Large Spectrum of Free Oscillations of the World Ocean Including the Full Ocean Loading and Self-attraction Effects

ThisbookdependsonadissertationpreparedattheDepartementofGeosciencesat theUniversityHamburg. ItwasacceptedbytheDepartementwiththegradesumma cumlaudein2008. IwouldliketothankmyacademicadvisorProf. Dr. WilfriedZahelforhisconstant supportandforthelongandconstructivediscussions. Further,IwouldliketothankProf. Dr. Jur genSundermann forintroducingmeto theInternationalMaxPlanckResearchSchool. TheInternationalMaxPlanckResearchSchoolforMaritimeAffairsandinparticu larProf. Dr. Dr. h. c. Jur genBasedowandhisco directorsarethankedforgivingme theopportunitytoperformthisstudyinHamburg. IacknowledgethecomputationalsupportoftheDKRZandNEC,especiallythe helpfulcommentsofKlausKetelsenandJens OlafBeismann. LastbutnotleastmanythankstomywifeJanaSillmannandmysonDariusfor givingmethetimeIneededforthisstudyandprovidingajoyfulandlovinghome. ThisworkhasbeenfundedbytheInternationalMaxPlanckResearchSchoolfor MaritimeAffairsattheUniversityHamburg. Hamburg,August2008 MalteMuller Contents Abstract. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 Introduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 TheoryandModel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 1 Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2. 1. 1 SecondaryForces:TheLoadingandSelf AttractionEffect . 8 2. 1. 2 TheEquationsofMotionandtheEquationofContinuity. . . 11 2. 1. 3 EnergyBalance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2. 1. 4 ParameterizationoftheLSA AnAnalyticalApproach . . . . 16 2. 2 Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2. 2. 1 TheImplicitlyRestartedArnoldiMethod. . . . . . . . . . . . . . . . 19 2. 2. 2 TheParallelizationwithMPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2. 2. 3 ThePerformanceoftheModel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 TheFreeOscillations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 1 GravitationalModes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3. 1. 1 The? value. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3. 1. 2 TheIn?uenceoftheLSA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3. 1. 3 TheAntarcticKelvinWave. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3. 1. 4 NewModes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 3. 1. 5 TheSlowestModes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3. 2 VorticityModes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3. 2. 1 TopographicalVorticityModes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 3. 2. 2 PlanetaryVorticityModes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4 SynthesisofForcedOscillations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 4. 1 TidalDynamicsandtheIn?uenceofLSA. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4. 1. 1 TheProcedureofTidalSynthesis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4. 1. 2 LSA effectonForcedOscillations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 4. 1. 3 TheSynthesisoftheSemidiurnalandDiurnalTides. . . . . . . 50 xi xii Contents 4. 2 IntegrationoftheSolutionsofaTidalModelwithAssimilationof Data. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4. 2. 1 NewExpansionCoef?cients. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4. 2. 2 NewFrequenciesandAdjointEigenfunctions . . . . . . . . . . . . 59 4. 2. 3 Results. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4. 2. 4 Summary. . . . . .