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Benjamin Fersch

• Since 2002, the Gravity Recovery And Climate Experiment GRACE provides global high resolution observations of the time variable gravity field of the Earth. Besides other fields of application, this information is used to derive spatio-temporal changes of the terrestrial water storage body. Due to the lack of suitable direct observations of large scale water storage changes, a validation of derived GRACE mass variations remains difficult. In this study, an approach is presented that allows the appraisal of the quality of GRACE for assessing the terrestrial water storage variations of continental scale hydrological basins. This is done by comparing the GRACE products to aerologic water budgets that are derived from the vertically integrated atmospheric moisture flux divergence. Aerologic water budgets of global atmospheric reanalyses are explored, covering the products of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and the National Centers for Environmental PredictionSince 2002, the Gravity Recovery And Climate Experiment GRACE provides global high resolution observations of the time variable gravity field of the Earth. Besides other fields of application, this information is used to derive spatio-temporal changes of the terrestrial water storage body. Due to the lack of suitable direct observations of large scale water storage changes, a validation of derived GRACE mass variations remains difficult. In this study, an approach is presented that allows the appraisal of the quality of GRACE for assessing the terrestrial water storage variations of continental scale hydrological basins. This is done by comparing the GRACE products to aerologic water budgets that are derived from the vertically integrated atmospheric moisture flux divergence. Aerologic water budgets of global atmospheric reanalyses are explored, covering the products of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and the National Centers for Environmental Prediction (NCEP). Furthermore, dynamic downscaling is applied to obtain high-resolution refinements of the coarse global reanalysis fields. For that purpose, the Weather Research and Forecast modeling system (WRF) is chosen. Prior to the evaluation with GRACE, all aerologic products are validated against global gridded observations data sets of precipitation and 2m-temperature. Atmosphere related uncertainty bounds for the terrestrial water storage variation are obtained from different configurations of the downscaling model WRF in combination with the two involved global reanalyses. The resulting atmospheric uncertainty ranges are opposed and compared with uncertainty ranges originating from three different GRACE products of the data centers GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), Center for Space Research (CSR) and Jet Propulsion Laboratory (JPL). The results show that regional atmospheric downscaling is able to add value to the global reanalyses, depending on the geographical location of the considered catchments. In general, global and regional atmospheric water budgets are in reasonable agreement with GRACE derived terrestrial water storage variations (r=0.6-0.9). However, both atmospheric and satellite based approaches reveal significant uncertainties. In particular, for regions with minimal storage change rates, i.e. desert environments, the limitation of both methods is revealed. The study encompasses six different climatic and hydrographic regions. They comprise the Amazonian Basin, the combined river catchments of Lena and Yenisei, the Central Australian Basin, the Saharan Desert, the Lake Chad depression, and the Niger River catchment.…
• Seit dem Jahr 2002 stellt das Gravity Recovery And Climate Experiment GRACE globale, hoch aufgelöste Beobachtungen des zeitveränderlichen Schwerefelds der Erde zur Verfügung. Neben vielen anderen Anwendungsbereichen kann diese Information zur groben Bestimmung der räumlich-zeitlichen Variation des terrestrischen Wasserspeichers verwendet werden. Da jedoch die direkte Messung von großskaligen Wasserspeicheränderungen mit anderen Methoden nicht oder nur unzulänglich möglich ist, können die GRACE Beobachtungen nicht direkt validiert werden. Im Rahmen dieser Studie wird eine alternative Methode verwendet, um die Eignung von GRACE zur Bestimmung der terrestrischen Wasserspeichervariationen zu untersuchen. Unter Verwendung der aerologischen Wasserbilanz, die auf die vertikal integrierte Feuchteflussdivergenz zurückgreift, kann bei bekanntem Abfluss die Speicheränderung für ein Gebiet bestimmt werden. Die aerologische Wasserbilanz wird hier aus den Feldern zweier globaler atmosphärischerSeit dem Jahr 2002 stellt das Gravity Recovery And Climate Experiment GRACE globale, hoch aufgelöste Beobachtungen des zeitveränderlichen Schwerefelds der Erde zur Verfügung. Neben vielen anderen Anwendungsbereichen kann diese Information zur groben Bestimmung der räumlich-zeitlichen Variation des terrestrischen Wasserspeichers verwendet werden. Da jedoch die direkte Messung von großskaligen Wasserspeicheränderungen mit anderen Methoden nicht oder nur unzulänglich möglich ist, können die GRACE Beobachtungen nicht direkt validiert werden. Im Rahmen dieser Studie wird eine alternative Methode verwendet, um die Eignung von GRACE zur Bestimmung der terrestrischen Wasserspeichervariationen zu untersuchen. Unter Verwendung der aerologischen Wasserbilanz, die auf die vertikal integrierte Feuchteflussdivergenz zurückgreift, kann bei bekanntem Abfluss die Speicheränderung für ein Gebiet bestimmt werden. Die aerologische Wasserbilanz wird hier aus den Feldern zweier globaler atmosphärischer Reanalysen berechnet. Dazu werden Produkte des European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) und des National Centers for Environmental Prediction (NCEP) verwendet. In einem weiteren Schritt wird untersucht, ob die globalen Reanalysen mittels dynamischem Downscaling verbessert werden können. Zu diesem Zweck wird das regionale atmosphärische Modell Weather Research and Forecast modeling system (WRF) eingesetzt. Vor dem Vergleich mit GRACE werden alle globalen und regionalen aerologischen Datensätze anhand von globalen Rasterdaten für Niederschlag und 2m-Temperatur validiert. Aus den globalen und verfeinerten atmosphärischen Feldern werden atmosphärische Unsicherheitsspannen abgeleitet. Diese werden anschließend der Variabilität von drei verschiedenen GRACE Produkten gegenüber gestellt. Sie umfassen die Daten des GeoForschungsZentrum Potsdam (GFZ), des Center for Space Research (CSR) und des Jet Propulsion Laboratory (JPL). Für verschiedene untersuchte Gebiete stellt die regionale Verfeinerung eine Verbesserung der atmosphärischen Felder dar. Es zeigt sich hierbei jedoch eine Abhängigkeit von der geografischen Lage bzw. der Klimatologie der betrachteten Gebiete. Insgesamt resultiert aus dem Vergleich der aerologischen Wasserbilanz mit GRACE eine hohe Übereinstimmung (r=0.6–0.9). Allerdings existieren für den aerologischen Ansatz, als auch für GRACE erhebliche Unsicherheiten. Speziell für Regionen mit geringer Wasserspeicheränderung, wie zum Beispiel Wüsten oder semi-aride Gebiete, befinden sich die Signale im Bereich des Rauschens. Sechs klimatisch und hydrografisch verschiedene Gebiete werden im Rahmen dieser Arbeit untersucht. Diese umfassen das Amazonasbecken, die Einzugsgebiete von Lena und Jenissei, das zentralaustralische Becken, die Sahara, die Senke des Tschadsees und das Einzugsgebiet des Niger.…