Mediterranean Water Mass Variations Based On Satellite And Model Data

Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2012Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2012Mevsimsel ve daha uzun dönemde deniz seviyesindeki toplam değişim, sterik ve kütle kaynaklı değişimlerin toplamından oluşmaktadır. Sterik deniz seviyesi su kolonlarındaki yoğunluk değişimlerine bağlı olup, sıcaklık arttıkça veya tuzluluk azaldıkça yükselir ya da tersi gerçekleştiğinde düşer. Ancak yoğunluk kaynaklı yükseliş ve düşüşler okyanus dip basıncında değişime sebebiyet vermediğinden yer çekim alanında da herhangi bir değişim yaratmaz. Diğer yandan kütle kaynaklı seviye değişimleri, su kütlesinin bir yerden başka bir yere taşınarak yeniden dağılması, su kolonlarına su kütlesi eklenmesi veya kolondan su kütlesi çıkması neticesinde oluşur. Su kütlesi hareketleri okyanus dip basıncında dolayısıyla yer çekim alanında değişime neden olur. Uydu radar altimetresi ile her iki etkinin kombinasyonu yani toplam seviye değişimi ölçülebilmektedir. Sterik seviye değişimleri su kolonlarındaki tuzluluk ve sıcaklık gözlemleri veya okyanus asimilasyon modelleri yardımıyla hesaplanabilmektedir. Teorik olarak toplam seviyeden sterik bileşen çıkarıldığında kütle kaynaklı değişim elde edilebilmektedir. Kütle kaynaklı seviye bileşeninin bağımsız olarak elde edilebilmesinin bir diğer yolu da zamanla değişen yer çekim alanıdır. ABD ve Almanya Uzay Araştırmaları Merkezlerinin işbirliği ile geliştirilen ve 2002 yılında uzaya gönderilen GRACE ikiz uydu gravite görevi tarafından sağlanan aylık çekim alanı çözümleriyle deniz suyu kütle değişimlerini belirlemek mümkündür. Birinci yöntem ağırlıklı olarak oşinografik varsayım, gözlem ve hesaplama tekniklerine dayandığından bundan sonraki bölümlerde oşinografik yöntem, ikinci yöntem ise gravimetrik yöntem olarak adlandırılacaktır. Bu çalışmada, 2003-2009 dönemi boyunca Akdeniz toplam deniz seviyesi içerisindeki kütle kaynaklı değişim, hem gravimetrik hem de oşinografik yöntemlerle belirlenmiş ve sonuçları test edilmiştir. Öncelikle farklı çözüm stratejileri ile hazırlanan DMT-1 aylık GRACE çözümleri ve UTCSR RL04 GRACE çözümleri ile GLDAS/Noah kara hidroloji modeli kullanılarak su kütlesi değişimleri hesaplanmış ve çözümler birbirleri ile karşılaştırılmıştır. Ardından JASON-1 ve ENVISAT uydu altimetre verileri ile Akdeniz toplam seviye değişimi hesaplanmış ve her iki toplam seviye sinyali birbiri ile karşılaştırılmıştır. Son olarak ECCO/JPL kf080 okyanus modeli ile sterik seviye değişimleri hesaplanmış ve altimetrik gözlemlerle elde edilen toplam seviyeden çıkarılarak oşinografik yöntemle su kütlesi değişimi elde edilmiştir. Gravimetrik ve oşinografik yöntemlerle elde edilen su kütlesi sinyalleri birbiri ile karşılaştırılarak tutarlılıkları sınanmıştır. Mevsimsel zaman ölçeğinde, GRACE verilerinden türetilen Akdeniz su kütlesi sinyali yaklaşık 2.5 cm yıllık genliğe sahiptir ve Ekim ayı sonlarında maksimum seviyeye ulaşmaktadır. Bu sinyal sterik etkilerden arındırılmış altimetre verilerinden türetilen deniz suyu kütle sinyaliyle, genlikte 5 mm fazda ise 7 gün içinde uyum göstermektedir. Genel olarak Akdeniz mevsimsel deniz seviyesi değişimi, toplam değişimin yaklaşık %90 ını açıklayan sterik salınımdan kaynaklanıyor olsa da, sterik ve kütle kaynaklı bileşenler ikisi birlikte neredeyse tüm değişkenliği açıklamaktadır. Bu çalışma; GRACE küresel harmonik katsayılarına uygun ileri analizlerin uygulanması ve çevre bölgelerdeki hidrolojik sinyal sızıntılarının düzeltilmesi durumunda, GRACE gözlemlerinden Akdeniz mevsimsel su kütlesi değişimlerinin hesaplanabileceğini göstermektedir.Total variation in the sea level at seasonal and longer time scales is the sum of steric and mass induced variations. Steric sea level depends on the density variations in the water columns, as the temperature increases or the salinity decreases it rises or when the reversal occurs it falls. However, since the density induced fluctuations do not cause changes in the ocean bottom pressure, they do not make any change in the gravitational field of the Earth. On the other hand, mass induced sea level variations arise from either the movement of ocean mass and its redistribution, adding or subtracting water mass to or from the water columns. The water mass redistribution and the water fluxes cause the ocean bottom pressure to change thereby the Earth s gravitational field. Satellite radar altimeter measures the combination of both effects namely the total sea level variation. Steric sea level changes can be estimated through temperature and salinity profiles from in situ measurements or from ocean assimilation models. Theoretically, the mass induced variation can be obtained by subtracting the steric component from the total sea level. Another independent way of estimating the mass induced sea level component is the time variable Earth s gravitational field. It is now possible to determine the sea water mass variations from monthly gravity field solutions provided by GRACE, a twin satellite gravity mission jointly implemented by the US National Aeronautics and Space Administration and German Aerospace Center launched in 2002. Since the first way of determining the mass induced sea level is mostly based on oceanographic assumptions, measurements and estimation, it will be hereinafter referred to as oceanic method while the second technique will be called as gravimetric method. In this study, the mass induced variation in the total sea level of the Mediterranean Sea during 2003-2009 period is estimated using both gravimetric and oceanic methods and their results are tested. Firstly, sea water variations are computed using two monthly GRACE solutions DMT-1 and UTCSR RL04 developed with different solution strategies along with GLDAS/Noah terrestrial hydrology model, then the solutions are compared with each other. Afterwards, the Mediterranean total sea level variations are determined by JASON-1 and ENVISAT satellite altimetry data and both total sea level signals are compared against each other. Lastly, steric sea level variation is estimated from ECCO/JPL kf80 ocean model and by subtracting it from the total sea level computed from altimetric observations, the oceanograhically estimated sea water variations are obtained. The sea water mass estimation derived from gravimetric method is validated by comparing against oceanic technique. At seasonal time scales, GRACE-derived Mediterranean sea water mass signal has an annual amplitude of ~ 2.5 cm peaking in the late October. It is consistent with the steric-corrected altimetry derived seawater mass signal in terms of amplitude and phase within 5 mm, 7 days respectively. Although the Mediterranean total seasonal sea level variations are mainly driven by steric oscillations that accounts for ~90 per cent of the total variance, steric and mass induced contributions together account for almost the whole variability. This study shows that GRACE is able to resolve the seasonal water mass variations in the Mediterranean Sea, provided that the appropriate post-processing is applied to GRACE spherical harmonic coefficients and the hydrological signal leakage from the surrounding regions is accounted for.DoktoraPh