Der Einfluss der LRI-Beobachtungen auf GRACE-FO-Schwerefeldmodelle

Die Analyse der Messdaten beider Instrumente ergibt ein sehr ähnliches Bild des monatlichen Erdschwerefeldes, wie in Abb. 1 zu sehen ist. Die jeweiligen KBR- und LRI-Schwerefeldlösungen wurden zuvor gefiltert, um die durch zeitliche Unterabtastung bedingten dominanten Fehlerstrukturen zu reduzieren und die tatsächlichen Masseänderungssignale sichtbar zu machen. Beide Messeinheiten liefern demnach, zuverlässig und unabhängig voneinander, vergleichbare Schwerefelddaten, welche die kontinuierliche Beobachtung der Massenänderungen auf der Erde ermöglichen. Trotz der deutlich höheren Messgenauigkeit des LRI im Vergleich zum KBR-Instrument können, zumindest auf der Ebene des global räumlich aufgelösten Erdschwerefeldes, keine signifikanten Unterschiede festgestellt werden. Die typischen räumlichen Fehlerstrukturen entlang der Meridiane (Streifen in Nord-Süd Richtung) in den Schwerefeldlösungen sind gleichermaßen sichtbar, wenn auch hier in reduzierter Form aufgrund der nachträglichen Filterung. Diese Fehlermuster entstehen durch zeitliche Unterabtastung geophysikalischer Schwerefeldsignale aufgrund periodischer und nicht-periodischer Massenvariationen in Ozean und Atmosphäre. Diese sollten prinzipiell nicht in der finalen Schwerefeldlösung enthalten sein, da bei der Datenverarbeitung entsprechende Hintergrundmodelle eingesetzt werden, welche diese kurzwelligen Signale, die Perioden von nur wenigen Tagen oder gar Stunden besitzen, aus dem Zielsignal wegreduzieren sollen. Diese Modelle sind jedoch nicht fehlerfrei. Der Restfehler spiegelt sich in Form von zeitlicher Unterabtastung, z.B. durch besagte Streifenstrukturen, im aufgelösten Schwerefeld wieder. Diese zeitliche Unterabtastung ist, neben dem Fehler der Beschleunigungsmesser (Messeinheit zur Bestimmung der nicht-gravitativen Kräfte), der größte Fehlereinfluss in den Monatslösungen der Erdschwerefelder. Die höhere Messgenauigkeit des LRI wird durch diese Fehlereinflüsse dominiert und kann daher bei einem Einzelpaar wie GRACE-FO nur bedingt ausgeschöpft werden.

Bei der genaueren Analyse der geschätzten Schwerefeldlösungen können jedoch auch signifikante Unterschiede zwischen KBR- und LRI-basierten Modellen festgestellt werden. In Abb. 2 werden die entsprechenden geschätzten Schwerefelder für Januar 2019 in Form von sphärisch-harmonischen Koeffizienten in Dreiecksform, getrennt für die Sinus- (S) und Cosinus-Koeffizienten (C) für alle Grade und Ordnungen bis 180 (entspricht etwa 111 km räumliche Auflösung), dargestellt. Dabei fällt auf, dass die Koeffizienten niedrigerer Ordnung in der LRI-Lösung besser geschätzt werden als diejenigen der KBR-Lösung. Dieses Phänomen verstärkt sich mit zunehmendem Grad. Der Vorteil des LRI gegenüber dem KBR liegt demnach hauptsächlich im Bereich der zonalen und nahen zonalen Koeffizienten, also denjenigen, die um die Ordnung 0 liegen. Diese Koeffizienten spiegeln Signale in den Polbereichen auf der Erde wieder, und man kann annehmen, dass die Fehleranteile in diesem Bereich durch die LRI-Messungen reduziert werden. Allerdings muss nochmals betont werden, dass diese Reduzierung in den finalen Schwerefeldmodellen einer Einzelpaarlösung kaum oder gar nicht sichtbar ist, da die Fehleranteile der oben beschriebenen zeitlichen Unterabtastung durch hochfrequente geophysikalische Signale dominieren. Es ist daher sinnvoll, neben weiteren Verbesserungen der Sensordatenanalyse auch die Entwicklung verbesserter Hintergrundmodelle der ozeanischen Gezeiten und der transienten Dynamik in Atmosphäre und Ozean weiter voranzutreiben. Die nachträgliche Bearbeitung der zeitvariablen, monatlichen Schwerefeldlösung mit digitalen Filtern führt zwar zu einer deutlichen Reduktion der Fehlerstrukturen, reduziert aber auch gleichzeitig die räumliche Auflösung und führt weiter in gewissen Teilen zum Verlust des Zielsignals, womit die hochfrequenten Signalanteile verloren gehen. Wie in Abb. 2 zu sehen ist, profitiert das LRI von einer höheren räumlichen Auflösung des zeitvariablen Monatsfeldes, z.B. bis Grad und Ordnung 180 anstatt der üblichen Ordnung 96 (entspricht in etwa einer räumlichen Auflösung von 208 km). Daher ist anzunehmen, dass im Falle des Beitrags zu hochauflösenden statischen (also über viele Jahre gemittelten) Schwerefeldern durch GRACE-FO die hohe Messgenauigkeit des LRI im hohen Frequenzbereich zu sichtbaren Verbesserungen führen kann. Diese Arbeiten stehen noch an, z.B. im Rahmen der Forschergruppe NEROGRAV.