Aus ihrem vielfältigen Portfolio numerischer Modelle stellt die GFZ-Sektion 1.3 „Erdsystemmodellierung“ diverse routinemäßig aktualisierte Produkte zu Schwerefeldänderungen, Erdrotationsanregungen und Oberflächendeformationen bereit. Ein besonderer Fokus der Arbeiten liegt auf der Modellierung der globalen Ozeandynamik und der Wasserverteilung auf der Landoberfläche. Angetrieben werden diese Modelle mit 3-stündigen Atmosphärendaten des Europäischen Zentrums für Mittelfristige Wettervorhersage (EZMW/ECMWF). Die finalen geodätischen Produkte werden täglich für den jeweils vergangenen Tag aufdatiert. Zusätzlich werden täglich 6-Tages-Vorhersagen aller Produkte berechnet und der Wissenschaftsgemeinschaft ebenfalls über ein GFZ-eigenes Datenportal zugänglich gemacht, um Erdrotationsschwankungen, Veränderungen des Erdschwerefeldes und Oberflächendeformation durch veränderliche Wasserauflasten zu bestimmen und vorherzusagen.
Dr. Robert Dill, GFZ
Operationelles Prozessierungssystem (OPS)
Alle dafür notwendigen Berechnungsschritte werden im sogenannten „Operationellen Prozessierungssystem (OPS)“ jeden Tag automatischdurchgeführt (Abb.1). Sobald neue atmosphärische Antriebsdaten am ECMWF zur Verfügung stehen, werden diese täglichen atmosphärischen Analyse- und Vorhersage-Daten vom ECMWF abgerufen, zu 3-stündigen Antriebsdaten verarbeitet und an das GFZ übertragen. Mit diesen meteorologischen Feldern von beispielsweise Luftdruck, Wind und Niederschlag berechnen das Max-Planck Ozeanmodell MPIOM (Link zu Jungclaus et al., 2013) und das hydrologische Land Surface Discharge Modell LSDM (Link zu Dill, 2008) die großräumigen Wassermassenumverteilungen durch Ozeanströmungen, Wasserspeicherung in Seen, Flüssen und in Form von Schnee oder Bodenfeuchte im System Erde mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung.
Um sicherzustellen, dass die Summe aller unabhängig simulierten Wassermassen in Atmosphäre, Ozean und auf Land konstant bleibt, wird zusätzlich - unter Berücksichtigung von Selbstanziehung und Auflastwirkung des Wassers - eine Massenkorrektur im Ozean angebracht, die zu räumlich variablen Meeresspiegelschwankungen führt. Alle bereitgestellten Produkte beginnen am 1. Januar 1975 und werden täglich bis ca. 11 Uhr UTC (koordinierte Weltzeit, 12 Uhr Berlin Winterzeit) um alle Zeitschritte des vergangenen Tages erweitert. Sie sind über www.gfz-potsdam.de/en/esmdata kostenfrei und ohne spezielle Anmeldung zugänglich. Ein RAMADDA-Server erlaubt sowohl den Bezug von global vollständigen Jahresprodukten als auch einen selektiven Download von Zeitreihen bestimmter geographischer Orte mit geodätischer Beobachtungsinfrastruktur wie GNSS-Empfängern oder SLR-Stationen (Abb. 2).
Im Folgenden werden drei der wichtigsten Produkte kurz vorgestellt:
Atmosphäre-Ozean De-aliasing Level-1B Produkt (AOD1B)
Für die Erstellung von globalen Schwerefeldkarten bzw. Wassermassenverteilungen aus den Sensordaten der Satellitenmissionen GRACE und GRACE-FO ist es nötig, schnelle nicht-periodische Massenänderungen, die mit den Satelliten nicht direkt beobachtet werden können, vorab zu kennen. Seit 2002 berechnet das GFZ routinemäßig diese notwendigen Information und stellt sie als sogenanntes Atmosphäre-Ozean De-aliasing Level-1B (AOD1B)-Produkt allen an den GRACE-Missionen beteiligten Prozessierungszentren zur Verfügung (siehe Shihora et al., 2022).
Anregungsfunktionen von Erdorientierungsänderungen
Nichtperiodische Schwankungen in der Erdrotation werden in erster Linie durch Massentransportprozesse in Atmosphäre, Ozean und der terrestrischen Hydrosphäre verursacht, die sich mit Hilfe numerischer Modelle sehr gut vorhersagen lassen. Am GFZ berechnete Anregungsfunktionen für Polbewegung und Tageslängenschwankung bieten aktuell weltweit die höchsten Vorhersagegenauigkeiten und werden unter anderem auch von der Europäischen Raumfahrtagentur ESA für deren operationelle Bahnbestimmungen verwendet (siehe Kehm et al., 2023). Vorhersagen von Erdorientierungsparametern sind auch für den sicheren Missionsbetrieb der GRACE-Missionen unerlässlich.
Elastische Auflastdeformationen der Lithosphäre
Unter dem Gewicht zeitvariabler Wassermassen in Atmosphäre (Luftdruck), Ozean (Ozeanbodendruck) und auf Land (terrestrische GesamtwasserspeicherungDie Gesamtmenge des auf den Landmassen der Erde vorhandenen Wassers wird als Gesamtwasserspeicherung (TWS) bezeichnet. Wichtige Beiträge zum Gesamtspeicher sind Schnee, Eis (in Gletschern und Eisschilden), Oberflächenwasser (in Flüssen, Seen, Feuc...) reagiert die Lithosphäre mit elastischen Deformationen, welche die geodätischen Instrumente bzw. Observatorien vertikal um etliche Millimeter verschieben können. Am GFZ werden derartige vertikale und auch horizontale Deformationen in zwei verschiedenen Referenzrahmen (Ursprung im Massenmittelpunkt der Erde, Ursprung im geometrischen Zentrum der Erde) berechnet (siehe Dill und Dobslaw, 2013). Damit lassen sich Stationsbewegungen in den Daten von GNSS-Empfängern und SLR-Stationen korrigieren, welche unter anderem für die präzise Bahnbestimmung der GRACE-Satelliten von großer Bedeutung sind.
Weiterführende Literatur
Dokumentation zum Ozeanmodell MPIOM (Jungclaus et al., 2013): Jungclaus J. H., Fischer N., Haak H., Lohmann K., Marotzke J., Matei D., Mikolajewicz U., Notz D., Von Storch J. S. (2013): Characteristics of the ocean simulations in the Max Planck Institute Ocean Model (MPIOM) the ocean component of the MPI-Earth system model, Journal of Advances in Modeling Earth Systems, Vol. 5, No. 2, 422—446.
Dokumentation zum Landoberflächenmodell LSDM (Dill, 2008): Dill, R. (2008): Hydrological model LSDM for operational Earth rotation and gravity field variations, Scientific Technical Report, 08/09, GFZ, Potsdam, DOI:10.2312/GFZ.b103-08095.
Fachartikel zum Atmosphäre-Ozean Dealiasing-Produkt AOD1B (Shihora et al, 2022): Shihora, L., Dahle, C., Balidakis, K., Dobslaw, H., Dill, R. (2022): Non-Tidal Background Modelling for Satellite Gravimetry based on operational ECWMF and ERA5 Reanalysis Data: AOD1B RL07. - Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 127, 8, e2022JB024360. https://doi.org/10.1029/2022JB024360
Fachartikel zur Vorhersage von Erdorientierungsänderungen bei der ESA (Kehm et al., 2023): Kehm, A., Hellmers, H., Bloßfeld, M., Dill, R., Angermann, D., Seitz, F., Hugentobler, U., Dobslaw, H., Thomas, M., Thaller, D., Böhm, J., Schönemann, E., Mayer, V., Springer, T., Otten, M., Bruni, S., Enderle, W. (2023): Combination strategy for consistent final, rapid and predicted Earth rotation parameters. - Journal of Geodesy, 97, 3 https://doi.org/10.1007/s00190-022-01695-w.
Fachartikel zu elastischen Auflastdeformationen der Lithosphäre (Dill and Dobslaw, 2013): Dill, R., Dobslaw, H. (2013): Numerical simulations of global-scale high-resolution hydrological crustal deformations. - Journal of Geophysical Research, 118, 9, 5008-5017 https://doi.org/10.1002/jgrb.50353