dc.contributor.author
Irrgang, Christopher
dc.date.accessioned
2018-06-07T23:52:47Z
dc.date.available
2017-08-02T10:59:32.381Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/11126
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-15324
dc.description.abstract
The general circulation of the world ocean generates characteristic magnetic
signals by interacting with the ambient geomagnetic field. These ocean-induced
magnetic signals can principally be measured by satellites and could serve as
indirect observations of the ocean. Since the so-called motionally induced
magnetic field is to first order proportional to conductivity-weighted and
depth-integrated ocean velocities, global oceanic magnetic field observations
could provide new constraints on oceanic transports of water, heat, and
salinity. However, many aspects of electromagnetic induction in the ocean are
either not well understood or unknown. This ranges from the basic
characterization of motional induction in the ocean to possible applications
and benefits for ocean modelling. This cumulative thesis encompasses the
characterization of electromagnetic induction in the ocean, both in terms of
physical properties and model uncertainties. One new application of
electromagnetic induction in the ocean is investigated, namely the possibility
to constrain an ocean general circulation model with satellite observations of
the ocean-induced magnetic field. An electromagnetic induction model is
implemented into an ocean general circulation model. This model combination
allows the investigation of specific influences of seawater properties on
motional induction. In previous studies, the electric conductivity of seawater
was often treated in a simplified way by assuming it to be uniformly
distributed in the ocean and temporally constant. In the first application of
the combined numerical models, it is shown that this assumption is
insufficient for capturing the temporal variability of motional induction
accurately. Considering a realistic three-dimensional seawater conductivity
distribution based on ocean temperature and salinity increases the temporal
variability of ocean-induced magnetic signals by up to 45 %. These changes are
found to predominantly originate from large vertical gradients of seawater
conductivity in the upper ocean. The modelling of the general ocean
circulation and of motional induction is affected by various uncertainties and
errors, which are introduced by forcing input data and by the numerical models
themselves. For potential applications of motional induction, e.g., a reliable
comparison of model results with observational data, or data assimilation
experiments, a realistic estimation of model uncertainties is essential.
Ensemble simulations based on different error scenarios are performed to
estimate the aggregated uncertainty of the modelled ocean-induced magnetic
field. It is shown that the uncertainty of the modelled ocean-induced magnetic
field reaches up to 30 % of the signal strength and is subject to large
spatial and seasonal variations. The wind stress forcing of the ocean model is
a major source of uncertainty. However, specific spatially and temporally
robust regions are identified in the ocean-induced magnetic field that retain
a small uncertainty in all error scenarios. Based on the previous findings,
data assimilation experiments with artificial satellite observations of the
ocean-induced magnetic field are designed and conducted for the first time. In
a model-based twin study, artificial satellite observations of the oceanic
magnetic field are generated and sequentially assimilated into an ocean
general circulation model with a localized ensemble Kalman filter. The impact
of the data assimilation on the induced magnetic field, ocean velocities,
temperature, and salinity is measured. Compared to a reference simulation
without data assimilation, the ocean-induced magnetic field is improved by up
to 17 % globally and up to 54 % locally. Improvements of the underlying depth-
integrated ocean velocities show values up to 7 % globally, and up to 50 %
locally. These improvements result from a consistently better recovery of
ocean velocities from the sea surface down to the bottom of the ocean.
However, the Kalman filter fails to improve ocean temperature and salinity
globally. Kalman filter adjustments of the wind stress forcing of the ocean
model are found to be essential for a successful data assimilation.
de
dc.description.abstract
Die allgemeine Zirkulation des Weltozeans generiert charakteristische
magnetische Signale durch Wechselwirkungen mit dem umgebenden geomagnetischen
Feld. Diese ozeanisch induzierten Magnetfeldsignale können prinzipiell von
Satelliten aufgezeichnet werden und somit als indirekte Beobachtungen des
Ozeans Anwendung finden. Da das sogenannte bewegungsinduzierte Magnetfeld in
erster Näherung proportional zu leitfähigkeits-gewichteten und
tiefenintegrierten Geschwindigkeiten im Ozean ist, könnten globale
Beobachtungen des ozeanischen Magnetfeldes neue Restriktionen für ozeanische
Wasser-, Wärme-, und Salztransporte bieten. Viele Aspekte der
elektromagnetischen Induktion im Ozean sind jedoch entweder nur unzulänglich
verstanden oder gänzlich unbekannt; dies reicht von grundsätzlichen
Eigenschaften der Bewegungsinduktion im Ozean bis hin zu möglichen Anwendungen
jener und möglicher Nutzbarkeit für die Ozeanmodellierung. Diese kumulative
Arbeit umfasst die Charakterisierung der elektromagnetischen Induktion im
Ozean im Sinne von physikalischen Eigenschaften und
Modellierungsunsicherheiten. Ferner wird die Realisierbarkeit untersucht, ein
numerisches Ozeanmodell der allgemeinen Zirkulation durch
Satellitenbeobachtungen des ozeanisch induzierten Magnetfeldes zu beschränken.
Ein elektromagnetisches Induktionsmodell wurde in ein Ozeanmodell der
allgemeinen Zirkulation implementiert. Diese Modellkombination erlaubt die
Untersuchung spezifischer Einflüsse von Meerwassereigenschaften auf die
Bewegungsinduktion. In früheren Studien wurde die elektrische Leitfähigkeit
des Meerwassers oft vereinfacht ber"ucksichtigt, etwa gleichmäßig verteilt
oder zeitlich invariant. Als erste Anwendung der Modellkombination wird
gezeigt, dass diese vereinfachten Annahmen nicht ausreichen, um die zeitliche
Variabilität der Bewegungsinduktion realistisch abzubilden. Eine
dreidimensionale Verteilung der Leitfähigkeit des Meerwassers, die auf
simulierten ozeanischen Wärme- und Salzverteilungen basiert, verstärkt die
zeitliche Variabilität des ozeanisch induzierten Magnetfeldes um bis zu 45 %.
Die Ursache dieser Verstärkung liegt primär in den starken vertikalen
Gradienten der Leitfähigkeit des Meerwassers in den oberen Ozeanschichten. Die
Modellierung der allgemeinen Zirkulation und der Bewegungsinduktion wird durch
verschiedene Unsicherheiten und Fehler beeinträchtigt, die sowohl aus den
Modellantriebsdaten als auch aus den numerischen Modellen selbst stammen. Für
mögliche Anwendungen der Bewegungsinduktion, zum Beispiel für verlässliche
Vergleiche zwischen simulierten und gemessenen Daten oder Experimenten zur
Datenassimilation, ist eine realistische Abschätzung der Modellunsicherheiten
essentiell. Basierend auf verschiedenen Fehlerszenarien wurden
Ensemblesimulationen durchgeführt, um die akkumulierte Unsicherheit des
modellierten ozeanisch induzierten Magnetfeldes abzuschätzen. Es wird gezeigt,
dass die Unsicherheit der modellierten Bewegungsinduktion bis zu 30 % der
Signalstärke entspricht und großen räumlichen sowie saisonalen Variationen
unterliegt. Die Windschubspannung des Ozeanmodells stellt hierbei eine
entscheidende Unsicherheitsquelle dar. Unabhängig von den verschiedenen
Fehlerszenarien konnten jedoch zeitlich und räumlich robuste Regionen
identifiziert werden, die nur mit niedrigen Unsicherheiten behaftet sind. Auf
den vorherigen Ergebnissen basierend wurden zum ersten Mal
Datenassimilationsexperimente mit Satellitenbeobachtungen des ozeanisch
induzierten Magnetfeldes konzipiert und durchgeführt. In einer modellbasierten
Zwillingsstudie wurden künstlich erzeugte Satellitenbeobachtungen der
Bewegungsinduktion mit einem lokalisierten und ensemblebasierten Kalmanfilter
in ein Ozeanmodell der allgemeinen Zirkulation assimiliert. Der daraus
resultierende Effekt auf das ozeanisch induzierte Magnetfeld, auf
Ozeangeschwindigkeiten sowie auf Temperatur und Salzgehalt des Meerwassers
wird gemessen. Verglichen mit einer unkorrigierten Simulation ohne
Datenassimilation wird das ozeanische Magnetfeld global um bis zu 17 % und
lokal bis zu 54 % verbessert. Die erzeugenden tiefenintegrierten
Ozeangeschwindigkeiten werden gobal um bis zu 7 % und lokal um bis zu 50 %
verbessert. Diese Werte resultieren aus einer konsistenten Korrektur der
Ozeangeschwindigkeiten von der Meeresoberfläche bis hin zum Ozeanboden.
Temperatur- und Salzverteilungen konnten durch den Kalmanfilter nicht global
korrigiert werden. Die Experimente zeigen zudem, dass Anpassungen der
Windschubspannung durch den Kalmanfilter essentiell für den Erfolg der
Datenassimilation sind.
de
dc.format.extent
xxvi, 72 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
electromagnetic induction
dc.subject
ocean circulation
dc.subject
numerical model
dc.subject
data assimilation
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::550 Geowissenschaften
dc.title
Characterization of oceanic signatures in the Earth's magnetic field in view
of their applicability as ocean model constraints
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Maik Thomas
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Rupert Klein
dc.date.accepted
2017-06-26
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104991-1
dc.title.translated
Charakterisierung ozeanischer Signaturen im Erdmagnetfeld mit Hinsicht auf
ihre Anwendbarkeit als Beschränkungen for Ozeanmodelle
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000104991
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000021748
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access