I korte trekk innebærer dette at dagens dynamiske bidrag skaleres med framtidig global temperatur. Dette er den samme strategien IPCC brukte for å beregne det oppskalerte dynamiske isbidraget gitt i tabell 10.7 i IPCC AR4. Selv det oppskalerte bidraget fra Grønland og Antarktis er moderat. Videreføres dagens observerte trend og akselerasjon gjennom det 21. århundret, vil dette gi et isbidrag som overgår isbidraget basert på IPCCs klimamodeller. For å ta høyde for denne usikkerheten har Kartverket også beregnet en høy-prognose der isbidraget er basert på en ekspertvurdering [Katsman et al., 2011] av hva det største realistiske bidraget fra Grønland og Antarktis kan komme til å bli i det 21. århundret. Kombinert med havstigning som følge av endringer i sjøvannets tetthet og havstrømmer ved 6 C global oppvarming (ca to grader mer enn klimascenarioene i IPCC AR4), gir dette Kartverkets høy-prognose. Tar vi hensyn til variasjonen i grunnlagsdataene, strekker høy-prognosen seg over et intervall på 90 cm. Vi lar den øvre skranken av dette intervallet sette en øvre grense for realistisk havstigning langs norskekysten i det 21. århundret. Denne grensen forteller oss at vi ikke kan utelukke havnivåendringer fra 0,7 til 1,3 m avhengig av hvor du er langs norskekysten, se tabell 2. Tetthet og havstrømmer (cm) Isbreer (cm) Landheving og endret geoide (1σ ± 7 cm) Total relativ havnivåendring (cm) Oslo 19 93 11-62 -54-6 83 Stavanger 19 93 11-62 -16 32 121 Bergen 19 93 11-61 -22 25 114 Trondheim 19 93 9-58 -52-7 82 Tromsø 19 93 6-53 -24 18 106 Tabell 2. Kartverkets høy-prognose for utvalgte norske kystbyer i perioden 2090-2099 i forhold til perioden 1980-1999. 9

10 Figur 4. Relative havnivåendringer langs norskekysten i perioden 2090-2099 i forhold til perioden 1980-1999. Venstre del av figuren viser Kartverkets prognose basert på IPCCs klimamodeller. Høyre del av figuren viser øvre skranke for høy-prognosen. Merk at skalaen er forskjellig for de to kartene. Stormflo I tillegg til klimatisk havstigning presenterer Kartverkets rapport også nyberegnede returnivåer for stormflo. Stormflo inntreffer når springflo faller sammen med vær som hever vannstanden, det vil si ugunstig vindretning og lavt lufttrykk. Imidlertid finnes det områder der forskjellen mellom flo og fjære er liten og væreffekten alene kan gi ekstraordinær høy vannstand. Dette gjelder Oslofjordområdet og deler av sørlandskysten. For hver enkelt vannstandsmåler er returnivåer for gjentaksintervallene 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 og 1000 år beregnet ved hjelp av den statistiske metoden ACER (Average Conditional Exceedance Rate). Statistisk sett vil vannstanden nå returnivået én gang i løpet av gjentaksintervallet. Basert på tilgjengelige forskningsarbeider er det ikke grunnlag for å hevde at stormflohøydene vil øke mer enn middelvann i løpet av de kommende 30 årene. Derimot kan det ikke utelukkes en viss økning fram mot år 2100. 10

11 Konklusjon Kartverket har gjennom dette arbeidet etablert et nytt rammeverk for å beregne prognoser for framtidig havnivå langs norskekysten. Innenfor dette rammeverket er de viktigste bidragene til havnivåendringer analysert individuelt. Vi har inkludert bidraget fra landheving, endringer i vanntemperatur, saltkonsentrasjon, havstrømmer og avsmelting fra is. Med IPCCs klimamodeller som utgangspunkt gir dette 39 til 45 cm absolutt havstigning langs norskekysten. På grunn av landheving vil denne havstigningen reduseres til -20 til 30 cm målt i forhold til landjorda. Vi har også beregnet en høy-prognose som setter en øvre grense for realistisk havstigning. Høyprognosene innebærer at vi ikke kan utelukke 0,7 til 1,3 m havstigning langs norskekysten i dette århundret. Det er viktig å understreke at kunnskapsgrunnlaget innen fagområdet per i dag ikke er komplett. Det er derfor ikke mulig å beregne prognosens faktiske usikkerhet. Kartverkets prognose for relativ havnivåendring (1σ ± 13 cm) Øvre grense Kartverkets høy-prognose (cm) Oslo -10 83 Stavanger 28 121 Bergen 21 114 Trondheim -10 82 Tromsø 11 106 Tabell 3. Oppsummering av Kartverkets prognose basert på IPCCs klimamodeller (sentralverdier) og høy-prognosens øvre skranke. Tallene angir havnivået i perioden 2090-2099 i forhold til perioden 1980-1999. Takk Kartverket ønsker å rette en stor takk til følgende personer som har lest gjennom rapporten og kommet med nyttige innspill: Aimée Slangen (Utrecht University), Glenn Milne (University of Ottawa), Pippa Whitehouse (Durham University), Leanne Wake (University of Calgary), Helge Drange (Bjerknessenteret for klimaforskning), Willy Fjeldskaar (Tectonor), Jens Debernard (Meteorologisk institutt), Jon Ove Hagen (Universitetet i Oslo), Jack Kohler (Norsk polarinstitutt), Lars Petter Røed (Meteorologisk institutt), Jon Inge Svendsen (Universitetet i Bergen), og Olav Vestøl (Kartverket). 11

12 Referanser Cazenave, A. and Llovel, W. (2010). Contemporary sea level rise. Annual Review of Marine Science, 2, pp. 145-173. Church, J. A., Gregory, J. M., White, N. J., Platten, S. M. and Mitrovica, J. X. (2011). Understanding and projecting sea level change. Oceanography, 24(2), pp. 130 143, doi:10.5670/oceanog.2011.33. Church, J. A. and White, N. J. (2011). Sea-Level Rise from the Late 19th to the Early 21 st Century. Surv. Geophys, 32, 585-602, doi:10.1007/s10712-011-9119-1. Katsman, C. A., Sterl, A., Beersma, J. J., van den Brink, H. W., Church, J. A., Hazeleger, W., Kopp, R. E., Kroon, D., Kwadijk, J., Lammersen, R. et al. (2011). Exploring high-end scenarios for local sea level rise to develop flood protection strategies for a low-lying delta - the Netherlands as an example. Climatic Change, pp. 1 29. Meehl, G. A., Stocker, T. F., Collins, W. D., Friedlingstein, P., Gaye, A. T., Gregory, J. M., Kitoh, A., Knutti, R., Murphy, J. M., Noda, A., Raper, S. C. B., Watterson, I. G., Weaver, A. J. and Zhao, Z.-C. (2007). Global Climate Projections. In: Climate Change 2007: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fourth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Solomon, S., Qin, D., Manning, M., Chen, Z., Marquis, M., Averyt, K. B., Tignor, M., Miller, H. L. (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA. Pfeffer, W. T. (2011). Land ice and sea level rise: A thirty-year perspective. Oceanography, 24(2), pp. 94 111, doi:10.5670/oceanog.2011.30. Rahmstorf, S. (2007). A Semi-Empirical Approach to Projecting Future Sea-Level Rise. Science, 315, pp. 368 370. Rignot, E., Velicogna, I., Van den Broeke, M. R., Monaghan, A. and Lenaerts, J. (2011). Acceleration of the contribution of the Greenland and Antarctic ice sheets to sea level rise, Geophysical Research Letters, 38(5), L05503. Slangen, A. B. A., Katsman, C. A., van de Wal, R. S. W., Vermeersen, L. L. A. and Riva, R. E. M. (2011). Towards regional projections of twenty-first century sea-level change based on IPCC SRES scenarios. Climate Dynamics, pp. 1 19, doi:10.1007/s00382-011-1057-6. Vasskog, K., Drange, H. and Nesje, A. (2009). Havnivåstigning. Estimater av framtidig havnivåstigning i norske kystkommuner. Revidert utgave 2009. Det nasjonale klimatilpasningsekretariatet ved Direktoratet for samfunnssikkerhet og beredskap. Vestøl, O. (2006). Determination of postglacial land uplift in Fennoscandia from leveling, tide-gauges and continuous GPS stations using least squares collocation. Journal of Geodesy, 80, pp. 248 258. 12