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Satellite geodesy for sea level and climate change

Fenoglio-Marc, Luciana :
Satellite geodesy for sea level and climate change.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Habilitation], (2015)

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Item Type: Habilitation
Title: Satellite geodesy for sea level and climate change
Language: English
Abstract:

This habilitation thesis presents the findings of the sea level change studies conducted at the Institute of Geodesy of the Technischen Universität Darmstadt betweeen 2001 and 2013.

Sea level is an important indicator of climate change. It has been traditionally measured by coastal tide gauges and by satellite altimetry since 1993. Tide gauge measurements indicate a coastal average sea level rise of 1-2 millimeters per year over the 20th century. Over the last two decades the average sea level rise increased to 3.3±0.7 millimeters per year, consistently measured by tide gauges and satellite altimetry. The 2013 Intergovernmental Panel on ClimateChange (IPCC AR5) predicts a global mean rise of 50 ± 20 cm by 2100 for a medium warming scenario for the interval 2081-2100.

Sea level rise is not uniform and some regions will be more affected than others. It can possibly exacerbate the effects of other factors, such as flooding and ground subsidence. Because of its potential impact on coastal regions, rising sea level is one of the major threatsof climate warming. Changes in each component of the climate system, ocean, land and ice sheets, affects sea level. The two primary contributors of sea level rise, thermal expansion due to ocean warming and melting of continental glaciers and ice sheets, have been identifiedbut large uncertainties remain. Locally non-climatic components, as subsidence, can causerelative sea level rise much larger than the global average mean sea level rise.

The global and highly accurate analysis of sea level variations is made possible by spacebasedtechniques. Their main innovation is the use of the same accurate and global reference frame ensuring long-term, precise monitoring and integration in a Global Geodetic ObservingSystem, which is crucial for many practical applications. This thesis focuses on the use of geodetic techniques. Its aim is a comprehensive analysis of the regional sea level variability and of its causes with particular attention to the coastalzone. The three main scientific objectives are: improvement of multi-mission satellite altimetry records, quantification of global and regional sea level change and attribution of sea level rise. Firstly the altimeter data from different missions are unified, improved in the coastal zoneand validated with in-situ and model data. Secondly global and regional estimations of sea level variability from altimetry and tide gauge data are made. The third part of the work is dedicated to the analysis of the reason for sea level change. Here satellite altimetry andgravity missions data are combined with model data to detect the causes of this variation. The analysis includes the separation of mass and volume sea level change and the closing of the water budget.

This work shows the challenges of merging satellite data of different types for the understanding of physical processes in sea basins. It also deals with the challenges of new satellite altimetry missions in the coastal zone, where altimetry provides a consistent link to tide gauge stations co-located with Global Navigation Satellite System observations. It finally discusses the importance of highly accurate sea level variability and trends for modeling coastal processes and for long-term predictions.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Arbeit stellt eine Zusammenfassung der wesentlichen Ergebnisse meiner Untersuchungen zur Veränderung des Meeresspiegels dar. Die Veränderungen des Meerespiegels sind ein wichtiger Indikator des Klimawandels. Traditionell wurde der Meeresspiegeanstieg durchweg mit Küstenpegel gemessen. Seit 1993 werden die Ozeanoberflächen durch die Messungen der Altimetersatelliten global bestimmt. Im 20. Jahrhundert wurde eine Änderung des globalen mittleren Mittelmeeresspiegels (MSL) von 20 cm festgestellt, was einer Rate von 1-2 mm/a mit einer deutlichen Beschleunigung in der letzten zwei Jahrzehnten entspricht. Die Vorhersagen vom 5. Report des International Panel von Climate Change (IPCC AR5 2013) sprechen von einen globalen MSL Anstieg von 50 +/- 20 cm bis Ende dieses Jahrhunderts unter der Annahme eines Szenarios mit mitleren Raten für die Erderwärmung. Der MSL Anstieg erfolgt nicht gleichmässig im gesamten Ozean, einige Regionen werden starker als andere davon betroffen sein. Daraus können Überflutungen von Küstenregionen und steigende Grundwasserspiegel resultieren. Eine zunehmende Versalzung des Grundwassers steht zu befürchten. Wegen der möglichen Effekte auf die Küstenregionen ist die Meeresspiegeländerung eine der größeren Gefahren von Klimawandel. Jede Änderung in einem der Bestandteile des Klimasystems -Ozean, Kontinent und Eiskappen - hat einen spürbaren Einfluss auf der MSL Anstieg. Großen Unsicherheiten bleiben, auch wenn zwei Hauptursachen des MSL Anstieges identifiziert werden konnten. Es sind primär die thermische Ausdehnung des Wassers durch die Erwärmung der Ozeane und das Abschmelzen der Gletscher und der polaren Eisdecken. Wesentliche Unsicherheitsfaktoren sind die Beiträge von Grönland und der westlichen Antarktis mit ihren großen Eisvorräten. Unsicher sind auch die regionalen Meeresspiegeländerungen und die Änderungen der kontinentalen Wasserspeicher. Darüber hinaus können anthropogene Effekte wie Landsenkungen Meeresspiegeländerungen relativ zur Küste verursachen, die mehr als viermal stärker als der weltweite Meeresanstieg sein können. Diese weltweiten und sehr präzisen Analysen sind durch die Satellitenbeobachtungstechniken ermöglicht worden. Die Kombination der geodätischen Raumverfahren hat ein globales Bezugssreferenzsystem realisiert, das es erlaubt, präzise langjährige Beobachtungen in einen einheitlichen Sytem zu beschreiben und signifikante Veränderungen zu erfassen. Diese Arbeit basiert auf allen bisherigen Altimetersatellitenbeobachtungen in Verbindung mit Positionierungs- und Schwerefeldsatelliten. Das Ziel besteht in der Analyse der regionalen Meeresspiegelvariabilität und in dem Verstehen seiner Ursachen. Diese Arbeit beinhaltet auch Verbesserungen der Altimetrie im Küstennähe. Durch Re-tracking, d. h. neue Analyseverfahren der Radarechos, wurde der Einsatzbereich wesentlich erweitert. Für die grösste Herausforderung der Altimetrie, die Anbindung der Altimeterdaten an die Pegelmessungen, konnten dadurch deutliche Verbesserungen erzielt werden. Damit eröffnet sich die Möglichkeit globale, regionale und lokale Effekte in einen Zusammenhang zu bringen. Historische Langzeitbeobachtungen können gemeinsam mit gegenwärtigen Meeresspiegelmessungen für Vorhersagen genutzt werden. German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 550 Geowissenschaften
Divisions: 13 Faculty of Civil and Environmental Engineering
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute of Geodesy
13 Fachbereich Bau- und Umweltingenieurwissenschaften > Institute of Geodesy > Geodetic Measuring Systems and Sensor Technology
13 Faculty of Civil and Environmental Engineering > Institute of Geodesy > Physical and Satellite Geodesy
Date Deposited: 27 Feb 2015 14:20
Last Modified: 15 Oct 2015 11:26
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44124
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4412
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