Retrieval of sea level and surface loading variations from geodetic observations and model simulations

Abstract

The mass distribution in the system Earth changes dynamically over time. Time-variable mass transport mainly arises from the interplay between the terrestrial hydrological water cycle, the ocean and atmosphere, and the Earth’s cryosphere. To understand the dynamics of the system Earth and its climate, it is of paramount importance to establish and maintain an accurate observational basis of these surface processes, against which models and theories can be tested. A variety of observational techniques are used today. The time-variable gravity is measured from space by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), Earth deformation processes are monitored by a permanent global network of GPS stations, and sea surface changes are detected by a family of satellite altimeters. The underlying motivation of this work is that the combination of the different observation types allows the mitigation of some of the technique-specific limitations. In the framework of this dissertation, several types of geodetic observations have been combined in a least-squares sense to estimate present-day changes of surface mass storage in the Earth system, using dynamically consistent surface loading theory. Two types of inversion schemes have been designed and implemented. In the first scheme, time variable gravity from GRACE, deformations of a permanent GPS station network, and simulated ocean bottom pressure changes from an ocean model, are used to estimate weekly surface loading changes covering the entire globe. In the second inversion scheme, (inter-)annual changes of the Earth’s cryosphere, ocean and terrestrial water cycle, are parameterized by a predefined set of standing waves, whose time variations are estimated by combining GRACE gravimetry with satellite altimetry from Jason-1 and Jason-2.

<strong>Ein kombinierter Ansatz zur Bestimmung von Meeresspiegelschwankungen und Auflastsveränderungen aus geodätischen Beobachtungen und Modellsimulationen</strong> <br> Die Verteilung der Massen im System Erde verändert sich dynamisch über die Zeit. Zeitvariable Massentransporte entstehen vor allem durch das Zusammenspiel von terrestrischem hydrologischem Wasserkreislauf, Cryosphäre, sowie Ozeanen und Atmosphäre. Das Verständis der Dynamik des Systems Erde sowie damit im Zusammenhang stehender Klimaveränderungen erfordert ein umfassendes Beobachtungssystem dieser Oberflächenprozesse, gegen welches Modelle und Theorien getestet werden können. Heutzutage gibt es eine Vielzahl von Erdbeobachtungstechniken. Das zeitvariable Gravitationsfeld wird aus dem Weltall durch die GRACE-Mission (Gravity Recovery and Climate Experiment) vermessen. Deformationsprozesse der Erdoberfläche können mit Hilfe eines globalen Netzwerkes permanenter GPS-Stationen überwacht und Änderungen der Meeresoberfläche von Altimetersatelliten detektiert werden. Dieser Arbeit liegt die Motivation zugrunde, dass die Kombination verschiedener Beobachtungstypen die technisch-spezifischen Einschränkungen einzelner Beobachtungstechniken verringern kann. Im Rahmen der vorliegenden Dissertation werden verschiedene geodätische Beobachtungen in einem Kleinste-Quadrate Ansatz kombiniert, um unter Ausnutzung einer dynamisch konsistenten Auflasttheorie die heutigen Veränderungen der Oberflächenspeicher im Erdsystem zu bestimmen. Zwei verschiedene Inversionsschemata wurden dazu entworfen und implementiert. In einem ersten Schema werden zeitvariable Schwerefelder von GRACE, Deformationen eines Netzwerkes permanenter GPS-Stationen und durch ein Ozeanmodell simulierte Ozeanbodendruckvariationen verwendet, um wöchentliche Auflastveränderungen für die gesamte Erde zu bestimmen. Im zweiten Inversionsschema werden (inter-)annuale Veränderungen von Cryosphäre, Ozean und terrestrischem Wasserkreislauf durch einen vordefinierten Satz stehender Wellen parametrisiert, deren Zeitvariationen aus einer Kombination von GRACE und Altimetriebeobachtungen der Satelliten Jason-1 und Jason-2 geschätzt werden.