Salinity variability from in situ and satellite retrieved measurements

Abstract

Understanding the changes in the global water cycle due to climate changes is of highest priority in Earth Sciences. The ocean is a principal component of the earth system, and thus part of the global water cycle. The sea surface salinity (SSS) is subject to the atmospheric freshwater forcing and reflects to a certain degree the net sum of evaporation and precipitation. SSS changes therefore are an imprint of global water cycle changes. In order to improve the understanding of the relation between SSS changes and freshwater forcing it is necessary to monitor the global ocean salinity. This monitoring became possible through the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission by the European Space Agency (ESA), which provides global salinity data with an unprecedented spatial and temporal resolution. The space born SSS technology is still in a development stage, and a step towards an increased quality of the retrieved SSS is the validation with in situ data. The new data makes new research possible and furthermore provokes to review the statistics needed for producing spatially and temporally averaged SSS fields. Especially, the SSS variability within the footprint of the satellites (50 to 100 km) is so far only poorly documented. Therefore, the present thesis contributes to the improvement of the SMOS SSS fields, the characterization of the SSS variability and the relation between the SSS and the atmospheric freshwater fluxes. (1) SSS Variability: The details of the SSS variability in the Atlantic Ocean will be estimated from existing in situ measurements. A high-resolution circulation model of the Atlantic will be used for comparison and extension of the study in scarcely sampled regions. The obtained SSS spatial decorrelation scales of 70 to 100 km are slightly below the estimates of earlier studies, and the variance on small scales is regionally larger than previously estimated,so that the sampling error on the common scales used for averaging is not negligible. (2) Validation and bias-correction of the space born salinity observations of the SMOS mission: The SMOS SSS data still contain inaccuracies and are subject to uncertainties which are described and quantified in the present study. A bias-correction is calculated on the basis ofin situ data and applied to the SMOS salinity data. A monthly averaged data set including error estimates was produced and made publicly available at (http://icdc.zmaw.de/daten/ocean/smos-sss.html). (3) Investigation of the relation between the SSS variability and the atmospheric fluxes: The SMOS salinity fields reveal a fresh water anomaly in the south eastern tropical Pacific which recurs seasonally. The assumption that the boreal spring precipitation in the southern Pacific Intertropical Convergence Zone is responsible for this anomaly was investigated in the present study by performing a freshwater budget in the respective region. The linear analysis showed that the precipitation only explains about half of the freshwater anomaly; the advection of fresh water from the north-equatorial Freshwater Pool (EPFP) explains an equal part. The appearance of the freshwater anomaly and the connection to the winterly EPFP are new findings.

Einer der Schwerpunkte der Erdsystemforschung ist es, die Veränderung des globalen Wasserkreislaufs aufgrund des Klimawandels zu verstehen. Der Ozean ist eine Hauptkomponente des Erdsystems, und somit Teil des globalen Wasserkreislaufes. Der Oberflächensalzgehalt (OS) des Ozeans ist den atmosphärischen Süßwasserflüssen unterworfen und reflektiert zu einem gewissen Grad die Nettosumme aus Niederschlag und Verdunstung. OS Veränderungen sind daher eng mit dem globalen Wasserkreislauf verknüpft. Um diese Verknüpfung besser zu verstehen, ist die Vermessung des globalen OS notwendig. Das wurde möglich durch die “Soil Moisture and Ocean Salinity” (SMOS) Mission der Europäischen Raumfahrtagentur (ESA), die globale Salzgehaltsdaten mit beispielloser räumlicher und zeitlicher Auflösung liefert. Die Technik zur Vermessung des OS per Satellit ist noch im Entwicklungsstadium. Ein Prozess zur Verbesserung der SMOS OS Daten ist die Validierung durch in situ Daten. Die neuen Daten ermöglichen neue Forschung, erfordern allerdings auch die Überprüfung der Statistik der in situ OS Daten, die zur Erzeugung der OS Felder und der Validierung der Satellitendaten notwendig ist. Insbesondere die Salzgehaltsvariabilität auf den Skalen des Empfangsbereiches des Satelliten (50 bis 150 km) ist bislang sehr schlecht dokumentiert. Daher trägt diese Arbeit dazu bei, die Details der Salzgehaltsvariabilität zu bestimmen, die satellitengestützten Daten zu verbessern, und die Beziehung zwischen dem OS und den atmosphärischen Süßwasserflüssen näher zu untersuchen. (1) Salzgehaltsvariabilität: Die Details der OS Variabilität werden im Atlantischen Ozean aus vorhandenen in situ Salzgehaltsmessungen errechnet. Ein räumlich und zeitlich hochauflösendes Zirkulationsmodell des Atlantiks wird als Vergleich und als Erweiterung dieser Studie genutzt. Die sich ergebenden räumlichen OS Dekorrelationsskalen von ca. 70 bis 100 km liegen leicht unter den Angaben vorheriger Studien, und die OS Varianz auf kleinen Skalen ist regional größer als bisher angenommen, sodass ein Sampling-Fehler in den gebräuchlichen Mittelungsintervallen nicht vernachlässigbar ist. (2) Validierung und Biaskorrektur der OS Satellitenbeobachtungen: Die SMOS Salzgehaltsdaten sind noch ungenau und unterliegen Fehlern, die hier in ihrer zeitlichen und räumlichen Verteilung, sowie in ihrer Abhängigkeit von geophysikalischen Bedingungen dargelegt und abgeschätzt werden. Eine Biaskorrektur wurde auf Basis der in situ Daten errechnet und auf die SMOS OS Daten angewandt. Ein monatlich gemitteltes Salzgehaltsprodukt mit Fehlerangaben ist daraus entstanden und wurde auf http://icdc.zmaw.de/daten/ocean/smos-sss.html veröffentlicht. (3) Überprüfung der Beziehung zwischen den atmosphärischen Süßwasserflüssen und dem Oberflächensalzgehalt (OS): In den satellitengestützten OS Feldern ist eine saisonale Salzgehaltsanomalie im südöstlichen tropischen Pazifik aufgefallen. Die Aufstellung eines Süßwasserbudgets in der betreffenden Region ergab, dass der Frühlingsregen in der südlichen pazifischen Intertropischen Konvergenzzone nur etwa zur Hälfte für die Salzgehaltsanomalie verantwortlich ist; einen etwa gleich großen Teil trägt der Zustrom aus dem nördlich des Äquators liegenden Süßwasserpool (EPFP) bei. Die bis dahin kaum dokumentierte Salzgehaltsanomalie im südlichen Pazifik und die Verbindung zum nordäquatorialen EPFP stellen neue Erkenntnisse dar.