Spectral and Spatial Investigation of Ocean Tide Signatures in GRACE(-FO) Post-Fit Residuals

verfasst von: Igor Koch
betreut von: Jakob Flury
Abstract: Das Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE, 2002–2017) war die erste Satellitenmission, die das Low-Low-Satellite-To-Satellite-Tracking (LL-SST) einsetzte, und die erste Mission, die in der Lage war, Massenvariationen auf der Erde zu verfolgen. Seit 2018 befindet sich die Nachfolgemission GRACE Follow-On (GRACE-FO) im Orbit. Das LL-SST-Konzept besteht aus zwei identischen Satelliten, die die Erde in einem gemeinsamen Orbit hintereinander umkreisen und durch einen Abstand von etwa 220 km getrennt sind. Dabei wird der Abstand zwischen den Satelliten präzise von einem K/Ka-Band-Ranging-System erfasst und dient als Hauptbeobachtung für die Berechnug monatlicher Schwerefeldlösungen. Diese Schwerefeldprodukte sind von zentraler Bedeutung für die Untersuchung von Massenvariationen im Erdsystem. Der Prozess der Berechnung monatlicher Schwerefeldlösungen umfasst die Satellitenorbitmodellierung und die Parameterschätzung als zentrale Komponenten. Da die präzisen Distanzmessungen des K/Ka-Band-Ranging-Systems Informationen über alle auf die Satellitendynamik wirkenden Einflüsse enthalten, werden während der Satellitenorbitmodellierung verschiedene Hintergrundmodelle eingesetzt, um die Signale, die konventionell Teil der Schwerefeldlösungen sein sollten, von Störbeiträgen zu trennen, die beispielsweise mit Gezeiten, gravitativer Anziehung durch Himmelskörper und schnellen Massenvariationen in der Atmosphäre und den Ozeanen zusammenhängen. Ungenauigkeiten der Ozeangezeitenmodelle gelten als wesentliche Faktoren, welche die Qualität der GRACE- und GRACE-FO-Schwerefeldprodukte beeinträchtigen. Ozeangezeitenmodelle weisen insbesondere in Polargebieten erhebliche Ungenauigkeiten auf, da dort präzise Satellitenaltimetrie-Beobachtungen fehlen, sowie in Flachwasserbereichen, wo die Dynamik der Ozeangezeiten komplexer ist als in offenen Ozeangebieten. Im Rahmen dieser Arbeit wurde erstmals eine Spektralanalyse durchgeführt, um Ozeangezeiten-Signaturen in den LL-SST-Post-Fit-Residuen zu untersuchen. Monatliche Schwerefeldlösungen und die dazugehörigen K-Band-Range-Rate-Post-Fit-Residuen für den Zeitraum von April 2002 bis September 2023 wurden berechnet. Die erhaltenen Range-Rate-Post-Fit-Residuen wurden einer Tiefpassfilterung unterzogen, numerisch differenziert und einem globalen 5°×5°-Gitter zugewiesen. Lomb–Scargle-Periodogramme wurden für die Zeitreihen in jedem Raster berechnet und anschließend auf Frequenzen mit signifikanten Amplituden auf globaler Ebene analysiert. Insgesamt wurden über 30 auffällige Gezeitenfrequenzen identifiziert, die nicht nur den wichtigsten gravitationsbedingt angeregten Gezeitenkonstituenten entsprechen, sondern auch kleineren Grad-2-Gezeiten, Grad-3-Gezeiten, nichtlinearen Gezeiten und Strahlungsgezeiten. Mit Ausnahme einiger weniger Gezeitenkomponenten zeigen die entsprechenden Amplitudenkarten fast ausschließlich erhöhte Amplituden in Polarregionen, entlang von Küstenlinien und in einigen begrenzten Regionen des offenen Ozeans. Die komplexeste Region, in der eine große Anzahl von Gezeitenfrequenzen erhöhte Amplituden aufweist, ist das Weddellmeer. Obwohl die meisten der identifizierten Gezeitenfrequenzen während der Orbitmodellierung berücksichtigt wurden, was bedeutet, dass die Amplituden in den Periodogrammen ein Residualsignal gegenüber dem verwendeten Ozeangezeitenmodell darstellen, wurden mehrere unmodellierte Frequenzen identifiziert. Dazu gehören die Grad-3-Gezeiten 3M1, 3L2, 3N2, 3M3, die zusammengesetzten Gezeiten 2SM2 und 2MK3/MO3, sowie die Strahlungsgezeiten S3, T3, R3, wobei die beiden letzteren ihre Frequenzen jeweils mit den zusammengesetzten Gezeiten SP3 und SK3 teilen. Alle diese unmodellierten Gezeiten sind bisher kaum oder gar nicht untersucht worden. Ein globales Ozeangezeitenmodell für 3M3, das Altimetriedaten verwendet, wurde erst kürzlich veröffentlicht. Zurzeit sind für 3M1, 3L2, 3N2 altimetriebasierte Lösungen nur für die Breitengrade von −66° bis +66° verfügbar, nicht jedoch für die Polarregionen, wo gemäß der durchgeführten Spektralanalyse große Gezeitenvariationen existieren. Messdatenbasierte Ozeangezeitenlösungen sind für die anderen Frequenzen nicht vorhanden. Es wurde gezeigt, dass rein hydrodynamische Lösungen einen großen Teil des Grad-3- und des Strahlungssignals in den Post-Fit-Residuen erklären können. Für die identifizierten zusammengesetzten Gezeiten gibt es derzeit noch keine veröffentlichten hydrodynamischen Modelle. Eine Analyse von Altimetriedaten zeigt eine qualitative Übereinstimmung mit den 2SM2- und 2MK3/MO3-Mustern in den Post-Fit-Residuen. Die vorgestellten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Analyse von LL-SST-Post-Fit-Residuen, ein erhebliches Potenzial zur Validierung von Ozeangezeitenmodellen bietet. Zukünftige Untersuchungen sollten auch das Potenzial der Assimilation von LL-SST-Messungen in hydrodynamische Modelle untersuchen.
Organisationseinheit(en): Institut für Erdmessung
Typ: Dissertation
Anzahl der Seiten: 147
Publikationsdatum: 21.01.2026
Publikationsstatus: Veröffentlicht
Ziele für nachhaltige Entwicklung: SDG 13 – Klimaschutzmaßnahmen
Elektronische Version(en): https://doi.org/10.15488/20291 (Zugang: Offen)
: Details im Forschungsportal „Research@Leibniz University“

BibTeX

@phdthesis{337338aadf6b47f4865a87b675cb104c,
title = "Spectral and Spatial Investigation of Ocean Tide Signatures in GRACE(-FO) Post-Fit Residuals",
abstract = "The Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE, 2002–2017) was the first satellite mission to utilize low-low Satellite-to-Satellite Tracking (ll-SST), and the first mission able to monitor mass variations on Earth. Since 2018, the successor mission GRACE Follow-On (GRACE-FO) has been in orbit. The ll-SST concept involves two identical co-orbiting satellites separated by a distance of approximately 220 km. The distance between the satellites is precisely tracked by a K/Ka-band ranging system and serves as the main observable for the derivation of monthly gravity field solutions. These gravity field products are of major importance for studying mass variations within the Earth{\textquoteright}s system. The process of computing the monthly gravity field solutions involves satellite orbit modeling and parameter estimation as central components. Since the precise distance measurements provided by the K/Ka-band ranging system contain information on all influences affecting satellite dynamics, various background models are employed during satellite orbit modeling. These models are used to separate the signals that should conventionally be part of the gravity field solutions from disturbances related, for example, to tides, gravitational attraction from celestial bodies, and rapid mass variations in the atmosphere and oceans. Imperfections of ocean tide models are considered among the primary factors limiting the quality of GRACE and GRACE-FO gravity field products. Ocean tide models are known to exhibit significant inaccuracies, especially in polar regions where precise satellite altimetry observations are lacking, and in shallow water regions where ocean tide dynamics are more complex than those in open ocean areas. As part of this work, a spectral analysis was conducted for the first time to examine ocean tide signatures in the ll-SST post-fit residuals. Monthly gravity field solutions and the corresponding range-rate post-fit residuals for the period from April 2002 to September 2023 were computed. The obtained rangerate post-fit residuals were low-pass filtered, numerically differentiated, and assigned to a global 5°×5° grid. Lomb–Scargle periodograms were computed for the time series in each grid, and then analyzed for frequencies with significant amplitudes occurring on a global scale. In total, over 30 prominent tidal frequencies were identified, which correspond not only to the major gravitationally excited tidal constituents but also to minor degree-2 tides, degree-3 tides, non-linear tides, and radiational tides. With the exception of a few tidal constituents, the corresponding amplitude maps almost exclusively show increased amplitudes in polar regions, along coastlines and confined to some regions of the open ocean. The most complex region where a large number of tidal frequencies show increased amplitudes is the Weddell Sea. Although most of the identified tidal frequencies were considered during orbit modeling, meaning that the amplitudes in the periodograms represent residual signal relative to the ocean tide model used, several unmodeled frequencies were identified. These include degree-3 tides 3M1, 3L2, 3N2, 3M3, the compound tides 2SM2 and 2MK3/MO3, and the radiational triple S3, T3, R3, with the latter two sharing their frequencies with the compound tides SP3 and SK3, respectively. All of these unmodeled tides have been scarcely studied or not studied at all thus far. A global altimetry-constrained ocean tide model for 3M3 was just recently published. At the moment, for 3M1, 3L2, 3N2 altimetry-based solutions are only available for the latitudes from −66° to +66°, but not for the polar regions, where according to the performed spectral analysis large tidal variations exist. Data-constrained ocean tide solutions do not exist for the other frequencies. It was shown that purely hydrodynamic solutions can explain a large part of the degree-3 and radiational signal in the post-fit residuals. For the identified compound tides at the moment not even hydrodynamic models have been published yet. An analysis of altimetry data reveals a qualitative agreement with the 2SM2 and 2MK3/MO3 patterns observed in the post-fit residuals. The findings presented suggest that the analysis of ll-SST post-fit residuals offers significant potential for validating ocean tide models. Future research should also explore the potential for assimilating ll-SST measurements into hydrodynamic models.",
author = "Igor Koch",
year = "2026",
month = jan,
day = "21",
doi = "10.15488/20291",
language = "English",
series = "Wissenschaftliche Arbeiten der Fachrichtung Vermessungswesen der Universit{\"a}t Hannover",
publisher = "Fachrichtung Geod{\"a}sie und Geoinformatik der Leibniz Universit{\"a}t Hannover",
}