Non-Tidal Atmosphere and Ocean Background Modelling for Satellite Gravimetry: Development of AOD1B RL07

Abstract

The satellite gravimetry missions GRACE and its successor GRACE-FO measure large-scale mass redistributions in the Earth system, including changes in terrestrial water storage, ice shelves, the oceans and atmosphere as well as the solid Earth. As the measurements are typically accumulated over one month before the computation of a gravity solution, high-frequency mass variations need to be accounted for using a-priori background models. The Atmosphere and Ocean Dealiasing Level 1B (AOD1B) data product routinely provides the necessary simulated non-tidal mass variations in the atmosphere and oceans. While progress towards better background models has been made over the past years, residual errors in the simulated atmospheric and oceanic mass variations are still among the largest limiting factors to the overall GRACE accuracy. As a result, further improvements of these data-products are directly linked to improvements in the final gravity solutions and thus subsequent geophysical analyses. This thesis summarizes the most recent improvements to the AOD1B product, including an updated ocean model configuration considering the effects of self-attraction and loading, an updated atmospheric component as well as an improved post-processing and tidal analysis. All of these changes are shown to result in a better representation of the simulated mass variations and are thus combined into a new release RL07 of AOD1B. Additionally, the new release is examined in terms of its stability and consistency over long and short time-scales. Spurious trends, low-frequency signals or bias jumps in the background model data can, if unaccounted for, introduce biases into the global gravity solutions which are prone to be interpreted erroneously in subsequent geophysical analyses. Consequently, the analysis focuses on signals that might be induced into the final gravity field solutions such as trends but also possible discontinuities caused by changes is the employed atmospheric datasets. It is shown that AOD1B RL07 is free from such artifacts and can thus safely be used as a background model in satellite gravimetry. Finally, an analysis of the residual errors in AOD1B RL07 is presented. The estimation is based on ensemble statistics derived from different atmospheric reanalyses. For the oceans, the impact of both the forced and intrinsic variability is investigated through differences in simulation experiments. The atmospheric and oceanic information is then combined to produce a new time-series of true errors, called AOe07, which is applicable in combination with AOD1B RL07 and can be used both as stochastic information in the gravity field retrieval process, as well as in simulation studies in preparation for future satellite gravimetry missions.

Die Satellitenmission GRACE und ihre Nachfolgemission GRACE-FO messen großskalige Umverteilungen der Massen im Erdsystem. Diese beinhalten unteranderem Veränderungen in terrestrischen Wasserspeichern, Schelfeis, den Ozeanen und der Atmosphäre sowie der festen Erde. Da die Satellitendaten vor der Berechnung einer Schwerefeldlösung typischerweise über einen Monat akkumuliert werden, müssen hochfrequente Massenvariationen durch a-priori Hintergrundmodelle berücksichtigt werden. Das Atmosphere and Ocean Dealiasing Level 1B (AOD1B) Datenprodukt stellt eben diese gezeitenunabhängigen Massenvariationen in der Atmosphäre und den Ozeanen routiniert zur Verfügung. Obwohl die Hintergrundmodelle der Sattellitengravimetrie über die Jahre hinweg regelmäßig verbessert wurden, sind Fehler in den Modellen immernoch eine der größten Limitierungen für GRACE und GRACE-FO. Im Gegenzug haben Verbesserungen in den Modellen einen direkten positiven Einfluss auch die Genauigkeit der Schwerefeldlösungen und damit auch indirekt auf die darauf basierenden geophysikalischen Anwendungen. In dieser Arbeit wird die Weiterentwicklung von AOD1B hin zu einem neuen Release AOD1B RL07 zusammengefasst. Der Fokus liegt dabei auf einer aktualisierten Konfiguration des Ozeanmodells, inklusive der Berücksichtigung der Effekte der Selbstanziehung und Auflast der Wassersäule, einem Update der atmosphärischen Komponente und einer verbesserten Datenprozessierung mit verbesserter Behandlung atmosphärischer Gezeiten. Es wird gezeigt, dass diese Veränderungen zu einer besseren Darstellung der atmosphärischen und ozeanischen Massenveränderungen führen und somit zu einer verringerung der GRACE Unsicherheiten beitragen können. Zusätzlich wird der neue Datensatz auf seine Stabilität und Konsistenz auf sowohl langen als auch kurzen Zeitskalen hin untersucht. Fälschliche Trends oder Diskontinuitäten in den Hintergrundmodellen können bei der Prozessierung der Satellitendaten in die Schwerefeldlösung gebracht werden und anschließend in geophysikalischen Anwendungen zu Fehlinterpretationen führen. Es wird ein Fokus auf bekannte Übergänge in den atmosphärischen Daten von AOD1B sowie lineare Trends gelegt, und gezeigt, dass AOD1B keine entsprechenden problematischen Artefakte aufweist und daher für die Anwendung in der Satellitengravimetrie geeignet ist. Abschließend werden die residuellen Unsicherheiten des neuen Datensatzes abgeschätzt. Die Analyse basiert dabei auf der statistischen Auswertung verschiedener atmosphärischer Reanalysen und ozeanischer Ensemble-Simulationen, wobei sowohl die atmosphärisch induzierte Variabilität, als auch die intrinsische Variabilität berücksichtigt werden. Die Ergebnisse beider Komponenten werden anschließend kombiniert, um eine neue Zeitreihe echter Fehler, AOe07 genannt, zur Verfügung zu stellen. Diese ist dabei auf AOD1B RL07 abgestimmt und kann daher sowohl als stochastische Information in der Berechnung der Schwerefeldlösungen verwendet, als auch in Simulationsstudien für zukünftige Schwerefeldmissionen genutzt werden.