Title: Modellierung atmosphärischer Einflüsse auf die Erdrotation in verschiedenen Zeitskalen
Language: Deutsch
Authors: Schindelegger, Michael
Qualification level: Diploma
Keywords: Atmosphärischer Drehimpuls; Drehimpulsfunktionen; Polbewegung; Tageslängenschwankung; Transferfunktionen; Hochfrequente atmosphärische Effekte
Atmospheric angular momentum; angular momentum functions; polar motion; length of day; transfer functions; short-periodic atmospheric effects
Advisor: Schuh, Harald
Assisting Advisor: Böhm, Johannes 
Issue Date: 2009
Number of Pages: 130
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Variationen des atmosphärischen Drehimpulses werden durch großräumige Massenverlagerungen und Veränderungen des Windfelds der Atmosphäre hervorgerufen. Durch Interaktion mit der darunterliegenden Kruste und dem Mantel beeinflussen derartige atmosphärische Vorgänge auch das Rotationsverhalten der Erde - sie sind so für einen Teil der beobachteten Polbewegung und Tageslängenschwankung (LOD) verantwortlich.
In der vorliegenden Diplomarbeit wird versucht, den Einfluss der Atmosphäre auf die Erdrotation anhand der sogenannten Drehimpulsfunktionen zu modellieren. Die Drehimpulsfunktionen werden dabei auf Basis der meteorologischen Daten des ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) durch Integration über die Dichte und das Geschwindigkeitsfeld der Atmosphäre berechnet. Die Zeitreihen der geodätisch beobachteten Polbewegung und Tageslängenschwankung entstammen dem C04-Datensatz des IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) bzw. den GPS- und VLBI-Beobachtungen für die Dauer des Beobachtungsprogrammes CONT08. Je nachdem in welchem Periodenbereich der Einfluss der Atmosphäre in der Erdrotation untersucht wird, sind unterschiedliche Modellierungsansätze zu gebrauchen. Für Effekte mit Perioden von wenigen Tagen bis hin zu mehreren Wochen oder länger ist die Übereinstimmung zwischen geodätischen und atmosphärischen Daten sehr gut, und der Vergleich im Zeitbereich auf Ebene der Drehimpulsfunktionen (Differentiationsansatz) oder auf Ebene der Polbewegung (Integrationsansatz) empfehlenswert. Im täglichen bzw. subtäglichen Bereich müssen in den Gleichungen neben dem Chandler Wobble (CW) auch die Effekte der Free Core Nutation (FCN) miteinbezogen werden. Die Kohärenz zwischen Drehimpulsfunktionen und geodätischen Zeitreihen sinkt für hochfrequente Signale jedoch drastisch, sodass sich der Verfasser auf die Abschätzung der Amplituden in den Spektren der atmosphärisch angeregten Erdrotationsparameter (Polbewegung und LOD) beschränkt.
Die verwendeten Drehimpulsfunktionen sind nach verschiedenen Varianten berechnet und besitzen je nach zu behandelnder Zeitskala auch unterschiedliche Auflösung (1 d, 6 h oder 1 h). Zusätzlich stehen die Drehimpulsfunktionen des NCEP (National Centers for Environmental Prediction) zur Verfügung. Im Vergleich mit Erdrotationsparametern ergeben sich beim Differentiationsansatz Korrelationskoeffizienten bis zu 0.80 in der äquatorialen Komponente bzw. 0.99 in LOD. Im Fall des Integrationsansatzes beträgt die Standardabweichung zwischen Polbewegung aus C04 und Polbewegung aus Atmosphärendaten bestenfalls 6.3 mas. Die täglichen und subtäglichen atmosphärischen Effekte besitzen grundsätzlich Amplituden, die kleiner als 10 uas (Polbewegung) bzw. 10 us (LOD) sind.

Variations in the angular momentum of the atmosphere are caused by large-scale atmospheric mass redistributions as well as changes in the pattern of winds. By interacting with the underlying mantle, those processes give rise to fluctuations in all three components of the Earth's rotation vector. Certain parts of geodetic polar motion and observed changes in length of day (LOD) can always be attributed to variations of atmospheric angular momentum. The overall goal of this paper is to model the influence of the atmosphere on Earth rotation via the so-called atmospheric angular momentum functions, which are calculated as integrals over density and wind velocities. For this purpose, the meteorological data of the ECMWF (European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) are used. Time series for observed polar motion and LOD are taken from the C04-record of the IERS (International Earth Rotation and Reference Systems Service) and from GPS- and VLBI-observations that were accumulated during the geodetic observation program CONT08. In order to study the influence of the atmosphere on Earth rotation, one has to apply different models depending on the time scale examined. For periods of a few days or longer, the correspondence between geodetic and atmospheric time series is very good, and the comparison may be effectively carried out in time domain - either on the level of angular momentum functions (differentiation approach) or on the level of polar motion (integration approach). In the diurnal and semi-diurnal frequency band it is necessary to take into account both eigenmodes of the Earth, Chandler Wobble (CW) and Free Core Nutation (FCN). However, there is a significant drop of coherence between atmospheric angular momentum functions and geodetic observations when examining high frequency signals. As a consequence, only the mean amplitudes of short-periodic atmospheric excitation in polar motion and length of day are estimated.
Calculation of the atmospheric angular momentum functions is done in a few different ways. Depending on the frequency band that is looked at, time series with various resolutions are used (1 d, 6 h or 1 h).
Additionally, the author includes the angular momentum functions derived from NCEP (National Centers for Environmental Prediction) data. When comparing with geodetic data, the differentiation approach yields correlation coefficients up to 0.80 in the equatorial component and 0.99 for LOD. As for the integration approach, the standard deviation between polar motion from C04 and polar motion from atmospheric excitation is 6.3 mas in the best case. In the diurnal and semi-diurnal frequency band the mean amplitudes of atmospheric signals are generally smaller than 10 uas (polar motion) and 10 us (LOD), respectively.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-34576
http://hdl.handle.net/20.500.12708/12989
Library ID: AC07452271
Organisation: E120 - Institut für Geodäsie und Geophysik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
Appears in Collections:Thesis

Show full item record

Page view(s)

26
checked on Feb 18, 2021

Download(s)

102
checked on Feb 18, 2021

Google ScholarTM

Check


Items in reposiTUm are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.