Calibration of the global hydrological model WGHM with water mass variations from GRACE gravity data

• Main Author: Werth, Susanna
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universität Potsdam 2010
• Subjects: Schwerefeld; Hydrolgische Modellierung; Globaler Wasserkreislauf; Wassermassenvariationen; gravity; gydrological modelling; global water cycle; water mass variations; Earth sciences
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:kobv:517-opus-41738; http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2010/4173/

Since the start-up of the GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) mission in 2002 time dependent global maps of the Earth's gravity field are available to study geophysical and climatologically-driven mass redistributions on the Earth's surface. In particular, GRACE observations of total water storage changes (TWSV) provide a comprehensive data set for analysing the water cycle on large scales. Therefore they are invaluable for validation and calibration of large-scale hydrological models as the WaterGAP Global Hydrology Model (WGHM) which simulates the continental water cycle including its most important components, such as soil, snow, canopy, surface- and groundwater. Hitherto, WGHM exhibits significant differences to GRACE, especially for the seasonal amplitude of TWSV. The need for a validation of hydrological models is further highlighted by large differences between several global models, e.g. WGHM, the Global Land Data Assimilation System (GLDAS) and the Land Dynamics model (LaD). For this purpose, GRACE links geodetic and hydrological research aspects. This link demands the development of adequate data integration methods on both sides, forming the main objectives of this work. They include the derivation of accurate GRACE-based water storage changes, the development of strategies to integrate GRACE data into a global hydrological model as well as a calibration method, followed by the re-calibration of WGHM in order to analyse process and model responses. To achieve these aims, GRACE filter tools for the derivation of regionally averaged TWSV were evaluated for specific river basins. Here, a decorrelation filter using GRACE orbits for its design is most efficient among the tested methods. Consistency in data and equal spatial resolution between observed and simulated TWSV were realised by the inclusion of all most important hydrological processes and an equal filtering of both data sets. Appropriate calibration parameters were derived by a WGHM sensitivity analysis against TWSV. Finally, a multi-objective calibration framework was developed to constrain model predictions by both river discharge and GRACE TWSV, realised with a respective evolutionary method, the ε-Non-dominated-Sorting-Genetic-Algorithm-II (ε-NSGAII). Model calibration was done for the 28 largest river basins worldwide and for most of them improved simulation results were achieved with regard to both objectives. From the multi-objective approach more reliable and consistent simulations of TWSV within the continental water cycle were gained and possible model structure errors or mis-modelled processes for specific river basins detected. For tropical regions as such, the seasonal amplitude of water mass variations has increased. The findings lead to an improved understanding of hydrological processes and their representation in the global model. Finally, the robustness of the results is analysed with respect to GRACE and runoff measurement errors. As a main conclusion obtained from the results, not only soil water and snow storage but also groundwater and surface water storage have to be included in the comparison of the modelled and GRACE-derived total water budged data. Regarding model calibration, the regional varying distribution of parameter sensitivity suggests to tune only parameter of important processes within each region. Furthermore, observations of single storage components beside runoff are necessary to improve signal amplitudes and timing of simulated TWSV as well as to evaluate them with higher accuracy. The results of this work highlight the valuable nature of GRACE data when merged into large-scale hydrological modelling and depict methods to improve large-scale hydrological models. === Das Schwerefeld der Erde spiegelt die Verteilung von Massen auf und unter der Erdoberfläche wieder. Umverteilungen von Erd-, Luft- oder Wassermassen auf unserem Planeten sind damit über eine kontinuierliche Vermessung des Erdschwerefeldes beobachtbar. Besonders Satellitenmissionen sind hierfür geeignet, da deren Umlaufbahn durch zeitliche und räumliche Veränderung der Schwerkraft beeinflusst wird. Seit dem Start der Satellitenmission GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment) im Jahr 2002 stellt die Geodäsie daher globale Daten von zeitlichen Veränderungen des Erdschwerefeldes mit hoher Genauigkeit zur Verfügung. Mit diesen Daten lassen sich geophysikalische und klimatologische Massenumverteilungen auf der Erdoberfläche studieren. GRACE liefert damit erstmals Beobachtungen von Variationen des gesamten kontinentalen Wasserspeichers, welche außerordentlich wertvoll für die Analyse des Wasserkreislaufes über große Regionen sind. Die Daten ermöglichen die Überprüfung von großräumigen mathematischen Modellen der Hydrologie, welche den natürlichen Kreislauf des Wassers auf den Kontinenten, vom Zeitpunkt des Niederschlags bis zum Abfluss in die Ozeane, nachvollziehbar machen. Das verbesserte Verständnis über Transport- und Speicherprozesse von Süßwasser ist für genauere Vorhersagen über zukünftige Wasserverfügbarkeit oder potentielle Naturkatastrophen, wie z.B. Überschwemmungen, von enormer Bedeutung. Ein globales Modell, welches die wichtigsten Komponenten des Wasserkreislaufes (Boden, Schnee, Interzeption, Oberflächen- und Grundwasser) berechnet, ist das "WaterGAP Global Hydrology Model" (WGHM). Vergleiche von berechneten und beobachteten Wassermassenvariationen weisen bisher insbesondere in der jährlichen Amplitude deutliche Differenzen auf. Sehr große Unterschiede zwischen verschiedenen hydrologischen Modellen betonen die Notwendigkeit, deren Berechnungen zu verbessern. Zu diesem Zweck verbindet GRACE die Wissenschaftsbereiche der Geodäsie und der Hydrologie. Diese Verknüpfung verlangt von beiden Seiten die Entwicklung geeigneter Methoden zur Datenintegration, welche die Hauptaufgaben dieser Arbeit darstellten. Dabei handelt es sich insbesondere um die Auswertung der GRACE-Daten mit möglichst hoher Genauigkeit sowie um die Entwicklung einer Strategie zur Integration von GRACE Daten in das hydrologische Modell. Mit Hilfe von GRACE wurde das Modell neu kalbriert, d.h. Parameter im Modell so verändert, dass die hydrologischen Berechnungen besser mit den GRACE Beobachtungen übereinstimmen. Dabei kam ein multikriterieller Kalibrieralgorithmus zur Anwendung mit dem neben GRACE-Daten auch Abflussmessungen einbezogen werden konnten. Die Modellkalibierung wurde weltweit für die 28 größten Flusseinzugsgebiete durchgeführt. In den meisten Fällen konnte eine verbesserte Berechnung von Wassermassenvariationen und Abflüssen erreicht werden. Hieraus ergeben sich, z.B. für tropische Regionen, größere saisonale Variationen. Die Ergebnisse führen zu einem verbesserten Verständnis hydrologischer Prozesse. Zum Schluss konnte die Robustheit der Ergebnisse gegenüber Fehlern in GRACE- und Abflussmessungen erfolgreich getestet werden. Nach den wichtigsten Schlussfolgerungen, die aus den Ergebnissen abgeleitet werden konnten, sind nicht nur Bodenfeuchte- und Schneespeicher, sondern auch Grundwasser- und Oberflächenwasserspeicher in Vergleiche von berechneten und GRACE-beobachteten Wassermassenvariationen einzubeziehen. Weiterhin sind neben Abflussmessungen zusätzlich Beobachtungen von weiteren hydrologischen Prozessen notwendig, um die Ergebnisse mit größerer Genauigkeit überprüfen zu können. Die Ergebnisse dieser Arbeit heben hervor, wie wertvoll GRACE-Daten für die großräumige Hydrologie sind und eröffnen eine Methode zur Verbesserung unseres Verständnisses des globalen Wasserkreislaufes.