Entwicklung eines physikalisch konsistenten Systemmodells zur Untersuchung von Rotation, Oberflächengestalt und Schwerefeld der Erde
Final Report Abstract
In dem hier vorgestellten Projekt wurde durch die Zusammenarbeit von Ozeanographie, Geodäsie, Meteorologie und Hydrologie - ein freies, gekoppeltes Modell der Klimasubsysteme Atmosphäre, Ozean, Kryosphäre und Landoberflächen realisiert, das soweit möglich vollständig und stetig die Massen- und Energieflüsse sowie die Schubspannungen und Oberflächendrücke zwischen den Subsystemen austauscht und so den Energie-, Wasser- und Drehimpulskreislauf des Gesamtsystems konsistent erfasst. Das Verhalten des Modells wird lediglich durch die externen Antriebsfaktoren wie solare Einstrahlung, vulkanische Aerosole, anthropogene Treibhausgase- und Aerosolemissionen und die gravitativen Einflüsse von Sonne und Mond bestimmt. Dies ist somit das erste globale gekoppelte Erdsystemmodell, in dem die Gezeiten explizit berücksichtigt werden. - durch eine detaillierte Modellierung der globalen Abflusssysteme die Wirkung der Landoberflächenhydrologie auf die Komponenten des Trägheitstensors des Geosystems bestimmt und bewertet. Die Übereinstimmung mit satelliten-bestimmten Schwerefeldvariationen zeigt, dass die im Projekt erstellte Modellkombination prinzipiell zur Assimilation der Satellitendaten verwendet werden kann. - ein dynamisches Kreiselmodell der festen Erde entwickelt, das durch atmosphärische und ozeanische Drehmomente sowie atmosphärische, ozeanische und hydrologische Beiträge zum Trägheitstensor angetrieben wird. Dies ermöglicht die integrale Betrachtung der Beiträge der Geofluide zu Variationen der Erdorientierungsparameter und des Schwerefeldes. - dem stochastischen Charakter des modellierten Geosystems Rechnung getragen, indem Ensemblesimulationen durchgeführt wurden, bei denen durch entsprechende statistische Auswertungen das interne Klimarauschen von den angetriebenen Anteilen („Klimasignalen“) separiert und quantifiziert werden kann. Drei wesentliche Ergebnisse sind erreicht worden: - Der Einfluss der Gezeiten auf die allgemeine Zirkulation des Ozeans über die tideninduzierte, vertikale Vermischung von Wärme, Salz und Impuls im Ozean führt im Nordatlantik zu einer Reduktion des systematischen Fehlers in Modellen des nordatlantischen Stromsystems. - Die Chandler-Schwingung der Drehachse der festen Erde mit einer Periode von ca. 430 Tagen wird durch die zufällige Komponente der atmosphärischen und ozeanischen Bodendruckvariationen im Periodenbereich 400-460 Tagen aufrechterhalten. - Die axiale Komponente des atmosphärischen Drehimpulses und die sich daraus ergebende Änderung der Tageslänge zeigen in den Klimaprojektionen des 21sten Jahrhunderts ein deutliches anthropogenes Signal. Die astrometrisch-geodätischen Beobachtungen des Drehimpulses der festen Erde können somit einen Beitrag zum Monitoring globaler Umweltveränderungen liefern, wenn der ozeanische Anteil durch ein gekoppeltes Geosystemmodell, wie es in diesem Vorhaben entwickelt wurde, entsprechend berücksichtigt wird.
