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.
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.
