Validating Modeled Climate Variations Using Geodetic Monitoring Data

Abstract

On the Earth, the atmosphere, ocean, and land interact with each other. For example, an atmospheric pressure system directly influences the Sea Surface Heights (SSHs) in a barometric sense; the associated wind transfers momentum from the atmosphere into the ocean, which alters the ocean currents affecting again the SSHs. The integrated effects of all motion components directly influence the angular momentum of the Earth, while the integrated effect of all mass variations alters the Earth’s inertia. Both can excite the Earth Orientation Parameters (EOPs). In this study, we use the Community Earth System Model (CESM) to simulate mass and motion variations within a coupled climate system. The modeled mass and motion variations of all subcomponents are used to compute the total excitation functions, which then are compared to very precise global EOP observations, provided by the International Earth Rotation and Reference Systems Service (IERS). For further reference, the modeled excitation functions of the subcomponents are compared to operational excitations, provided by the German Research Centre for Geosciences (GFZ). This allows an evaluation of the global model behavior and of the subcomponents. Further, regions of particularly high influence on the excitations as well as regions of especially strong dynamical coupling are identified. Four CESM experiments were performed, one reference experiment featuring solely natural variations, while the others separate the influence of (I) a coupled ocean component; (II) the quasi-biennial oscillation (QBO) and (III) anthropogenic forcings, e.g. greenhouse gas (GHG) emissions and ozone depleting substances (ODS). The modeled EOPs are in good agreement with the reference data sets, but reveal an slight overestimation of the modeled atmospheric mass component in the North Pacific for annual to interannual timescales, leading to deviations in the X1 component. Analyzing variations among the CESM experiments reveal (I) the complete absence of interannual subtropical tropospheric jet variability when using a climatological ocean; (II) a significantly increased atmospheric mass variation in the arctic region in the absence of a QBO; and (III) hardly any modeled effect of the global dynamics with respect to anthropogenic forcings. Finally, the North Pacific - a region with particularly strong atmosphere-ocean coupling - is investigated, highlighting wind driven ocean mass variations within the model and GRACE observations. The identified significant wind patterns explain the modeled ocean mass variations and can be directly projected onto ERA-Interim data in order to estimate the independent GRACE observations. The here presented relation between the ERA-Interim winds and the GRACE gravity field observations supporting the following two conclusions: (I) ERA-Interim winds can be used to further refine GRACE observations; (II) GRACE observations contain assimilation worthy information for atmospheric models.

In dieser Arbeit werden Massen- und Bewegungsänderungen im gekoppelten Erdsystem für die Atmosphäre, den Ozean sowie für die Kontinentale Hydrologie simuliert und validiert. Simmulationen aus dem gekoppelten Erdsystemmodell CESM (Community Earth System Model) werden mit geodätischen Beobachtungen der Erdrotation (International Earth Rotation and Reference Systems Service – IERS) verglichen. Des Weiteren werden die modellierten Anregungen der einzelnen Komponenten (Atmosphäre, Ozean, Land) mit auf Reanalyse Daten basierenden Anregungsfunktionen vom Deutschen GeoforschungsZentrum (GFZ) verglichen. Gemeinsam kann so neben der globalen Analyse auch ein Gütemaß der integralen Eigenschaften der modellierten Subkomponenten abgeschätzt werden. Weitere Analysen identifizieren besonders einflussreiche Regionen sowie Bereiche besonders starker Kopplung. Zur Analyse der modellierten Klimavariation wurden vier CESM Experimente durchgeführt. Das Referenzexperiment berücksichtigt ausschließlich natürliche Variationen. Ein weiteres wird ohne gekoppelten Ozean angetrieben. Das dritte Experiment wird ohne korrigierte QBO (Quasi Biennial Oscillation) Winde simuliert, während beim vierten Experiment anthropogene Einflüsse wie Treibhausgase und ozonzerstörende Substanzen berücksichtigt werden. Grundsätzlich stimmen die modellierten Anregungsfunktionen mit den Beobachtungen und den operationellen Daten überein. Unterschiede finden sich vor allem im Jahresgang der modellierten Atmosphärenmassenkomponente im Nord Pazifik, welche sich direkt in eine Überschätzung der ersten Anregungsfunktion überträgt. Der Vergleich der vier CESM Experimente zeigt:ohne Berücksichtigung einer realistischen Ozeankomponente lassen sich keine validen Aussagen über die interannualen Variationen der zonalen Winde treffen. Außerdem beeinflusst die QBO das Bodendrucksignal der Arktis. Des Weiteren zeigt sich kein signifikanter anthropogener Effekt auf die globalen Anregungsfunktionen. Die detaillierte Analyse der Atmosphären-Ozean Kopplung im Nordpazifik bestätigt die Hypothese von windgetriebenen Ozean-Massenvariationen auf Modellebene. Die Projektion der modellierten Ergebnisse auf ERA-Interim Daten ermöglicht eine Abschätzung der unabhängig von GRACE beobachteten Massenvariationen. Dieser hier gezeigte Zusammenhang zwischen Schwerefeldbeobachtungen und den atmosphärischen Winden veranschaulicht den gegenseitigen Nutzen beider Datensätze für einander: GRACE-Beobachtungen können unter Berücksichtigung der Reanalyse-Windfelder weiter verbessert werden. Außerdem können GRACE-Daten in Atmosphärenmodelle assimiliert werden.