Der Einfluss der kontinentalen Wasserspeicherung auf das Rotationsverhalten der Erde

Abstract

Die Schwankungen der Rotationsgeschwindigkeit der Erde und die Richtungsänderungen des Erdrotationsvektors werden mit modernen geodätischen Raumverfahren beobachtet und lassen sich auf Gravitationswechselwirkungen mit anderen Himmelskörpern und auf geophysikalische Prozesse zurückführen. Nach der Reduktion der beobachteten Erdrotationsschwankungen bezüglich der bekannten gravitativen Einflüsse werden die verbleibenden Schwankungen des Erdrotationsvektors maßgeblich durch Massenverlagerungen und Relativbewegungen von Massen in den einzelnen Teilsystemen der Erde, wie z.B. der Atmosphäre, hervorgerufen. Da die reduzierten geodätischen Beobachtungen stets die integrale Folgeerscheinung aller geophysikalischen Prozesse darstellen, sind einzelne ursächliche Anregungen nicht eindeutig identifizierbar. Eine Dekomposition und eine Interpretation des verbleibenden Restsignals erfordert es daher, den Zustand der Teilsysteme mit Messungen physikalischer Größen oder mit Hilfe von numerischen Modellen zu beschreiben. Neben der Analyse von Modellen der Atmosphäre und des Ozeans bezüglich der Erdrotationsschwankungen liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit in der Untersuchung von vier hydrologischen Modellen, die die kontinentale Wasserspeicherung simulieren. Im Kontext der kontinentalen Massenverlagerungen werden die hydrologischen Modelle und die hinsichtlich atmosphärisch-ozeanischer Einflüsse reduzierten Schwerefeldbeobachtungen der GRACE-Mission verglichen, wobei sich die Untersuchung nicht auf den globalen Massenumsatz beschränkt, sondern zusätzlich um regionale Analysen erweitert ist. Die ermittelten Differenzen im jährlichen Massenumsatz zwischen den einzelnen Modellen und auch zwischen den Modellen und den GRACE-Daten ergeben mit Hinblick auf die Erdrotationsschwankungen ein unterschiedliches Anregungspotenzial (chi-Funktionen). So treten zwischen den modellierten und den aus Schwerefeldbeobachtungen resultierenden Anregungen Differenzen auf, die in den äquatorialen chi-Funktionen einer Phasenverschiebung der Jahresschwingung von bis zu drei Monaten entsprechen. Wavelet-Analysen der hydrologischen chi-Funktionen zeigen episodische und quasiperiodische Signalanteile auf, die zwischen den einzelnen Modellen signifikante Korrelationen aufweisen. Entsprechende Signalcharakteristika werden auch in den um gravitative, atmosphärische und ozeanische Einflüsse reduzierten Beobachtungen der Erdrotationsschwankungen detektiert. Als Ursachen stellen sich die Oszillationen ENSO (El Niño Southern Oscillation), QBO (Quasibiennial Oscillation), TBO (Tropospheric Biennial Oscillation) und der indische Monsun heraus, die adäquate Variationen in der Wasserspeicherung Südamerikas, Australiens and Asiens bewirken. Um die Übereinstimmungen zwischen den geodätischen Beobachtungen und den modellierten Anregungen aus atmosphärischen, ozeanischen und kontinentalhydrologischen Prozessen quantifizieren zu können, werden die Zeitreihen mit dem Verfahren der spektralen MRA (multiple Regressionsanalyse) untersucht. Im spektralen Band zwischen 10 und 13 Monaten ergeben sich Widersprüche, die auf der Modellierungsseite Probleme in einer der hier untersuchten atmosphärisch-ozeanischen Kombinationen signalisieren, unabhängig von der Wahl der hydrologischen Simulation. Je nachdem welche Modelle bei der spektralen MRA miteinander kombiniert werden, erklären diese im Spektralbereich zwischen 2 und 30 Monaten die Varianz der Tageslängenschwankung im Mittel zu 93% und die Varianz der beobachteten Polbewegung zu durchschnittlich 77%.

Variations in the Earth’s rotation rate and the orientation of its axis can be observed by modern geodetic space technologies. Such variations are caused by gravitational interactions between the Earth and other celestial bodies and by geophysical processes on and within the Earth. If the geodetic observations are reduced with respect to the well known gravitational effects, the residuals can be related to the geophysical processes. These processes involve mass redistributions within and exchanges between the Earth’s subsystems (for instance the atmosphere), resulting in variations in the Earth’s inertia tensor and relative angular momentum and, consequently, variations in the length of day and the orientation of the Earth’s rotational axis, known as polar motion. In principle, geodetic observations reflect the superposition of all geophysical processes in all subsystems. Independent methods are therefore required to attribute observed rotational variations to the underlying geophysical excitation mechanisms. Hence, the estimation of the excitation potential of all subsystems must be considered separately by means of in-situ observations or simulations using numerical models. Several different models with regards to variations in the Earth’s rotation and orientation are analyzed in this paper, based on dynamical mechanisms in the atmosphere, ocean and continental water storage. The present study focusses on four different hydrological simulations and compares the corresponding models with gravity variations as observed by the GRACE mission on global scales, but with an emphasis on regional characteristics. Continental gravity changes are primarily related to variations in the hydrological cycle. The determined differences in the annual mass exchange between various hydrological models are associated with different excitation characteristics, expressed by angular momentum functions chi. The phase shift in the annual equatorial chi-functions between the hydrological models and GRACE solutions is of the order of three months. Wavelet analyses reveal episodic and quasiperiodic signals in the hydrological angular momentum functions, with significant correlations between the hydrological models. Corresponding signals are also detected in geodetic observations, after accounting for tidal, atmospheric and oceanic effects. Typical climate relevant variability patterns, such as the Indian monsoon, the ENSO (ElNiño Southern Oscillation), the QBO (Quasibiennial Oscillation) and the TBO (Tropospheric Biennial Oscillation), are identified as possible causes of episodic and quasiperiodic variations in continental water storage and, consequently, in those of the chi-functions. The application of wavelet analyses to individual continents point out that nonperiodic variations in the total hydrological chi-functions are mainly caused by water storage changes in South America, Australia and Asia. A spectral multiple regression analysis (MRA) applied to several combinations of simulated atmospheric, oceanic and hydrologic excitations as well as to the corresponding geodetic observations, indicates a disagreement in the spectrum between 10 and 13 months that can be attributed to a specific atmosphere-ocean combination, independent of the choice of the hydrological model. Independent of the model combinations used, modeled geophysical processes explain in the spectrum between 2 and 30 months approximately 93% of the variance in the length-of-day change, and about 77% of the variance in polar motion.