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Institut für Wasserbau Stuttgart Geodätisches Institut Stuttgart Institut für Meteorologie und Klimaforschung IMK-IFU SPP 1257 DIRECT WATERBALANCE An interdisciplinary approach towards the determination of large scale actual evapotranspiration and the evaluation of atmospheric moisture flux Sneeuw 1 N., W. Keller 1 , B. Devaraju 1 , M. Antoni 1 , M. Weigelt 1 , A. Bárdossy 2 , J. Riegger 2 , H. Kindt 2 , B. Fersch 3 , H. Kunstmann 3 1 Institute of Geodesy, Universität Stuttgart 2 Institute for Hydraulic Engineering, Universität Stuttgart 3 Institute for Meteorology and Climate Research IMK-IFU, Forschungszentrum Karlsruhe

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Institut für WasserbauStuttgart

Geodätisches InstitutStuttgart

Institut für Meteorologie und Klimaforschung IMK-IFU

SPP 1257

DIRECT WATERBALANCE

An interdisciplinary approach towards

the determination of large scale actual evapotranspiration

and the evaluation of atmospheric moisture flux

Sneeuw1 N., W. Keller1, B. Devaraju1, M. Antoni1, M. Weigelt1, A. Bárdossy2,

J. Riegger2, H. Kindt2, B. Fersch3, H. Kunstmann3

1 Institute of Geodesy, Universität Stuttgart

2 Institute for Hydraulic Engineering, Universität Stuttgart

3 Institute for Meteorology and Climate Research IMK-IFU, Forschungszentrum Karlsruhe

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Project Structure

Geodesy

• Evaluation and

Correction of GRACE

Errors

Calculation of Mass

Variations for Climatic

Zones and Catchments

Hydrology

• Identification of Climatic

Zones and known

Hydrologic Signals

Determination of Water

Balance

(ETa, dS/dt, Q)

on large Catchments

Atmosphere

• Determination of

Atmospheric Water

Transport

Determination of large

scale source / sinks of

atmospheric moisture

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Evaluation Approach

Large Scale Water Balance for Catchments :

Hydrology GRACE Atmosphere

Hydrology :

• Meteorology : P = Padv + Pconv and ETa (Soil, Vegetation)

• Catchment Runoff R

GRACE :

• Total Mass Change dM/dt

Atmospheric Input : • Moisture Flux Divergence (MFD)

Ruqt

S

t

M

t

SRETP a

uq

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Main Objectives

Direct Determination of large scale actual Evapotranspiration

Quantification of mass errors :- Hydrology (P, ETa, R)

- GRACE (dM/dt)

Evaluation of Atmospheric Moisture Flux

- Hydrology, GRACE

Improved Global Waterbalance and Discharge from Land Masses

Development of Local methods for Satellite Gravimetry

by use of corrections from known terrestrial signals

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Evaluation Phase :

1.) GRACE Observed Hydrology

- ETa negligible for certain areas (Deserts, Boreal, High Altitude)

for certain times (Winter, Dry Season)

- R ~ 0 Dischargeless Basins

Hydrology = most accurate known mass changes on large areas

2.) Atmospheric Moisture Flux evaluated GRACE

Application Phase with quantified Uncertainties

• Direct ETa on gauged catchments

• Discharge from ungauged Catchments

Program

t

MRPETa

t

MRuq

RETPt

Ma

t

MuqR

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Sources:

• GRDC, USGS, ArticRims Project, Water Survey Canada,• Mainly Daily Values

Global Distribution of recent Discharge Data until 2004 and 2007

Data Situation : Space

Dischargeless areas

+ Gauged Catchments

= 43% of Land Masses

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Data Situation : Time

Data Availability

Jan 0

0

Jan 0

1

Jan 0

2

Jan 0

3

Jan 0

4

Jan 0

5

Jan 0

6

Jan 0

7

Jan 0

8

Discharge

Precipitation

GRACE

Moisture Flux

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Data Situation : Consequences

Availability of Precipitation and Moisture Data until 2004

Direct use of Data limited to only 2 years

Limited possibilities for Error Quantification

Apply a Statistical Approach with

Data from longer Time Periods (GPCC, GRDC, ERA40)

Investigations on Mean Monthly Behaviour (different length of available time periods)

Investigations on spatial Characteristics of Catchments

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Mean Monthly Water Balance

-50

0

50

100

Jan

Feb Mar Apr

May Ju

n Jul

Aug Sep OctNov

Dec

Mas

s C

han

ge

[m

m/M

o] P

Q

dM/dt

P-Q

ETa

Water Balance

Mean Monthly Behaviour Siberian Tundra

Reasonable Annual Behaviour

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Monthly Values

-50

0

50

100

Jan

Feb Mar Apr

May Ju

n Jul

Aug Sep OctNov Dec

Mas

s C

han

ge

[m

m/M

o]

P-Q 2003

dM/dt 2003

dM/dt 2004

P-Q 2004

ETa 2003

ETa 2004

Water Balance

Monthly Behaviour Siberian Tundra

Variations +/- 20% - 30% of Annual Amplitudes

Variation Signal

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Signal Variations

Variations = Physical Fluctations (Hydrology, GRACE) + Error

Quantification of Variations :

Focus on Interannual Monthly Deviations from Mean Annual Behaviour = Residuals

Elimination of Annual Behaviour

- Residuals of Hydrology (wet / dry year) :

dS/dt ~ P – R (where ETa ~ 0 for Tundra, Winter, High

Elevation)

dS/dt < P (where ETa <~ P for Deserts)

- Residual of GRACE Mass Change Rates : dM/dt

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Variation / Signal for GRACE

Stdev of GRACE Residual / GRACE Mean Annual Range

Mean Variation / Signal GRACE ~25%

Smaller for large, tropical Catchments

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Correlation of Monthly Residuals : GRACE Hydrology

for different catchments, for 2003-2004, where dS/dt = P – R > 0 with ETa < 15mm/mo

Nelson – Thelon Gobi Australia West

No systematic Correlation of Residuals between Hydrology and GRACE

Diifferent Sign and absolute values < 0.5

Hydrological Experience Hydrological Residuals : Not Noise ~ Climatic Fluctuations > Error

Correlation of Residuals

y = -0,1973x + 10,884R2 = 0,0506

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 20 40 60 80 100

P-Q

GR

AC

E d

M/d

t

Correlation of Residuals

y = 0,3493x - 1,837

R2 = 0,0657-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 10 20 30 40 50

P-Q

dM

/dt

Correlations of Residuals

y = 0,7378x - 27,415

R2 = 0,7371

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160

P-Q

GR

AC

E d

M/d

t

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Spatial Distribution of Temporal Correlation of Residuals between Catchments

(River OB versus different catchments, for time periods where ETa <~ 15mm/mo)

Spatial Correlation : Hydrology Hydrology

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Spatial Distribution of Temporal Correlation of Residuals between Catchments

(River OB versus different catchments, for time periods where ETa <~ 15mm/mo)

Spatial Correlation : GRACE GRACE

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Spatial Correlation : Hydrology Hydrology

Spatial Distribution of Temporal Correlation of Residuals between Catchments

(Sahara_N versus different catchments, for time periods where ETa <~ 10mm/mo)

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SpatialCorrelation : GRACE GRACE

Spatial Distribution of Temporal Correlation of Residuals between Catchments

(Sahara_N versus different catchments, for time periods where ETa <~ 10mm/mo)

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Afghanistan

Atacama

Australia_E

China_N

Gobi

HuangHe

Karakum

LakeChad

Lena

Mackenzie

Nelson

Niger

Ob

Okavango

Sahara_N

Sahara_W

SaudiArab

Tarim

Thelon

Tibet

Yana

Yenisei

Yukon

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20

Hydrology STDEV( dS / dt)

GR

AC

E

ST

DE

V (

dM

/ d

t)

25% of land masses

GRACE Hydrology

Comparison of Signal Variations

for catchments for long time series when ETa <~ 15mm/mo

many catchments with STDEV( dS/dt ) < 7mm/mo

Hydrological Reference Areas

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0,4

0,1

0,3

0,1

0,3

0,3

0,4

0,0

-0,1

0,2

0,0

0,1

0,2

0,1

0,1

0,4

0,2

0,1

0,5

0,6

0,1

-0,2

0,4

y = 1.2545x + 10.659

R2 = 0.3482

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20

Hydrology STDEV( dS / dt)

GR

AC

E

ST

DE

V (

dM

/ d

t)

GRACE Signal Variations

for catchments

for long time series when ETa <~ 15mm/mo

GRACE variations

Threshold = 10mm

= Atmospheric Error (J. Wahr et al. ) ???

(1 mbar = 10mm)

GRACE Hydrology

Task for Atmosphere Research

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Atmospheric Research

Improvement in Atmospheric Pressure Distribution by Regional Modelling

Evaluation of Atmospheric Moisture Flux GRACE, Hydrology

Improved Global Waterbalance

Discharge from Ungauged Catchments

First Approach of a Comparison with Statistical (Historical ) Data

- 15 years of ( –MFD – R )

- 4 years GRACE

t

SRuq

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Mean Monthly Water Balance and Moisture Divergence

-50

0

50

100

Jan

FebM

ar AprM

ay Jun Ju

lAug Sep O

ctNov

Dec

Mas

s C

han

ge

[m

m/M

o]

"-div - Q

dM/dt

Mean Monthly Water Balance and Moisture Divergence

-50

0

50

100

Jan

FebM

ar AprM

ay Jun Ju

lAug Sep Oct

NovDec

Mas

s C

han

ge

[m

m/M

o]

"-div - Q

dM/dt

Mackenzie, Yukon, Nelson

Lake Chad

Mean Monthly Water Balance and Moisture Divergence

-50

0

50

100

Jan

FebM

ar AprM

ay Jun Ju

lAug Sep O

ctNov

Dec

Mas

s C

han

ge

[m

m/M

o]

"-div - Q

dM/dt

Mean Monthly Water Balance and Moisture Divergence

-50

0

50

100M

ass

Ch

ang

e [

mm

/Mo

]

"-div - Q

dM/dt

Sahara_N

Sahara_W

Atmospheric Water Balance GRACE

Mean Monthly Values (Statistical Comparison)

Fits well

Deviations;

unphysical

results

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Atmosphere

• Global fields vs. regionalized WRF fields

• Impact of global driving (ECMWF vs. GFS)

• Impact of time stepping

1) MFD vs. ET-P

2) air masses

(Exemplarily analyzed for Australia, January 2002)

Deviations and unphysical Behaviour in Atmospheric Moisture Flux from :

• Uncertainties and Differences in Atmospheric Data Sets

• Atmospheric Model Type / Physics

• Different Spatial Resolutions

Improved atmospheric moisture fluxes & air masses by

Regional Atmospheric Modelling

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Regional atmospheric modeling

Downscaling of global atmospheric model fields to regional scales:

∆x ≈ 30 km e.g. in this study

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Regional atmospheric modeling

Regional atmospheric model 30 x 30 km² (WRF)

Timestep 180 seconds, 27 vertical layers

Global atmospheric model 90 x 90 km² (ECMWF)

Timestep (output) 6 hours

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MFD vs. P-ET & global vs. regional modelsMFD regionalECMWF

MFD regionalGFS

ET – P regionalGFS data

ET – P regionalECMWF data

ET – P global ECMWF ERA-40

MFD:

Global driving dataset impacts MFD (rather than P-ET)

P-ET:

Regionalisation gives higher amplitudes

Little impact of driving on regionalisation

On

Australian mean JAN 2002

6 hours resolution

Runoff neglected

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P-ET vs. MFD cumulative

ET – P globalECMWF - ERA 40

MFD regionalGFS data

MFD regionalECMWF data

ET - P regional GFS data

ET - P regionalECMWF data

Australian mean JAN 20026 hours resolution

Significant differencesbetween cumulated

values of

MFD vs. ET-P

and

regional vs. global models !

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PSFC global modelECMWF – operational analysis

PSFC regional model, WRF 30 kmECMWF operational analysis

• amplitudes differ• in general congruence but for selected periods large differences possible

Modelled Atmospheric Mass VariationsAustralian mean JAN 20026 hours resolution

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0,4

0,1

0,3

0,1

0,3

0,3

0,4

0,0

-0,1

0,2

0,0

0,1

0,2

0,1

0,1

0,4

0,2

0,1

0,5

0,6

0,1

-0,2

0,4

y = 1,2545x + 10,659

R2 = 0,3482

0

5

10

15

20

25

30

35

40

0 5 10 15 20

STDEV (dS / dt)

ST

DE

V (

dM

/ d

t)

GRACE Signal Variations

for catchments

for long time series when ETa <~ 15mm/mo

GRACE variations

Threshold = 10mm

GRACE Hydrology

Task for Atmosphere Research

Task for Geodesy

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Geodesy Tasks

Effect of filters: attenuation, biased estimation

• functional vs. stochastic• isotropic vs. anisotropic e.g. Han et al.

• filter parameter choice (e.g. cap radius) e.g. (Chen, Wilson, Famiglietti, Rodell; 2007)

• destriping or not e.g. (Swenson, Wahr; 2006)

• omission and commission errors e.g. (Gunter, Ries, Bettadpur, Tapley; 2006)

Effect of correlation/decorrelation

• propagation of full error VC matrix e.g. Schrama

• simulation of normal matrix structure e.g. Kusche

Effect of basin function e.g Wilson et al.

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Error Budgets: Wiener Filtering

But:• when is signal really signal?

• what is noise?

• anisotropic?

monthly deviation from long-term mean field

mean monthly deviation

power law fit through mean deviation

power law minus mean deviation

monthly formal errors

mean formal error

2

2 2l

ll l

sw

s n

ls

ln

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filters and windows

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some filtering effects

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some filtering effects

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Summary

• No systematic Correlation between Residuals of

GRACE Mass Changes and Hydrologic Storage Changes

• Significant Impact of Global Atmospheric Driving Data and

Spatial Resolution on MFD and Atmospheric Masses

• Significant Impact of Filter Choice (and Spectral Correlations)

on Mass Estimates and their Uncertainties

Use of Mass Constraints from Hydrology as Reference

for GRACE (25% area of land masses)

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End

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Mean Monthly Water Balance

-50

0

50

100

Ma

ss

Ch

an

ge

[m

m/M

o]

dM/dt

P-Q

ETa

Water Balance

Mean Monthly Behaviour Northern Sahara

Reasonable Annual Behaviour

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Monthly Values

-50

0

50

100

Mas

s C

hang

e [

mm

/Mo]

P-Q 2003

P-Q 2004

ETa 2003

ETa 2004

dM/dt 2003

dM/dt 2004

Water Balance

Monthly Behaviour Northern Sahara

Variations +/- 20% - 30% of Annual Amplitudes (for Tundra)

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GRACE Residuals

Monthly Residual of GRACE Global Solutions Release IV Nov 05

Relationship to Orbits ?

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GRACE Residuals

Monthly Residual of GRACE Global Solutions Release IV Destriped Nov 05

Relationship to Orbits ?

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Noise / Signal for GRACE

Stdev of GRACE Residual / GRACE Mean Annual Range

Stdev from 25% Mean

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Next StepsHydrology :

• Quantification of Hydrological Uncertainties• Selection of appropriate Reference Areas (dS/dt<10mm/mo)

• Correlations Hydrology - GRACE

Atmosphere : • Evaluation of Moisture Flux on Regional Scales• Evaluation of Regional Pressure Distrubutions

Geodesy :• filter optimization• improved error budgets• Investigation of correlations• functional modeling of residual signal with radial base functions• Correlations spatial vs. spectral• developing mass correction models for hydrological constraints

(25% of land masses)• incorporating regional atmospheric constraints