Sea Surface Salinity Variability and Underlying Mechanisms : an analysis and interpretation of satellite data

Abstract

In dieser Arbeit wird eine detaillierte Analyse des Oberflächensalzgehaltes (Sea Surface Salinity, SSS) der Fernerkundungssatellitenmission SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity) der Europäischen Weltraumagentur ESA vorgestellt. Der Sensor ist das erste passive Mikrowellenradiometer das im L-band, bei einer Frequenz von 1.4 GHz, misst. Die im L-Band gemessene Strahlung enthält Informationen über den Oberflächensalzgehalt des Ozeans. Die Genauigkeit der Salzgehaltsbestimmung hängt von diversen Faktoren wie beispielsweise der radiometrischen Genauigkeit, der Oberflächenrauhigkeit oder auch der Oberflächentemperatur ab. Satellitenbasierte Oberflächensalzgehalte werden mit in situ gemessenen und simulierten Salzgehalten global und regional verglichen. SMOS BEC L4 SSS zeigen einen negativen Bias bis zu -2 für Oberflächentemperaturen (Sea Surface Temperature, SST) unter 5°C. Mittels einer temperaturabhängigen Korrektur kann der Bias stark reduziert werden. Die Variabilität der korrigierten SSS-Daten zeigt ähnliche räumliche Muster wie Modellsimulationen und in situ Messungen. In Regionen mit einer höheren Temperatur können die Oberflächensalzgehalte auf Variabilitäten in niedrigen (zwischen den Jahren) bis hin zum hohen (intrasaisonal) Frequenzbereich untersucht werden. Die niederfrequente SSS-Variabilität wird durch die Kombination von Argo Float Daten mit Satelliten-SSS-Daten auf die zugrundeliegenden physikalischen Prozesse untersucht. Diese Untersuchung zeigt, dass während des negativen Indischen Ozean Dipols (N-IOD) horizontale Advektion und vertikaler Auftrieb positive SSS-Anomalien im zentralen Indischen Ozean verursachen. Dagegen bewirkt vermehrter Niederschlag die negativen SSS-Anomalien vor der Küste Sumatras und Javas. Während des positiven Indischen Ozean Dipols (P-IOD) können negative SSS-Anomalien in zentralen Indischen Ozean und positive Anomalien vor Sumatra und Java beobachtet werden, die auf Advektion, aber vor allem auf Verdunstung und Niederschlag zurückzuführen sind. Im Jahr 2012 kann ein ausgeprägter SST-Dipol beobachtet werden, der aber später als normal einsetzt und sich früher auflöst. Dieser Dipol ist weniger deutlich in der SSS-Dynamik ausgeprägt. Wavelet-Analysen zeigen, dass intrasaisonale Variabilitäten das IOD-Verhalten im zentralen Indischen Ozean modulieren. Die Entwicklung des P-IOD wird durch die Madden-Julian Oszillation (MJO) verzögert. Während N-IOD-Phasen wird die MJO-Aktivität verstärkt. Neben der erstmaligen Validierung sowie der Entwicklung einer SST-abhängigen Korrektur von satellitenbasierten SSS-Daten in den hohen nördlichen Breiten, zeigt diese Studie zum ersten Mal die Entwicklung von IOD-Ereignissen unter dem Einfluss von MJO-Aktivitäten unter Verwendung satellitenbasierter SSS-Daten.

A detailed assessment of spaceborne sea surface salinity (SSS) data by the European Space Agency's Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission is presented. Satellite-retrieved SSS are compared with in situ and model salinities on global and regional scale. In cold waters, SMOS BEC L4 SSS show a sea surface temperature (SST)-dependent negative SSS bias up to -2 for temperatures below 5°C. The bias can be substantially reduced by an SST-dependent bias correction. Retrieved spatial structures of SSS variability after correction are in good agreement with in situ observations and model simulations. In warm waters, it is possible to analyze satellite-retrieved SSS variabilities from low- to high-frequencies (year-to-year variabilities to intraseasonal variabilities). The low-frequency SSS variability is examined by combining Argo float data with satellite-retrieved SSS to favor the identification of forcing terms during the Indian Ocean Dipole (IOD) events in 2010 and 2012. Oceanic advection and subsurface processes are important in generating and buoying the positive SSS anomalies in the central Indian Ocean during the strong negative IOD (N-IOD) event in 2010, whereas evaporation minus precipitation patterns contribute most to the negative SSS anomalies close to Sumatra and Java. Contrary conditions are observed during the moderate positive IOD (P-IOD) in 2012. A strong SST-dipole was observed in 2012, but not pronounced in the salinity budget terms. Wavelet analyses show that intraseasonal variabilities modulate the IOD behavior in the central Indian Ocean. The development of the P-IOD is inhibited due to Madden-Julian Oscillation (MJO) activities, whereas the MJO activity is strengthened during the N-IOD, indicating an interaction between both modes. Beside the first-time validation of satellite-retrieved SSS data obtained in high northern latitudes and the development of a SST-dependent correction method, this study shows for the first time the development of IOD events under the influence of MJO events using satellite-retrieved SSS data.