Atmospheric contribution to decadal-scale polar motion variations from twentieth century reanalysis

Abstract

Der Ursprung von dekadischen Variationen in der Anregung der Polbewegung stellt eines der letzten großen Mysterien auf dem Gebiet der Erdrotation dar. Seit William Markowitz den multi-dekadischen Wobble entdeckte, welcher später nach ihm benannt wurde, versuchen Geodäten dessen Ursache auf den Grund zu gehen. Auch wenn heutzutage eine Kombination aus mehreren Prozessen am wahrscheinlichsten erscheint und die Prozesse im Erdkern wohl den Hauptanteil bilden so fehlt immer noch das vollkommene Verständnis für alle Zusammenhänge. Atmosphärische Prozesse stellen dabei auch einen kleinen Anteil dar. Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem atmosphärischen Einfluss auf die dekadische Anregung der Polbewegung und bedient sich dabei meteorologischer Daten aus zwei verschiedenen Reanalysemodellen des 20. Jahrhunderts. Einerseits soll die Größenordnung des atmosphärischen Anteils geschätzt werden, andererseits werden im Zuge dieses Prozesses die verwendeten Modelle auf ihre Konsistenz und ihre Einsetzbarkeit in geophysikalischen Studien zur Erdrotation getestet. Schlussendlich soll damit eine objektive Bewertung möglich sein und eventuelle Vor- und Nachteile der einzelnen Modelle sollen aufgedeckt werden.

The origin of decadal variations in the excitation of polar motion occurs to be one of the remaining open questions in Earth rotation studies. SinceWilliam Markowitz discovered the multi-decadal wobble that has been named after him, geodetic science has been in search of the possible underlying physical mechanisms for it. Although a combination of different processes is the most likely scenario and most studies suggest processes in the core to account for the main contribution, a complete picture of the whole phenomenon is still missing. Atmospheric processes, although of subordinate magnitude, also take part in decadal polar motion excitation. The present study investigates this decadal-scale atmospheric excitation over the whole twentieth century by using meteorological data from two different reanalysis systems. On one hand the thesis estimates the atmospheric contribution to decadal-scale wobbles by comparing geophysical excitation measures to geodetic observations of polar motion variations. On the other hand two reanalysis models are tested for their rational skill and consistency trough the angular momentum budget equation, i.e., the mathematical framework that is the foundation of a reliable estimation of the atmospheric contribution. In the end, a objective judgement on the usability of the reanalyses for Earth rotation studies is given, and the possible superiority of one of the probed datasets is pointed out. The atmospheric contribution is found to be small but not negligible. Beside that, good results in the angular momentum budget check justify the usage of both reanalyses models.