Die Satellitenmissionen „Gravity Recovery and Climate Experiment“ (GRACE) und „GRACE Follow-On“ (GRACE-FO) haben ein revolutionäres Instrument zur Messung von Veränderungen des Erdschwerefeldes aus dem Weltraum bereitgestellt. Seit dem Start von GRACE im Jahr 2002 (und GRACE-FO im Jahr 2018) wurden die Satellitengravitationsmessungen von GRACE/GRACE-FO zur Untersuchung großräumiger Massenveränderungen im Erdsystem eingesetzt, darunter Veränderungen der terrestrischen Wasserspeicherung, Grundwasserverknappung, Abschmelzen von Polareis und Gebirgsgletschern sowie globale Meeresspiegelveränderungen. Die Validierung der Satellitengravitationsbeobachtungen von GRACE/GRACE-FO ist jedoch schwierig, da es an anderen unabhängigen Beobachtungen mit vergleichbaren räumlichen Skalen und zeitlichen Stichproben fehlt, die sich für die Validierung der GRACE/GRACE-FO-Beobachtungen eignen.
Text: Jianli Chen, Department of Land Surveying and Geo-Informatics, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong
Das Kaspische Meer ist mit einer Fläche von ca. 371.000 km2 das größte Binnengewässer der Erde und befindet sich in einem endorheischen (ohne Abfluss) Becken zwischen Europa und Asien. Der Wasserstand des Kaspischen Meeres hat in den letzten Jahrhunderten erhebliche Schwankungen erfahren, darunter Veränderungen von mehreren Metern innerhalb weniger Jahrzehnte in der jüngeren Vergangenheit. Seit etwa 2005 ist der Wasserstand des Kaspischen Meeres dramatisch gesunken, im Durchschnitt um etwa 10 cm pro Jahr. Das Ausmaß ist fast 30-mal größer als die globale mittlere Anstiegsrate des Meeresspiegels von etwa 3 mm pro Jahr im gleichen Zeitraum. Die Amplitude der saisonalen Pegelschwankungen des Kaspischen Meeres beträgt ebenfalls etwa 20 cm. In Anbetracht der enormen Größenordnung der Pegelschwankungen des Kaspischen Meeres in Kombination mit der riesigen Fläche des Kaspischen Meeres liefern präzise gemessene Pegelschwankungen des Kaspischen Meeres aus der Satellitenaltimetrie ein einzigartiges, genau definiertes Signal für Massenveränderungen, das zur Validierung von GRACE/GRACE-FO-Satellitengravitationsmessungen verwendet werden kann.
Trotz der vielen erfolgreichen Anwendungen von Satelliten-Gravitationsmessungen mit GRACE/GRACE-FO zur Untersuchung großräumiger Massenvariationen im Klimasystem der Erde in den letzten zwei Jahrzehnten stellt die grobe räumliche Auflösung der GRACE/GRACE-FO-Messungen, die auf mindestens einige hundert Kilometer geschätzt wird, eine besondere Herausforderung für die Nutzung von GRACE/GRACE-FO dar. Die hochgradigen und hochrangigen Gravitationskoeffizienten der GRACE/GRACE-FO-Messungen werden durch Rauschen dominiert, und es ist eine räumliche Filterung und Glättung erforderlich, um aussagekräftige Signale für Massenänderungen aus den GRACE/GRACE-FO-Messungen zu extrahieren. Die grobe räumliche Auflösung und die erforderliche räumliche Filterung und Glättung erschweren eine genaue Quantifizierung regionaler Massenänderungen mithilfe von GRACE/GRACE-FO-Messungen. Um dieses Problem zu lösen, wurden einige Nachbearbeitungsmethoden wie der Skalierungsfaktor (SF), die Pufferzone (BF) und die Vorwärtsmodellierung (FM) entwickelt, um den Leckagefehler in GRACE/GRACE-FO-Schätzungen von Massenänderungen zu minimieren oder zu reduzieren.
Abbildung 1 zeigt Vergleiche zwischen monatlichen Pegelstandsänderungen des Kaspischen Meeres, die mit einem Satellitenaltimeter beobachtet wurden, und zwei separaten Schätzungen der Satellitengravimetrie GRACE/GRACE-FO, die auf den vom Center for Space Research (CSR) der University of Texas in Austin bereitgestellten Lösungen für sphärische Harmonische (GSM) und Mascon (MC) basieren. Leckagekorrekturen für die GSM- und MC-Lösungen von GRACE/GRACE-FO werden unter Verwendung der SF- bzw. BF-Methode durchgeführt. Terrestrische Wasser- und sterische Effekte auf die beiden GRACE/GRACE-FO-Schätzungen werden ebenfalls berücksichtigt, wobei Vorhersagen von Landoberflächenmodellen und Daten aus dem World Ocean Atlas verwendet werden (siehe Chen et al., 2024, für Details).
Bei angemessener Behandlung von räumlichen Leckagefehlern und terrestrischen Wasser- und sterischen Effekten stimmen die aus sphärischen Harmonischen und mascon-Lösungen von GRACE/GRACE-FO abgeleiteten Pegeländerungen des Kaspischen Meeres über einen breiten Bereich von Zeitskalen bemerkenswert gut mit unabhängigen Satellitenaltimetrie-Beobachtungen überein. Der geschätzte durchschnittliche lineare Trend aus der Satellitenaltimetrie beträgt -7,55 ± 0,17 cm/Jahr, während die beiden geschätzten Trends von GRACE/GRACE-FO bei -7,50 ± 0,18 bzw. -7,70 ± 0,20 cm/Jahr liegen. Die durchschnittliche jährliche Amplitude der Satellitenaltimetrie beträgt 17,75 ± 1,28 cm, verglichen mit GRACE/GRACE-FO-Schätzungen von 18,44 ± 1,34 und 17,05 ± 1,49 cm. Die jährlichen Phasen der Satellitenaltimetrie und von GRACE/GRACE-FO stimmen ebenfalls bemerkenswert gut überein, insbesondere bei den GSM-Lösungen. Auch auf zwischenjährlichen Zeitskalen ist eine sehr gute Übereinstimmung zu beobachten.
Die Pegelveränderung des Kaspischen Meeres hat sich als nahezu perfekter Kandidat für unabhängige Validierungen der Satelliten-Gravitationsmessungen von GRACE/GRACE-FO erwiesen. Sie bietet auch eine einzigartige Testbasis für die Bewertung der Wirksamkeit der verschiedenen Datenverarbeitungsmethoden und -strategien, die für GRACE/GRACE-FO-Anwendungen entwickelt wurden. Korrekte Leckagekorrekturen spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Fehlern bei der von GRACE/GRACE-FO geschätzten regionalen Massenänderung. Im vorliegenden Fall kann GRACE/GRACE-FO ohne Leckagekorrektur nur weniger als die Hälfte der Pegeländerung des Kaspischen Meeres erfassen. Besondere Überlegungen sind auch erforderlich, wenn es um die von GRACE/GRACE-FO beobachteten Signale des Klimawandels mit unterschiedlichen räumlichen Merkmalen und in unterschiedlichen geophysikalischen Umgebungen geht.
Literaturhinweis
Chen, J.L., Wilson, C.R., Seo, K.W., Cazenave, A., Wang, S.Y., Li, J., Nie, Y. (2024). Validation of GRACE/GRACE-FO Solutions Using Caspian Sea Level Change, IEEE Journal of Selected Topics in Applied Earth Observations and Remote Sensing, Vol. 17, 15885-15899, DOI: 10.1109/JSTARS.2024.3448488.