Satellite Characterization of Water Mass Exchange Between Ocean and Continents at Interannual to Decadal Timescales Alejandro Blazquez
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Satellite characterization of water mass exchange between ocean and continents at interannual to decadal timescales Alejandro Blazquez To cite this version: Alejandro Blazquez. Satellite characterization of water mass exchange between ocean and continents at interannual to decadal timescales. Hydrology. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2020. English. NNT : 2020TOU30074. tel-03048246v2 HAL Id: tel-03048246 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-03048246v2 Submitted on 15 Dec 2020 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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Berthier Directeur de recherche Co-directeur de th`ese Ecole´ doctorale et sp´ecialit´e: SDU2E : Oc´ean,Atmosph`ere, Climat Unit´ede Recherche : Laboratoire d’Etudes en G´eophysiqueet Oc´eanographie Spatiales, LEGOS Directeur(s) de Th`ese: Benoit Meyssignac et Etienne Berthier Rapporteur : Voir le jury Remerciements R´ealiserune th`esedans un cadre comme le mien a ´et´eun privil`ege,tant pour les directeurs de recherche, comme le contexte de la th`eseet mon contexte personnel de derniers trois ans. Tout d’abord, j’ai ´et´eencadr´epar deux grandes personnes : Benoit et Etienne.´ Merci beaucoup pour vos conseils et support tout au long de cettes ann´ees. Grace `avous, j’ai appris que la recherche se fait aussi autour d’un caf´e,d’un th´eou mˆeme`av´elo. Votre passion pour la Science a ´et´eune source de motivation. Une th`eseremarquable a besoin d’un th´esard”acceptable”, des bons encadrants et surtout des personnes remarquables prˆetes`adonner son temps et partager sa connais- sance comme : Jean Michel Lemoine, Anny Cazenave, Remi Roca, Thomas Filleau, Jean Fran¸coisCretaux, Fabrice Papa, Sylvain Biancamaria... Je vous remercie ! Je tiens aussi `aremercier mes coll`egesdu CNES de m’avoir permis de r´ealisercette th`esedans le cadre de mon travail : Philippe Maisongrande, Eric Boussarie et Philippe Cubic. Cette aventure a ´et´eaccompagn´eeet parfois rythm´eeavec les naissances de mes en- fants. La premi`eresoumission d’un papier avant la naissance de Sacha. La soumission du manuscrit repouss´epar la naissance du Gabriela... Rien de plus effective pour apprendre `ag´ererun planning que faire une th`eseavec deux b´eb´es.Heureusement que Marian ´etait l`a.Il est plus facile de remonter le courant `adeux sur un bateau. Merci pour ta patience, tes mots doux et ta fa¸conde relativiser les probl`emespendant cettes longues ann´eesde nuits courtes. Finalement, merci `ames enfants pour m’aider `ar´eapprendre l’importance du sourire. ”A day without laughter is a day wasted” Charles Chaplin i Satellite characterization of water mass exchange between ocean and continents at interannual to decadal timescales Abstract: Over the last decades the Earth’s water cycle has changed in response to climate change. Changes have been particularly rapid and intense in the ocean and over land, i.e. in glaciers, ice sheets and land reservoirs. Massive amounts of water have been transferred from land to ocean leading to a significant decrease in freshwater water availability in some regions (like in mountains areas) and to a significant increase of the ocean mass and the sea level. Since 2002, observations from the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) satellite mission provide quantitative estimates of these transfers of water-mass from land to the ocean. However, these estimates are uncertain as they show discrepancies when different approaches and different parameters are used to process the GRACE data. The spread in GRACE-based estimate for the global water budget is poorly characterized and hampers the accurate estimation of the changes in land water storage and ocean mass leading to an uncertain contribution from ocean mass to sea level rise and an uncertain estimate of the Earth’s Energy Imbalance (EEI), when it is estimated through the sea level budget approach. In my Phd, I revisit the treatment of GRACE satellite data in order to obtain GRACE- based estimates of the water mass exchange between ocean and continents, at interannual to decadal timescales, paying a special attention to the different sources of errors and uncertainties. I consider all state-of-the-art data processing of GRACE data, from which I develop an ensemble of consistent GRACE solutions to estimate the mass changes in Greenland, Antarctica, the ocean and the rest of the emerged lands including glaciers and Terrestrial Water Storage (TWS). With this ensemble, I document the nature of water mass exchanges between ocean and continents and I estimate the associated uncertainties. The range of the uncertainty explains the spread in previous GRACE-based estimates of the components of the global water budget. This approach enables also the exploration of the sources of the uncertainties in GRACE based estimates. I find that the post- processing is responsible for 79% of the uncertainty in the global water budget estimates and that only 21% is due to the differences in the GRACE data inversion process. The main sources of uncertainties in the GRACE-based global water budget, at annual to interannual time scales, are the spread in the geocenter corrections and the uncertainty in the Glacial Isostatic Adjustment (GIA) correction, both being applied to GRACE data. This is particularly true for the ocean mass and glacier and TWS mass change estimates for which the uncertainty in trends for the period from 2005 to 2015 is ±0.33 mm SLE/yr. Regarding the glacier and TWS mass change at basin scale, I identify glacier leakage as the main source of uncertainty at local scale in regions close to glaciers. I propose a method using non-GRACE-based mass estimates to reduce the leakage uncertainty on the GRACE-based local water mass estimate. Accounting for glacier mass changes derived from satellite imagery leads to improved estimates of other hydrological processes affecting the local water cycle. Regarding the ocean mass, I explore a method in view of improving the estimates of the ocean mass by working in a reference frame centered at the center of mass of the Earth , the goal being to remove the geocenter correction and the associated uncertainty. I analyse the consistency between GRACE-based ocean mass, altimetry-based sea-level, and ARGO-based steric sea level. This work enables the improvement the estimates of the ocean mass changes. It further leads to a better closure of the sea level budget and a more accurate estimate of the EEI. Keywords: Global water budget, Ocean mass, Space gravimetry, Climate change, Space Geodesy. ii Caract´erisation par satellite des ´echanges d’eau entre l’oc´eanet les continents aux ´echelles interannuelles ´ad´ecenales R´esum´e: Au cours des derni`eresd´ecennies,le cycle global de l’eau a chang´een r´eponse au changement climatique. Les changements ont ´et´eparticuli`erement rapides et intenses dans l’oc´eanet sur les continents. Des quantit´estr`esimportantes d’eau ont ´et´etransf´er´ees des continents vers l’oc´ean, entraˆınant une diminution significative des ressources en eau douce dans certaines r´egions continentales et une augmentation de la masse de l’oc´eanet du niveau de la mer. Depuis 2002, les observations de la mission spatiale Gravity Recov- ery and Climate Experiment (GRACE) fournissent des estimations quantitatives de ces ´echanges d’eau entre l’oc´eanet les continents. Cependant, ces estimations sont incertaines car elles montrent des ´ecartslorsque diff´erentes approches et diff´erents param`etressont utilis´espour traiter les donn´ees GRACE. L’´ecartentre les estimations du bilan globale de l’eau bas´eessur GRACE est donc mal caract´eris´e.Ce qui entrave l’estimation pr´ecisedes changements dans la quantit´etotal d’eau dans les continents et dans la masse de l’oc´ean conduisant `aune contribution incertaine de la masse de l’oc´ean`al’´el´evation du niveau de la mer et `aune estimation incertaine du d´es´equilibre´energ´etiquede la terre, lorsqu’elle est estim´eepar l’approche bilan globale du niveau de la mer. Au cours de ma th`ese, je revisite le traitement des donn´eessatellitaires GRACE dans le but d’obtenir des estimations du bilan global de l’eau, `ades ´echelles interannuelles `a d´ecennales,en accordant une attention particuli`ereaux diff´erentes sources d’erreurs et d’incertitudes. Je prends en compte tous les post-traitements les plus `ajour des donn´ees GRACE, `apartir desquels je d´eveloppe un ensemble de solutions GRACE coh´erentes pour estimer les changements de masse au Groenland, en Antarctique, dans l’oc´eanet dans le reste des terres ´emerg´eesy compris les glaciers et les eaux terrestres. Avec cet ensemble, j’analyse la nature des ´echanges de masse d’eau entre l’oc´eanet les continents, et j’´evalue les incertitudes associ´ees. L’amplitude de l’incertitude explique les diff´erencesentre les estimations pr´ec´edentes des composantes du bilan global de l’eau effectu´ees`apartir des donn´ees GRACE.