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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-66818
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2014/6681/


Bestimmung des zeitabhängigenCO2- Gasaustauschs über dem globalen eisfreien Ozean unter Verwendung von Winddaten aus satellitengestützten Messungen

Hinrichs, Iris

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SWD-Schlagwörter: Maritime atmosphärische Grenzschicht , Gasaustausch , Windgeschwindigkeit , Scatterometer , Parametrisierung , Kohlendioxid , Partialdruck
Freie Schlagwörter (Deutsch): Gasaustauschgeschwindigkeit , Ozean , Zeitreihe
Freie Schlagwörter (Englisch): gas transfer velocity , ocean
Basisklassifikation: 38.81 , 38.90
Institut: Geowissenschaften
DDC-Sachgruppe: Geowissenschaften
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Stammer, Detlef (Prof. Dr.)
Sprache: Deutsch
Tag der mündlichen Prüfung: 28.01.2014
Erstellungsjahr: 2013
Publikationsdatum: 20.03.2014
Kurzfassung auf Deutsch: In dieser Arbeit werden verbesserte und untereinander vergleichbare Gasaustauschgeschwindigkeiten k basierend auf Windgeschwindigkeiten u10 aus fünf Satellitenmissionen abgeleitet. Die resultierende Zeitreihe globaler Felder der für den CO2 -Austausch zwischen Ozean und Atmosphäre wichtigen Geschwindigkeit k liegt über einen Zeitraum von mehr als 21 Jahren vor. Die Ableitung von k wird in dieser Arbeit unter Verwendung des Ansatzes von Nägler (2009) für drei verschiedene Abhängigkeiten von der u10 vorgenommen. Die so abgeleiteten Gasaustauschgeschwindigkeiten werden sowohl untereinander als auch mit Ergebnissen anderer Arbeiten verglichen, in denen ebenfalls satellitengestützte Windgeschwindigkeiten verwendet werden, deren Gasaustauschgeschwindigkeiten aber einem Ansatz nach Wanninkhof (1992) folgen. Zusätzlich wird der Einfluss der zeitlichen Auflösung der Windgeschwindigkeit auf die k untersucht. Diese Arbeit stellt einen bedeutenden Unterschied zu der Arbeit anderer in Bezug auf das Verhältnis von Gasaustauschgeschwindigkeiten aus zeitlich unterschiedlich aufgelösten Windgeschwindigkeitsfeldern heraus. Die räumliche Verteilung dieses Verhältnisses unterscheidet sich im Nägler-Ansatz wesentlich von der im Wanninkhof-Ansatz. Dieser Kernpunkt setzt sich in der Abschätzung des CO2 -Nettoflusses fort. Basierend auf klimatologischen Feldern der CO2-Partialdruckdifferenz zwischen Ozean und Atmosphäre wird im Nägler-Ansatz der globale jährliche CO2 -Nettofluss unter Verwendung von k aus zeitlich verschieden aufgelösten u10-Feldern betrachtet und mit dem CO2 -Nettofluss aus demWanninkhof-Ansatz verglichen. Diese Arbeit zeigt, dass im Nägler-Ansatz der Nettofluss auf Grundlage zeitlich geringer aufgelöster Windgeschwindigkeiten unterschätzt wird; konträr dazu wird er im Wanninkhof-Ansatz überschätzt. Bekannte Unterschiede zwischen einzelnen u10-Produkten hinsichtlich des Betrags der mittleren globalen Windgeschwindigkeit werden durch den Nägler-Ansatz in Bezug auf k ausgeglichen. Allerdings wird angenommen, dass die zeitliche Variabilität der Windgeschwindigkeit unterschiedlich gut in den satellitengestützten und den Reanalyse-Winddaten (NCEP) wiedergegeben ist. In dieser Arbeit wird deswegen untersucht, welchen Einfluss die monatliche Variabilität des Gasaustauschkoeffizienten basierend einerseits auf dem QuikSCAT- und andererseits auf dem NCEP-Windgeschwindigkeitsprodukt auf die monatliche Variabilität des CO2 -Flusses hat. Hierzu wird eine Zeitreihe globaler Felder der CO2 -Partialdruckdifferenz aus einer Modellsimulation verwendet. Die Arbeit zeigt, dass die Variabilität des Gasaustauschkoeffizienten in Form von Varianz, Kovarianz und Kovariation mit der CO2 -Partialdruckdifferenz globalen Einfluss mit Ausnahme einiger subtropischer Gebiete hat.
Regionen, die in dieser Frage eine Empfindlichkeit gegenüber der Wahl des Windgeschwindigkeitsprodukts zeigen, sind der südliche Ozean und der äquatoriale Pazifik. Für die monatliche Variabilität des global integrierten CO2 -Flusses jedoch zeigt sich die Wahl des Windgeschwindigkeitsproduktes unbedeutend. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit der Frage, ob eine Aussage darüber getroffen werden kann, welche der drei verwendeten Gasaustauschgeschwindigkeits-Parametrisierungen den CO2-Austausch im Nordatlantik am besten beschreibt. Hierfür wird entlang von virtuellen Trajektorien in einem Lagrange’schen Ansatz der CO2 -Partialdruck im Wasser simuliert. Dafür werden u.a. die verbesserten Gasaustauschgeschwindigkeiten aus dem ersten Teil der Arbeit verwendet. Die Trajektorien wurden zuvor auf Grundlage von Geschwindigkeitsfeldern eines Ozeanzirkulationsmodells ermittelt. Ein Versuch der Diskriminierung der Gasaustauschgeschwindigkeits-Parametrisierungen wird durch den Vergleich vereinheitlichter Messungen und in dieser Arbeit simulierter Werte des CO2-Partialdrucks vorgenommen. Keine der drei Parametrisierungen zeigt sich in diesem Ansatz und in diesem Gebiet überlegen gegenüber den anderen. Jedoch bietet der hier vorgestellte Ansatz eine wertvolle Grundlage zur Analyse der auf den CO2 -Partialdruck im Wasser wirkenden Prozesse.
Kurzfassung auf Englisch: This work presents improved and comparable gas transfer velocities based on wind speeds from five satellite missions. The resulting time series of the gas transfer velocities, that are important for the exchange of CO2 between the ocean and the atmosphere, exists of global fields that comprise a period of more than 21 years and can be continued in the future. The gas transfer velocities presented here are based on an approach by Nägler (2009) and are derived from wind speed by applying three different relationships between gas transfer velocity and wind speed. The derived gas transfer velocities are both compared to each other and to the results by others, who also used satellite-borne wind speeds, but whose gas transfer velocities follow an approach by Wanninkhof (1992). Additionally, the impact of temporal resolution of the wind speed fields on the derived gas transfer velocities is examined. Comparing to the results by others, this work carves out a major difference that refers to the ratio of gas transfer velocities from temporally variably resolved wind speeds. The spatial distribution of this ratio differs markedly in the Nägler approach from that in the Wanninkhof approach. This issue propagates into the estimation of the CO2 net flux. Based on climatological fields of the difference in CO2 partial pressure between the atmosphere and the ocean by Takahashi et al. (2009a,b), the CO2 net flux estimated in the Nägler approach through application of gas transfer velocities from temporally variably resolved wind speed fields is considered and compared to the CO2 net flux in the Wanninkhof approach.This work shows that the CO2 net flux based on temporally less resolved wind speed fields is underestimated in the Nägler approach; contrary to that, it is overestimated in the Wanninkhof approach. Known differences concerning the magnitude of the global mean wind speed are balanced by the Nägler approach with respect to the gas transfer velocities. It is assumed, however, that the temporal variability of the wind speed is variably well represented in the satellite-borne and the reanalysis wind speed (NCEP). Therefore, this work analyzes globally and regionally the impact of the monthly variability of the gas transfer coefficient based on, on the one hand, the QuikSCAT- and, on the other hand, the NCEP-wind speed product on the monthly variability of the CO2 flux. For this purpose, a time series of global fields of CO2 partial pressure from a model simulation is applied. This work shows that the variability of the gas transfer coefficient in terms of variance, covariance and co-variation with the difference in CO2 partial pressure has a global influence with the exception of a few regions in the subtropics. Regions that show a sensitivity to the choice of the wind speed product with regard to the variability question are the Southern Ocean and the equatorial Pacific. Concerning the monthly variability of the globally integrated CO2 flux, the choice of the wind speed product is minor.The second part of this work addresses the question if a statement can be made about which of the three applied gas
transfer velocity parametrizations better describes the CO2 flux in the North Atlantic. For this purpose, the oceanic CO2 partial pressure is simulated along virtual trajectories in a Lagrangian approach. The improved gas transfer velocities described in the first part of this work are applied for this. Prior to this, the trajectories were determined on the basis of velocity fields from an ocean circulation model. An attempt to discriminate the gas transfer velocity parametrizations is made by comparing uniform measurements and simulated values of the CO2partial pressure. Yet, none of the three parametrization shows to be superior to the others in this approach and in this region. The Lagrangian approach presented here, however, yields the valuable basis for the analysis of processes influencing the CO2 partial pressure in water.

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