Seismic Impact of Large Earthquakes on Estimating Global Mean Ocean Mass Change from GRACE

We analyze the impact of large earthquakes on the estimation of the global mean ocean mass (GMOM) change rate over the 13-year period (January 2003 to December 2015) using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Release-06 (RL06) monthly gravity solutions released by the Center for Space Research (CSR). We take into account the effects of the December 2004 Mw9.1 and April 2012 Mw8.6 Sumatra earthquakes, the March 2011 Mw9.0 Tohoku-Oki earthquake, and the February 2010 Mw8.8 Chile earthquake. After removing the co- and post-seismic effects of these earthquakes in the oceanic areas by least squares fitting, we estimate the GMOM rate from GRACE monthly observations. Results show that GRACE-observed GMOM rate before the seismic correction is 2.12 ± 0.30 mm/year, while after correction the rate is 2.05 ± 0.30 mm/year. Even though the −0.07 ± 0.02 mm/year seismic influence on GRACE GMOM rate is small on a global scale, it is a systematic bias and should be considered for improved quantification and understanding of the global sea level change

전 지구 지오이드 변화에 의한 해수면 변동

학위논문 (박사) -- 서울대학교 대학원 : 사범대학 과학교육과(지구과학전공), 2021. 2. 서기원.해수 질량 증가에 의한 해수면 상승은 오늘날 전 세계 평균 해수면 증가에 있어서 가장 큰 요인으로 꼽히고 있다. 이것은 빙하 손실, 장기간에 걸친 물 수지 변화, 동 지진 또는 후 지진 변화와 같은 지오이드 변화를 일으키는 다양한 지구물리학적 현상들이 질량 해수면을 이해하는 데에 중요한 역할을 한다는 것을 의미한다. GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) 위성 중력계는 2002년 3월부터 2017년 10월에 걸친 기간 동안 유례없던 정확도와 광대한 관측 영역을 바탕으로 이러한 지오이드 변화에 대한 중요한 정보들을 수집하였다. 하지만 GRACE 자료의 몇 가지 명확한 한계점 때문에, 이 관측자료로부터 질량 해수면을 정확하게 추정하는 것은 다소 어려움이 있었다. 일반적인 GRACE 자료 후처리 방법은 신호 누출을 일으켜 자료의 해상도를 낮춘다. 이러한 신호 누출은 특히 상대적으로 신호가 강한 육지 신호가 해안가의 바다 영역을 침범하는 경우가 많기 때문에, 바다의 고유한 신호를 오염시킨다는 문제가 있다. 또한, 지구 표면의 물 질량 변화를 얻기 위해서 후빙기 반등(Post-glacial rebound)과 같은 고체 지구로부터 발생하는 중력 반응을 모델을 통해 보정하는 것이 일반적인데, 모델 간 차이가 상당하여 보정에 사용된 후빙기 반등 모델에 따라 보정 후의 자료는 많은 차이를 보인다. 이외에도 구면 조화 함수로 제공되는 GRACE 자료의 저차 계수들 중 일부는 높은 오차를 갖고 있다고 알려져 있어서, 이를 보정하는 방법마다 저마다 다른 질량 배치도를 얻게 된다. 따라서, 이러한 처리방법 상의 불확실성들은 결국 GRACE 자료로부터 얻게 되는 전 세계, 혹은 지역적 해수면 변화량의 예측이 연구마다 달라지는 원인으로 작용한다. 본 학위 논문에서는, 이러한 GRACE 자료의 한계점을 적절하게 처리하여, 다양한 원인에 의해 변화하는 지오이드 면의 굴곡과, 이에 따라 재배열하는 질량 해수면을 예측하였다. 특히 신호 누출로 인해 손상된 GRACE 자료를 복원하고 훨씬 타당한 고해상도 표면 질량 배치도를 얻기 위한 기법으로서 FM (forward modeling)이라는 방법을 중요하게 이용하였다. 또한 해수면의 예측은 FM으로 구한 질량 배열로부터 해수면 지문(Sea level fingerprint)이라는 이론적 계산을 통해 얻었다. 이 두 가지 독립된 방법론을 조합하면 GRACE 자료의 신호 누출로 인한 자료 손실을 상당량 회복할 수 있을 뿐만 아니라, 공간적으로 불규칙한 지오이드 면을 따라 정렬하는 질량 해수면도 얻을 수 있다. 두번째로, FM을 통해 알아낸 신호 누출의 크기로부터 GRACE 자료를 보정하면 신호 누출이 최소화된 질량 해수면의 관측값을 얻게 된다. 이를 이론적 예측인 해수면 지문의 계산 결과와 비교함으로서, GRACE 자료를 처리할 때에 이용했던 후빙기 반등 모델은 물론, 지구의 타원도, 극축 운동 등과 관련된 저주파 계수들의 정확도까지 추정할 수 있다 (자기 일관성 평가). 이들의 오차가 보정되고 나면 GRACE 자료가 측정하지 못하는 지구 중심 이동 효과도 좀더 정확하게 계산될 수 있다. 이를 통해 자기 일관성이 가장 높은 GRACE 자료를 특정할 수 있게 되며, 이는 GRACE 자료의 후처리 과정에서 발생할 수 있는 부정확성을 최소화한 자료로 해석된다. 높은 자기 일관성을 가진 GRACE 자료에 기반하면, 2003년 1월에서 2014년 12월까지의 만 12년간 질량 해수면은 전 세계 평균 2.14 ± 0.12 mm/yr의 속도로 상승 중이며, 대양 별로는 다른 높낮이의 지오이드 면을 따른다. 특히 북극해의 경우는 주변 극지방에서 막대한 양의 물과 빙하가 손실됨에 따라 바닷물을 붙잡을 중력이 감소하는 상황이며, 그에 따라 질량 해수면도 -0.5 mm/yr의 속도로 조금씩 낮아지는 것으로 예측된다. 반면 남반구의 대양은 약 2.4 mm/yr의 가장 빠른 질량 해수면 상승률을 보이는데, 이는 지구의 질량 중심이 남반구로 이동하는 효과가 반영된 것으로 해석된다. 이렇게 FM 처리를 거친 질량 배치도로부터 계산된 해수면 지문은 해안가를 따라 두드러진 신호 누출의 효과를 효과적으로 제거한 질량 해수면의 변동을 보여준다. 이는 이전에는 효과적으로 측정하지 못했던 해안가의 국지적 해수면 변화도 비교 검증할 수 있게 된다는 의미도 갖는다. 해수면 지문으로 예상되는 질량 해수면 변화에, 수온과 염분 변화가 일으키는 부피 팽창 효과, 재배열된 질량에 의해 해저면이 눌리는 하중 효과 등을 더하면 위성 고도계로 측정한 총 해수면 변화와 비교할 수 있다. 몇 군데 근해 지역을 골라 비교해본 결과, 본 연구에서 계산한 해수면 지문이 신호 누출 효과가 보정된 또 다른 자료인 Mascon 자료 값들에 비해 위성 고도계 관측과 더욱 유사한 변화 총량을 산출하였다. 이 결과는 공간적으로 굴곡진 지오이드 면을 관측적으로 증명한 또 다른 연구로서 큰 의의를 갖는다. 물과 얼음 질량의 재배치만이 아니라, 지진과 같은 고체 지구의 변형도 지역적인 지오이드 고도에 상당한 변화를 일으킨다. 따라서 기후 변화에 의한 지역적 해수면 변동을 정확하게 이해하기 위해서는, 지진이 일으키는 기여도에 대한 정량적 이해가 필수적이라 할 수 있다. GRACE 자료는 그 관측 기간 동안 특히 2004년 수마트라 대지진과 2011년 동일본 대지진에 의한 중력 변화 신호를 잘 보여준다. 이에 GRACE 관측자료와 층상의 구형 지구 내부에 위치한 유한한 크기의 평면 단층 모델을 이용하여 이들 지진을 분석하였다. 동 지진(co-seismic) 신호는 지진의 단층 벡터에 의해 주로 결정되며, 이전 연구들을 참조하여 적절하게 배치한 단층으로부터 GRACE 신호 역산을 통해 얻을 수 있었다. 지진이 끝난 뒤에 한동안 이어지는 후 지진(post-seismic) 반응은 주로 연약권의 점성과 깊이 등의 변수와 큰 관련이 있다. GRACE 자료를 바탕으로 추정한 결과, 수마트라 대지진과 동일본 대지진의 모멘트 규모는 각각 9.3과 9.1로 예측되었으며, 지진 시점에 각각 최대 7 mm와 4 mm에 달하는 지오이드 고도 하락이 확인되었다. 이어지는 후 지진 중력 변화 신호는, 두 지진 모두 하부의 연약권이 최소 60-70 km 깊이 아래에 위치하고, 이중 점성 구조를 갖고 있음을 보여주었다. 이러한 지진 모델링은 진앙 인근에서 기후 변화와 관련된 해수면 변화만을 분리하고자 할 때에 중요하게 활용될 것으로 기대된다.Sea level change due to ocean mass increase is the most significant contributor to present-day global mean sea level (GMSL) rise. Understanding geoid varia-tions from various geophysical processes such as ice melting, long-term hydrological regime change, and co- and post-seismic effect are critical in esti-mating precise mass sea level change. The Gravity Recovery and Climate Ex-periment (GRACE) satellite gravimeter has provided important observations for the geoid changes with substantially improved accuracy from March 2002 to October 2017. However, quantifying precise mass sea level change using GRACE data has been challenging due to limitations of GRACE data. Ordinary post-processing steps of GRACE data create significant signal leakage effect, and the low-degree spherical harmonics (SH) coefficients involve relatively higher uncertainties. These issues have been major uncertainties in both global and regional scale estimates for ocean mass change governed by geoid variation. In this dissertation, time-varying ocean mass distribution conforming to geoid change due to various causes is estimated after addressing GRACE limitations. Here, a method called forward modeling (FM) is importantly used to correct the signal leakages included in GRACE data and to provide reasonable global surface mass changes at high resolution. Further, alternative mass sea level changes are estimated from sea level fingerprint (SLF) computation using FM solutions. Combined method of SLF and FM successfully provides spatially variable mass sea level changes with greatly reduced uncertainties due to the signal leakage effect. Secondly, comparing SLF (estimation) and leakage-corrected GRACE data using FM (observation) for ocean mass changes also enables to evaluate uncertainties of the low-degree SH coefficients associated with imperfect pole tide correction and inaccurate estimation of dynamic oblateness in GRACE data. Further, effects from geocenter (degree-1) changes, which are omitted in GRACE solutions, are suitably computed based on the high-resolution surface mass changes. After correcting leakage effect and incorporating the most preferable treatments for the low-degree SH coefficients of GRACE data, global sea level trend due to ocean mass increase is estimated to be 2.14 ± 0.12 mm/yr for 2003-2014, and more importantly, there are evident variations of basin-scale ocean mass changes. In the Arctic Ocean, ocean mass is decreasing by rate of about -0.5 mm/yr, probably due to geoid drop resulted from ice mass loss in nearby polar region. On the other hand, oceans in the Southern Hemisphere such as the Indian and South Atlantic Oceans show the largest rise rate by about 2.4 mm/yr, resulting from southward migration of the center of mass of the Earth. Since SLF estimates from FM solutions effectively exclude signal contamination along coastlines, it can also provide an improved estimate of total sea level changes over coastal regons. Total sea level changes provided from altimetry observation correspond to combined contributions of ocean mass change, volumetric sea surface height change (steric change), and deformation of ocean floor due to load. The comparison shows that total sea level changes estimated using SLF as the mass component are in good agreement with the altimetry observation, compared with alternative leakage-eliminated solutions such as Mascons. This finding provides another observational evidence of spatially variable ocean mass change associated with geoid shape. Besides water and ice mass redistribution, earthquakes also results in significant local geoid changes, and their effects should be corrected to understand ocean mass changes associated with climate change. For example, GRACE data shows strong geoid perturbation due to co- and post-seismic changes of 2004 Sumatra-Andaman and 2011 Tohoku-Oki earthquakes. Here, gravitational responses due to these two earthquake events are simulated using finite fault models buried in layered spherical Earth considering the normal mode summation. Co-seismic gravity changes are greatly influenced by the slip vectors, which are estimated using least square solution with the fixed fault geometry. Asthenosphere viscosity and lithosphere thickness are inferred from temporal evolution of the post-seismic relaxation. Estimated moment magnitudes based on GRACE data indicates Mw 9.3 for Sumatra-Andaman and Mw 9.1 for Tohoku-Oki events, and corresponding the maximum co-seismic geoid changes are estimated by about -7 mm and -4 mm around the epicenters followed by post-seismic changes, respectively. Further, both post-seismic relaxations commonly indicate similar Earth profile beneath those re-gions with bi-viscous rheology and 60-70 km of thickness of elastic layer. It is necessary to correct these co- and post-seismic geoid change effects from GRACE data prior to FM to estimate enhanced SLF solution solely caused by climate change.Chapter 1. Introduction 1 Chapter 2. Background 5 2.1 Gravitational potential 6 2.1.1 Potential due to point mass 6 2.1.2 Love numbers 9 2.1.3 Addition theorem and spherical harmonics 10 2.1.4 Relations between geoid and surface mass changes 13 2.2 Forward modeling and sea level equation 18 2.2.1 Forward modeling 18 2.2.2 Sea level equation 21 2.2 Gravity changes from earthquakes 25 2.3.1 Gravity disturbance and anomaly 25 2.3.2 Generalized linear inversion 29 Chapter 3. Mass sea level change from the self-consistent GRACE data 33 3.1 Introduction 33 3.2 Data and method 37 3.2.1 Data used in this chapter 37 3.2.2 Global forward modeling algorithm 38 3.2.3 A second estimate of ocean mass redistribution 39 3.3 Results 40 3.3.1 Self-consistency test using synthetic data set 40 3.3.2 Self-consistency test using GRACE data 43 3.3.3 Degree-1 estimates 52 3.3.4 Full mass sea level changes 56 3.4 Discussion 60 Chapter 4. Sea level fingerprint and regional sea level change 61 4.1 Introduction 61 4.2 Data and method 64 4.2.1 Sea level budget equation 64 4.2.2 Data used in this chapter 64 4.3 Results 69 4.3.1 Ocean mass changes 69 4.3.2 Total sea level changes 72 4.3.3 Regional sea level rise contributors 74 4.3.4 Regional mass sea level change near the Korean peninsula 76 4.4 Discussion 78 Chapter 5. Geoid change due to earthquake 79 5.1 Introduction 79 5.2 Data and method 81 5.3 Results 85 5.3.1 Co-seismic changes 85 5.3.2 Post-seismic changes 88 5.3.3 Geoid changes 89 5.4 Discussion 93 Chapter 6. Conclusions 94 References 97 국문요약 112Docto