dc.contributor.author
Kuhlmann, Julian
dc.date.accessioned
2018-06-07T15:41:17Z
dc.date.available
2014-03-31T11:39:49.129Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/1456
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-5658
dc.description.abstract
Mass distribution in the global ocean, equivalently described in terms of
Ocean Bottom Pressure (OBP), varies on a broad range of temporal and spatial
scales. It can be measured either in-situ or from space with satellites. In-
situ measurements are performed either directly with sensors placed on the sea
floor or indirectly through the deformation of the Earth's crust. Furthermore,
ocean mass distribution can be modeled numerically. This work aims at
combining measurements of OBP and sea-surface height with simulations to
investigate physical processes which cause temporal and spatial variations of
oceanic mass distribution. Gravitational Self-Attraction and Loading (SAL) of
oceanic masses impacts OBP patterns particularly in the case of tides. In
order to obtain accurate estimates of tidal amplitudes, frequencies, and
phases, the consideration of SAL during the simulation of ocean dynamics is
crucial. Additionally, the effects of oceanic, atmospheric, and hydrological
loads on non-tidal mass variations have recently moved into the focus of
research. These loads evolve more slowly and have smaller amplitudes, thus
their importance is less obvious. In order to simulate the impact of SAL on
non-tidal sea level variations, a setup of the global Ocean Model for
Circulation and Tides (OMCT) was designed. Modeling results demonstrate SAL to
be most important on sub-weekly time scales. Spatially, SAL is particularly
important in coastal areas or, due to remote action, in regions where ocean
dynamics are weak. Compared to a full consideration of the SAL effect,
parameterizations are shown to be inadequate, since their inaccuracies are
often of a similar order of magnitude as the impact of SAL itself. From
simulations of ocean dynamics on regional scales carried out with the Regional
Ocean Modeling System (ROMS), focussing on the surroundings of South Africa,
it emerges that non-tidal OBP variability on time scales of days to months in
this region is strongly influenced by mesoscale eddies called Agulhas Rings.
Agulhas Rings are not detectable in OBP data from the current Gravity Recovery
and Climate Experiment (GRACE) satellites. Their modeled impact on OBP,
however, shows high enough amplitudes, low enough frequencies, and large
enough spatial extents for them to be detected once the anticipated tenfold
increase in accuracy is achieved with data from future satellite gravity
missions. After the end of the current GRACE mission, a gap in the data will
open until the scheduled start of a follow-on mission. A method to fill this
gap based on complementary in-situ data is presented. Combining spatial
patterns of dominant variability with time series of crustal deformations ---
measured, for instance, with GPS networks --- is pursued in order to extend
GRACE data of non-tidal ocean loading into the future. The method predicts
deformation with a residual error of 0.5 mm or less on all continental
surfaces except in the polar regions. Future prospects for the investigation
of OBP variability include model setups assimilating observational data,
implementations of additional physical processes into ocean models, and
investigations of recurring patterns with clustering methods.
de
dc.description.abstract
Die Verteilung von Wassermassen im globalen Ozean, gleichbedeutend beschrieben
als Ozeanbodendruck (Ocean Bottom Pressure, OBP), variiert auf verschiedensten
zeitlichen und räumlichen Skalen. Sie kann in situ oder mit Hilfe von
Satelliten gemessen werden. In situ-Messungen werden entweder direkt mit auf
dem Meeresboden platzierten Sensoren oder indirekt über die Verformung der
Erdkruste durchgeführt. Massenverteilungen können zudem numerisch modelliert
werden. Ziel dieser Arbeit ist es, Messungen von OBP und Meereshöhe mit
numerischen Simulationen zu kombinieren, um physikalische Prozesse zu
untersuchen, welche zeitliche und räumliche Variationen von Massenverteilungen
im Ozean verursachen. Gravitative Selbstanziehung und Auflast (Self-Attraction
and Loading, SAL) ozeanischer Massen beeinflusst OBP-Muster insbesondere im
Fall von Tiden. Um präzise Abschätzungen der Amplituden, Frequenzen und Phasen
von Tiden zu erhalten, ist eine Berücksichtigung von SAL während der
Simulation der Ozeandynamik unverzichtbar. Darüber hinaus sind in den letzten
Jahren vermehrt die Auswirkungen ozeanischer, atmosphärischer und
hydrologischer Auflasten auf Massenverteilungen im Ozean in den Fokus der
Forschung gerückt. Diese Auflasten variieren langsamer und mit kleineren
Amplituden, so dass ihre Bedeutung unklarer ist. Um den Einfluss von SAL auf
gezeitenunabhängige Meeresspiegelmuster zu modellieren, wurde eine
Konfiguration des globalen Ozeanmodells Ocean Model for Circulation and Tides
(OMCT) entworfen. Die Modellergebnisse zeigen, dass SAL vor allem auf sub-
wöchentlichen Zeitskalen bedeutsam ist. Räumlich ist SAL besonders in
Küstengebieten oder, aufgrund von Fernwirkungen, in Regionen mit schwacher
Ozeandynamik von Bedeutung. Verglichen mit der vollständigen Berechnung des
SAL-Effekts erweisen sich Parametrisierungen als unzureichend, da ihre
Ungenauigkeiten oft von ähnlicher Größenordnung wie der Einfluss von SAL
selbst sind. Die Modellierung regionaler Ozeandynamik in der Umgebung
Südafrikas, durchgeführt mit dem Regional Ocean Modeling System (ROMS),
ergibt, dass tägliche bis monatliche gezeitenunabhängige
Bodendruckvariabilität stark von mesoskaligen Eddies, den Agulhasringen,
beeinflusst wird. Agulhasringe sind in den OBP-Daten der Gravity Recovery and
Climate Experiment (GRACE) Satellitenmission nicht detektierbar. Ihr
modellierter Einfluss auf OBP zeigt jedoch Amplituden, die hoch genug,
Frequenzen, die niedrig genug, und räumliche Ausdehnungen, die groß genug
sind, um sie zu detektieren, wenn die angestrebte Verbesserung der Genauigkeit
zukünftiger Satelliten-Schwerefeldmissionen um einen Faktor zehn erreicht
wird. Nach dem Ende der aktuellen GRACE-Mission öffnet sich eine Lücke in den
Messdaten bis zum Start der geplanten Folgemission. Eine Methode zum Füllen
dieser Lücke, basierend auf komplementären in-situ Messungen, wird
präsentiert. Dominierende Variabilitätsmuster im Raum lassen sich mit
gemessenen Zeitreihen der Krustendeformation, wie sie zum Beispiel GPS-Netze
liefern, kombinieren, um die GRACE-Daten gezeitenunabhängiger ozeanischer
Auflasten in die Zukunft fortzusetzen. Die Methode sagt Deformationen mit
einem Restfehler von 0,5 mm oder weniger auf allen kontinentalen Oberflächen
außerhalb der Polarregionen voraus. Mögliche Erweiterungen der Untersuchung
von Bodendruckvariabilität beinhalten die Assimilation von Beobachtungsdaten
in Ozeanmodelle, die Implementierung zusätzlicher physikalischer Prozesse und
die Untersuchung wiederkehrender Muster mittels Clustering.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
ocean modeling
dc.subject
satellite observations
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::550 Geowissenschaften, Geologie::551 Geologie, Hydrologie, Meteorologie
dc.title
Simulated And Observed Sea Level And Ocean Mass Variations
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Maik Thomas
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Uwe Ulbrich
dc.date.accepted
2014-02-07
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000096287-5
dc.title.translated
Simulierte und beobachtete Meeresspiegel- und Ozeanmassenvariationen
de
refubium.affiliation
Geowissenschaften
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000096287
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000014977
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free
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open access