Ensemble Simulations of Atmospheric Angular Momentum and its Influence on the Earth’s Rotation

Abstract

The exchange between angular momentum of the solid portion of the Earth and of the atmosphere plays a vital role in exciting small but measurable changes in the rotation of our planet. Recent improvements in geodetic data and atmospheric research has allowed for new insights into fluctuations of the Earth's rotation. Atmospheric general circulation models (GCMs) are able to simulate mass movements and mass concentrations on a global scale in a realistic way. Due to enormous changes in the mass distribution and motions relative to the rotating Earth the atmosphere has an important impact on Earth rotation parameters (ERPs). For this thesis ensemble simulations with the ECHAM5 GCM for the period from 1880 to 2006 have been conducted - driven by sea surface temperatures, sea ice concentrations, green house gas concentrations, aerosols, and solar forcing. For the purpose of investigating possible future long term trends in ERPs, A1B scenario runs from 2000 to 2060 were carried out with the coupled atmosphere-ocean GCM ECOCTH.<br /> A detailed structure analysis compares time series of observed ERPs and those deduced from atmospheric reanalyses with the atmospheric ensemble simulations. In general ECHAM5 is able to explain a larger proportion of the variance in observed ERPs than its predecessors. Fluctuations in Earth rotation linked to the quasi-biennial oscillation are not present in the simulations, as the model fails to generate this stratospheric mode. Variations in the length-of-day (LOD) induced by ENSO and the annual cycle are well comprehended by the simulation. As for reanalyses the amplitude of the semiannual cycle is significantly underestimated and only reaches about 66 percent of the observed one.<br /> An analysis of variance of the ensemble simulations indicates that the semiannual variations can not be explained by external boundary conditions to a large extent. They are primarily driven by internal processes. Densities of local atmospheric angular momentum (AAM) variations tend to be mainly driven by boundary conditions over sea in the tropics. Significant departures from harmonic annual and semiannual oscillations in the seasonal axial AAM cycle are found during the strong annual decrease in May and June, resulting in higher frequency contributions in the power spectrum. The equatorial x-component of the simulated AAM shows a significant statistical correlation with the solar irradiance. Observed polar motion with the oceanic and tidal effects removed shows significant correlations with both the simulated equatorial x- and y-component of the atmospheric excitation. <br /> The ECOCTH scenario runs show a significant increase in LOD by 0.26+-0.03 ms for the year 2060, solely caused by an increase in the motion term. However, under the same conditions the ECHO-G model projects a smaller trend with an increase of 0.17+-0.03 ms for the year 2060 containing a small but significant positive contribution of the matter term.<br /> Most studies dealing with the impact of the atmosphere on Earth rotation use reanalysis data. As a conclusion it is stated, that model approaches are able to clearly distinguish between internally induced and externally driven variability. Additionally possible future states of the whole Earth-atmosphere system can be derived. Variables (e.g. ERPs) derived from a partially chaotic system, such as the atmosphere, contain deterministic and chaotic signals. Ensemble simulations are able to respect the nature of these signals.

<strong>Ensemble-Simulationen der atmosphärischen Drehimpulse und deren Einfluss auf die Erdrotation</strong><br /> Der Drehimpulsaustausch zwischen der festen Erde und der Atmosphäre sorgt für kleine messbare Schwankungen in der Erdrotation. In den letzten Jahren verbesserte sich die Qualität der geodätischen Beobachtungen und der atmosphärischen Modellierung und führte zu neuen Erkenntnissen über Erdrotationsschwankungen. Atmosphärische Zirkulationsmodelle simulieren die Massenbewegungen und die Massenkonzentrationen auf der globalen Skala realistisch. Die Atmosphäre hat aufgrund von Variationen in ihrer Massenverteilung und Dynamik einen großen Einfluss auf die Erdrotationsparameter (ERPs). Für diese Arbeit wurden Ensemble-Simulationen mit dem globalen Zirkulationsmodell ECHAM5 für den Zeitraum 1880 bis 2006 gerechnet. Zum Antrieb der Simulationen wurden Meeresoberflächentemperaturen, Meereis-, Treibhausgas-, Aerosolkonzentrationen und solare Einstrahlung vorgegeben. Um langzeitliche Trends in den ERPs abschätzen zu können, wurden A1B-Szenarienläufe von 2000 bis 2060 mit dem gekoppelten Atmosphären-Ozean-Modell ECOCTH verwendet.<br /> Eine Strukturanalyse vergleicht Zeitreihen der beobachteten und von Reanalysen abgeleiteten ERPs mit simulierten Werten. Im Allgemeinen können die ECHAM5 Simulationen im Vergleich zu den Vorgängerversionen einen größeren Teil der beobachteten Varianz in den ERPs erklären. Schwankungen in den ERPs, die auf die quasi-biennial oscillation zurückzuführen wären, werden nicht simuliert, da das Modell keine stratosphärischen Windoszillationen im entsprechenden Frequenzbereich enthält. Durch ENSO und den Jahresgang verursachte Schwankungen der Tageslänge (LOD) werden gut wiedergegeben. Ähnlich zu den atmosphärischen Reanalysen wird die Amplitude der Halbjahresoszillation signifikant unterschätzt; sie erreicht lediglich ca. 66 Prozent des beobachteten Wertes.<br /> Eine Varianzanalyse der Ensemble-Simulationen zeigt, dass die Halbjahreswelle nur zu einem geringen Anteil durch externe Faktoren bestimmt wird, sondern vielmehr ein Ergebnis interner Prozesse ist. Variationen lokaler Drehimpulsdichten werden über dem tropischen Ozean hauptsächlich durch externe Antriebe bestimmt. Im simulierten Jahresgang der axialen Drehimpulskomponente werden signifikante Abweichungen von einer überlagerten halb- und ganzjährlichen harmonischen Schwingung in den Monaten Mai und Juni während des starken Abfalls festgestellt. Diese nicht-harmonischen Anteile müssen im Spektrum durch höher frequente Signale beschrieben werden.<br /> Die äquatoriale x-Komponente des simulierten atmosphärischen Drehimpulses korreliert signifikant mit der solaren Einstrahlung. Die von ozeanischen und Gezeiteneffekten korrigierte beobachtete Polbewegung korreliert signifikant mit den entsprechenden simulierten atmosphärischen Anregungen.<br /> Die ECOCTH Szenarienläufe induzieren einen, ausschließlich durch den Windterm bedingten, Zuwachs in der LOD von 0.26+-0.03 ms für das Jahr 2060. Das ECHO-G Modell projiziert hingegen einen Anstieg von 0.17+-0.03 ms, der auch einen kleinen signifikanten Anteil des Massenterms beinhaltet.<br /> Die meisten Studien über den atmosphärischen Einfluss auf die Erdrotation benutzen Reanalysedaten. Als Fazit lässt sich festhalten, dass der gewählte Modellansatz den Vorteil bietet, dass sich die Variabilität in den ERPs klar in Teile interner und extern angetriebener Variabilität unterscheiden lässt. Außerdem lassen sich mögliche zukünftige Zustände im System Erde-Atmosphäre ableiten. Bei einem teilweise chaotischen System wie der Atmosphäre besitzen abgeleitete Größen (z.B. ERPs) deterministische und stochastische Anteile, Ensemble-Simulationen können dies respektieren.