Terrestrial water storage from GRACE gravity data for hydrometeorological applications

Abstract

Since launched in 2002, the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) has been proven to be a unique way to monitor total water storage (TWS) variations at large spatial scales (>300 km) by measuring Earth gravity changes and provides valuable information for hydrological and hydro- meteorological applications. In this thesis, globally gridded monthly-mean TWS variations are estimated by applying the state-of-the-art post-processing procedure, which has been evaluated first through a closed-loop environment by means of simulated GRACE-type gravity field time-series. In particular, the median scaling factors calculated from an ensemble of multiple global land model simulations do make the re-scaling more robust against particular weaknesses of a single model. The method to estimate gridded fields of measurement, leakage, and re-scaling errors, which can be used for further estimation of the basin-averaged TWS uncertainties, is also introduced. The TWS variations and error estimates are then applied to assess the accuracy of four global numerical model realizations and to identify the advantages and deficiencies of a certain model. Based on four different validation metrics, it is demonstrated that for the 31 largest discharge basins worldwide all model runs agree with the observations to a very limited degree only, together with large spreads among the models themselves. As a common atmospheric forcing data-set is applied to all hydrological models, it is concluded that those discrepancies are not entirely related to uncertainties in meteorologic input, but instead to the model structure and parametrization, and in particular to the representation of individual storage components with different spatial characteristics in each of the models. TWS as monitored by the GRACE mission is sensitive to the different model physics in individual basins and it could offer helpful insight to modellers for the future improvement of large-scale numerical models of the global terrestrial water cycle. In addition, the TWS variations and error estimates are also applied to assess skill scores of three different ensemble sets of decadal hindcasts performed with the coupled climate model MPI-ESM. Moderately positive skill scores of the initialized hindcasts are obtained both with respect to the zero anomaly forecast and the uninitialized projections in particular for lead year 1 in moderate to high latitudes of the Northern Hemisphere. Changes in the initialization and increased resolution implemented in the different experiments indeed lead to more skillful initialized hindcasts than in the earlier experiments, thereby documenting improvements of the MPI-ESM decadal climate prediction system during the most recent years.

Mit dem Start der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) in 2002 ergab sich die einmalige M\"oglichkeit Variationen in den grossr\"aumigen kontinentalen Wasserspeichern (TWS - total water storage) durch die Beobachtung des zeitvariablen Schwerefeldes der Erde zu erfassen. Hieraus lassen sich eine Vielzahl an Informationen f\"ur hydrologische und hydro-meteorologische Anwendungen ableiten. Durch die Anwendung der aktuell g\"angigsten Prozessierungsmethoden werden in dieser Arbeit monatliche TWS- Variationen auf einem globalen Gitter abgeleitet. Zum Testen und Optimieren der einzelnen Prozessierungsschritte werden simulierte GRACE-Schwerefelddaten aus einem Ensemble verschiedener globaler hydrologischer Modelle verwendet. Es zeigt sich, dass die notwendige Reskalierung der GRACE Schwerefelder durch die Verwendung eines \"uber das Modellensemble gemittelten Skalierungsfaktors robuster gegen\"uber Eigenarten einzelner Modelle wird. Zudem werden aus den simulierten GRACE-Schwerefeldern Mess-, Leakage- und Reskalierungsfehler f\"ur die Absch\"atzung von TWS-Ungenauigkeiten einzelner Einzugsgebiete bestimmt. Die TWS-Variationen und Fehlerfelder werden anschliessend genutzt um die Genauigkeit von vier globalen numerischen Modellrealisationen sowie deren individuelle Vor- und Nachteile zu untersuchen. Basierend auf vier verschiedenen Validationsmetriken, zeigen die Modellsimulationen f\"ur die 31 gr\"ossten Einzugsgebiete nur eine sehr begrenzte \"ubereinstimmung untereinender, sowie mit den GRACE Beobachtungen. Da alle hydrologischen Modelle mit den gleichen Atmosph\"arendaten angetrieben wurde, sind die Diskrepanzen auf verschiedene Modellparametrisierung zur\"uckzuf\"uhren. Inbesondere wirkt sich die Modellierung einzelner Speicherkompartimente mit unterschiedlichen r\"aumlichen Charakteristiken eines jeden Modells stark auf das Ergebnis aus. Da TWS-Bebobachtungen von GRACE \"ausserst sensitiv auf die individuelle Modellphysik in den einzelnen Einzuggebieten reagieren, dient die vorliegende Arbeit zur Validation und Weiterentwicklung grossskaliger numerischer Modelle des globalen Wasserkreislaufs. Ausserdem werden diese TWS- Variationen und Fehlerabsch\"atzungen zur Bestimmung so genannter Skill-Scores dreier verschiedener Ensembles-Sets von dekadischen Hincast-Modellen verwendet, welche mit dem gekoppelten Klimamodell MPI-ESM simuliert wurden. Leicht positive Skill-Scores erh\"alt man mit der zero-anomaly Vorhersage und den uninitialisierten Projektionen, insbesondere f\"ur das erste Jahr in den hohen n\"ordlichen Breiten. Die stetige Verbesserung der Skill-Scores der initialisierten Vorhersage durch \"anderungen der Initialisierung und Erh\"ohung der r\"aumlichen und zeitlichen Aufl\"osung dokumentiert eine deutliche Weiterentwicklung des MPI-ESM Models f\"ur dekadische Klimavorhersagen.