Zugleich: Diss. Nr. 18230 Wiss. ETH Zürich. / Literaturverz.

Zugl.: Trier, Univ., Diss., 2007 / Hergestellt on demand

Universiẗat, Diss., 2004--Freiburg (Breisgau).

In dieser Arbeit werden Berechnungen zur klimatischen Sensitivität der Eiskappe von Devon Island (Nunavut, Kanada) durchgeführt, die auf einem mit Wärmesummen arbeitenden Massenbilanzmodell basieren. Wichtigste Datenbasis für die Modellrechnungen sind dabei höhenabhängige Massenbilanzreihen der Devon-Eiskappe sowie tägliche Klimadaten der WMO-Station Resolute Bay. Durch die Bestimmung geeigneter Modellparameter (Temperaturgradienten, Wärmesummenkoeffizienten) ist es möglich, das mittlere Massenbilanzprofil gut zu simulieren. Das auf diese Weise kalibrierte Modell kann dann – als einfache Alternative zu Energiebilanzmodellen – zur Berechnung der Sensitivität der Massenbilanz auf Veränderungen von Temperatur und Niederschlag genutzt werden. Anwendungen des Modells verdeutlichen, dass die Massenbilanz der Devon-Eiskappe stark abhängig von der Entwicklung der Sommertemperaturen und die klimatische Sensitivität im Vergleich mit anderen Eismassen aus feuchteren Klimaten sehr klein ist. Die Einbeziehung der saisonalen Abhängigkeit der Massenbilanz kann schließlich helfen, eine mit Schwierigkeiten verbundene Rekonstruktion der jährlichen Massenbilanz zu verbessern. / In this study, a degree-day approach is used to carry out model simulations to determine the climatic sensitivity of the mass balance of the Devon Island ice cap (Nunavut, Canada). The most important data the model is fed by are a 38 yr long series of specific mass balance data and daily air temperature data from the WMO station Resolute Bay. By determining suitable model parameters (temperature lapse rates, degree-day coefficients) it is possible to simulate the mean mass balance profile convincingly. As a simple alternative to energy balance models, the calibrated degree-day model can then be used to determine the sensitivity of the mass balance to changes in temperature and precipitation. Results show that the mass balance of the Devon Ice Cap is strongly dependent on the summer temperatures and that the overall climatic sensitivity is small compared to those of other ice masses in more humid regions. The reconstruction of the mass balance series is attended with difficulties, but can be improved by including the mass balance''s seasonal sensitivity.

Aus Beobachtungsdaten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) können Variationen des Erdschwerefeldes auf großen räumlichen Skalen mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Die Variationen auf zeitlichen Skalen von mehreren Tagen bis Wochen und räumlichen Skalen von wenigen hundert Kilometern sind insbesondere auf Änderungen der kontinentalen Wassermassen zurückzuführen. Die vorliegende Promotionsarbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung hydrologischer Massenvariationen aus GRACE-Daten am Beispiel der vier größten sibirischen Flusseinzugsgebiete Ob, Jenissei, Lena und Kolyma. Darauf aufbauend sollen in Kombination mit atmosphärischen Daten der NCEP-Reanalyse Süßwassereinträge in den Arktischen Ozean abgeleitet werden. Die Süßwassereinträge beeinflussen nachhaltig den Salzgehalt und damit das ozeanographische Regime des Arktischen Ozeans, welcher wiederum einen Einfluss auf die globale thermohaline Zirkulation hat. Da die großen Strömungen des Weltozeans einen grundlegenden Faktor des globalen Klimageschehens darstellen, sind die Änderungen des Süßwassereintrages ein wichtiger Aspekt hinsichtlich prognostizierter Klimatrends. Der Abfluss kann an ausgewählten Messpunkten mit einer hohen zeitlichen Auflösung beobachtet werden. Die Datenreihen weisen jedoch immer wieder Lücken auf und die bodengebundenen Messungen sind oft schwierig und kostenintensiv. Messmethoden, die unabhängig vom Zugang ins Messgebiet sind, können einen großen Fortschritt bei der Beobachtung sich ändernder Massen und Süßwasserflüsse leisten und damit einen Beitrag für ein besseres Verständnis gekoppelter komplexer Prozesse der Arktis liefern. Da die Fehlerstruktur der GRACE-Daten komplex und bis heute nicht vollständig verstanden ist, erfolgt zunächst eine Untersuchung des GRACE-Fehlerhaushaltes. Zudem werden die Fehlereffekte aufgrund des begrenzten räumlichen Spektrums und damit einhergehender Leck-Effekte auf Ebene von Gebietsmittelwerten analysiert und Lösungsvorschläge diskutiert. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung: Erweiterung der GRACE-Datenreihe um geeigente Terme ersten Grades und Abschätzung von Leck-Effekten, verursacht durch das begrenzte Spektrum der Kugelfunktionsentwicklung. Leck-Effekte aufgrund ozeanischer Signalanteile sind bzgl. der Einzugsgebiete sibirischer Flusssysteme klein (< 1%), wohingegen Leck-Effekte aufgrund kontinentaler Signalanteile je nach Gebietsgröße relative Fehler von 8-17% nach sich ziehen. Die größten Fehlereffekte resultieren jedoch aus den Koeffizienten hoher Grade. Die Filterung der GRACE-Daten ermöglicht die Glättung fehlerbehafterer Signalanteile. Neben den in der Literatur gängigen Filtern wurde im Rahmen der Arbeit ein Kombinationsfilter entwickelt, welches auf Basis von räumlichen Vorinformationen aus Hydrologiemodellen signifikante Signalstrukturen in den GRACE-Datenreihen detektiert. Somit muss lediglich ein Restsignal mittels Filterung gedämpft werden. Mit dem Kombinationsfilter können sowohl feinere Signalstrukturen als auch größere Signalamplituden auf Land erhalten werden. Im Vergleich zu reinen Filteranwendungen werden hier Gesamtsignalstärke, Amplitude und Phase des jährlichen Signals gut repräsentiert. Darauf aufbauend lassen sich, in Kombination mit atmosphärischen Daten, Abflüsse für die sibirischen Flusssysteme aus GRACE-Wasserspeichervariationen ableiten. Die Validierung der berechneten Abflüsse anhand beobachteter Abflüsse zeigt eine hohe Übereinstimmung von bis zu 83%. Eine Gegenüberstellung des berechneten Abflusses der Lena mit Wasserstandsmessungen im Mündungsbereich zeigt zudem einen Zusammenhang zwischen dem maximalen Abfluss im Frühjahr und einer Zunahme des Wasserstandes in der Laptewsee. / The satellite mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observes the earth's gravity field on temporal scales of a few days to several weeks and spatial scales of a few hundred kilometers with high accuracy. A large part of the variations of the gravity field originate from hydrological mass changes on the continents. The dissertation discusses the determination of hydrological mass variations from GRACE for the Siberian water systems of the rivers Ob, Yenisey, Lena and Kolyma. The mass variations from GRACE data are combined with atmospheric data of the NCEP reanalysis to calculate the freshwater fluxes in the Arctic Ocean. The freshwater fluxes strongly influences the salinity and the oceanographic regime of the Arctic Ocean. In turn, the Arctic Ocean controls the global thermohaline circulation which is very important for the global climate. Because these large currents of the ocean influence the global climate, the changes of the freshwater fluxes in the Arctic Ocean are an important factor for the global climate change. The runoff can be measured pointwise with high temporal resolution, but measurements in the high latitudes are difficulty and expensive. Independent methods to measure the mass changes in the Arctic can help to determine the freshwater fluxes on large spatial scales, and contribute to understand the coupled and complex processes of the Arctic. Until present, the complex error structure of the GRACE data are not fully understand. The dissertation examines the errors and analysizes the leakage caused by the limited spectrum of the Stokes coefficients. A proposal for a solution will be discussed. The following steps are important: Expanding the GRACE data with adequate terms of degree one; Valuation of leakage errors because of the limited spectrum. Leakage due to oceanographic signals of the Arctic Ocean are small (< 1%). Leakage errors due to signals on land produces relative errors of basin averages of 8-17%. Beyond that, the largest errors are caused by the coefficients of higher degree. Filtering is an effective method to damp the error signals. In addition to the common filters described in the literature, a filter method, called composite filter, was created. Significant structures from hydrological models can be deteceted in the GRACE data without any other filtering. Only the residual signals should be filtered by using one of the common filters. In comparison to the common filters, the composite filter represents the signal strength, the signal structures, the amplitude and the phase of the saisonal signal on the continents much better. Combining hydrological mass variations from GRACE data with atmospheric data (for example the NCEP reanalysis) the runoff of the four Siberian river systems can be calculated. The validation of the calculated runoff using observations leads to a good agreement (83% for Yenisey and Lena). Furthermore, it is possible to combine the runoff of a river system with measurements of water level and salinity in the Arctic Ocean. The high runoff of the Lena river system in spring is visible in the water level changes in the Laptev sea.

Mit der Mission des Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) gelangte erstmals ein Laseraltimetersystem in einen erdgebundenen Orbit. Die vorliegende Arbeit verdeutlicht anhand von drei verschiedenen Anwendungen das Potenzial dieser Altimeterdaten zur Überwachung des Antarktischen und des Grönländischen Eisschilds. Beide Schilde bilden ein Schlüsselglied im globalen Klimasystem der Erde. In einem ersten Hauptabschnitt werden die ICESat-Altimeterdaten für das Gebiet des Lake Vostok, des größten Vertreters subglazialer Seen in der Antarktis, untersucht. Dieses Gebiet eignet sich durch die Höhenstabilität des über dem See liegenden Eisschilds insbesondere als Validierungsgebiet für Altimeterdaten. Diese werden hinsichtlich der zwischen den Lasern auftretenden Offsets umfassend analysiert. Die ermittelten Offsets variieren in einem Bereich zwischen -7.5 und +13.9 cm und erreichen damit die angestrebte Messgenauigkeit der Mission. Im Hinblick auf eine Bestimmung von zeitlich linearen Höhenänderungen der Eisschilde stellen sie den größten genauigkeits-limitierenden Faktor dar. Aus den um die Offsets korrigierten Altimeterdaten wird ein rasterförmiges Topographiemodell der Eisoberfläche erstellt. Dieses wird umfassend untersucht. Im Anschluss werden glaziologische Anwendungen vorgestellt, für welche das Topographiemodell eine zentrale Grundlage bildet. Unter anderem erfolgt in der Kombination mit Eisdicken- und Geoidinformationen der Nachweis, dass sich das Eis über dem See im hydrostatischen Gleichgewicht befindet. Im Zuge dieser Untersuchung wird aber auch deutlich, dass an einigen Stellen des Sees das Gleichgewicht verletzt wird. Mögliche Ursachen hierfür werden näher untersucht und eingehend diskutiert. Für den Grönländischen Eisschild erfolgt die Analyse der um die Laseroffsets korrigierten Altimeterdaten zur Ableitung zeitlich linearer Höhenänderungen. Die methodische Basis hierfür bildet eine Wiederholspuranalyse der Altimeterdaten. Zur Minimierung des Einflusses der lokalen Topographie und zur besseren Separation der saisonalen Höhenvariation werden die korrespondierenden Altimetermessungen entlang der Referenzspuren an ein drei-komponentiges mathematisches Modell durch Ausgleichung bestmöglich angepasst. Die für den ICESat-Missionszeitraum bestimmte mittlere Höhenrate des Eisschilds beträgt -13.0±0.5 cm/a. Die stärkste Höhenabnahme verzeichnet der Eisschild in den westlichen und südöstlichen küstennahen Randbereichen. Unter Verwendung der Eisdichte für die Volumen-Massen-Umrechnung entspricht dies einer Massenänderung von -209.5±35.6 Gt/a. Dies entspricht einem eustatischen Meeresspiegelanstieg von +0.6±0.1 mm/a. In einer dritten Anwendung werden die ICESat-Altimeterdaten über dem Amery-Schelfeises untersucht. Es wird eine Methodik vorgestellt, welche auf der Kreuzkorrelation von Höhenprofilen verschiedener Epochen beruht und zur Ableitung von Fließgeschwindigkeiten des Schelfeises dient. Der entwickelte Ansatz wird auf die ICESat-Referenzspur 49 angewendet. Sie verläuft entlang der zentralen Achse des Schelfeises. Im Bereich zwischen -71.6° und -70.1° Breite wächst die Fließgeschwindigkeit von +0.83±0.09 m/d auf +1.02±0.06 m/d an. Das Ergebnis steht im Einklang mit einem unabhängigen Geschwindigkeitsmodell, welches zur Validierung herangezogen wurde. / The Ice, Cloud and Land Elevation Satellite (ICESat) was the first Earth-orbiting laser altimeter mission in space. The following work is dedicated to the ICESat-altimetry data in order to demonstrate their full potential for the investigation of glaciological implications in polar regions. The primary science objective of the mission was to focus on the mass balances of the Greenland Ice Sheet and the Antarctic Ice Sheet. Both of them play a key role in the Earth's climate system. Firstly, the ICESat elevation profiles covering the Lake Vostok region are analysed in more detail. The Lake Vostok is the largest known subglacial lake in Antarctica to date. Due to a fast and strong degradation of the laser energy, the ICESat elevation measurements are affected by offsets. The estimated offsets between the laser operational periods vary between -7.5 und +13.9 cm. Therefore, they can't be neglected in the view of precise mass change determinations for ice sheets. In addition, a Digital Elevation Model (DEM) of the ice surface topography is generated on the basis of the adjusted elevation profiles. The DEM is analysed in more detail. Furthermore, the DEM forms the basis for the investigation of glaciological implications. In combination with an ice-thickness model and a regional geoid model the hydrostatic equilibrium condition is evaluated. It turns out, that the ice sheet covering the lake fulfils the hydrostatic equilibrium condition within ±1 m for large parts of the lake. Beside this, positive and negative deviations are found in the northern and southern part of the lake. Secondly, ice surface height changes and their temporal variations are inferred for the Greenland ice sheet. This investigation is based on a refined repeat-track analysis in order to exploit the full potential of ICESat's altimetry data. To reduce the influence of the local topography corresponding measurements along the track are fitted to a mathematical model, consisting of three components. For the entire ice sheet a mean surface height trend of -13.0±0.5 cm/yr is determined. The largest changes are identified at the coastal margins of the ice sheet. Using the ice surface height changes long-term volume- and mass-change rates are inferred. For this purpose the density of pure ice is used for the volume-mass-conversion. The overall long-term mass change rate amounts to -209.5±35.6 Gt/yr. This is equivalent to an eustatic sea level rise of +0.6±0.1 mm/yr. A third approach analyses ICESat elevation profiles over the Amery ice shelf. The method is based on a cross-correlation analysis of different ICESat repeat cycle in order to determine the ice flow velocity along the track. This method is applied to reference track 49. The investigation reveals that between 71.7° S and 70.1° S along the reference track, the ice-flow velocity increases from about +0.83±0.09 m/d to +1.02±0.06 m/d. These results are in general good agreement with velocities derived from an independent velocity field.

Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.

Aus Beobachtungsdaten der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) können Variationen des Erdschwerefeldes auf großen räumlichen Skalen mit hoher Genauigkeit abgeleitet werden. Die Variationen auf zeitlichen Skalen von mehreren Tagen bis Wochen und räumlichen Skalen von wenigen hundert Kilometern sind insbesondere auf Änderungen der kontinentalen Wassermassen zurückzuführen. Die vorliegende Promotionsarbeit beschäftigt sich mit der Bestimmung hydrologischer Massenvariationen aus GRACE-Daten am Beispiel der vier größten sibirischen Flusseinzugsgebiete Ob, Jenissei, Lena und Kolyma. Darauf aufbauend sollen in Kombination mit atmosphärischen Daten der NCEP-Reanalyse Süßwassereinträge in den Arktischen Ozean abgeleitet werden. Die Süßwassereinträge beeinflussen nachhaltig den Salzgehalt und damit das ozeanographische Regime des Arktischen Ozeans, welcher wiederum einen Einfluss auf die globale thermohaline Zirkulation hat. Da die großen Strömungen des Weltozeans einen grundlegenden Faktor des globalen Klimageschehens darstellen, sind die Änderungen des Süßwassereintrages ein wichtiger Aspekt hinsichtlich prognostizierter Klimatrends. Der Abfluss kann an ausgewählten Messpunkten mit einer hohen zeitlichen Auflösung beobachtet werden. Die Datenreihen weisen jedoch immer wieder Lücken auf und die bodengebundenen Messungen sind oft schwierig und kostenintensiv. Messmethoden, die unabhängig vom Zugang ins Messgebiet sind, können einen großen Fortschritt bei der Beobachtung sich ändernder Massen und Süßwasserflüsse leisten und damit einen Beitrag für ein besseres Verständnis gekoppelter komplexer Prozesse der Arktis liefern. Da die Fehlerstruktur der GRACE-Daten komplex und bis heute nicht vollständig verstanden ist, erfolgt zunächst eine Untersuchung des GRACE-Fehlerhaushaltes. Zudem werden die Fehlereffekte aufgrund des begrenzten räumlichen Spektrums und damit einhergehender Leck-Effekte auf Ebene von Gebietsmittelwerten analysiert und Lösungsvorschläge diskutiert. Dabei sind folgende Aspekte von Bedeutung: Erweiterung der GRACE-Datenreihe um geeigente Terme ersten Grades und Abschätzung von Leck-Effekten, verursacht durch das begrenzte Spektrum der Kugelfunktionsentwicklung. Leck-Effekte aufgrund ozeanischer Signalanteile sind bzgl. der Einzugsgebiete sibirischer Flusssysteme klein (< 1%), wohingegen Leck-Effekte aufgrund kontinentaler Signalanteile je nach Gebietsgröße relative Fehler von 8-17% nach sich ziehen. Die größten Fehlereffekte resultieren jedoch aus den Koeffizienten hoher Grade. Die Filterung der GRACE-Daten ermöglicht die Glättung fehlerbehafterer Signalanteile. Neben den in der Literatur gängigen Filtern wurde im Rahmen der Arbeit ein Kombinationsfilter entwickelt, welches auf Basis von räumlichen Vorinformationen aus Hydrologiemodellen signifikante Signalstrukturen in den GRACE-Datenreihen detektiert. Somit muss lediglich ein Restsignal mittels Filterung gedämpft werden. Mit dem Kombinationsfilter können sowohl feinere Signalstrukturen als auch größere Signalamplituden auf Land erhalten werden. Im Vergleich zu reinen Filteranwendungen werden hier Gesamtsignalstärke, Amplitude und Phase des jährlichen Signals gut repräsentiert. Darauf aufbauend lassen sich, in Kombination mit atmosphärischen Daten, Abflüsse für die sibirischen Flusssysteme aus GRACE-Wasserspeichervariationen ableiten. Die Validierung der berechneten Abflüsse anhand beobachteter Abflüsse zeigt eine hohe Übereinstimmung von bis zu 83%. Eine Gegenüberstellung des berechneten Abflusses der Lena mit Wasserstandsmessungen im Mündungsbereich zeigt zudem einen Zusammenhang zwischen dem maximalen Abfluss im Frühjahr und einer Zunahme des Wasserstandes in der Laptewsee. / The satellite mission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) observes the earth's gravity field on temporal scales of a few days to several weeks and spatial scales of a few hundred kilometers with high accuracy. A large part of the variations of the gravity field originate from hydrological mass changes on the continents. The dissertation discusses the determination of hydrological mass variations from GRACE for the Siberian water systems of the rivers Ob, Yenisey, Lena and Kolyma. The mass variations from GRACE data are combined with atmospheric data of the NCEP reanalysis to calculate the freshwater fluxes in the Arctic Ocean. The freshwater fluxes strongly influences the salinity and the oceanographic regime of the Arctic Ocean. In turn, the Arctic Ocean controls the global thermohaline circulation which is very important for the global climate. Because these large currents of the ocean influence the global climate, the changes of the freshwater fluxes in the Arctic Ocean are an important factor for the global climate change. The runoff can be measured pointwise with high temporal resolution, but measurements in the high latitudes are difficulty and expensive. Independent methods to measure the mass changes in the Arctic can help to determine the freshwater fluxes on large spatial scales, and contribute to understand the coupled and complex processes of the Arctic. Until present, the complex error structure of the GRACE data are not fully understand. The dissertation examines the errors and analysizes the leakage caused by the limited spectrum of the Stokes coefficients. A proposal for a solution will be discussed. The following steps are important: Expanding the GRACE data with adequate terms of degree one; Valuation of leakage errors because of the limited spectrum. Leakage due to oceanographic signals of the Arctic Ocean are small (< 1%). Leakage errors due to signals on land produces relative errors of basin averages of 8-17%. Beyond that, the largest errors are caused by the coefficients of higher degree. Filtering is an effective method to damp the error signals. In addition to the common filters described in the literature, a filter method, called composite filter, was created. Significant structures from hydrological models can be deteceted in the GRACE data without any other filtering. Only the residual signals should be filtered by using one of the common filters. In comparison to the common filters, the composite filter represents the signal strength, the signal structures, the amplitude and the phase of the saisonal signal on the continents much better. Combining hydrological mass variations from GRACE data with atmospheric data (for example the NCEP reanalysis) the runoff of the four Siberian river systems can be calculated. The validation of the calculated runoff using observations leads to a good agreement (83% for Yenisey and Lena). Furthermore, it is possible to combine the runoff of a river system with measurements of water level and salinity in the Arctic Ocean. The high runoff of the Lena river system in spring is visible in the water level changes in the Laptev sea.

Cyanobakterien bilden zahlreiche bioaktive Substanzen mit zum Teil humantoxischer Relevanz. Nicht selten spielen dabei zyklische Peptide, zu denen unter anderem die Microcystine (MCYST) gehören, eine Schlüsselrolle. MCYST werden u.a. von Microcystis KÜTZING EX LEMMERMANN 1907 gebildet. Erkenntnisse zur ökophysiologischen Funktion der MCYST, die zweifelsfrei bei den Produzenten selbst zu suchen ist, liegen bisher kaum vor. Mit Hilfe von Freilanduntersuchungen sollten im Rahmen der vorliegenden Arbeit Kenntnisse zu einer möglichen ökologischen Funktion der MCYST erweitert und vertieft werden. Grundlage stellte dabei die Phänologie von Microcystis als einer der bedeutendsten limnischen MCYST-Produzenten dar. Microcystis zeigt im Freiland einen charakteristischen annuellen Lebenszyklus mit benthisch-pelagischer Kopplung. Ziel der vorliegenden Arbeit war es, die phänologischen Phasen des Lebenszyklus von Microcystis im Freiland zu differenzieren sowie die Dynamik der MCYST während dieser Phasen kompartimentübergreifend gesamtheitlich zu erfassen. Über eine MCYST-Massenbilanzierung sollen anschließend die dem annuellen Zyklus zugrundeliegenden Teilprozesse quantifiziert und zusammengeführt werden. Vordergründiges Anliegen war es, Phasen einzugrenzen, bei denen MCYST möglicherweise eine ökophysiologische Funktion haben könnte. Der annuelle Lebenszyklus von Microcystis wurde anhand von Biomasseänderungen am Sediment und im Pelagial der TS Quitzdorf in die phänologischen Phasen Überwinterung, Reinvasion, pelagisches Wachstum und Sedimentation unterteilt: Intakte, im Herbst aus dem Freiwasser aussedimentierte, Microcystis-Kolonien überwintern am Sediment und steigen im Frühjahr und Frühsommer zurück ins Freiwasser auf. Dort erfolgt der Wachstumsprozess, dem sich im darauffolgenden Herbst erneut ein Zusammenbruch und die Sedimentation der Freiwassergemeinschaft anschließt. Die benthisch-pelagische Kopplung wirkt dabei als interannuelles Bindeglied. Zwischen dem annuellen Lebenszyklus von Microcystis und der MCYST-Dynamik wurde eine enge Bindung nachgewiesen: Änderungen der absoluten MCYST-Konzentrationen während der Übergangsphasen Aufstieg (Frühjahr) und Sedimentation (Herbst) zeigen, dass MCYST mit den aufsteigenden bzw. aussedimentierenden Microcystis-Kolonien aus dem bzw. in das Sediment ‚transportiert’ werden. Ausschließlich während der pelagischen Phase, die sich dem Reinvasionsprozess anschließt, kommt es in Abhängigkeit vom Wachstum der Produzenten und deren Sukzession zur Neubildung von MCYST. Während den Wintermonaten wurden MCYST am Sediment intrazellulär ‚konserviert’. Der Verlauf der pelagischen MCYST-Konzentration wurde mit Hilfe eines Wachstumsmodells nachgebildet. In dieses Modell wurde die genetische Variabilität der MCYST-Produzenten sowie eine mögliche physiologische Steuerung der MCYST-Synthese über die Verfügbarkeit des anorganischen Kohlenstoffs integriert. Der prinzipielle Verlauf zeigte dabei weitestgehend Koinzidenz zwischen den real gemessenen und den simulierten MCYST-Konzentrationswerten. Abweichungen zwischen beiden konnten mit Hilfe des gesamtheitlich kompartimentübergreifenden MCYST-Bilanzierungsansatzes – in erster Linie über benthisch-pelagische Kopplungsprozesse – plausibel erklärt werden. Der Habitatwechsel ist für Microcystis prinzipiell mit Verlusten (Seneszenz/Lyse oder möglicherweise Apoptose) verbunden, sowohl für MCYST-Produzenten und Nichtproduzenten. Die auffallende Stabilität der benthischen MCYST-Zellquote während der Überwinterung gibt Grund zur Annahme, dass eine Funktion von MCYST am/im Sediment eher unwahrscheinlich ist. Da MCYST über derart lange Zeiträume am Sediment intrazellulär ‚konserviert’ werden, ist eine Bedeutung der MCYST während der Reinvasionsphase und in der frühen pelagischen Phase nicht auszuschließen. Im Speziellen wurde eine mögliche ökologische Funktion von MCYST in Zusammenhang mit der Variation der Koloniegröße bzw. dem epiphytischen Bewuchs von Microcystis-Kolonien mit Pseudanabaena mucicola geprüft: Aus dem Zusammenhang zwischen extra-/intrazellulärer MCYST-Konzentration und der Microcystis-Koloniegrößenverteilung waren keine konsistenten Schlussfolgerungen abzuleiten, welche auf eine Steuerung der Koloniebildung durch MCYST deuten. Vor dem Hintergrund, dass MCYST keinen nachweislich allelopathischen Effekt auf den Epibionten Pseudanabaena mucicola ausüben, wurde postuliert, dass zwischen dem beobachteten epiphytischen Besiedlungs-/Verteilungsmuster und der MCYST-Produktion ein indirekter Zusammenhang besteht, welcher die zeitweise Einnischung von Pseudanabaena mucicola auf Microcystis-Kolonien ermöglicht. Die Ergebnisse der vorliegenden Untersuchung lassen weder unmittelbar noch mittelbar eine Variabilität der ökophysiologischen Bedeutung von MCYST, die im Zusammenhang mit der raum-zeitlichen Verteilung potentieller Produzenten steht, erkennen. Eine divergierende Funktion der MCYST auf intra- bzw. extrazellulärer Ebene kann nicht zwingend ausgeschlossen werden. Die Mehrzahl der aus der MCYST-Phänologie und MCYST-Bilanzierung abzuleitenden Schlussfolgerungen deutet allerdings eher auf eine Funktion auf (intra-)zellulärer Ebene hin, wie etwa die Effizienzsteigerung des Kohlenstoffmetabolismus (d.h. der intrazellulä-ren Akkumulation anorganischen Kohlenstoffs) während der pelagischen (Wachstums-)Phase der Produzenten.

The satellite gravimetry mission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), which was operational from 2002 to 2017, and its follow-on mission GRACE-Follow-On (GRACE-FO), which has been active since 2018, revolutionized the observation of temporal changes of the Earth's gravitational field. The measurement data from these missions enable the nuanced quantification of mass redistributions on Earth. Water redistributions between continents and oceans caused by climate change are of particular research interest because of their relevance for mankind. These are, for example, the ice mass changes (IMC) of the ice sheets in Antarctica and Greenland, which this work focuses on. IMC estimates derived from satellite gravimetry data, like from other quantification methods, confirm that both the Greenland Ice Sheet (GIS) and the Antarctic Ice Sheet (AIS) have been losing mass over the last two decades. However, these estimates are subject to large uncertainties, which is particularly the case for the AIS. If the mass balance is obtained from gravimetric observations, a major source of uncertainty is the consideration of effects due to glacial isostatic adjustment (GIA). The uncertainty of the present-day gravitational field changes caused by the isostatic adjustment of the solid Earth to IMC during the last centuries and millennia propagates into estimates of the recent IMC. According to results of the Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise (IMBIE), the spread of different modelling results predicting the GIA-induced mass effect in Antarctica is almost as large as the estimated rate of the IMC itself. In Greenland, the spread of the mass effect from different GIA modelling results is approximately 20 % of the rate of IMC. Alternatively, the IMC can be determined using surface elevation changes derived from satellite altimetry observations. In this case, any GIA error hardly affects the results, but there is a significant source of uncertainty in the conversion of volume changes into mass changes. It is possible to combine data from satellite gravimetry and satellite altimetry to jointly estimate IMC and GIA mass effects, e.g. by solving an inverse problem (joint data inversion). This is an alternative to the use of GIA modelling results in processing satellite gravimetry data. Results from data combination methods are not only a means to an end to improve the estimation of IMC. They also can contribute to answer geodynamic questions. However, previous estimation strategies for combining satellite gravimetry and satellite altimetry data are subject to some limitations. Many approaches only allow to estimate GIA in a regional framework and not in global framework. Other approaches strongly depend on a priori information from geophysical modelling which are subject to large uncertainties. Furthermore, limitations are due to processing choices, e.g. the use of deterministic parameters over defined time intervals or, e.g. due to the consideration of errors in the applied data sets. This work investigates advancements of data combination methods that allow to quantify IMC and present-day GIA effects. Specifically, the approaches investigated here combine measured gravitational field changes from satellite gravimetry, measured surface elevation changes from satellite altimetry, modelled surface mass balances from regional climate modelling, and modelled firn thickness changes from firn modelling. This cumulative dissertation comprises three publications that investigated three aspects of data combination approaches. The first publication analysed a regional combination approach in Antarctica and results therein demonstrated a significant dependence of the estimated GIA effect on the input data sets and applied processing choices. A bias correction can significantly reduce an initial bias in the determined GIA effect associated to the spherical harmonic coefficients of degree-1 and c₂₀. However, this bias correction regionally constrains the GIA estimate and prevents to implement such an approach in a global framework. The second publication infers long-term mass trends with their temporal changes jointly observed from satellite gravimetry and satellite altimetry data. To do so, a state-space filtering framework was applied to the data sets allowing to estimate temporal changes of the parameters over time while accounting for temporal correlation of short-term fluctuations. Thereby, an accelerating ice-dynamically induced ice mass loss is found for drainage basins in West Antarctica. In contrast, the temporal variability of long-term trends in East Antarctica is low. Noteworthy, the trends in Dronning Maud Land and Enderby Land are positive. The third publication presents a global approach to jointly estimate IMC, GIA effects and firn thickness changes, while accounting for spatial error covariances of the input data sets. The intention of the utilized GIA parametrization in Antarctica is to spatially resolve GIA effects that were not predicted by GIA models. Simulation experiments demonstrated the feasibility of the approach under the presence of realistic limitations of satellite observations and model products. This framework paper also reports a first application of the inversion method of Publication~3 to real data. The focus of this application is on Antarctcia over the time interval January 2011 to December 2020. Results for the AIS are: (i) an IMC of (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) a change of the firn air content of (40 ± 5) km³ a⁻¹, and (iii) an integrated GIA-induced mass effect of (72 ± 4) Gt a⁻¹. These results are promising with regard to the application of this methodology, as they are similar to previously published estimates. But they are estimated in a globally consistent framework and without applying conventional filtering strategies. Future work should further improve the methodology and eventually implement it in a global inversion framework that allows to jointly estimate all sea-level contributions.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions / Die Satellitengravimetriemission Gravity Record And Climate Experiment (GRACE), die von 2002 bis 2017 aktiv war, sowie die seit 2018 aktive Nachfolgemission GRACE-Follow-On (GRACE-FO) revolutionierten die Beobachtung zeitlicher Änderungen des Gravitationsfeldes der Erde. Die Messdaten dieser Missionen ermöglichen die differenzierte Quantifizierung von Massenumverteilungen auf der Erde. Von besonderen Forschungsinteresse, aufgrund ihrer Relevanz für die Menschheit, sind dabei durch den Klimawandel verursachte Umverteilungen von Wasser zwischen den Kontinenten und dem Ozean. Das sind beispielsweise die Eismassenänderungen der Eisschilde in Antarktika sowie Grönland, die im Fokus dieser Arbeit stehen. Aus Messdaten der Satellitengravimetrie ermittelte Eismassenänderungen bestätigen, wie auch andere Quantifizierungsmethoden, dass der Grönländische Eisschild sowie der Antarktische Eisschild während der letzten zwei Jahrzehnte an Masse verloren haben. Allerdings sind diese Schätzungen mit großen Unsicherheiten behaftet, was insbesondere auf den Antarktischen Eisschild zutrifft. Wird die Massenbilanz mit gravimetrischen Beobachtungen ermittelt, ist eine wesentliche Quelle für die Unsicherheit die Berücksichtigung der Effekte aufgrund des glazial-isostatischen Ausgleichs (GIA). Die Unsicherheit über die gegenwärtigen Änderungen des Gravitationsfeldes, aufgrund des isostatischen Ausgleichs der festen Erde an Eismassenänderungen während der letzten Jahrhunderte und Jahrtausende, pflanzt sich in die Schätzung rezenter Massenänderungen fort. Laut Ergebnissen von vergleichenden Untersuchungen zu Eisschildmassenbilanzen (Ice sheet Mass Balance Inter-comparison Exercise, IMBIE) ist in Antarktika die Bandbreite unterschiedlicher Modellierungen des GIA-induzierten Masseneffekts fast so groß wie die ermittelte Rate der Eismassenänderung selbst. In Grönland beträgt die Bandbreite des Masseneffekts unterschiedlicher GIA-Modellierungen ungefähr 20 % der Eismassenänderungsrate. Alternativ lassen sich die Eismassenänderungen mittels Oberflächenhöhenänderungen bestimmen, die aus Beobachtungen der Satellitenaltimetrie abgeleitet werden. Dabei beeinflussen GIA Fehler die Ergebnisse kaum, allerdings besteht dabei eine wesentliche Quelle der Unsicherheit bei der Konversion von Volumenänderungen in Massenänderungen. Es besteht die Möglichkeit, Daten der Satellitengravimetrie sowie der Satellitenaltimetrie zu kombinieren und somit die Eismassenänderungen sowie GIA-Masseneffekte gemeinsam zu bestimmen, z. B. als Lösung eines inversen Problems (gemeinsame Dateninversion). Dies ist eine Alternative zur Verwendung von Ergebnissen der GIA-Modellierung in der Datenprozessierung der Satellitengravimetrie. Ergebnisse von Datenkombinationsmethoden sind dabei nicht nur ein Mittel zum Zweck, um die Schätzung von Eismassenänderungen zu verbessern. Sie können auch zur Beantwortung geodynamischer Fragestellungen beitragen. Allerdings unterliegen bisherige Schätzverfahren, die Daten der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie kombinieren, Limitierungen. Viele Ansätze ermöglichen die GIA Schätzungen nur in einem regionalen Rahmen und nicht in einem globalen Rahmen. Andere Ansätze hängen stark von Vorinformationen der geophysikalischen Modellierung ab, die aber große Unsicherheiten aufweisen. Außerdem ergeben sich Limitierungen durch gewählte Prozessierungsentscheidungen, wie z. B. durch die Verwendung deterministischer Parameter über definierte Zeitintervalle oder z. B. durch die Berücksichtigungen der Fehler der verwendeten Datensätze. Diese Arbeit untersucht Weiterentwicklungen von Datenkombinationsmethoden, welche die Quantifizierung von Eismassenänderungen und des gegenwärtigen GIA-induzierten Masseneffekts ermöglichen. Konkret kombinieren die hier untersuchten Ansätze: gemessene Gravitationsfeldänderungen der Satellitengravimetrie, gemessene Oberflächenhöhenänderungen der Satellitenaltimetrie, modellierte Oberflächenmassenbilanzen sowie modellierte Firndickenänderungen der regionalen Klimamodellierung. Diese kumulative Dissertation umfasst drei Publikationen, die drei Aspekte von Datenkombinationsansätzen untersuchten. Die erste Publikation analysierte einen regionalen Kombinationsansatzes in Antarktika und die Ergebnisse zeigten eine bedeutende Abhängigkeit des ermittelten GIA-Effekts von den verwendeten Eingangsdatensätzen und Prozessierungsentscheidungen. Ein ursprünglicher Bias im ermittelten GIA-Effekt, aufgrund der sphärisch-harmonischen Koeffizienten vom Grad-1 sowie c₂₀, kann durch eine Biaskorrektur erheblich reduziert werden. Dadurch sind die GIA-Schätzungen allerdings regional beschränkt und es wird verhindert, dass ein solcher Ansatz in einem globalen Rahmen implementiert werden kann. Die zweite Publikation ermittelt Langzeitmassentrends zusammen mit deren zeitlichen Änderungen, die von der Satellitengravimetrie und Satellitenaltimetrie gemeinsam beobachtet werden. Hierfür wurde ein Zustandsraumfilterverfahren auf die Datensätze angewandt, das es ermöglicht, die zeitlichen Veränderungen der Parameter über die Zeit zu bestimmen, unter der Berücksichtigung zeitlicher Korrelation kurzfristiger Fluktuationen. Dabei zeigt sich für Abflussbecken in der Westantarktis ein sich beschleunigender eisdynamisch induzierter Eismassenverlust. Dagegen ist die zeitliche Variabilität der Langzeittrends in der Ostantarktis gering. Bemerkenswert ist, dass die Trends im Dronning Maud Land und Enderby Land positiv sind. Die dritte Publikation präsentiert einen globalen Ansatz, der die gemeinsame Schätzung von Eismassenänderung, der GIA-Effekte sowie Änderungen der Firndicke ermöglicht, unter der Berücksichtigung räumlicher Fehlerkovarianzen. Bei der Wahl der GIA-Parametrisierung in Antarktika wurde die Intention verfolgt, GIA-Effekte räumlich aufzulösen, die bisher nicht von GIA-Modellen vorhergesagt wurden. Mit Simulationsexperimenten konnte die Machbarkeit des Ansatzes unter realistischer Limitierungen der Satelliten- und Modellprodukte demonstriert werden. Diese Rahmenschrift präsentiert auch eine erste Anwendung der Inversionsmethode aus Publikation 3 unter Verwendung echter Daten. Der Fokus dieser Anwendung liegt auf Antarktika über das Zeitintervall Januar 2011 bis Dezember 2020. Ergebnisse für den Antarktischen Eisschild sind: (i) eine Eismassenänderung von (−150 ± 5) Gt a⁻¹, (ii) eine Änderung des Luftgehalts der Firnschicht von (40 ± 5) km³ a⁻¹ und (iii) ein integrierter GIA-induzierter Masseneffekt von (72 ± 4) Gt a⁻¹. Diese Ergebnisse sind vielversprechend mit Hinblick auf die Anwendbarkeit der Methode, da sie vergleichbar zu bereits publizierten Ergebnissen sind. Dabei wurden sie in einem global-konsistenten Rahmen ohne die Anwendung konventioneller Filterungen ermittelt. Im Zuge zukünftigen Arbeiten soll die Methodik weiter verbessert werden und schließlich in einem globalen Inversionsrahmen implementiert werden, der die Bestimmung aller Meeresspiegelbeiträge gemeinsam ermöglicht.:1 Introduction 2 Processes over ice sheets inducing changes in Earth’s gravity and geometry 3 Data sets 4 Data combinations over ice sheets 5 Publications 6 Inversion of real data for glacial isostatic adjustment and ice mass changes in Antarctica 7 Outlook 8 Conclusions