Современные возможности использования спутниковой системы GRACE для решения гидрологических задач

  • Наталья Леонидовна Фролова Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, 1 https://orcid.org/0000-0003-3576-285X
  • Вадим Юрьевич Григорьев Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, 1; Институт водных проблем Российской академии наук, Российская Федерация, 119333, Москва, ул. Губкина, 3
  • Инна Николаевна Крыленко Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова, Российская Федерация, 119991, Москва, Ленинские горы, 1; Институт водных проблем Российской академии наук, Российская Федерация, 119333, Москва, ул. Губкина, 3
  • Елена Анатольевна Захарова Институт водных проблем Российской академии наук, Российская Федерация, 119333, Москва, ул. Губкина, 3

Аннотация

В работе изложены основные результаты использования миссии GRACE при оценке отдельных составляющих бассейновых влагозапасов, расчете составляющих водного баланса и гидрологическом моделировании. Оценка ошибки данных GRACE составляет порядка 11 мм для водосборов площадью 100 тыс. км2 и уменьшается по мере роста площади усреднения, что позволяет фиксировать многолетнюю и сезонную изменчивость влагозапасов. Показано, что уменьшение влагозапасов в бассейне р. Дон за 2002-2019 гг. в приблизительно равной степени связано как с почвенной влагой, так и подземными водами. При этом минимум запасов подземных вод был достигнут уже в 2010 г., а почвенных - к 2015 г. Начиная с 2016 г., запасы подземных вод в бассейне Дона в течение зимнего периода практически не изменяются, что связано, вероятно, с большим количеством оттепелей и меньшей глубиной слоя промерзания в этот период. По данным метеостанций для осадков холодного периода европейской части России (ЕЧР) была получена величина их систематической ошибки - 20-25 %. Сравнение величин влагозапасов для рек севера ЕЧР по GRACE и модели ECOMAG показало их хорошую согласованность (NSE = 0.78 ÷ 0.89). При этом, в сравнении с GRACEECOMAG демонстрирует меньший рост влагозапасов в зимний период и более быструю их сработку в период половодья. В настоящие время прогресс в применении данных GRACE в гидрологии лимитируется их низким пространственно-временным разрешением, которое, в рамках самой миссии GRACE, в ближайшие годы улучшено не будет. При этом сам принцип работы GRACE может в перспективе применяться к различным спутниковым группировкам.

Ключевые слова:

мониторинг, космическая гравиметрия, водные ресурсы, гидрологические модели

Скачивания

Данные скачивания пока недоступны.
 

Литература

Bai, P., Liu, X. and Liu, C. (2018). Improving hydrological simulations by incorporating GRACE data for model calibration. Journal of Hydrology, 557, 291-304. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2017.12.025

Behrangi, A., Gardner, A. S., Reager, J. T. and Fisher, J. B. (2017). Using GRACE to constrain precipitation amount over cold mountainous basins. Geophysical Research Letters, 44, 219-227. https://doi.org/10.1002/2016GL071832

Bogdanova, E. G., Il’in, B. M. and Gavrilova, S. Yu. (2007). Advanced methods for correcting measured precipitation and results of their application in the polar regions of Russia and North America. Russian Meteorology Hydrology, 32, 229-244. https://doi.org/10.3103/S1068373907040036

Chen, J. (2019). Satellite gravimetry and mass transport in the earth system. Geodesy and Geodynamics, 10, 402-415. https://doi.org/10.1016/j.geog.2018.07.001

Dahle, C., Murböck, M., Flechtner, F., Dobslaw, H., Michalak, G., Neumayer, K., Abrykosov, O., Reinhold, A., König, R., Sulzbach, R. and Förste, C. (2019). The GFZ GRACE RL06 Monthly Gravity Field Time Series: Processing Details and Quality Assessment. Remote Sensing, 11 (18), 2116. https:// doi.org/10.3390/rs11182116

Esa.int. (2020). The ESA official website. [online] Available at: https://www.esa.int/Safety_Security/Space_ Debris/Automating_collision_avoidance [Accessed Jan. 29, 2020].

Ferreira, V. G., Montecino, H. D., Yakubu, C. I. and Heck, B. (2016). Uncertainties of the gravity recovery and climate experiment time-variable gravity-field solutions based on three-cornered hat method. Journal of applied remote sensing, 10 (1), 015015. https://doi.org/10.1117/1.JRS. 10.015015

gfz-potsdam.de. (n. d.). GFZ official website. [online] Available at: https://www.gfz-potsdam.de/en/ grace/ [Accessed Feb. 22, 2021].

giovanni.gsfc.nasa.gov. (n. d.). NASA data visualization and analysis tool. [online] Available at: https:// giovanni.gsfc.nasa.gov [Accessed Feb. 22, 2021].

globalfloods.eu. (2020). Global Flood Awareness System official website. [online] Available at: https://www. globalfloods.eu/ [Accessed Feb. 22, 2021].

Golosnoy, D. A. and Krylenko, I. N. (2017). Modeling of Onega river flow based on ECOMAG software package. In: Trudy VI Mezhdunarodnoi nauchno-prakticheskoi konferentsii “Morskie issledovaniia i obrazovanie: MARESEDU - 2017”. Tver: PoliPRESS Publ., 700-704. (In Russian)

gracefo.jpl.nasa.gov. (n. d.). GRACE-FO mission overview, JPL official website. [online] Available at: https:// gracefo.jpl.nasa.gov/mission/spacecraft/overview/ [Accessed Feb. 22, 2021].

Grigoriev, V. Yu. (2018). Water balance of river basins of European Russia. PhD thesis. Lomonosov Moscow State University. (In Russian)

Grigoriev, V. Yu. and Frolova, N. L. (2018). Terrestrial water storage change of European Russia and its impact on water balance. Geography, Environment, Sustainability, 11 (1), 38-50. https://doi.org/10.24057/2071-9388-2018-11-1-38-50

Humphrey, V., Gudmundsson, L. and Seneviratne, S. I. (2016). Assessing global water storage variability from GRACE: Trends, seasonal cycle, subseasonal anomalies and extremes. Surveys in Geophysics, 37 (2), 357-395. https://doi.org/10.1007/s10712-016-9367-1

ipad.fas.usda.gov. (2020). International production assessment division of US department of agriculture official website. [online] Available at: https://ipad.fas.usda.gov/cropexplorer/global_reservoir/Default.aspx [Accessed Jan. 22, 2020].

Jäggi, A., Weigelt, M, Flechtner, F., Güntner, A., Mayer-Gürr, T., Martinis, S., Bruinsma, S., Flury, J., Bourgogne, S., Steffen, H., Meyer, U., Jean, Y., Sušnik, A., Grahsl, A., Arnold, D., Cann-Guthauser, K., Dach, R., Li, Z., Chen, Q., van Dam, T., Gruber, C., Poropat, L., Gouweleeuw, B., Kvas, A., Klinger, B., Lemoine, J.-M., Biancale, R., Zwenzner, H., Bandikova, T. and Shabanloui, A. (2019). European Gravity Service for Improved Emergency Management (EGSIEM) - from concept to implementation. Geophysical Journal International, 218 (3), 1572-1590. https://doi.org/10.1093/gji/ggz238

Jiang, D. and Wang, K. (2019). The Role of Satellite-Based Remote Sensing in Improving Simulated Streamflow.: A Review. Water, 11 (8), 1615. https://doi.org/10.3390/w11081615

Khaki, M., Hoteit, I., Kuhn, M., Awange, J., Forootan, E., van Dijk, A., Schumacher, M. and Pattiaratchi, C. (2017). Assessing sequential data assimilation techniques for integrating GRACE data into a hydrological model. Advances in Water Resources, 107, 301-316. https://doi.org/10.1016/j.advwatres.2017.07.001

Krylenko, I., Motovilov, Yu., Antokhina, E., Zhuk, V. and Surkova, G. (2014). Physically-based distributed modelling of river runoff under changing climate conditions. In: Remote Sensing and GIS for Hydrology and Water Resources. IAHS Publ., 156-161.

lisa.nasa.gov. (n. d.). LISA mission official website. [online] Available at: https://lisa.nasa.gov/ [Accessed Feb. 22, 2021].

Long, D., Longuevergne, L. and Scanlon, B. R. (2014). Uncertainty in evapotranspiration from land surface modeling, remote sensing, and GRACE satellites. Water Resources Research, 50 (2), 1131-1151. https://doi.org/10.1002/2013WR014581

Lorenz, C., Kunstmann, H., Devaraju, B, Tourian, M. J., Sneeuw, N. and Riegger, N. (2014). Large-Scale Runoff from Landmasses: A Global Assessment of the Closure of the Hydrological and Atmospheric Water Balances. Journal of Hydrometeorology, 15 (6), 2111-2139. https://doi.org/10.1175/JHM-D-13-0157.1

Mémin, A., Flament, T., Alizier, B., Watson, C. and Rémy, F. (2015). Interannual variation of the Antarctic Ice Sheet from a combined analysis of satellite gravimetry and altimetry data. Earth and Planetary Science Letters, 422, 150-156. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2015.03.045

Motovilov, Yu. G. and Gelfan, A. N. (2013). Assessing runoff sensitivity to climate change in the Arctic basin: empirical and modelling approaches. In: Proceedings of H02, IAHS-IAPSO-IASPEI Assembly, Gothenburg, Sweden, July 2013. IAHS Publ., 360, 105-112. Available at: https://iahs.info/uploads/ dms/15555.360%20105-112.pdf [Accessed Feb. 22, 2021].

Motovilov, Yu., Gottschalk, L., Engeland, K. and Belokurov, A. (1998). ECOMAG - regional model of hydrological cycle. Application to the NOPEX region. Department of Geophysics, University of Oslo.

nasagrace.unl.edu. (n. d.). Groundwater and Soil Moisture Conditions from GRACE-FO Data Assimilation for the Contiguous U. S. and Global Land, National Drought Mitigation Center. [online] Available at: https://nasagrace.unl.edu/ [Accessed Feb. 22, 2021].

Rignot, E., Velicogna, I., van den Broeke, M. R., Monaghan, A. and Lenaerts, J. T. (2011). Acceleration of the contribution of the Greenland and Antarctic ice sheets to sea level rise. Geophysical Research Letters, 38, L05503. http://dx.doi.org/10.1029/2011GL046583

Rodell, M., Famiglietti, J. S., Wiese, D. N., Reager, J. T., Beaudoing, H. K., Landerer, F. W. and Lo, M.-H. (2018). Emerging trends in global freshwater availability. Nature, 557, 651-659. https://doi.org/10.1038/ s41586-018-0123-1

Sasgen, I., van den Broeke, M, Bamber, J. L., Rignot, E., Sørensen, L. S., Wouters, B., Martinec, Z., Velicogna, I. and Simonsen, S. B. (2012). Timing and origin of recent regional ice-mass loss in Greenland. Earth and Planetary Science Letters, 333-334, 293-303. https://doi.org/10.1016/j.epsl.2012.03.033

Scanlon, B. R., Zhang, Z., Save, H., Sun, A. Y., Schmied, H. M., van Beek, L. P. H., Wiese, D. N., Wada, Y., Long, D., Reedy, R. C., Longuevergne, L., Döll, P. and Bierkens, M. F. P. (2018). Global models underestimate large decadal declining and rising water storage trends relative to GRACE satellite data. In: Proceedings of the National Academy of Sciences of USA, 115 (6), E1080-E1089. https://doi.org/10.1073/ pnas.1704665115

Seo, J. Y. and Lee, S.-I. (2017). Total discharge estimation in the Korean Peninsula using multi-satellite products. Water, 9 (7), 532. https://dx.doi.org/10.3390/w9070532

Swenson, S. (2010). Assessing High-Latitude Winter Precipitation from Global Precipitation Analyses Using GRACE. Journal of Hydrometeorology, 11, 405-420. https://doi.org/10.1175/2009JHM1194.1

Tangdamrongsub, N., Steele-Dunne, S. C., Gunter, B. C., Ditmar, P. G., Sutanudjaja, E. H., Sun, Y., Xia, T. and Wang, Z. (2017). Improving estimates of water resources in a semi-arid region by assimilating GRACE data into the PCR-GLOBWB hydrological model. Hydrology and Earth System Sciences, 21 (4), 2053- 2074. https://doi.org/10.5194/hess-21-2053-2017

Thespacereview.com. (2020). Publication devoted to cdzspace exploration. [online] Available at: https://www. thespacereview.com/article/3849/1 [Accessed Jan. 22, 2020].

Tian, S., Tregoning, P., Renzullo, L. J., van Dijk, A., Walker, J. P., Pauwels, V. R. N. and Allgeyer, S. (2017). Improved water balance component estimates through joint assimilation of GRACE water storage and SMOS soil moisture retrievals. Water Resources Research, 53 (3), 1820-1840. https://doi. org/10.1002/2016WR019641

Vishwakarma, B. D., Devaraju, B. and Sneeuw, N. (2018). What Is the Spatial Resolution of GRACE Satellite Products for Hydrology? Remote Senssing, 10 (6), 852. https://doi.org/10.3390/rs10060852

Wahr, J., Molenaar, M. and Bryan, F. (1998). Time variability of the Earth’s gravity field: Hydrological and oceanic effects and their possible detection using GRACE. Journal of Geophysical Research, 103 (B12), 30205-30229. https://doi.org/10.1029/98JB02844

Wahr, J., Swenson, S., Zlotnicki, V. and Velicogna, I. (2004). Time-variable gravity from GRACE: First results. Geophysical Research Letters, 31, 293-317. https://doi.org/10.1029/2004GL019779

Wang, L., Chen, C., Ma, X., Fu, Z., Zheng, Y. and Peng, Z. (2020). Evaluation of GRACE mascon solutions using in-situ geodetic data: The case of hydrologic-induced crust displacement in the Yangtze River Basin. Science of the Total Environment, 707, 135606. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.135606

Wilby, R. (2019). A hydrology research agenda fit for the 2030s. Hydrology Research, 50, 1464-1480. https://doi.org/10.2166/nh.2019.100

Xu, T., Guo, Z. X., Xia, Y. L., Ferreira, V. G., Liu, S. M., Wang, K. C., Yao, Y., Zhang, X. and Zhao, C. (2019). Evaluation of twelve evapotranspiration products from machine learning, remote sensing and land surface models over conterminous United States. Journal of Hydrology, 578, 124105. https://doi. org/10.1016/j.jhydrol.2019.124105

Zotov, L. V., Frolova, N. L., Grigor’yev, V. Yu. and Kharlamov, M. A. (2015). Application of the satellite system of the earth’s gravity field measurement (GRACE) for the evaluation of water balance in river catchments. Vestnik Moskovskogo Universiteta. Seria 5, Geografia, (4), 27-33. (In Russian)

Zotov, L., Shum, C. and Frolova, N. (2015). Gravity changes over Russian rivers basins from GRACE. In: S. Jin, N. Haghighipour, W. Ip, ed., Planetary Exploration and Science: Recent Results and Advances. Berlin: Springer Geophysics. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 45-59. https://doi.org/10.1007/978-3-662-45052-9

Опубликован
2021-01-28
Как цитировать
Фролова, Н. Л., Григорьев, В. Ю., Крыленко, И. Н. и Захарова, Е. А. (2021) «Современные возможности использования спутниковой системы GRACE для решения гидрологических задач», Вестник Санкт-Петербургского университета. Науки о Земле, 66(1). doi: 10.21638/spbu07.2021.107.