Many geoscientific measurements exhibit significant variability induced by ocean tides that can, if uncorrected, degrade the quality of observations. Thus, tidal variability is usually reduced on the observation level with the help of background models.
The barotropic ocean tide model TiME has been refined to improve this correction process. Major upgrades include updating the bathymetric data, improving the energy dissipation mechanisms, and including the effect of self-attraction of the ocean water and its loading on the solid Earth. These refinements allowed reducing the open ocean root-mean-square deviation from geodetic data by over 70% for the main lunar M2 tide, corresponding to an accuracy on the 80%-level with respect to the mean signal. The model operates independently of empirical satellite altimetry data, so this high relative accuracy also extends to partial tides with minor amplitude, where altimetry-constrained models are less accurate. TiME’s forcing module was augmented by degree-3 spherical harmonic functions and barometric and wind stress acceleration induced by the atmosphere, which enabled the simulation of additional tidal subgroups at the same accuracy level. For degree-3 tides, it could be shown that their gravimetric fingerprints on the level of only 100 pm/s2 can be identified in superconducting gravimeters and agree with the modelling results. This level is close to the threshold of gravimetric detectability and emphasizes TiME’s accuracy for the smallest tidal signals.
As a result of these simulations, the TiME22 ocean tide atlas, which comprises 57 partial ocean tides, has been compiled and is provided in Stokes coefficients for terrestrial and satellite gravimetric applications. Many minor ocean tides from this collection are not included in data-constrained ocean tide atlases. Therefore, they are usually only linearly estimated or completely neglected for gravimetric applications. It is shown for several cases that TiME22 minor tide solutions can improve the accuracy of the tidal correction for geodetic techniques, including satellite and terrestrial gravimetry. More precisely, the model validation conducted within this thesis recommends the utilization of hybrid tidal atlases comprised of altimetry data-constrained ocean tide models for large-signal tides and unconstrained solutions, such as TiME22, for minor tides. The results confirm that purely hydrodynamic ocean tide models can reliably predict tidal variability in cases where empirical data is so sparse or of such low precision that tidal solutions cannot be adequately constrained.
This line of argumentation extends to paleo-ocean tides, where direct observations are impossible, and information can only be extracted by archeological or geological sea-level markers. Within this thesis, TiME is employed to predict paleo tide levels, which indicate the possible height deviation of sea-level markers from the mean sea level at that time. Tidal levels are simulated with dense temporal sampling since the Last Glacial Maximum. The predicted levels (e.g., the mean high water) compare well to available observations and other paleo tidal simulations and represent the first data set with truly-global coverage that allows for interpretation of paleo sea level data.
Viele geowissenschaftliche Messungen weisen erhebliche gezeitenbedingte Schwankungen auf, die, wenn sie nicht korrigiert werden, die Qualität der Beobachtungen beeinträchtigen können. Daher wird die Gezeitenvariabilität in der Regel auf der Beobachtungsebene mit Hilfe von Hintergrundmodellen korrigiert.
Das barotrope Gezeitenmodell TiME wurde weiterentwickelt, um diesen Korrekturprozess zu verbessern. Die wichtigsten Verbesserungen beinhalten verfeinerte Energiedissipationsmechanismen, die Aktualisierung der Bathymetrie und die Einbeziehung des Effekts der Selbstanziehung des Ozeans und dessen Auflast auf die feste Erde. Durch diese Neuerungen war es möglich, die mittlere quadratische Abweichung der gezeiteninduzierten Meeresspiegelanomalie im offenen Ozean von geodätischen Daten um über 70% für die wichtigste Mondgezeit M2 zu verringern. Dies entspricht einer Genauigkeit von 80% in Bezug auf das mittlere Gezeitensignal. Das Modell arbeitet unabhängig von empirischen Satellitenaltimetriedaten, so dass sich diese hohe relative Genauigkeit auch auf partielle Gezeiten mit geringerer Amplitude erstreckt. Das Antriebsmodul von TiME wurde durch Grad-3 Kugelflächenfunktionen und atmosphärisch induzierte Beschleunigungen ergänzt. Dadurch ist die Simulation von zusätzlichen Partialtiden mit konstanter relativer Genauigkeit möglich. Für Grad-3 Gezeiten konnte gezeigt werden, dass ihre gravimetrischen Signaturen mit einer Amplitude von nur 100 pm/s2 in supraleitenden Gravimetern identifiziert werden können und mit den Modellierungsergebnissen übereinstimmen. Dieses Signallevel liegt nahe an der Schwelle der gravimetrischen Nachweisbarkeit und stellt die Genauigkeit von TiME für die kleinsten Gezeitensignale heraus.
Als Ergebnis dieser Simulationen wurde der TiME22 Gezeitenatlas erstellt, der 57 Partialtiden enthält. Dieser Atlas enthält viele kleinere Ozeangezeiten, die in datengestützten Ozeangezeitenatlanten nicht enthalten sind. Es wird für mehrere Fälle gezeigt, dass TiME22-Lösungen für kleinere Gezeiten die Gezeitenkorrektur geodätischer Prozesse, einschließlich Satelliten- und terrestrischer Gravimetrie, verbessern können. Insgesamt bestätigen die Ergebnisse, dass rein hydrodynamische Gezeitenmodelle die Gezeitenvariabilität in Fällen zuverlässig vorhersagen können, in denen Beobachtungen so rar oder von so geringer Genauigkeit sind, dass keine präzise empirische Vorhersage möglich ist.
Diese Argumentation erstreckt sich auch auf die Gezeiten im Paläo-Ozean, wo direkte Beobachtungen unmöglich sind und Informationen nur durch archäologische oder geologische Meeresspiegelmarker gewonnen werden können. TiME wird im Rahmen dieser Arbeit zur Vorhersage von Paläo-Gezeitenpegeln eingesetzt, die die Höhenabweichung von Meeresspiegelmarkern vom damaligen mittleren Meeresspiegel angeben. Die Gezeitenpegel wurden in engem zeitlichen Raster seit dem letzten glazialen Maximum simuliert. Die Ergebnisse stimmen gut mit den verfügbaren Beobachtungen und anderen Paläo-Gezeitensimulationen überein und liefern den ersten derartigen Datensatz mit globaler Abdeckung. Dieser ermöglicht die Interpretation von Meeresspiegelmarkern und kann für Paläo-Meeresspiegelstudien verwendet werden.
De nombreuses mesures géoscientifiques révèlent une variabilité significative induite par les marées océaniques qui, si elle n’est pas corrigée, peut dégrader la qualité des observations. Ainsi, la variabilité des marées est généralement corrigée au niveau de l’observation à l’aide de modèles numériques.
Le modèle de marée océanique barotrope TiME a été affiné pour améliorer ce processus de correction. Les principales améliorations portent sur les mécanismes de dissipation de l’énergie, la mise à jour des données bathymétriques et la prise en compte de l’effet d’auto-attraction de l’eau de mer et de sa chargement sur la Terre solide. Ces améliorations ont permis de réduire l’écart quadratique moyen en haute mer par rapport aux données géodésiques de plus de 70% pour la marée lunaire principale, ce qui correspond à une précision de 80% par rapport au signal moyen. Le modèle fonctionne indépendamment des données altimétriques empiriques des satellites, de sorte que cette grande précision relative s’étend également aux marées partielles de faible amplitude. Le module de forçage de TiME a été complété par des fonctions harmoniques sphériques de degré 3 et des accélérations barométriques et éoliennes induites par l’atmosphère, ce qui a permis de simuler des sous-groupes de marées supplémentaires au même niveau de précision. Pour les marées de degré 3, on a pu montrer que leurs empreintes gravimétriques à 100 pm/s2 près peuvent être identifiées dans des gravimètres supraconducteurs et qu’elles sont en accord avec les résultats de la modélisation. Ce résultat est proche du seuil de détectabilité gravimétrique et favorise la précision de TiME pour les signaux de marée les plus faibles.
Ces simulations ont permis de compiler l’atlas des marées océaniques TiME22, qui comprend 57 marées océaniques partielles. Nous montrons pour plusieurs cas que les solutions de marée mineure de TiME22 peuvent améliorer la précision des processus géodésiques, y compris la gravimétrie satellitaire et terrestre. Les résultats confirment que les modèles purement hydrodynamiques de marée océanique peuvent prédire de manière fiable la variabilité de la marée dans les cas où les données empiriques sont si rares ou si peu précises que les solutions de marée ne peuvent pas être contraintes de manière adéquate.
Cette argumentation s’applique également aux paléo-marées océaniques, où les observations directes sont impossibles et où l’information ne peut être extraite que par des marqueurs archéologiques ou géologiques du niveau de la mer. Dans le cadre de cette thèse TiME est utilisé pour prédire les niveaux de marée paléo, qui indiquent l’écart de hauteur possible des marqueurs du niveau de la mer par rapport au niveau moyen de la mer de cette époque. Les niveaux de marée sont simulés en continu depuis le Dernier Maximum Glaciaire. Les résultats correspondent bien aux observations disponibles et à d’autres études et fournissent le premier ensemble de données avec une couverture véritablement mondiale. Celui-ci permet d’interpréter les marqueurs du niveau de la mer et peut être utilisé pour des études paléo du niveau de la mer.
