Study on the Earth’s Surface Mass Variations using Satellite Gravimetry Observations

Our complex planet is continuously undergoing temporal and spatial changes. In this context, ongoing processes in the Earth subsystems (geosphere, biosphere, cryosphere, hydrosphere, and atmosphere) cause changes in the gravity field of the Earth across a wide range of temporal and spatial scales. Accordingly, by both spatially and temporally tracing our planet’s ever-changing gravity field, scientists can better constrain the underlying processes contributing to such dynamic changes of mass distribution within the Earth system. Monitoring the Earth’s gravity field and its temporal variations is essential, among others, for tracking disasters and specifying land areas with a high risk of flooding, earthquakes, and droughts, movements of tectonic plates, and providing accurate positioning through satellite positioning technology. On short-term timescales, temporal variations in the Earth’s gravity field are mainly caused by the movement of water in its various forms. Accordingly, sea-level variations and ice-sheet and glacier changes, which are known as critical indicators of global warming and climate change, can be accurately monitored by tracking the Earth’s gravity field changes. Since there is a close link between water redistribution and the Earth’s energy cycle, climate system, food security, human and ecosystem health, energy generation, economic and societal development, and climate extremes (droughts and floods), it is essential to accurately monitor water mass exchange between the Earth system components. Among all observational techniques, satellite gravimetry has provided an integrated global view of ongoing processes within the Earth system. The current generation of satellite gravimetry missions (the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) mission and its successor, GRACE Follow-On) has dramatically revolutionized our understanding of dynamic processes in the Earth’s surface and, consequently, has significantly improved our understanding of the Earth’s climate system. By considering different aspects of studying the Earth’s gravity field, this thesis brings new insights to the determination and analysis of the mass change in the Earth system. First, by studying the shortcomings of the common techniques of estimating the geoid potential, a new approach is examined that simultaneously estimates the geoid potential, W0, and the geometrical parameters of the reference Mean Earth Ellipsoid (MEE). In this regard, as the geoid needs to be considered as a static equipotential surface, the sensitivity of the estimations to the time dependent Earth’s gravity field changes is studied. Secondly, relying on the GRACE monthly gravity fields and the complementary observational techniques, and by pushing the limit of GRACE, mass redistribution over land and ocean is investigated. Within the ocean, satellite altimetry and Argo products are utilized along with the GRACE monthly solutions for quantifying the global barystatic sea-level change and assessing the closure of the global mean sea level budget. Over land, a region with relatively high temporal mass change (oil and water extraction) is chosen in which by taking advantage of having in-situ observations and hydrological models, the ability of GRACE products in quantifying the changes in groundwater storage is studied. In this frame, for both the ocean and land studies, different aspects of the processing of GRACE monthly gravity fields are investigated and GRACE inherent errors are addressed appropriately to arrive at reliable and accurate estimates of the Earth’s surface mass change. As the final contribution in this thesis, a rigorous analytical model for detecting surface mass change from the time-variable gravity solutions is proposed and examined in different case studies of surface mass change. Since the launch of the GRACE twin satellites, the GRACE(-FO) time-varying gravity fields are conventionally converted into the surface mass change using a spherical analytical model that approximates the Earth by a sphere. More recently, the analytical mass change detection model has been improved by considering an ellipsoid as the shape of the Earth, which improved the previous estimations of surface mass change, especially over high latitudes with relatively large mass change signals. However, by taking into account the real shape of the Earth and considering more realistic assumptions, a new analytical solution for the problem of surface mass change detection from the time-varying gravity fields is proposed in this thesis. It is shown that the simplistic spherical and ellipsoidal geometries are no longer tenable and the new model surpasses the common spherical approach and its ellipsoidal version.Pågående processer i jordens olika delar (geosfären, biosfären, kryosfären, hydrosfären och atmosfären) orsakar massförändringar som bland annat ger sig till känna i form av variationer i jordens tyngdkrafts-/gravitationsfält över ett brett spektrum av tidsmässiga och rumsliga skalor. Följaktligen, genom att studera detta ständigt föränderliga fält i tid och rum, kan forskare utröna de underliggande orsakerna till de dynamiska förändringarna av massfördelningarna i dessa processer. Övervakning av jordens gravitationsfält och dess tidsmässiga variationer är nödvändig bland annat för att spåra katastrofer och specificera landområden med hög risk för översvämningar, jordbävningar och torka, rörelser av tektoniska plattor och tillhandahålla exakt positionering genom satellitpositioneringsteknik. På kortsiktiga tidsskalor orsakas tidsmässiga variationer i jordens gravitationsfält främst av vattenrörelser i dess olika former. Följaktligen kan havsnivå-, istäcke- och glaciärförändringar, som är kända som kritiska indikatorer på global uppvärmning och klimatförändringar, övervakas exakt genom övervakning av tyngdkraftfältets förändringar. Eftersom det finns en intim koppling mellan omfördelningen av jordens vattenmassor och energicykel, klimatsystem, livsmedelssäkerhet, människors och ekosystems hälsa, energiproduktion, ekonomisk och samhällelig utveckling och extremer i klimatet (torka och översvämningar), är det viktigt att noggrant övervaka vattnets massutbyte mellan jordsystemets olika komponenter. Bland alla observationstekniker ger satellitgravimetri en global integrerad översikt av pågående massförändringar. De nuvarande satellitsystemen, dedikerade för gravimetri-uppdrag (Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellitprojektet och dess efterträdare, GRACE Follow-On), har dramatiskt revolutionerat vår förståelse av de dynamiska processerna på jordytan, och de har följaktligen avsevärt förbättrat vår förståelse av jordens klimatsystem. Genom att pröva olika aspekter av att studera jordens gravitationsfält ger denna avhandling nya möjligheter att studera jordsystemets massvariationer. Först, genom att studera bristerna i de vanliga teknikerna för att uppskatta ett potentialvärde för geoiden, undersöks ett nytt tillvägagångssätt som samtidigt uppskattar ett värde på geopotentialen, W0, och de geometriska parametrarna för en global referensellipsoid (Mean Earth Ellipsoid, MEE). Eftersom geoiden i detta sammanhang måste betraktas som en statisk ekvipotentialyta, så beräknar vi även noggranheten hos uppskattningarna för de tidsberoende förändringar av jordens gravitationsfält. För det andra, att förlita sig på GRACE månatliga gravitationsfält och de kompletterande observationsteknikerna, och genom att tänja på gränsen för GRACE, undersöks massutbytet mellan land och hav. I havsområden används satellitaltimetri- och Argo-data tillsammans med GRACE månatliga gravitationsfält för att kvantifiera den globala havsnivåförändringen och bedöma slutningsfelet i den globala medelhavsnivå-budgeten. I en annan studie väljer vi en region på land med relativt stor massförändring i tiden p.g.a. olje och vattenutvinning, där vi drar fördel av in-situ observationer och hydrologiska modeller, för att analysera förmågan hos GRACE att kvantifiera förändringar i grundvattennivån. För både havs- och landstudierna undersöks olika aspekter att bearbeta GRACE månatliga data , samt lämpliga åtgärder att korrigera fel för att ernå tillförlitliga och noggranna uppskattningar av massförändringar vid jordytan. Som det sista bidraget i denna avhandling föreslås en rigorös analytisk modell för detektering av massförändringarna i tiden, som undersöks i olika fallstudier av massförändringar. Data från GRACE(-FO) som varierar i tiden omvandlas konventionellt till ytmass-förändringar med hjälp av en sfärisk analytisk modell, som approximerar jorden med en sfär. Nyligen har den analytiska modellen för detektering av massförändringar förbättrats genom att approximera jordens form med en ellipsoid, vilket förbättrade de tidigare uppskattningarna av massförändringar, särskilt för höga latituder med relativt stora massförändringar. Men genom att gå ännu längre och ta hänsyn till jordens verkliga form och överväga mer realistiska antaganden, föreslås i denna avhandling en ny analytisk lösning för problemet. Det har visat sig att de förenklade sfäriska och ellipsoida geometrierna inte längre är försvarbara och den nya modellen överträffar det vanliga sfäriska tillvägagångssättet och dess ellipsoida version