A water storage reanalysis over the European continent: assimilation of GRACE data into a high-resolution hydrological model and validation

Abstract

Continental water storage and redistribution within the Earth’s system are key variables of the terrestrial water cycle. Changes in water storage and fluxes may affect resources for drinking water and irrigation, lead to drought or flood conditions, or cause severe changes of ecosystems e.g., through salinification. Hydrological models, which map water storages and fluxes, are being continuously improved and deepen our understanding of geophysical processes related to the water cycle. However, models are built on a simplified representation of reality, which leads to limited predicting skills of the simulation results. Assimilating remotely sensed total water storage variability from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission has become a valuable tool for reducing uncertainties of hydrological model simulations. Simultaneously, coarse GRACE observations are disaggregated spatially and temporally through data assimilation.<br> In this thesis, GRACE data are assimilated into the Community Land Model version 3.5 (CLM3.5) yielding a unique daily 12.5 km reanalysis of total water storage evolution over Europe (2003 to 2010). Independent observations are evaluated to identify model deficits and to validate the performance of data assimilation. For the first time, the effect of data assimilation on modeled total water storage is also shown on the level of GRACE K-band observations. Optimal strategies for assimilating GRACE data into a high-resolution hydrological model are investigated through synthetic experiments. These experiments address the choice of the assimilation algorithm, localization, inflation of the ensemble of model states, ensemble size, error model of the observations, and spatial resolution of the observation grid. As the assimilation of GRACE data into CLM3.5 is realized within the Terrestrial Systems Modeling Platform (TerrSysMP), future assimilation experiments can be extended for the groundwater and atmosphere components included in TerrSysMP.

<strong>Eine Reanalyse des europäischen Wasserspeichers: Assimilierung von GRACE Daten in ein hochaufgelöstes hydrologisches Modell und Validierung</strong><br> Änderungen im kontinentalen Wasserspeicher und im Transport von Wasser durch das Erdsystem sind wichtige Einflussgrößen für die Verfügbarkeit von Frischwasserresourcen, die Entstehung von Dürren und Überschwemmungen, sowie für die Erhaltung von Ökosystemen, welche z.B. durch Versalzung gefährdet werden. Hydrologische Modelle, die die Speicherung und den Transport von Wassermassen abbilden, werden stetig verbessert und helfen unser Verständnis von hydrologischen Prozessen zu vertiefen. Allerdings ermöglichen hydrologische Modelle nur eine vereinfachte Abbildung der Realität, sodass die Aussagekraft der Simulationsergebnisse beschränkt ist. Die Assimilierung von Wasserspeicheränderungen, gemessen von den GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) Satelliten, kann hydrologische Simulationen verbessern und erlaubt gleichzeitig eine räumliche und zeitliche Differenzierung der grobaufgelösten GRACE Beobachtungen.<br> In dieser Doktorarbeit werden GRACE Daten in das Land-Oberflächen-Modell CLM3.5 (Community Land Model Version 3.5) assimiliert, um eine neuartige Reanalyse täglicher Wasserspeicheränderungen (2003 bis 2010) für Europa mit 12.5 km Auflösung zu generieren. Durch unabhängige Beobachtungen werden Defizite des Modells identifiziert und das Ergebnis der Datenassimilierung beurteilt. Zum ersten Mal wird auch die Auswirkung der Assimilierung direkt auf Basis der GRACE K-Band Beobachtungen untersucht. Mit Hilfe synthetischer Experimente wird die beste Strategie zur Assimilierung von GRACE Daten in ein hochaufgelöstes hydrologisches Modell ermittelt. Dabei wird der Einfluss unterschiedlicher Assimilierungsstrategien untersucht, unter anderem die Wahl des Assimilierungsalgorithmus, die Lokalisierung des Einflussbereichs von Beobachtungen, die Erhöhung der Spannweite der Ensemblemitglieder des Modells, die Ensemblegröße, das Fehlermodell der Beobachtung und die räumliche Auflösung des Beobachtungsgitters. Da die Assimilierung von GRACE in das CLM3.5 Modell unter Verwendung von TerrSysMP (Terrestrial Systems Modeling Platform) geschieht, können die Assimilierungsexperimente in Zukunft auf die zusätzliche Verwendung des in TerrSysMP enthaltenen Grundwasser- und des Atmosphärenmodells erweitert werden.