The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) is a joint National Aeronautics and Space Administration / Deutsches Zentrum für Luftund Raumfahrt (NASA/DLR) mission to map the time-variable and mean gravity field of the Earth, and was launched on March 17, 2002. The nature of the gravity field inverse problem amplifies the noise in the data that creeps into the mid and high degree and order harmonic coefficients of the earth's gravity fields for monthly variability, making the GRACE estimation problem ill-posed. These errors, due to the use of imperfect models and data noise, are manifested as peculiar errors in the gravity estimates as north-south striping in the monthly global maps of equivalent water heights. In order to reduce these errors, this study develops a methodology based on Tikhonov regularization technique using the L-curve method in combination with orthogonal transformation method. L-curve is a popular aid for determining a suitable value of the regularization parameter when solving linear discrete ill-posed problems using Tikhonov regularization. However, the computational effort required to determine the L-curve can be prohibitive for a large scale problem like GRACE. This study implements a parameter-choice method, using Lanczos bidiagonalization that is a computationally inexpensive approximation to L-curve called L-ribbon. This method projects a large estimation problem on a problem of size of about two orders of magnitude smaller. Using the knowledge of the characteristics of the systematic errors in the GRACE solutions, this study designs a new regularization matrix that reduces the systematic errors without attenuating the signal. The regularization matrix provides a constraint on the geopotential coefficients as a function of its degree and order. The regularization algorithms are implemented in a parallel computing environment for this study. A five year time-series of the candidate regularized solutions show markedly reduced systematic errors without any reduction in the variability signal compared to the unconstrained solutions. The variability signals in the regularized series show good agreement with the hydrological models in the small and medium sized river basins and also show non-seasonal signals in the oceans without the need for post-processing. / text

Aujourd’hui, la communauté scientifique dispose de jeux de données gravimétriques avec une précision et une résolution spatiale sans précédent qui améliorent nos connaissances du champ gravitationnel terrestre à différentes échelles et longueurs d’ondes, obtenues de mesures du sol à des satellites. Parallèlement à la gravimétrie, l’avancement des observations par satellite fournit à la communauté des modèles d’élévation numérique plus détaillés pour refléter la géométrie de la structure terrestre. Ensemble, ces nouveaux jeux de données offrent une excellente occasion de mieux comprendre les structures et la dynamique de la Terre à l’échelle locale, régionale et mondiale. L'utilisation et l'interprétation de ces données de haute qualité exigent le raffinement des approches standards dans le traitement et l'analyse des données liées à la gravité. Cette thèse consiste en une série d’études visant à améliorer la précision du traitement des données de gravité et gravité de gravité gradients pour les études géodynamiques. Pour ce faire, nous développons un outil, appelé GEEC (Gal Eötvös Earth Calculator), pour calculer précisément les effets gravimétriques dues à tout corps de masse, indépendamment de sa géométrie et de sa distance par rapport aux mesures. Les effets de gravité et des gravité gradients sont calculés analytiquement en utilisant la solution intégrale linéaire d'un polyèdre irrégulier. Les validations aux échelles locale, régionale et mondiale confirment la robustesse des performances du GEEC, où la résolution du modèle, qui dépend à la fois de la taille de la masse corporelle et de sa distance par rapport au point de mesure, contrôle fortement la précision des résultats. Nous présentons une application pour évaluer les paramètres optimaux dans le calcul des gradients de gravité et de gravité dus aux variations de topographie. La topographie joue un rôle majeur dans l'attraction gravitationnelle de la Terre; par conséquent, l'estimation des effets topographiques doit être soigneusement prise en compte dans le traitement des données gravimétriques, en particulier dans les zones de topographie accidentée ou à grande échelle. Pour les études de gravité de haute précision à l'échelle mondiale, le processus de correction de la topographie doit prendre en compte l'effet topographique de la Terre entière. Mais pour les applications locales à régionales basées sur des variations relatives à l'intérieur de la zone, nous montrons que la topographie tronquée à une distance spécifique peut être adéquate, même si ignorer la topographie de cette distance peut générer des erreurs. Pour soutenir ces arguments, nous montrons les relations entre les erreurs relatives à la gravité, la distance de troncature de la topographie et l'étendue de la zone d'étude. Enfin, nous abordons le problème: les mesures GOCE sont-elles pertinentes pour obtenir une image détaillée de la structure d'une plaque de subduction, y compris sa géométrie et ses variations latérales? Les résultats du calcul des avec des modèles de subduction synthétiques calculés à l’altitude moyenne du GOCE (255 km) démontrent que les bords de subduction et les variations latérales du pendage produisent des variations des gradients détectables avec le jeu de données GOCE. Dans l'application à la zone de subduction Izu-Bonin-Mariana (IBM), la topographie et les effets bathymétriques ont été supprimés avec succès. Cependant, dans l'application au cas réel de la zone de subduction Izu-Bonin-Mariana, les caractéristiques géométriques du second ordre du slab sont difficiles à détecter en raison de la présence des effets crustaux restants. Ceci est dû à l'imprécision du modèle crustal global existant qui est utilisée, qui conduit à une élimination impropre de l'effet crustal. / Nowadays, the scientific community has at its disposal gravity and gravity gradient datasets with unprecedented accuracy and spatial resolution that enhances our knowledge of Earth gravitational field at various scales and wavelengths, obtained from ground to satellite measurements. In parallel with gravimetry, the advancement of satellite observations provides the community with more detailed digital elevation models to reflect the Earth’s structure geometry. Together, these novel datasets provide a great opportunity to better understand the Earth’s structures and dynamics at local, regional, and global scales. The use and interpretation of these high-quality data require refinement of standard approaches in gravity-related data processing and analysis. This thesis consists of a series of studies aiming to improve the precision in the chain of gravity and gravity gradient data processing for geodynamic studies. To that aim, we develop a tool, named GEEC (Gal Eötvös Earth Calculator) to compute precisely the gravity and gravity gradients effects of due to any mass body regardless of its geometry and its distance from measurements. The gravity and gravity gradients effects are computed analytically using the line integral solution of an irregular polyhedron. The validations at local, regional, and global scales confirm the robustness of GEEC’s performance, where the resolution of the model, that depends on both size of the body mass and its distance from the measurement point, control strongly the accuracy of the results. We present an application for assessing the optimum parameters in computing gravity and gravity gradients due to topography variations. Topography has a major contribution in Earth gravitational attraction, therefore the estimation of topography effects must be carefully considered in the processing of gravity data, especially in areas of rugged topography or in large-scale studies. For high-accuracy gravity studies at a global scale, the topography correction process must consider the topography effect of the entire Earth. But for local to regional applications based on relative variations within the zone, we show that truncated topography at a specific distance can be adequate, although, ignoring the topography pas this distance could produce errors. To support these arguments, we show the relationships between gravity relative errors, topography truncation distance, and the extent of study zone. Lastly, we approach the issue: Are GOCE measurements relevant to obtain a detailed image of the structure of a subducting plate, including its geometry and lateral variation? The results of gravity gradient forward modelling using synthetic subduction models computed at GOCE’s mean altitude (255 km) demonstrate that both subduction edges and lateral variations of subduction angle produce gravity gradient variations that are detectable with GOCE dataset (∼100 km wavelength and 10 mE amplitude). However, in the application to the real case of Izu-Bonin-Mariana subduction zone, the second-order geometric features of the subducting plate are difficult to be detected due to the presence of the remaining crustal effects. This is caused by the inaccuracy of the existing global crustal model, that leads to inaccurate crustal effect removal.

Mars est entourée d'une atmosphère ténue, composée à 95% de dioxyde de carbone (CO2). Au cours d'une année martienne, des transferts de masse (jusqu'à 30% du CO2 atmosphérique) entre l'atmosphère et les calottes polaires produisent des variations temporelles à très grande longueur d'onde du champ de gravité, notamment des harmoniques zonaux de son développement en harmoniques sphériques (de fait les coefficients ”composites” de degré 2 et 3). D'un autre côté, le potentiel gravitationnel du Soleil induit des déformations, dites de marée, du volume martien. Ces déformations produisent un potentiel perturbateur en tout point extérieur à la planète, proportionnel à son nombre de Love de degré 2 k2. k2 traduit la réponse élastique de la planète au potentiel solaire et permet de caractériser physiquement le noyau de Mars (sa nature, solide ou liquide, et son rayon). Une manière de quantifier les transferts de la masse atmosphérique et l'état du noyau est de déterminer les perturbations inhérentes sur le mouvement d'un satellite artificiel. Le cycle saisonnier du CO2 et l'état du noyau impliquent aussi des variations de la rotation de Mars. Une autre manière de quantifier les transferts de la masse atmosphérique et l'état du noyau est donc d'observer leurs effets sur la rotation. Des simulations d'observations de trajectographie de satellites (comme celles de Mars Global Surveyor, MGS, Odyssey, MODY) et/ou de la position d'un réseau de stations à la surface de Mars (comme dans l'expérience NEIGE) nous ont permis de voir s'il est possible de restituer précisément les variations des harmoniques zonaux de gravité de bas degré et/ou la rotation. Avec les observations réelles de trajectographie des missions américaines MGS et MODY, on a restitué les variations des harmoniques zonaux de gravité de bas degré et k2.

Die neuen Schwerefeld-Satellitenmissionen CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) können wesentlich zur Erforschung und Beobachtung des Systems Erde beitragen. Die Antarktis als ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem bietet dabei besondere Herausforderungen. GRACE hat hier das Potential, zeitliche Massenänderungen (unter anderem der Eismasse) zu beobachten. Methoden zur Auswertung der Missionsdaten befinden sich gegenwärtig in einem intensiven Entwicklungsprozess, zu dem die vorliegende Arbeit beitragen soll. Inhaltlicher Schwerpunkt ist die Nutzung von GRACE zur Ermittlung zeitlicher Massenvariationen in der Antarktis. Die Analysen erfolgen in erster Linie aus der Position eines Nutzers von Standard-Missionsprodukten, betreffen aber grundsätzlich den gesamten Auswerteprozess. Nach einer Einführung werden zunächst die Hintergründe der Arbeit ausgeführt (Kapitel 2), speziell die theoretischen Grundlagen zu Massen- und Schwerefeldvariationen, Phänomene geophysikalischer Massenvariationen und die neuen Schwerefeldmissionen mit ihrem Potential zur Beobachtung solcher Massenvariationen. Ein Hauptteil der Arbeit behandelt die Frage, welche Signale und Fehler in den Schwerefeldlösungen der Missionen enthalten sind (Kapitel 3). Zunächst werden dazu gegenwärtige Prozessierungskonzepte zur Erstellung von CHAMP- und GRACE-Schwerefeldlösungen skizziert und die GRACE-Monatslösungen des GeoForschungsZentrums Potsdam als ein Standard-GRACE-Produkt vorgestellt. Es folgen verschiedene Analysen zur Fehlerstruktur der Schwerefeldlösungen, wobei insbesondere die Fehlerstruktur von GRACE-Monatslösungen anhand ihres Zeitverhaltens empirisch untersucht werden. Als eine Ursache empirisch festgestellter, aber durch Fehlermodelle nicht vollständig beschriebener Fehlerstrukturen werden schließlich Alias-Effekte von unmodellierten zeitlichen Variationen auf die geschätzten räumlichen Variationen qualitativ und quantitativ beschrieben und diskutiert. Ein zweiter Hauptteil untersucht geophysikalische Rückschlüsse aus GRACE-Schwerefeldlösungen mit Anwendung auf die Schätzung antarktischer Eismassensignale (Kapitel 4). Methoden zur Schätzung von Massensignalen aus den Schwerefeldlösungen werden systematisch zusammengestellt und teilweise weiterentwickelt. Die praktische Anwendung dieser Methoden zur Schätzung von Eismassenänderungen des Antarktischen Eisschildes und seiner großen Eiseinzugsgebiete wird erklärt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der unterschiedlichen Mechanismen, die zu Fehlern der geschätzten Massensignale führen, sowie auf der Abschätzung dieser Fehler. Im Lichte der gewonnenen Einsichten in die methodischen Unsicherheiten der angewandten Analysetechniken erfolgt schließlich die Präsentation und Diskussion der Ergebnisse, einschließlich eines Vergleichs mit bisher veröffentlichten Massenbilanzresultaten. Möglichkeiten zu methodischen Verbesserungen, die in den vorangegangenen Untersuchungen deutlich werden, aber über den Rahmen der Arbeit hinausgehen, werden in einem eigenen Kapitel (Kapitel 5) diskutiert. Dies betrifft sowohl solche Verbesserungen, die bereits auf der Basis der gegenwärtigen GRACE-Monatslösungen möglich sind, als auch Verbesserungen in der Generierung dieser Monatslösungen oder, allgemeiner, in der GRACE-Prozessierung. Die Kombination der GRACE-Daten mit komplementären Beobachtungen und Modellen spielt in den unterschiedlichen Stadien der GRACE-Datenanalyse eine Schlüsselrolle. In Bezug auf die Trennung antarktischer Massensignale werden Kombinationsstrategien nochmals gesondert diskutiert. Schließlich werden die Hauptergebnisse der Arbeit nochmals zusammengefasst und eingeordnet (Kapitel 6). / The new gravity field satellite missions CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) and GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) can provide essential contributions to the study and the monitoring of the Earth system. Hereby, Antarctica as a key element of the climate system offers particular challenges. GRACE has the potential to observe temporal variations of masses such as ice masses, in particular. Methods to analyse the mission data are currently in a process of intensive development. The present work aims to contribute to this process. The focus is on the use of GRACE to determine temporal mass variations in Antarctica. The analyses are carried out from the viewpoint of a standard product user. Nonetheless, they concern the entire process of GRACE data analysis. After an introduction, the background of the work is explained, in particular the theoretical fundamentals of mass and gravity field variations, the phenomena of geophysical mass variations and the new gravity field missions with their potential to observe these variations (chapter 2). One main part of the work (chapter 3) treats the question which signals and errors are contained in the missions' gravity field solutions (chapter 3). Current CHAMP and GRACE processing approaches are outlined. The GRACE monthly solutions by GeoForschungsZentrum Potsdam are introduced. Subsequently, different analyses about error structures of gravity field mission solutions are presented. In particular, an empirical analysis of time-variations of the GRACE monthly solutions reveals error structures which are not completely described by error models. As one cause of this discrepancy, alias effects of unmodelled temporal variations on the spatial patterns of the solutions are discussed qualitatively and quantitatively. Another main part of the work (chapter 4) investigates geophysical inferences from the GRACE monthly solutions, with Antarctica taken as a case study. Methods to estimate mass signals are systematised and partly enhanced. The practical applications of these methods for the estimation of Antarctic ice mass changes is explained. The different error mechanisms are investigated in detail, and corresponding errors are assessed. The results about Antarctic ice mass changes are then presented, compared to previous results and discussed in the light of the remaining methodological uncertainties. The studies reveal directions for methodological improvements, and so, related ideas are discussed in a separate chapter (chapter 5). They concern both the analysis of current GRACE monthly solutions and the generation of these solutions, or, more generally, the GRACE processing. The combination of GRACE data with complementary observations and models plays a key role in the different levels of GRACE data analysis. Combination strategies are, hence, once more discussed with regard to Antarctic mass signals. Finally, the main results of the work are summarised and discussed in a broader context.

L’un des défis majeurs relevé par la gravimétrie moderne consiste en la détermination de modèles mathématiques et de cartes numériques du champ de gravité de la Terre dont la fiabilité est identique quelle que soit l’échelle spatiale considérée en domaines terrestre, littoral, marin et sous-marin. Aujourd’hui, les harmoniques de haut degré correspondant aux courtes longueurs d’onde du champ de gravité sont encore affectés de grandes incertitudes de par la diversité et les différences de précision et de résolution des techniques gravimétriques permettant de les atteindre. Le principal obstacle à l’amélioration de la résolution et la précision des modèles vient de ce que les systèmes de gravimétrie et gradiométrie mobiles, seuls instruments qui permettent des acquisitions à précision et à résolution spatiale homogènes, demeurent encore encombrants et gros consommateurs d’énergie, ce qui interdit en particulier leur installation sur des drones terrestres, aériens, navals de surface et sous-marins. L’intérêt de ce type de porteur est de pouvoir opérer des acquisitions très proches des sources ce qui accroît considérablement la restitution des variations locales de la gravité. Le développement d’un nouveau type de capteur gravimétrique à faible encombrement et moindre consommation énergétique apparaît donc indispensable pour répondre à la problématique posée par la mesure des courtes longueurs d’onde du champ de gravité.Dans le cadre de ses activités de recherche en gravimétrie, le Laboratoire de Géomatique et Foncier (Cnam/GeF EA 4630), en collaboration avec le Laboratoire de Recherche en Géodésie (LAREG) de l’Institut National de l’information Géographique et forestière (IGN), le Laboratoire Domaines Océaniques (LDO, UMR CNRS 6538, UBO), l’Institut Français de Recherche pour l’Exploitation de la Mer (IFREMER) et le Service Hydrographique et Océanographique de la Marine (SHOM), développe un instrument novateur qui permet la mesure dynamique du champ de gravité terrestre en fond de mer.Le système baptisé GraviMob (système de Gravimétrie Mobile) ne nécessite pas de plateforme stabilisée et se fixe rigidement dans l’habitacle du véhicule porteur, en l’occurrence, un submersible autonome. Le cœur du système est constitué de triades d’accéléromètres, permettant une mesure vectorielle de l’accélération de pesanteur. Un traitement des mesures par filtrage de Kalman, intégrant les données de position et d’orientation du véhicule porteur, réalise la restitution du champ de pesanteur dans un référentiel adapté à son interprétation et son exploitation. Ce prototype instrumental a été expérimenté en Mer Méditerranée au cours de l’année 2016, à l’aplomb de profils gravimétriques de surface acquis antérieurement par le SHOM. La comparaison du signal gravimétrique obtenu en fond de mer avec les données du SHOM indique une répétabilité de la tendance générale du signal gravimétrique à 5 mGal près.Ce manuscrit aborde successivement, l’établissement de l’équation d’observation du système GraviMob, l’étalonnage et l’orientation des accéléromètres du capteur, la stratégie d’estimation du champ de pesanteur par un filtre de Kalman intégrant un modèle d’évolution des composantes du champ de pesanteur et un modèle d’observation tenant compte du bruit de mesure, le traitement et l’analyse des mesures acquises lors de son expérimentation en Mer Méditerranée, puis la comparaison du signal gravimétrique obtenu avec les données de référence. / One of the major challenges of modern gravimetry consists in determining mathematical models and digital maps of the Earth’s gravity field, the reliability of which is identical whatever the spatial scale considered in terrestrial, coastal, marine and submarine domains. Today, the harmonics of high degree corresponding to the short wavelengths of the gravity field are still affected by great uncertainties due to the diversity and the differences in precision and resolution of the gravimetric techniques making it possible to reach them. The main obstacle to improve the resolution and accuracy of models is that gravimetry and gradiometry mobile devices, the only instruments that allow homogeneous precision and spatial resolution acquisitions, are still bulky and energy-intensive, which prohibits their installation on terrestrial, aerial, surface and submarine drones. The interest of this type of carrier is to make acquisitions very close to the sources which considerably increases the restitution of the local variations of the gravity. The development of a new type of gravimetric sensor with small size and lower energy consumption appears therefore essential to answer the problematic posed by the measurement of the short wavelenghts of the gravity field.As part of its research in gravimetry, the Laboratoire Géomatique et Foncier (Cnam/GeF EA 4630), in collaboration with the Laboratory for Research Geodesy (LAREG) of the National Institute for Geographic and Forest Information (IGN), the Oceanic Domains Laboratory (LDO, UMR, CNRS 6538, UBO), the French Research Institute for the Exploitation of the Sea (IFREMER) and the Marine Hydrographic and Oceanographic Service (SHOM), develops an innovative instrument which allows the dynamic measurement of the Earth’s gravity field in the subsea domain.The system, called GraviMob (Gravimetry Mobile System), does not require a stabilized platform and is rigidly attached to the carrier vehicule, in this case an Autonomous Underwater Vehicule (AUV). The heart of the system consists of triads of accelerometers, allowing a vector measurement of the gravity. A Kalman filter, integrating the position and orientation data of the carrier vehicle, performs the estimation of the gravity field in a frame adapted to its interpretation. This instrumental prototype has been tested in the Mediterranean Sea during the year 2016. The comparison of the gravimetric signal obtained near the seabed with the surface gravimetric profiles, previously acquired by the SHOM, indicates a repeatability of the general trend of the gravimetric signal to within 5 mGal.This manuscript deals successively with the establishment of the observation equation of the GraviMob system, the calibration and orientation of the accelerometers, the gravity field estimation strategy by a Kalman filter, integrating an evolution model of the gravity field components and an observation model taking the measurement noise into account, the processing and analysis of the measurements acquired during its experimentation in the Mediterranean Sea, then the comparison of the gravimetric signal obtained with the reference data.

Die neuen Schwerefeld-Satellitenmissionen CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) und GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) können wesentlich zur Erforschung und Beobachtung des Systems Erde beitragen. Die Antarktis als ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem bietet dabei besondere Herausforderungen. GRACE hat hier das Potential, zeitliche Massenänderungen (unter anderem der Eismasse) zu beobachten. Methoden zur Auswertung der Missionsdaten befinden sich gegenwärtig in einem intensiven Entwicklungsprozess, zu dem die vorliegende Arbeit beitragen soll. Inhaltlicher Schwerpunkt ist die Nutzung von GRACE zur Ermittlung zeitlicher Massenvariationen in der Antarktis. Die Analysen erfolgen in erster Linie aus der Position eines Nutzers von Standard-Missionsprodukten, betreffen aber grundsätzlich den gesamten Auswerteprozess. Nach einer Einführung werden zunächst die Hintergründe der Arbeit ausgeführt (Kapitel 2), speziell die theoretischen Grundlagen zu Massen- und Schwerefeldvariationen, Phänomene geophysikalischer Massenvariationen und die neuen Schwerefeldmissionen mit ihrem Potential zur Beobachtung solcher Massenvariationen. Ein Hauptteil der Arbeit behandelt die Frage, welche Signale und Fehler in den Schwerefeldlösungen der Missionen enthalten sind (Kapitel 3). Zunächst werden dazu gegenwärtige Prozessierungskonzepte zur Erstellung von CHAMP- und GRACE-Schwerefeldlösungen skizziert und die GRACE-Monatslösungen des GeoForschungsZentrums Potsdam als ein Standard-GRACE-Produkt vorgestellt. Es folgen verschiedene Analysen zur Fehlerstruktur der Schwerefeldlösungen, wobei insbesondere die Fehlerstruktur von GRACE-Monatslösungen anhand ihres Zeitverhaltens empirisch untersucht werden. Als eine Ursache empirisch festgestellter, aber durch Fehlermodelle nicht vollständig beschriebener Fehlerstrukturen werden schließlich Alias-Effekte von unmodellierten zeitlichen Variationen auf die geschätzten räumlichen Variationen qualitativ und quantitativ beschrieben und diskutiert. Ein zweiter Hauptteil untersucht geophysikalische Rückschlüsse aus GRACE-Schwerefeldlösungen mit Anwendung auf die Schätzung antarktischer Eismassensignale (Kapitel 4). Methoden zur Schätzung von Massensignalen aus den Schwerefeldlösungen werden systematisch zusammengestellt und teilweise weiterentwickelt. Die praktische Anwendung dieser Methoden zur Schätzung von Eismassenänderungen des Antarktischen Eisschildes und seiner großen Eiseinzugsgebiete wird erklärt. Ein Schwerpunkt liegt auf der Untersuchung der unterschiedlichen Mechanismen, die zu Fehlern der geschätzten Massensignale führen, sowie auf der Abschätzung dieser Fehler. Im Lichte der gewonnenen Einsichten in die methodischen Unsicherheiten der angewandten Analysetechniken erfolgt schließlich die Präsentation und Diskussion der Ergebnisse, einschließlich eines Vergleichs mit bisher veröffentlichten Massenbilanzresultaten. Möglichkeiten zu methodischen Verbesserungen, die in den vorangegangenen Untersuchungen deutlich werden, aber über den Rahmen der Arbeit hinausgehen, werden in einem eigenen Kapitel (Kapitel 5) diskutiert. Dies betrifft sowohl solche Verbesserungen, die bereits auf der Basis der gegenwärtigen GRACE-Monatslösungen möglich sind, als auch Verbesserungen in der Generierung dieser Monatslösungen oder, allgemeiner, in der GRACE-Prozessierung. Die Kombination der GRACE-Daten mit komplementären Beobachtungen und Modellen spielt in den unterschiedlichen Stadien der GRACE-Datenanalyse eine Schlüsselrolle. In Bezug auf die Trennung antarktischer Massensignale werden Kombinationsstrategien nochmals gesondert diskutiert. Schließlich werden die Hauptergebnisse der Arbeit nochmals zusammengefasst und eingeordnet (Kapitel 6). / The new gravity field satellite missions CHAMP (Challenging Minisatellite Payload), GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) and GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) can provide essential contributions to the study and the monitoring of the Earth system. Hereby, Antarctica as a key element of the climate system offers particular challenges. GRACE has the potential to observe temporal variations of masses such as ice masses, in particular. Methods to analyse the mission data are currently in a process of intensive development. The present work aims to contribute to this process. The focus is on the use of GRACE to determine temporal mass variations in Antarctica. The analyses are carried out from the viewpoint of a standard product user. Nonetheless, they concern the entire process of GRACE data analysis. After an introduction, the background of the work is explained, in particular the theoretical fundamentals of mass and gravity field variations, the phenomena of geophysical mass variations and the new gravity field missions with their potential to observe these variations (chapter 2). One main part of the work (chapter 3) treats the question which signals and errors are contained in the missions' gravity field solutions (chapter 3). Current CHAMP and GRACE processing approaches are outlined. The GRACE monthly solutions by GeoForschungsZentrum Potsdam are introduced. Subsequently, different analyses about error structures of gravity field mission solutions are presented. In particular, an empirical analysis of time-variations of the GRACE monthly solutions reveals error structures which are not completely described by error models. As one cause of this discrepancy, alias effects of unmodelled temporal variations on the spatial patterns of the solutions are discussed qualitatively and quantitatively. Another main part of the work (chapter 4) investigates geophysical inferences from the GRACE monthly solutions, with Antarctica taken as a case study. Methods to estimate mass signals are systematised and partly enhanced. The practical applications of these methods for the estimation of Antarctic ice mass changes is explained. The different error mechanisms are investigated in detail, and corresponding errors are assessed. The results about Antarctic ice mass changes are then presented, compared to previous results and discussed in the light of the remaining methodological uncertainties. The studies reveal directions for methodological improvements, and so, related ideas are discussed in a separate chapter (chapter 5). They concern both the analysis of current GRACE monthly solutions and the generation of these solutions, or, more generally, the GRACE processing. The combination of GRACE data with complementary observations and models plays a key role in the different levels of GRACE data analysis. Combination strategies are, hence, once more discussed with regard to Antarctic mass signals. Finally, the main results of the work are summarised and discussed in a broader context.

Der regionalen Schwerefeldmodellierung in polaren Gebieten kommt in vielerlei Hinsicht eine besondere und wachsende Bedeutung zu. Einerseits sind hochauflösende und präzise Geoidmodelle eine wichtige Eingangsgröße bei der Untersuchung und Quantifizierung geophysikalischer, ozeanographischer bzw. glaziologischer Phänomene, z. B. bei der Bestimmung der mittleren dynamischen Ozeantopographie oder der Anwendung des Schwimmgleichgewichts im Bereich von Schelfeisen, Meereis oder subglazialen Seen. Zudem werden sie allgemein zur Referenzierung von Höhenmodellen benötigt. Andererseits sind, aufgrund der unvermeidbaren polaren Datenlücken von Satellitenbeobachtungen jenseits der Grenzbreite (sog. „Polloch“), terrestrische Schweredaten auch für die globale Schwerefeldmodellierung unerlässlich. Jedoch sind die verfügbaren terrestrischen (bodennahen) Schwerebeobachtungen insbesondere im Gebiet der Antarktis äußerst lückenhaft und heterogen. So entspricht das tatsächliche Auflösungsvermögen selbst aktueller kombinierter Schwerefeldmodelle wie EGM2008 oder EIGEN-6C über dem antarktischen Kontinent lediglich dem der reinen Satellitenmodelle aus GRACE bzw. GOCE. Des Weiteren sind Standardverfahren der regionalen Geoidmodellierung hier nicht ohne Weiteres anwendbar. Neben der Heterogenität der Daten als praktischer Herausforderung muss aus theoretischer Sicht dem zusätzlichen Dichtekontrast durch das Eis Rechnung getragen werden. Die vorliegende kumulative Dissertation greift diese Problematik auf. Während die einzelnen Publikationen die Ergebnisse ausgewählter regionaler Fallstudien präsentieren, soll die folgende zusammenfassende Abhandlung einen doppelten Bogen spannen, indem die geophysikalischen Phänomene gleichzeitig als zu untersuchende Anwendungsgebiete und als Einflussfaktoren im Kontext der regionalen Geoidmodellierung beschrieben werden. So wird am Beispiel der Weddellsee gezeigt, wie die Meereisbedeckung die Qualität und Zuverlässigkeit der mithilfe der Satellitenaltimetrie abgeleiteten Schwerefeldmodelle beeinträchtigt. Diese Modelle bilden derzeit die alleinige Datengrundlage für die hochauflösenden globalen Modelle im Gebiet des Antarktischen Ozeans. Zugleich wird anhand des verfeinerten regionalen Modells und daraus abgeleiteter geostrophischer Geschwindigkeiten demonstriert, dass selbst lückenhafte und heterogene terrestrische Daten hier einen wesentlichen Beitrag zur simultanen Kalibrierung und Vereinheitlichung des Datenbestandes leisten können. Im Ergebnis konnten in den küstennahen Gewässern Differenzen von mehreren Dezimetern gegenüber Geoidhöhen aus EGM2008 festgestellt werden, welche teils auf systematische Abweichungen und teils auf Rauschen im globalen Modell zurückzuführen sind. Über dem Festland erreicht dessen Vernachlässigungsfehler im quadratischen Mittel sogar 0,75 m und Maxima von über 3 m. Ein weiteres verfeinertes und, dank geeigneter Eingangsdaten, sehr genaues und hochauflösendes Geoidmodell wird für die Region um den Vostoksee in der Ostantarktis abgeleitet. In Kombination mit Eisoberflächenhöhen und Eisdicken gelingt es, das Schwimmgleichgewicht des subglazialen Sees nachzuweisen. Das gegenüber GOCE zusätzlich gewonnene Geoidsignal ist hier mit 0,56 m Standardabweichung zwar etwas kleiner, jedoch wird im Vergleich mit der residualen Auslenkung des Seespiegels (0,26 m Standardabweichung) auch für diese Anwendung der signifikante und gegenüber dem Auflösungsvermögen von GOCE auch notwendige Beitrag eines regionalen Geoidmodells deutlich. Für das hydrostatische Gleichgewicht eines subglazialen Sees ist streng genommen das tatsächliche Schwerepotential in Höhe des Seespiegels maßgeblich. Dessen Berechnung erfordert eine Fortsetzung des Störpotentials nach unten innerhalb der Topographie, welche konzeptionell in engem Zusammenhang mit dem bekannten Geoid-Quasigeoid-Separationsterm steht. Dessen oft angenommene Approximation mithilfe der Bougueranomalie kann, angesichts der heutigen Anforderungen an ein modernes zentimetergenaues Geoid, gerade in rauem Gelände zu ungenau sein. In Anlehnung an aktuelle Arbeiten auf diesem Gebiet wird ein verallgemeinerter und zugleich verfeinerter Ansatz zur praktischen Berechnung des Terms erarbeitet. Am Beispiel des Himalaya werden die einzelnen Anteile im Rahmen einer Simulationsstudie quantifiziert und insbesondere ihre Sensitivität gegenüber dem Integrationsradius der Topographie untersucht. Besonderes Augenmerk liegt ebenso auf dem indirekten Effekt der Topographie in Bezug auf das Potential, welcher, im Gegensatz zur Anwendung eines planaren Modells, in sphärischer Betrachtungsweise nicht verschwindet. / In many respects, regional gravity field modeling in polar areas is of special, and growing, interest. On the one hand, high-resolution and precise geoid models are an important input parameter to investigate and quantify manifold geophysical, oceanographical and glaciological phenomena, e.g., the determination of the mean dynamic ocean topography, or the application of the hydrostatic equilibrium condition in the areas of ice shelves, sea ice, or subglacial lakes. Moreover, geoid models are in general needed as a reference for height models. On the other hand, because of the unavoidable polar data gaps in satellite measurements due to the inclination (the so-called “polar gap”), terrestrial gravity data are indispensable also for global gravity field modeling. However, the available terrestrial (ground-based) gravity datasets, in particular of Antarctica, are very sparse and heterogeneous. For example, over the Antarctic continent the true resolution of even the most recent combined global geopotential models such as EGM2008 or EIGEN-6C only corresponds to that of the satellite-only models derived from GRACE and GOCE, respectively. Furthermore, standard techniques of regional geoid modeling cannot be readily used in this area. Apart from the heterogeneity of the data as a practical challenge the additional density contrast implied by the covering sheet needs to be accounted for from the theoretical point of view. This complex situation is the starting point for the present cumulative dissertation. Whereas the individual publications present the results of selected regional case studies, the intention of the following summary is to draw an integrated picture aiming at explaining the geophysical phenomena as both applications and influencing factors in the context of regional geoid modeling. Using the example of the Weddell Sea it is shown how sea-ice coverage affects the quality and reliability of marine gravity field models derived from radar satellite altimetry. At present, these models are the only input data to the high-resolution global geopotential models. At the same time, the refined regional model and geostrophic velocities derived thereof are employed to demonstrate how even sparse and heterogeneous terrestrial gravity data may provide a contribution to simultaneously calibrate and unify the available datasets. As a result, near the coast differences at the order of some decimeters could be observed in comparison with EGM2008, originating partly from systematic effects and noise in the global model. In the continental areas, its omission error even yields a standard deviation of 0.75 m and attains a maximum of more than 3 m. Another refined and, owing to appropriate input data, very precise and highly resolving geoid model is derived for the region around subglacial Lake Vostok. In combination with ice-surface heights and ice thickness data it is used to provide observational evidence that the lake is in a state of hydrostatic equilibrium. There, the additional geoid signal w.r.t. GOCE is a bit smaller (0.56 m standard deviation). However, considering the residual deviations of the apparent lake level (0.26 m standard deviation) the significant and necessary, as compared to the resolution of GOCE, contribution of a regional geoid model to this application is shown. In a strict sense, the relevant quantity to evaluate the hydrostatic equilibrium condition of a subglacial lake is the actual geopotential at the anticipated lake level. Its computation requires a downward continuation of the disturbing potential inside the topography, which is closely related to the concept of the well-known geoid-quasigeoid separation term. In the past, this term was frequently described as an approximation by means of the Bouguer anomaly. However, considering the modern requirements of the “one-centimeter geoid” this approximation may be too coarse over rough terrain. Following recent works in this field, a generalized yet refined approach for practical implementation of the term is developed. The individual constituents of the term are quantified. In particular, their sensitivity against the radius up to which topography is taken into account is investigated. For this simulation study, the Himalaya mountain region served as test area. Furthermore, special focus is given to the indirect of topography on the potential which, contrary to applying a planar model, does not vanish in the spherical approach.

Der regionalen Schwerefeldmodellierung in polaren Gebieten kommt in vielerlei Hinsicht eine besondere und wachsende Bedeutung zu. Einerseits sind hochauflösende und präzise Geoidmodelle eine wichtige Eingangsgröße bei der Untersuchung und Quantifizierung geophysikalischer, ozeanographischer bzw. glaziologischer Phänomene, z. B. bei der Bestimmung der mittleren dynamischen Ozeantopographie oder der Anwendung des Schwimmgleichgewichts im Bereich von Schelfeisen, Meereis oder subglazialen Seen. Zudem werden sie allgemein zur Referenzierung von Höhenmodellen benötigt. Andererseits sind, aufgrund der unvermeidbaren polaren Datenlücken von Satellitenbeobachtungen jenseits der Grenzbreite (sog. „Polloch“), terrestrische Schweredaten auch für die globale Schwerefeldmodellierung unerlässlich. Jedoch sind die verfügbaren terrestrischen (bodennahen) Schwerebeobachtungen insbesondere im Gebiet der Antarktis äußerst lückenhaft und heterogen. So entspricht das tatsächliche Auflösungsvermögen selbst aktueller kombinierter Schwerefeldmodelle wie EGM2008 oder EIGEN-6C über dem antarktischen Kontinent lediglich dem der reinen Satellitenmodelle aus GRACE bzw. GOCE. Des Weiteren sind Standardverfahren der regionalen Geoidmodellierung hier nicht ohne Weiteres anwendbar. Neben der Heterogenität der Daten als praktischer Herausforderung muss aus theoretischer Sicht dem zusätzlichen Dichtekontrast durch das Eis Rechnung getragen werden. Die vorliegende kumulative Dissertation greift diese Problematik auf. Während die einzelnen Publikationen die Ergebnisse ausgewählter regionaler Fallstudien präsentieren, soll die folgende zusammenfassende Abhandlung einen doppelten Bogen spannen, indem die geophysikalischen Phänomene gleichzeitig als zu untersuchende Anwendungsgebiete und als Einflussfaktoren im Kontext der regionalen Geoidmodellierung beschrieben werden. So wird am Beispiel der Weddellsee gezeigt, wie die Meereisbedeckung die Qualität und Zuverlässigkeit der mithilfe der Satellitenaltimetrie abgeleiteten Schwerefeldmodelle beeinträchtigt. Diese Modelle bilden derzeit die alleinige Datengrundlage für die hochauflösenden globalen Modelle im Gebiet des Antarktischen Ozeans. Zugleich wird anhand des verfeinerten regionalen Modells und daraus abgeleiteter geostrophischer Geschwindigkeiten demonstriert, dass selbst lückenhafte und heterogene terrestrische Daten hier einen wesentlichen Beitrag zur simultanen Kalibrierung und Vereinheitlichung des Datenbestandes leisten können. Im Ergebnis konnten in den küstennahen Gewässern Differenzen von mehreren Dezimetern gegenüber Geoidhöhen aus EGM2008 festgestellt werden, welche teils auf systematische Abweichungen und teils auf Rauschen im globalen Modell zurückzuführen sind. Über dem Festland erreicht dessen Vernachlässigungsfehler im quadratischen Mittel sogar 0,75 m und Maxima von über 3 m. Ein weiteres verfeinertes und, dank geeigneter Eingangsdaten, sehr genaues und hochauflösendes Geoidmodell wird für die Region um den Vostoksee in der Ostantarktis abgeleitet. In Kombination mit Eisoberflächenhöhen und Eisdicken gelingt es, das Schwimmgleichgewicht des subglazialen Sees nachzuweisen. Das gegenüber GOCE zusätzlich gewonnene Geoidsignal ist hier mit 0,56 m Standardabweichung zwar etwas kleiner, jedoch wird im Vergleich mit der residualen Auslenkung des Seespiegels (0,26 m Standardabweichung) auch für diese Anwendung der signifikante und gegenüber dem Auflösungsvermögen von GOCE auch notwendige Beitrag eines regionalen Geoidmodells deutlich. Für das hydrostatische Gleichgewicht eines subglazialen Sees ist streng genommen das tatsächliche Schwerepotential in Höhe des Seespiegels maßgeblich. Dessen Berechnung erfordert eine Fortsetzung des Störpotentials nach unten innerhalb der Topographie, welche konzeptionell in engem Zusammenhang mit dem bekannten Geoid-Quasigeoid-Separationsterm steht. Dessen oft angenommene Approximation mithilfe der Bougueranomalie kann, angesichts der heutigen Anforderungen an ein modernes zentimetergenaues Geoid, gerade in rauem Gelände zu ungenau sein. In Anlehnung an aktuelle Arbeiten auf diesem Gebiet wird ein verallgemeinerter und zugleich verfeinerter Ansatz zur praktischen Berechnung des Terms erarbeitet. Am Beispiel des Himalaya werden die einzelnen Anteile im Rahmen einer Simulationsstudie quantifiziert und insbesondere ihre Sensitivität gegenüber dem Integrationsradius der Topographie untersucht. Besonderes Augenmerk liegt ebenso auf dem indirekten Effekt der Topographie in Bezug auf das Potential, welcher, im Gegensatz zur Anwendung eines planaren Modells, in sphärischer Betrachtungsweise nicht verschwindet. / In many respects, regional gravity field modeling in polar areas is of special, and growing, interest. On the one hand, high-resolution and precise geoid models are an important input parameter to investigate and quantify manifold geophysical, oceanographical and glaciological phenomena, e.g., the determination of the mean dynamic ocean topography, or the application of the hydrostatic equilibrium condition in the areas of ice shelves, sea ice, or subglacial lakes. Moreover, geoid models are in general needed as a reference for height models. On the other hand, because of the unavoidable polar data gaps in satellite measurements due to the inclination (the so-called “polar gap”), terrestrial gravity data are indispensable also for global gravity field modeling. However, the available terrestrial (ground-based) gravity datasets, in particular of Antarctica, are very sparse and heterogeneous. For example, over the Antarctic continent the true resolution of even the most recent combined global geopotential models such as EGM2008 or EIGEN-6C only corresponds to that of the satellite-only models derived from GRACE and GOCE, respectively. Furthermore, standard techniques of regional geoid modeling cannot be readily used in this area. Apart from the heterogeneity of the data as a practical challenge the additional density contrast implied by the covering sheet needs to be accounted for from the theoretical point of view. This complex situation is the starting point for the present cumulative dissertation. Whereas the individual publications present the results of selected regional case studies, the intention of the following summary is to draw an integrated picture aiming at explaining the geophysical phenomena as both applications and influencing factors in the context of regional geoid modeling. Using the example of the Weddell Sea it is shown how sea-ice coverage affects the quality and reliability of marine gravity field models derived from radar satellite altimetry. At present, these models are the only input data to the high-resolution global geopotential models. At the same time, the refined regional model and geostrophic velocities derived thereof are employed to demonstrate how even sparse and heterogeneous terrestrial gravity data may provide a contribution to simultaneously calibrate and unify the available datasets. As a result, near the coast differences at the order of some decimeters could be observed in comparison with EGM2008, originating partly from systematic effects and noise in the global model. In the continental areas, its omission error even yields a standard deviation of 0.75 m and attains a maximum of more than 3 m. Another refined and, owing to appropriate input data, very precise and highly resolving geoid model is derived for the region around subglacial Lake Vostok. In combination with ice-surface heights and ice thickness data it is used to provide observational evidence that the lake is in a state of hydrostatic equilibrium. There, the additional geoid signal w.r.t. GOCE is a bit smaller (0.56 m standard deviation). However, considering the residual deviations of the apparent lake level (0.26 m standard deviation) the significant and necessary, as compared to the resolution of GOCE, contribution of a regional geoid model to this application is shown. In a strict sense, the relevant quantity to evaluate the hydrostatic equilibrium condition of a subglacial lake is the actual geopotential at the anticipated lake level. Its computation requires a downward continuation of the disturbing potential inside the topography, which is closely related to the concept of the well-known geoid-quasigeoid separation term. In the past, this term was frequently described as an approximation by means of the Bouguer anomaly. However, considering the modern requirements of the “one-centimeter geoid” this approximation may be too coarse over rough terrain. Following recent works in this field, a generalized yet refined approach for practical implementation of the term is developed. The individual constituents of the term are quantified. In particular, their sensitivity against the radius up to which topography is taken into account is investigated. For this simulation study, the Himalaya mountain region served as test area. Furthermore, special focus is given to the indirect of topography on the potential which, contrary to applying a planar model, does not vanish in the spherical approach.

Total water storage change (TWSC) reflects the balance of all water fluxes in a hydrological system. The Gravity Recovery and Climate Experiment/Follow-On (GRACE/GRACE-FO) monthly gravity field models, distributed as spherical harmonic (SH) coefficients, are the only means of observing this state variable. The well-known correlated noise in these observations requires filtering, which scatters the actual mass changes from their true locations. This effect is known as leakage. This study explores the traditional basin and grid scaling approaches, and develops a novel frequency-dependent scaling for leakage correction of GRACE TWSC in a unique, basin-specific assessment for the Indus Basin. We harness the characteristics of significant heterogeneity in the Indus Basin due to climate and human-induced changes to study the physical nature of these scaling schemes. The most recent WaterGAP (Water Global Assessment and Prognosis) hydrology model (WGHM v2.2d) with its two variants, standard (without glacier mass changes) and Integrated (with glacier mass changes), is used to derive scaling factors. For the first time, we explicitly show the effect of inclusion or exclusion of glacier mass changes in the model on the gridded scaling factors. The inferences were validated in a detailed simulation environment designed using WGHM fields corrupted with GRACE-like errors using full monthly error covariance matrices. We find that frequency-dependent scaling outperforms both basin and grid scaling for the Indus Basin, where mass changes of different frequencies are localized. Grid scaling can resolve trends from glacier mass loss and groundwater loss but fails to recover the small seasonal signals in trunk Indus. Frequency-dependent scaling can provide a robust estimate of the seasonal cycle of TWSC for practical applications such as regional-scale water availability assessments. Apart from these novel developments and insights into the traditional scaling approach, our study encourages the regional scale users to conduct specific assessments for their basin of interest.

A maneira mais direta de detectar as anomalias da densidade é pelo estudo do potencial gravitacional e de suas derivadas. A disponibilidade global e a boa resolução dos dados do satélite GOCE, aliadas à disponibilidade de dados de gravimetria terrestre, são ideais para a comparação e classificação das bacias de larga escala, como as bacias sedimentares do Solimões e do Amazonas dentro do Craton amazônico. Foram processados um conjunto de dados, produtos GOCE EGG_TRF_2 Level 2, ao longo das trajetórias do satélite para remover o ruído (shift/drift) nos gradientes da gravidade a partir da técnica crossover (XO). Calculamos a redução das massas topográfica a fim de obter os componentes do gradiente da gravidade e anomalia da gravidade usando modelagem direta com prismas esféricos a partir do modelo de elevação digital, ETOPO1. Desta maneira, a comparação dos dados somente do satélite GOCE com as reduções das massas topográficas referentes aos componentes do gradiente da gravidade permitiram estimar quantidades invariantes que trouxeram uma melhoria na interpretação dos dados do tensor de gravidade. Além disso, comparamos dados terrestres do campo de gravidade com dados do campo de gravidade dos modelos geopotenciais EGM2008 e GOCE, uma vez que os dados terrestres podem ser afetados por erros em longos comprimentos de onda devido a erros de nivelamento, diferentes referenciais de altitudes, e aos problemas em interligar diferentes campanhas de medidas da gravidade. Portanto, estimamos uma melhora e uma nova representação dos mapas das anomalias de gravidade e do tensor gradiente da gravidade nas áreas inacessíveis do Craton Amazônico. As observações forneceram novas entradas para determinar campos regionais a partir dados brutos pre-processados (gradiente de gravidade EGG_TRF_2 L2), bem como a partir de um modelo geopotencial mais recente até grau e ordem 250 dos harmonicos esféricos derivados de dados somente do satélite GOCE para a representação do campo de gravidade como geóide, anomalias da gravidade e os componentes tensor da gravidade, os quais foram quantidades importantes para interpretação, modelagem e estudo dessas estruturas. Finalmente, obtivemos um modelo isostático considerando a estrutura de densidade litosférica estudada através de uma modelagem direta 3D da distribuição de densidade por prismas esféricos usando a geometria do embasamento e descontinuidade do Moho. Além do que, constatamos através da modelagem direta das soleiras de diabásios dentro dos sedimentos mostramos que somente as soleiras dentro da Bacia do Amazonas não são as únicas responsáveis pela anomalia de gravidade positiva que coincide aproximadamente com as espessuras máximas dos sedimentos da Bacia. Talvez, isso possa ser também um resultado de movimentos relativos do Escudo das Guianas situado ao norte da Bacia, e o Escudo Brasileiro situado ao sul. Embora isso seja apenas uma evidência adicional preliminar, não podemos confirmá-las a partir das estimativas do campo da gravidade. Portanto, é necessário outros tipos de dados geofísicos, como por exemplo, evidências mais claras advindas do paleomagnetismo. / The most direct way to detect density anomalies is the study of the gravity potential field and its derivatives. The global availability and good resolution of the GOCE mission coupled with the availability of terrestrial gravity data are ideal for the scope of intercomparison and classification of the two large-scale Amazon and Solimoes sedimentary basins into area of the Amazon Craton. The GOCE data set obtained in satellite tracks were processed from EGG_TRF_2 Level 2 Products generated with the correction needed to remove the noise (shift/drift), and so, to recover the individual components of the gravity gradient tensor using the crossover (XO) points technique. We calculated the topographic masses reductions in order to obtain the gravity gradient components and gravity anomaly (vertical component) using forward modelling from tesseroids from Digital Elevation Model, ETOPO1. Thus, the comparison of the only-satellite GOCE data with the reductions of the topographic masses for the gradient components allowed to estimate invariants quantities for bring an improvement in the interpretation of the gravity tensor data. Furthermore, we compared the terrestrial data gravity field with EGM2008 and GOCE-deduced gravity field because the terrestrial fields may be affected by errors at long wavelengths due to errors in leveling, different height references, and problems in connecting different measurement campaigns. However, we have estimated an improvement and new representations of the gravity anomalies maps and gravity gradient tensor components primary in inaccessible areas of the Amazon Craton. GOCE observations provide new inputs to determine the regional fields from the preprocessed raw data (EGG_TRF_2 L2 gravity gradients), as well from the most recent global geopotential model available up to degree and order 250 developed in spherical harmonics derived only-satellite GOCE data for representing of geoid and others gravity field as gravity anomaly and gravity gradient tensor components, which are important quantities for modelling and studying these structures. Finally, we obtained the isostatic model considering the lithospheric density structure studied through a 3D direct modelling of density distribution using the geometry of basement and Moho discontinuity, assumed to be known as initial constraint. In addition, we found through direct modeling sills and sediment has shown that the diabase sills are not the only ones responsible for positive gravity anomaly map that transects the Amazon Basin, roughly coincident with the maximum thickness of sedimentary rocks or the trough of the basin. Maybe, this could be the result of the relative movements of the Guiana Shield, situated at the north of the Amazon basin, and the Brazilian Shield, situated at the south. Although this is only a preliminary additional evidence, we cannot confirm it only from the data of gravity. It is necessary others types of geophysical data, for example, more clear evidences obtained from paleomagnetism.