Quantifizierung einzelner Beiträge zum Meeresspiegel durch Kombination von Schwerefeld- und Altimeterdaten
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- Fritz Meissner
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1 Quantifizierung einzelner Beiträge zum Meeresspiegel durch Kombination von Schwerefeld- und Altimeterdaten L. Jensen, R. Rietbroek, A. Löcher, J. Kusche Universität Bonn Geodätische Woche, Hannover
2 Motivation 3.3 ± 0.4 mm/a ( ) Schmelzende Gletscher Schmelzende Eiskappen Thermische Ausdehnung Hydrologische Variationen Glazialisostatischer Ausgleich 2 Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010)
3 Motivation 3.3 ± 0.4 mm/a ( ) Schmelzende Gletscher Schmelzende Eiskappen Thermische Ausdehnung Hydrologische Variationen Glazialisostatischer Ausgleich 2 Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010) Wie groß sind die einzelnen Beiträge?
4 Motivation 3.3 ± 0.4 mm/a ( ) Schmelzende Gletscher Schmelzende Eiskappen Thermische Ausdehnung Hydrologische Variationen Glazialisostatischer Ausgleich 2 Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010) Wie groß sind die einzelnen Beiträge? Wie groß sind interannuale Variationen?
5 Motivation 3.3 ± 0.4 mm/a ( ) 2.6 ± 0.4 mm/a ( ) Schmelzende Gletscher Schmelzende Eiskappen Thermische Ausdehnung Hydrologische Variationen Glazialisostatischer Ausgleich 2 Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010) Wie groß sind die einzelnen Beiträge? Wie groß sind interannuale Variationen?
6 Motivation 3.3 ± 0.4 mm/a ( ) 2.6 ± 0.4 mm/a ( ) Schmelzende Gletscher Schmelzende Eiskappen Thermische Ausdehnung Hydrologische Variationen Glazialisostatischer Ausgleich 2 Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010) Wie groß sind die einzelnen Beiträge? Wie groß sind interannuale Variationen? Wie können wir die Zeitreihen mit anderen Daten nach hinten/vorne verlängern?
7 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) 3
8 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) 3 Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge
9 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge Gletscher Grönland Antarktis Hydrologie GIA Sterische Beiträge 3
10 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) Gravimetrie (GRACE) Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge Gletscher Grönland Antarktis Hydrologie GIA Sterische Beiträge 3
11 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) Gravimetrie (GRACE) Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge Gletscher Grönland Antarktis Hydrologie GIA Sterische Beiträge Zeitl. Variationen des Schwerefeldes (Masse) Blind für sterische Beiträge 3
12 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) Gravimetrie (GRACE) Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge Gletscher Grönland Antarktis Hydrologie GIA Sterische Beiträge Zeitl. Variationen des Schwerefeldes (Masse) Blind für sterische Beiträge 3 Kombination ist sinnvoll!
13 Beobachtung des Meeresspiegels Altimetrie (z.b. Jason-1) Gravimetrie (GRACE) Zeitl. Variationen von Meereshöhen Summe aller Beiträge Gletscher Grönland Antarktis Hydrologie GIA Sterische Beiträge Zeitl. Variationen des Schwerefeldes (Masse) Blind für sterische Beiträge 3 Kombination ist sinnvoll! Aber: wie können die Massenbeiträge getrennt werden?
14 Regionale Meeresspiegelvariationen 4 Trend von 1993 bis 2008, aus: Cazenave und Llovel, Annu. Rev. Mar. Sci. (2010) Meeresspiegel steigt nicht global gleichmäßig an, durch: - Schwankungen in Temperatur und Salzgehalt (Ausdehnung) - gravitative Effekte und Deformationen der Erdoberfläche aufgrund von Massenumverteilungen
15 Fingerprints Jeder Beitrag weist ein spezielles räumliches Meeresspiegel-Muster auf (sog. Fingerprint) 5
16 Fingerprints Jeder Beitrag weist ein spezielles räumliches Meeresspiegel-Muster auf (sog. Fingerprint) Beispiel: Fingerprints bei 1 Gt/a Massenverlust 5 Grönland mm/a
17 Fingerprints Jeder Beitrag weist ein spezielles räumliches Meeresspiegel-Muster auf (sog. Fingerprint) Beispiel: Fingerprints bei 1 Gt/a Massenverlust 5 Grönland mm/a Antarktis mm/a
18 Fingerprints Jeder Beitrag weist ein spezielles räumliches Meeresspiegel-Muster auf (sog. Fingerprint) Beispiel: Fingerprints bei 1 Gt/a Massenverlust 5 Grönland mm/a Antarktis Hypothese: Beobachtetes Muster ist die Summe der (skalierten) Fingerprints aller Beiträge mm/a
19 Idee Fingerprint-Inversion (Gravitative) Fingerprints können unter Annahme einer Massenverteilung vorab (qualitativ) physikalisch berechnet werden Zeitvariable Skalierungsfaktoren (Größe der Fingerprints bzw. der Beiträge) zunächst unbekannt Nutzung von GRACE und Jason-1 Daten (nur) zur Schätzung der Faktoren x in gemeinsamer Inversion 6 = xgreen(t) + xant(t) + xhydro(t) GRACE (t) = xgreen(t) + xant(t) + xhydro(t) JASON (t)
20 Berechnung Fingerprints a) Lösung der Meeresspiegelgleichung Fingerprints für Grönland, Antarktis, Gletscher und kontinentale Hydrologie 7
21 Berechnung Fingerprints a) Lösung der Meeresspiegelgleichung Fingerprints für Grönland, Antarktis, Gletscher und kontinentale Hydrologie 7 b) EOF-Analyse von ARGO-Daten Fingerprints für sterische Beiträge
22 Berechnung Fingerprints a) Lösung der Meeresspiegelgleichung Fingerprints für Grönland, Antarktis, Gletscher und kontinentale Hydrologie 7 b) EOF-Analyse von ARGO-Daten Fingerprints für sterische Beiträge Insgesamt ca. 100 Fingerprints
23 Fingerprint-Inversion GRACE 8.. gesuchte Faktoren der Fingerprints.. Fingerprints in Stokes-Koeffizienten.. GRACE Stokes-Koeffizienten.. Kovarianzmatrix GRACE
24 Fingerprint-Inversion GRACE Jason gesuchte Faktoren der Fingerprints.. Fingerprints in Stokes-Koeffizienten.. GRACE Stokes-Koeffizienten.. Kovarianzmatrix GRACE.. Fingerprints an Positionen der Jason-1 Beobachtungen.. Jason-1 Beobachtungen.. Beobachtungsfehler Jason-1
25 Fingerprint-Inversion GRACE Jason gesuchte Faktoren der Fingerprints.. Fingerprints in Stokes-Koeffizienten.. GRACE Stokes-Koeffizienten.. Kovarianzmatrix GRACE +.. Fingerprints an Positionen der Jason-1 Beobachtungen.. Jason-1 Beobachtungen.. Beobachtungsfehler Jason-1 Kombination der Normalgleichungen und Inversion
26 Ergebnis 9 Trends für 08/2002 bis 07/2009 aus Inversion: Grönland Antarktis Gletscher Hydrologie Sterisch GIA mm/a 0.63± ± ± ± ± ±0.01 Trends hängen wegen interannualer Variationen stark vom betrachteten Zeitraum ab.
27 Längere Zeitreihen Für zuverlässige Trendschätzung werden lange Zeitreihen benötigt. Welche Daten können wir nutzen, falls GRACE nicht (mehr) zur Verfügung steht? Verlängerung der Zeitreihe nach hinten und nach vorne 10
28 Längere Zeitreihen Für zuverlässige Trendschätzung werden lange Zeitreihen benötigt. Welche Daten können wir nutzen, falls GRACE nicht (mehr) zur Verfügung steht? Verlängerung der Zeitreihe nach hinten und nach vorne TOPEX/Poseidon Jason-1 GRACE Lageos CS SWARM GRACE-FO
29 Längere Zeitreihen Für zuverlässige Trendschätzung werden lange Zeitreihen benötigt. Welche Daten können wir nutzen, falls GRACE nicht (mehr) zur Verfügung steht? Verlängerung der Zeitreihe nach hinten und nach vorne TOPEX/Poseidon Jason-1 GRACE Lageos CS SWARM GRACE-FO Wie genau könnten die einzelnen Beiträge in der Inversion jeweils bestimmt werden? Betrachtung formaler Fehler
30 Formale Fehler I 11 Betrachtung von wöchentlichem Datensatz Genauigkeit der Massenbeiträge vollständig aus GRACE Jason-1 allein bestimmt Massenbeiträge schlecht, sterische Beiträge gut
31 Formale Fehler II 12 Nur langwellige Schwerefelder aus SLR ableitbar Reduzierung der Anzahl an Fingerprints In der Praxis wäre auch Reduzierung der zeitl. Auflösung nötig Kombination mit Altimetrie steigert Genauigkeit signifikant
32 Formale Fehler III 13 Auflösung aller Fingerprints möglich, bei deutlichem Verlust an Genauigkeit (ca. Faktor 3) Bei verringerter zeitlicher Auflösung Überbrückung der Zeitreihen zwischen GRACE und GRACE-FO möglich
33 Fazit Kombination von GRACE und Jason-1 Daten in Fingerprint-Inversion liefert Zeitreihen für alle Beiträge zum zeitvariablen Meeresspiegel Nutzung von Schwerefeldern aus SLR statt GRACE erfordert Reduzierung der räumlichen und zeitlichen Auflösung Schwerefelder aus SWARM können einen wertvollen Beitrag in Inversion leisten 14
34 Backup-Folien 15
35 Meeresspiegelgleichung Beschreibt zeitliche Änderung des Meeresspiegels aufgrund von Massenumverteilungen Änderung des Meeresspiegels Gravitative Effekte des Meeresspiegels selbst Gravitative Effekte durch Auflaständerung 16 Ozeanfunktion (Null auf Land, Eins im Ozean) Änderungen des Gravitationspotentials aufgrund der Auflaständerungen Gleichförmiger Anstieg Greensche Funktionen: Elastische Reaktion der Erde auf eine punktförmige Auflast
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