Analyse hydrographischer Schnitte mit Satellitenaltimetrie

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The recovery of the oceanic flow field from in situ data is one of the oldest problems of modern oceanography. In this study, a stationary, non-linear inverse model is developed and described that estimates a geostrophic flow field from hydrographic data along a hydrographic section. The model is augmented to improve these estimates with measurements of the absolute sea surface height by satellite altimetry. The mathematics involved make use of the variational calculus of the adjoint method. Measurements of the absolute sea surface height include estimates of an equipotential surface, the geoid. Compared to oceanographic measurements, this geoid is known only to low accuracy and spatial resolution, which restricts the use of sea surface height data to applications of large scale phenomena of the circulation. Dedicated satellite missions that will lead to high precision, high resolution geoid models are planned and/or in preparation. In this study, a particular method is presented that allows the use of sea surface height data, that is consistent with its error covariance. A first test of the model in a scenario with a small data set demonstrates some of the model’s characteristics. One has to handle the mathematical under-determination of the model by introducing sufficient prior information about the state of the ocean. This independent information could be taken from a hydrographic atlas. Twin experiments with a data set taken from a general circulation model of the FLAME group reveal the importance of improved geoid models for estimating the flow field along a hydrographic section. When the sea surface height data is weighted according to the error estimates of the future geoid models GRACE and GOCE integrated transports of volume and temperature can be determined with an accuracy that is improved over the case with no sea surface height data by 55%. With the error estimates of the currently available geoid model EGM96 the reduction of the estimated errors does not exceed 18%. The inverse model estimates integrated volume transports through the WOCE hydrographic section SR3, one of the choke point sections of the Antarctic Circumpolar Current, of 145–166 Sv. These values agree with the ones found by other authors. The error estimates range from 13 Sv without to 11 Sv with sea surface height data. The sea surface height data is referenced to the EGM96 geoid model and weighted according to its error covariance. Sea surface height data and an estimate of the sea surface height by the model are found to deviate from each other by more than the error estimates. Danksagung Die vorliegende Arbeit wurde am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung (AWI) unter der Betreuung von Herrn Prof. Dr. Dirk Olbers und Dr. Jens Schröter angefertigt. Ich bin dankbar, an einem Institut gearbeitet zu haben, das solch gute Voraussetzungen für die Anfertigung einer Dissertation bietet. Herrn Prof. Dr. Dirk Olbers danke ich für die Anregung und Übertragung dieser Arbeit. Ebenso gebührt mein Dank Herrn PD Dr. Reiner Schlitzer für die zeitaufwendige Erstellung eines Gutachtens. Herr Dr. Jens Schröter unterstützte mich in allen Phasen, die schließlich zu diesem Text geführt haben, und gab mir viele hilfreiche Anregungen. Von seiner Erfahrung habe ich viel profitieren können. Folgenden Personen gilt mein besonderer Dank dafür, dass sie die Daten zur Verfügung stellten, die ich in dieser Arbeit verwendet habe: Dr. René Redler erstellte den synthetischen Datensatz mit einem Zirkulationsmodell der FLAME Gruppe; Dr. Nico Sneeuw schätzte die Fehler für die noch nicht existierenden Geoidmodelle GRACE und GOCE; daneben trug er entscheidend zu meinem Verständnis der Erde bei, wie sie durch die Augen eines physikalischen Geodäten gesehen wird; Dr. Nathan Bindoff, ich danke ihm auch stellvertretend für andere Vertreter der ” messenden Zunft“, befuhr den SR3 und erhob die Hydrographie; Dr. Pierre-Yves LeTraon und Dr. Fabrice Hernandez berechneten die mittlere Meereshöhe CLS SHOM98.2 und beantworteten mir auch viele Fragen; die Gruppe um Dr. Lemoine erzeugte das Geoidmodell EGM96 und machte es im Internet frei verfügbar. Dr. Ralf Giering, dem Entwickler des TAMC, danke ich für die bereitwillige Unterstützung beim Einsatz seines Programmwerkzeuges nicht weniger als für die Bereitstellung dieses schwer verzichtbaren Hilfsmittels. Bei Uwe, Alexey, Gennady, Bernadette, Katja, Manfred, Dima, Vladimir, Hartmut, Verena, Sven und Sveta bedanke ich mich für die schöne Arbeitsatmosphäre. Ein großes Dankeschön geht an Holger, Jan, Christian, Uwe und Heike für Fehlerlesen ohne viel Federlesen. Heike, Hannah und Nora, ihr habt meine Launen ausgehalten und immer ausreichend für Zerstreuung gesorgt, dafür danke ich euch! Lebenslauf PERSÖNLICHE DATEN Name : Martin Losch Geburtsdatum : 12.06.1969 Geburtsort : Hamburg Nationalität : deutsch Adresse : Bürgermeister-Smidt-Str.191, 27568 Bremerhaven