Badanie wielkoskalowych zmian hydrosfery lądowej w kontekście najnowszych satelitarnych misji grawimetrycznych

• Autorzy: Mikocki Jan , Leńczuk Artur , Bogusz Janusz

Identyfikatory

DOI

10.5604/01.3001.0016.0554

Warianty tytułu

EN

The study of large-scale variability in total water storage within the context of modern satellite gravity missions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Analiza zmian pola ciężkości Ziemi należy do głównych zadań geodezji fizycznej, a znajomość wybranych charakterystyk tego pola stanowi m.in. podstawowy element wyznaczenia kształtu Ziemi i uwiarygodnienia wiedzy na temat redystrybucji jej masy. Od 2002 roku do tego celu wydatnie przyczynia się satelitarna misja grawimetryczna GRACE (ang. Gravity Recovery and Climate Experiment) oraz jej misja kontynuacyjna GRACE-FO (ang. GRACE Follow-On). Wyniki opracowanych obserwacji uzyskanych z misji GRACE/GRACE-FO prezentowane są m.in. w postaci maskonów, które dostarczane są przez trzy centra przetwarzania: 1) CSR (Center for Space Research, Austin, Stany Zjednoczone), 2) JPL (Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, Stany Zjednoczone) oraz 3) GSFC (Goddard Space Flight Center, Maryland, Stany Zjednoczone). W pracy wykorzystano dane udostępniane przez centrum przetwarzania GSFC w postaci globalnego rozkładu zmian całkowitej zawartości wody w kontynentach (ang. Total Water Storage, TWS), wyrażonego w postaci wysokości słupa wody (ang. Equivalent Water Height, EWH). W badaniach skupiono się na zidentyfikowaniu obszarów o wyraźnych zmianach TWS. Fluktuacje TWS przeanalizowano pod kątem zmian krótkookresowych, tj. amplitudy oscylacji rocznej (najbardziej wyraźnej oscylacji w hydrosferze), oraz zmian długookresowych, tj. trendu (kluczowego parametru dla badań klimatycznych), wyznaczonych z wykorzystaniem metody najmniejszych kwadratów. W rezultacie wyselekcjonowano piętnaście obszarów charakteryzujących się ekstremalnymi zmianami, tj. jedenaście obszarów dla parametru amplitudy oscylacji rocznej i cztery obszary dla trendu. Otrzymano zmiany sezonowe większe niż 140 mm na obszarach w obrębie równika (głównie dorzecza rzek - Amazonka, Niger, Ganges, Brahmaputra) oraz obszarach pokrytych ogromnymi masami lodowymi (Alaska, Grenlandia). Największe tempo zmian zasobów wodnych na poziomie ±70 mm/rok obserwowane jest w okolicach Antarktydy Zachodniej, Patagonii czy Morza Kaspijskiego. Wyniki podkreślają również zauważalny wpływ człowieka na zmiany wód kontynentalnych (np. region Meksyku oraz dorzecza rzek Indus, Ganges).

EN

The analysis of Earth’s gravity field changes is the one of essential task of physical geodesy. So the knowledge about selected characteristics of gravity field is the basic element of the Earth shape determining process and help to find information about mass redistribution in the Earth system. Since 2002, the gravity field changes have been successfully observed by the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite gravity mission and its continued GRACE-FO (GRACE Follow-On) mission. The results obtained from GRACE/GRACE-FO observations are presented, among other, in form of mascons and they are provid-ed by three processing centers: (1) Center for Space Research (CSR; Austin, United States), (2) Jet Propulsion Laboratory (JPL; Pasadena, United States), and (3) Goddard Space Flight Center (GSFC; Maryland, United States). In the following study, we used data provided by GSFC in form of the global distribution of Total Water Storage (TWS), which are expressed in terms of Equivalent Water Height (EWH). In our study, we focused on identifying areas with significant changes in TWS. We analysed TWS fluctuations in seasonal short-term changes, i.e., amplitude of annual oscillation (the most pronounced oscillation in the land hydro-sphere) and long-term changes, i.e., trend (a key parameter for climate studies) determined using the Least Squares Method. As a result, we selected 15 areas characterised by extreme TWS changes, i.e., 11 areas for annual amplitude and 4 areas for trend parameter. We obtained seasonal changes greater than 140 mm in areas within the equator (mainly Amazon, Niger, Ganges, Brahmaputra river basin regions) and areas covered by huge ice masses (Alaska, Greenland). The greatest rate of change in water storage at ±70 is observed around West Antarctica, Patagonia or the Caspian Sea. The results also emphasize the significant human impact in continental water masses (e.g. Mexico, Indus and Ganges river basins).

Słowa kluczowe

PL

GRACE; TWS; hydrosfera lądowa; misja grawimetryczna

EN

GRACE; TWS; land hydrology; gravity mission

• Wydawca: Wojskowa Akademia Techniczna im. Jarosława Dąbrowskiego
• Czasopismo: Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej
• Rocznik: 2021
• Tom: Vol. 70, nr 4
• Strony: 147--159
• Opis fizyczny: Bibliogr. 34 poz., mapy, wykr.

Twórcy

autor

Mikocki Jan

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0001-7318-7441

autor

Leńczuk Artur

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-9573-1302

autor

Bogusz Janusz

• Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Inżynierii Lądowej i Geodezji, Instytut Inżynierii Geoprzestrzennej i Geodezji, ul. gen. S. Kaliskiego 2, 00-908 Warszawa

• https://orcid.org/0000-0002-0424-7022

Bibliografia

• [1] Azam M.F., Kargel J.S., Shea J.M., Nepal S. et al., Glaciohydrology of the Himalaya-Karakoram, Science, vol. 373, no. 6557, 2021, 869, DOI: 10.1126/science.abf3668.
• [2] Chaussard E., Bürgmann R., Shirzaei M., Fielding E.J., Baker B., Predictability of hydraulic head changes and characterization of aquifer-system and fault properties from InSAR-derived ground deformation, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 119, 8, 2014, 6572-6590, DOI: 10.1002/2014JB011266.
• [3] Chen J.L., Wilson C.R., Tapley B.D., The 2009 exceptional Amazon flood and interannual terrestrial water storage change observed by GRACE, Water Resources Research, 46, 12, nr W12526, 2010, DOI: 10.1029/2010wr009383.
• [4] Chen G., Powers R.P., de Carvalho L.M.T. et al., Spatiotemporal patterns of tropical defore-station and forest degradation in response to the operation of the Tucuruí hydroelectric dam in the Amazon basin, Applied Geography, 63, 2015, 1-8, DOI: 10.1016/j.apgeog.2015.06.001.
• [5] Chen J., Cazenave A., Dahle C. et al., Applications and challenges of GRACE and GRACE Follow-On satellite gravimetry, Surveys in Geophysics, 43, 2022, 305-345, DOI: 10.1007/s10712-021-09685-x.
• [6] Dero Q.Y., Yari E., Charrahy Z., Global warming, environmental security and its geo-economic dimensions case study: Caspian Sea level changes on the balance of transit channels, Journal of Environmental Health Science Engineering, 18, 2020, 541-557, DOI: 10.1007/s40201-020-00481-0.
• [7] Dobslaw H., Bergmann‐Wolf I., Dill R. et al., A new high‐resolution model of non-tidal atmosphere and ocean mass variability for de‐aliasing of satellite gravity observations: AOD1B RL06, Geophysical Journal International, 211, 1, 2017, 263-269, DOI: 10.1093/gji/ggx302.
• [8] Döll P., Hoffmann-Dobrev H., Portmann F.T. et al., Impact of water withdrawals from groundwater and surface water on continental water storage variations, Journal of Geodynamics, 59-60, 2012, 143-156, DOI: 10.1016/j.jog.2011.05.001.
• [9] Espinoza J.C., Segura H., Ronchaili J. et al., Evolution of wet-day and dry-day frequency in the western Amazon basin: Relationship with atmospheric circulation and impacts on vegetation, Water Resources Research, 52, 11, 2016, 8546-8560, DOI: 10.1002/2016WR019305.
• [10] Flechtner F., Neumayer K.H., Dahle C. et al., What can be expected from the GRACE-FO laser ranging interferometer for Earth science applications?, Surveys in Geophysics, 37, 2, 2016, 453-470, DOI: 10.1007/s10712-015-9338-y.
• [11] García-García D., Ummenhofer C. C., Zlotnicki V., Australian water mass variations from GRACE data linked to Indo-Pacific climate variability, Remote Sensing of Environment, 115, 9, 2011, 2175-2183, DOI: 10.1016/j.rse.2011.04.007.
• [12] Hayashi M., Jin F-F., Stuecker M.F., Dynamics for El Niño-La Niña asymmetry constrain equatorial-Pacific warming pattern, Nature Communications, 11, 4230, 2020, DOI: 10.1038/s41467-020-17983-y.
• [13] Jiménez-Muñoz J., Mattar C., Barichivich J. et al., Record-breaking warming and extreme drought in the Amazon rainforest during the course of El Niño 2015-2016, Scientific Reports, 6, 33130, 2016, DOI: 10.1038/srep33130.
• [14] Jin S., Zhang T., Terrestrial Water Storage Anomalies Associated with Drought in Southwestern USA from GPS Observations, Surveys in Geophysics, 37, 6, 2016, 1139-1156, DOI: 10.1007/s10712-016-9385-z.
• [15] Kim B-H., Seo K-W., Eom J. et al., Antarctic ice mass variations from 1979 to 2017 driven by anomalous precipitation accumulation, Scientific Reports, 10, 20366, 2020, DOI: 10.1038/s41598-020-77403-5.
• [16] Leńczuk A., Leszczuk G., Kłos A., Bogusz J., Comparing variance of signal contained in the most recent GRACE solutions, Geodesy and Cartography, 69, 1, 2020, 19-37, DOI: 10.24425/gac.2020.131084.
• [17] Li J., Chen J., Ni S., Tang L., Hu X., Long-term and inter - annual mass changes of Patagonia Ice Field from GRACE, Geodesy and Geodynamics, 10, 2, 2018, 100-109, DOI: 10.1016/j.geog.2018.06.001.
• [18] Loomis B.D., Luthcke S.B., Sabaka T.J., Regularization and error characterization of GRACE mascons, Journal of Geodesy, 93, 2, 2019, 1381-1398, DOI: 10.1007/s00190-019-01252-y.
• [19] Luthcke S.B., Sabaka T.J., Loomis B.D. et al., Antarctica, Greenland and Gulf of Alaska land ice evolution from an iterated GRACE global mascon solution, Journal of Glaciology, 59, 216, 2013, 613-631, DOI: 10.3189/2013JoG12J147.
• [20] Mitchell K.E., Lohmann D., Houser P.R. et al., The multi-institution North American Land Data Assimilation System (NLDAS): Utilizing multiple GCIP products and partners in a continental distributed hydrological modeling system, Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 109(D7), nr D07S90, 2004, DOI: 10.1029/2003JD003823.
• [21] Mukherjee A., Saha D., Harvey C.F. et al., Groundwater systems of the Indian Sub-Continent, Journal of Hydrology: Regional Studies, 4(A), 2015, 1-14, DOI: 10.1016/j.ejrh.2015.03.005.
• [22] Ouyang Y., Zhang J., Feng G. et al., A century of precipitation trends in forest lands of the Lower Mississippi River Alluvial Valley, Scientific Reports, 10, nr 12802, 2020, DOI: 10.1038/s41598-020-69508-8.
• [23] Peltier W.R., Argus D.F., Drummond R., Comment on “An Assessment of the ICE-6G_C (VM5a) Glacial Isostatic Adjustment Model” by Purcell et al., Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 123, 2, 2018, 2019-2028, DOI:10.1002/2016JB013844.
• [24] Rateb A., Kuo C-Y., Quantifying Vertical Deformation in the Tigris–Euphrates Basin Due to the Groundwater Abstraction: Insights from GRACE and Sentinel-1 Satellites, Water, 11, 8, nr 1658, 2019, DOI: 10.3390/w11081658.
• [25] Save H., Bettadpur S., Tapley B.D., High-resolution CSR GRACE RL05 mascons, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 121, 10, 2016, 7547-7569, DOI: 10.1002/2016JB013007.
• [26] Scanlon B.R., Zhang Z., Save H. et al., Global models underestimate large decadal declining and rising water storage trends relative to GRACE satellite data, Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 6, 2018, 1080-1089, DOI: 10.1073/pnas.1704665115.
• [27] Shamsudduha M., Panda D.K., Spatio-temporal changes in terrestrial water storage in the Himalayan river basins and risks to water security in the region: a review, International Journal of Disaster Risk Reduction, 35, nr 101068, 2019, DOI: 10.1016/j.ijdrr.2019.101068.
• [28] Tapley B.D., Bettadpur S., Watkins M., Reigber C., The gravity recovery and climate experiment: Mission overview and early results, Geophysical Research Letters, 31, 9, nr L09607, 2004, DOI: 10.1029/2004gl019920.
• [29] Vörösmarty C., McIntyre P., Gessner M. et al., Global threats to human water security and river biodiversity, Nature, 467, 2010, 555-561, DOI: 10.1038/nature09440.
• [30] Walker J.P., Willgoose G.R., Kalma J.D., In situ measurement of soil moisture: a comparison of techniques, Journal of Hydrology, 293, 1-4, 2004, 85-99, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2004.01.008
• [31] Wang F., Shen Y., Chen Q., Wang W., Bridging the gap between GRACE and GRACE follow-on monthly gravity field solutions using improved multichannel singular spectrum analysis, Journal of Hydrology, 594, nr 125972, 2021, DOI: 10.1016/j.jhydrol.2021.125972.
• [32] Watkins M.M., Wise D. V., Yuan D-N. et al., Improved methods for observing Earth’s time variable mass distribution with GRACE using spherical cap mascons, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 120, 4, 2015, 2648-2671, DOI: 10.1002/2014JB011547.
• [33] Werth S., White D., Bliss D.W., GRACE Detected Rise of Groundwater in the Sahelian Niger River Basin, Journal of Geophysical Research: Solid Earth, 122, 12, 2017, 10459-10477, DOI: 10.1002/2017jb014845.
• [34] Zulkafli Z., Buytaert W., Manz B. et al., Projected increases in the annual flood pulse of the Western Amazon, Environmental Research Letters, 11, 1, nr 14013, 2016, DOI: 10.1088/1748-9326/11/1/014013.