Climate-driven and intrinsic oceanic excitation of low-frequency polar motion variability

Abstract

Earth rotation is fundamental for defining reference systems and applications such as navigation on Earth and in space. In addition to lunisolar torques, internal processes such as mantle deformations or mass redistributions in geophysical fluids affect the rotation of our planet. Along with lunisolar torques, variations in the atmosphere, ocean, terrestrial hydrology, and cryosphere cause small fluctuations, reported as Earth Orientation Parameters and including polar motion and changes in length-of-day (ΔLOD). Since the total angular momentum is conserved, it can only be exchanged between the subsystems of the Earth. The ocean, with its large-scale mass redistributions, induces rotational fluctuations, quantified as excitation functions previously unexplored termed ocean angular momentum (OAM). This thesis aims to shed light on the processes involved in the oceanic excitation of polar motion on interannual time scales. Specifically, the excitation induced by (i) the El Niño–Southern Oscillation (ENSO) and (ii) intrinsic oceanic (i.e., internally generated) variability is quantified. In addition, OAM estimates from three ocean reanalyses are tested for their value in Earth rotation studies, with an eye on potential impacts of the reanalyses' sequential data assimilation (DA) schemes. For periods <120 days and after correction of atmospheric effects, the three reanalyses explain 40–50% of equatorial and 30–40% of ΔLOD excitation variance, comparable to a widely used ocean state estimate. Uncertainties remain at longer time scales, reflecting an increased sensitivity to the chosen DA scheme. With the reliability of the OAM series varying across products and time scales, a statistical combination is a good middle ground by suppressing uncertainties. Quantifying ENSO-induced polar motion excitation is the second contribution of this thesis. Previous studies have shown that ENSO modulates ΔLOD through changes in atmospheric winds. Here, the hypothesis is tested whether ENSO excites polar motion through changes in OAM. The ENSO-induced polar motion is derived from four coupled climate models. The mass term is dominant over the motion term (five orders of magnitude) mainly along 90°E with amplitudes of ±4 mas, particularly via a Pacific-Indian basin-wide mass exchange. During three ENSO cycles (1997/98, 2009/10, 2015/16), OAM changes explain 40–50% of the residual observed polar motion excitation variance, but co-occurrence with other broadband signals complicates a clear attribution to ENSO. The final goal is to investigate the excitation signals associated with intrinsic ocean variability, which emerges from non-linear local processes and can attain large (e.g., basin-wide) scales. Ensemble simulations (1995–2015) indicate that intrinsic OAM fluctuations account for ~46% of interannual oceanic excitation, quantified here for the first time. Mass variability is dominated by a single mode of intrinsic bottom pressure fluctuations, which emerges from Drake Passage and exhibits a see-saw pattern between the Atlantic and Southern/Pacific Oceans. Overall, the results in this thesis provide a valuable contribution to understanding ocean-induced low-frequency polar motion variability. Accurate OAM estimates and consideration of model uncertainties due to, e.g., intrinsic variability, are crucial when the goal is to scrutinise rotation data for more subtle effects from other geophysical fluids. Ocean model limitations could be mitigated by assimilating gravity field data or satellite altimetry in future work. In addition, knowledge of the ENSO-induced oceanic excitation signals—as worked out in this thesis—creates an opportunity to improve the accuracy of both OAM estimates and long-term polar motion predictions.

<strong>Klimagetriebene und intrinsische ozeanische Anregung der niederfrequenten Polbewegungsvariabilität</strong><br/> Die Erdrotation ist grundlegend für die Definition von Referenzsystemen und Anwendungen wie die Navigation auf der Erde und im Weltraum. Neben lunisolarer Drehmomente verursachen Massenverlagerungen in Atmosphäre, Hydrosphäre und Kryosphäre Schwankungen in der Polbewegung und der Rotationsrate (ΔLOD). Der Gesamtdrehimpuls bleibt erhalten, Teile davon können jedoch zwischen den Subsystemen ausgetauscht werden. Besonders der Ozean regt durch großskalige Massenumverteilungen Rotationsschwankungen an, welche sich über den ozeanischen Drehimpuls (ocean angular momentum, OAM) quantifizieren lassen. Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung bislang unberücksichtigter Prozesse in der ozeanischen Anregung der niederfrequenten Polbewegung. Konkret werden Anregungssignale im Zusammenhang mit (i) El Niño–Southern Oscillation (ENSO) und (ii) der intrinsischen (d.h., intern generierten) Variabilität des Ozeans betrachtet. Darüber hinaus werden erstmals OAM-Schätzungen aus Ozean-Reanalysen auf ihren Nutzen für Erdrotationsstudien geprüft, insbesondere hinsichtlich möglicher Einflüsse der verwendeten Datenassimilationsschemata. Für <120 Tage und nach Reduktion atmosphärischer Beiträge erklären die drei Reanalysen 40–50% der Varianz der äquatorialen und 30–40% der Varianz der ΔLOD-Anregung, vergleichbar mit den Statistiken einer oftmals verwendeten ozeanischen Zustandsschätzung. Auf längeren Zeitskalen lassen sich teils fadenscheinige Fluktuationen in den OAM-Reihen erkennen, wobei eine statistische Kombination der drei Produkte Unsicherheiten reduziert. Im zweiten Kernbeitrag wird anhand des Outputs gekoppelter Klimamodelle untersucht, ob ENSO die Polbewegung durch OAM-Schwankungen anregt. Der Massenterm dominiert das ENSO-Signal in OAM gegenüber dem Bewegungsterm um fünf Größenordnungen mit Amplituden von ±4 mas, insbesondere über einen beckenweiten Massenaustausch zwischen Indik und Pazifik. Für die ENSO-Zyklen in 1997/98, 2009/10 und 2015/16 erklären OAM-Änderungen 40–50% der Varianz der nicht-ozeanischen Polbewegungsanregung, doch überlagernde breitbandige Anregungssignale erschweren eine eindeutige Zuordnung zu ENSO. Schließlich wird die Rolle der intrinsischen Ozeanvariabilität untersucht, welche aus kleinräumigen Instabilitäten hervorgeht, durch Ausgleichsmechanismen im Ozean aber beckenweite Ausdehnung erreichen kann. Ensemble-Simulationen (1995–2015) zeigen, dass die intrinsischen OAM-Schwankungen ~46% der äquatorialen ozeanischen Anregung mit Perioden >1 Jahr ausmachen. Die Variabilität des Massenterms ist auf eine einzige Mode an Bodendruckschwankungen zurückzuführen, die vermutlich durch nicht-lineare Dynamik in der Drake-Passage erzeugt wird und ein Dipol-Muster zwischen dem Atlantik und dem Südlichen/Pazifischen Ozean annimmt. Insgesamt tragen diese Ergebnisse wesentlich zum Verständnis der ozeanischen Anregung der niederfrequenten Polbewegung bei. Genaue OAM-Schätzungen und die Berücksichtigung von Modellunsicherheiten, beispielsweise in Zusammenhang mit intrinsischer Variabilität, sind entscheidend, wenn es darum geht, beobachtete Erdrotationsschwankungen auf kleinere Effekte anderer Fluide hin zu untersuchen. Einschränkungen der Modelle lassen sich in zukünftigen Studien durch die Assimilation von Schwerefeld- oder Satellitenaltimetriedaten verringern. Darüber hinaus bietet das neu gewonnene Wissen um die zu erwartenden OAM-Signale während verschiedener ENSO-Phasen die Möglichkeit, sowohl die Genauigkeit von OAM-Schätzungen als auch Langzeitvorhersagen der Polbewegung zu verbessern.