Dynamik der Atmosphäre und Hydrosphäre

Dynamische Prozesse in Atmosphäre, Ozeanen und dem kontinentalen Wasserkreislauf beeinflussen zahlreiche geodätische und geophysikalische Beobachtungen: Ozeangezeiten verursachen periodische Variationen im Magnet- und Schwerefeld der Erde, welche von Satellitenmissionen vermessen werden.  Mit Hilfe von Satellitennavigationsverfahren bestimmbare Stationspositionen auf der Erdoberfläche sind beeinflusst von vertikalen Deformationen aufgrund atmosphärischer Auflasten die auch von der lokalen Rheologie der Erdkruste abhängen. Großräumige Änderungen des terrestrisch gespeicherten Wassers können routinemäßig mit gravimetrischen Verfahren überwacht werden, und Umverteilungen von Wassermassen von den Kontinenten in die Ozeane verändern den Meeresspiegel auf globalen und regionalen Skalen.

Wir entwickeln und nutzen numerische Verfahren basierend auf den grundlegenden Prinzipien der geophysikalischen Fluiddynamik zur Analyse und Interpretation von geodätischen und geophysikalischen Beobachtungsdaten als Beitrag zu einem vertieften Verständnis des Systems Erde. Kern unserer Arbeiten sind globale Ozeanzirkulationsmodelle in globalen oder regionalen Konfigurationen welche Prozesse wie ozeanische Gezeiten, Auflast- und Selbstanziehungsrückkopplungen in die Zirkulationsdynamik, oder atmosphärische Luftdruckeffekte in Ergänzung zu den üblicherweise berücksichtigten atmosphärischen Antriebsdaten abbilden. Wir nutzen auch Modelle des kontinentalen Wasserkreislaufs, welche den vertikalen Wasser- und Energieaustausch mit der Atmosphäre sowie laterale Transporte im Boden und den Oberflächengewässern simulieren. Alle Modelle werden typischerweise mit atmosphärischen Daten aus globalen Reanalysen oder operationellen numerischen Wettervorhersagemodellen angetrieben. 

Numerische Modellexperimente der Sektion 1.3 tragen zum Design und der Spezifizierung von Nutzeranforderungen an zukünftige Beobachtungssysteme bei, wie beispielsweise der Entwicklung von Schwerefeldmissionen der nächsten Generation, der satellitengestützten GNSS-Reflektometrie, oder innovativen ozeanographischen in situ Sensoren entlang von transkontinentalen Telekommunikationskabeln

Die Modellergebnisse werden auch zur Korrektion von Effekten der oberflächennahen Fluiddynamik aus geodätischen Beobachtungen genutzt. Routinemäßig für verschiedene internationale Wissenschaftsgemeinschaften bereitgestellte Produkte umfassen das GRACE Atmosphäre und Ozean De-Aliasing Produkt AOD1B, global gegitterte Krustendeformationen aufgrund von Oberflächenauflasten und geophysikalische Anregungszeitreihen der Erdrotation

Zur Validation von Modellen -- und der Exploration von geophysikalischen Signalen die bislang noch nicht hinreichend genau verstanden und in Modellen abgebildet werden konnten -- beteiligen wir uns auch an der Auswertung von Beobachtungen. Dazu zählen insbesondere in situ Messungen des ozeanischen Bodendrucks, von Massentransportdaten der Satellitengravimetrie, oder Messungen von zeitlichen Variationen des Erdmagnetfelds im Zusammenhang mit ozeanischer Dynamik

Für die Synthese von numerischen Modellen und Beobachtungsdaten werden Datenassimilationsverfahren entwickelt, die speziell auf Satellitenbeobachtungen des Magnet- und Schwerefeldes der Erde und in situ Beobachtungen von einzelnen Sensoren am Meeresgrund  oder Sensorketten entlang von transkontinentalen Kabeltrassen zugeschnitten sind. 

Wir berechnen auch Simulationen unter Bedingungen verschiedener geologischer Zeitalter für Untersuchungen zu Veränderungen der Ozeandynamik im Laufe der Erdentwicklung. Simulationen der tiefen westlichen Randströme im Pliozän helfen bei der Interpretation von Sedimentkernen aus dem Nordatlantik. Für ein besseres Verständnis der meridionalen Wärmetransporte im Ozean in der Vergangenheit wird unter Anderem die globale Gezeitendynamik für verschiedene Epochen vom frühen Albian (110 Ma) bis hin zum Pliozän (3.5 Ma) simuliert. 

Erkenntnisse aus der Analyse von Simulationen über historische Zeiträume können sodann zur Vorhersage von zukünftigen Änderungen im Erdsystem herangezogen werden. So werden beispielsweise routinemäßig jeden Tag Vorhersagen von Änderungen der Rotation der Erde für Vorhersagehorizonte von Tagen bis hin zu Wochen zur Anwendungen in der Satellitenkommunikation und -navigation veröffentlicht.

Kontakt

Henryk Dobslaw
Arbeitsgruppenleiter
Dr. Henryk Dobslaw
Erdsystem-Modellierung
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