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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:83973 |
| Date | 06 March 2023 |
| Creators | Willen, Matthias Oskar |
| Contributors | Horwath, Martin, Pail, Roland, Sasgen, Ingo, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | 10.5194/tc-14-349-2020, 10.1029/2020JF005966, 10.1007/s00190-022-01651-8, info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Schwerpunktprogramm 1889 “Regional Sea Level Change and Society” (SeaLevel)/313917204//Reconciling ocean mass change and GIA from satellite gravity and altimetry/OMCG, info:eu-repo/grantAgreement/Deutsche Forschungsgemeinschaft/Schwerpunktprogramm 1889 “Regional Sea Level Change and Society” (SeaLevel)/313917204//Reconciling ocean mass change and GIA from satellite gravity and altimetry 2/OMCG-2 |
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