Terrestrial Water Storage Variation Estimated from Gravity Changes and Crustal Displacements = 중력 변화와 지각 변위로 추정한 육지 물 저장량 변화

국문 초록 (Abstract)

지구의 육지 물 저장량(Terrestrial Water Storage, TWS)은 해수면 상승, 지하수 고갈, 기후 변화와 같은 지구 환경 문제를 이해하고 대응하는 데 핵심적인 요소이다. 위성 중력 관측 임무인 GRACE(Gravity Recovery and Climate Change) 및 GRACE-FO(GRACE Follow-On)는 지난 20여 년간 전 지구적인 질량 재분포를 관측하며 TWS 변화를 파악할 수 있는 중요한 관측 자료를 제공해 왔다. 하지만 약 300km 수준의 낮은 공간 해상도 때문에 급격하고 국지적인 수문 변화 현상을 정밀하게 추정하는 데에는 한계가 있다.
본 연구는 GRACE의 해상도 한계를 보완하기 위해 GNSS(Global Navigation Satellite System) 관측 변위를 활용한 접근법을 제안하였다. GNSS는 지표 질량 하중에 따른 지각의 탄성 반응을 관측하며, 이 반응은 하중의 크기와 위치에 따라 달라지기 때문에 조밀한 GNSS 관측망을 통해 국지적인 질량 변화를 파악하는데 유용하다. 본 논문에서는 GNSS 관측 변위를 두 가지 방식으로 활용하였다. 첫번째는 고해상도로 추정된 TWS의 정확도를 독립적으로 검증하는 것이고, 두번째는 역산을 통해 지역적인 TWS 변화를 직접 추정하는 것이다.
아마존 유역은 많은 물 질량 변화가 나타남에도 불구하고, GRACE 단독 자료만으로는 복잡한 하천 네트워크와 하천으로 집중된 질량 변화를 관측하기 어렵다. 따라서 하천 라우팅 모델 기반의 초기 질량 분포장을 GRACE 관측에 맞춰 반복적으로 조정하는 순방향 모델링(Forward modeling) 기법을 적용하여, 고해상도(0.5°) 질량 분포를 재현할 수 있었다. 추정된 질량 분포는 GNSS 관측 변위와의 정량적 비교를 통해 평가되었으며, GNSS는 TWS 추정 결과의 신뢰도를 판단하는 데 핵심적인 검증 수단으로 활용되었다.
캘리포니아 지역은 강수량 변동과 지하수 이용이 활발한 대표적인 수문 민감 지역이다. GNSS 관측 변위에는 탄성 반응과 함께 지하수 압력 변화에 따른 다공탄성 효과가 복합적으로 나타난다. 순수한 탄성 하중 반응만을 남기기 위해, GNSS 관측 변위와 GRACE Mascon 기반 변위를 CEOF(Combined Empirical Orthogonal Function) 분석으로 결합하여 보정하였다. 보정된 변위를 기반으로 정규화된 선형 역산을 수행하여, 0.25° 해상도의 월별 TWS 변화를 안정적으로 추정하였다. 이 결과는 국지적인 규모에서의 계절 변화뿐만 아니라 대기 강수(Atmospheric River)와 같은 단기 수문 변화를 포착하는 데에도 효과적이었다.
본 연구는 GNSS를 활용하여 GRACE의 공간 해상도 한계를 보완하고, TWS를 정량적으로 추정하는 분석 체계를 제시하였다. 제안된 방법은 수문 특성이 서로 다른 두 지역에 적용되어 그 효과가 검증되었으며, GNSS는 지역적인 수문 변화 분석에 유용한 도구로 기능할 수 있음을 보여준다. 이러한 접근 방법은 GNSS 관측망의 확대와 위성 중력 임무의 정밀도 향상에 따라, 다양한 지역에 적용되어 지구 물 순환과 기후 변화 연구에 기여할 수 있을 것이다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Terrestrial water storage (TWS) is a key component for understanding and addressing Earth’s environmental changes, including sea level rise, groundwater depletion, and climate variability. The satellite gravimetry missions, Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) and GRACE Follow-On (GRACE-FO), have provided global observations of mass redistribution over the past two decades, offering valuable data for estimating TWS changes. However, their coarse spatial resolution, approximately 300 km, is insufficient to accurately estimate rapid and localized hydrological variations.
In response to this spatial limitation, this dissertation develops alternative approaches that incorporate Global Navigation Satellite System (GNSS) displacements. Because GNSS observed displacements reflect the Earth’s elastic response to surface mass loading, dense networks of GNSS observations are useful to localized mass changes in higher spatial resolution than GRACE/GRACE-FO. This dissertation applies the observed displacements in two distinct ways. The first is to independently validate the accuracy of the estimated high-resolution TWS, and the second is to directly estimate regional TWS variations through inversion.
In the Amazon Basin, despite significant variations in water mass, GRACE observations alone are insufficient to capture complex river networks and water mass variations concentrated along river channels. Therefore, a forward modeling approach is applied, in which an initial mass field derived from a river routing model is iteratively adjusted to match GRACE observations. The estimated high-resolution (0.5°) mass distribution is quantitatively evaluated through comparison with GNSS observations, which serve as an essential constraint for assessing the reliability of the estimated TWS.
California is a hydrologically sensitive region characterized by significant variability in precipitation and intensive groundwater use. GNSS observations contain both elastic responses and poroelastic effects that arise from pore pressure changes. GNSS displacements are corrected using GRACE mass concentration (Mascon) solution-derived displacements through a Combined Empirical Orthogonal Function (CEOF) analysis to separate the purely elastic loading response. A regularized linear inversion is then performed using the corrected elastic displacements to estimate monthly TWS changes, at a resolution of 0.25°. The estimated TWS represents at local scales not only seasonal variations but also short-term hydrological events, such as atmospheric rivers.
This dissertation presents an approach to quantitatively estimate TWS changes at improved spatial resolution by complementing GRACE observations with GNSS displacements. The proposed method is validated in two regions with distinct hydrological characteristics, and demonstrates that GNSS observations can be a reliable tool for analyzing fine-scale water mass variations. With the continued expansion of GNSS networks and improvements in satellite gravimetry accuracy, this approach is expected to be applicable to other regions and contribute to an enhanced understanding of hydrological and climate processes.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 6
• Chapter 2. Background 10
• 2.1. Surface displacements from mass loading 10
• 2.2. Regularized linear inversion 14
• 2.3. Poroelastic effect 17
• Chapter 3. High-resolution surface mass loads in the Amazon Basin combining GRACE and river routing model 20
• 3.1. Introduction 20
• 3.2. Data and Methods 22
• 3.2.1. GRACE 22
• 3.2.2. Initial mass fields with river flow 23
• 3.2.3. Forward Modeling (FM) 25
• 3.2.4. GNSS 27
• 3.2.5. Crustal displacements 27
• 3.3. Result 29
• 3.3.1. Surface water mass distribution 29
• 3.3.2. Vertical displacements 30
• 3.3.3. Horizontal displacements 36
• 3.4. Discussion 38
• 3.5. Conclusion 40
• Chapter 4. Water storage changes in California from GNSS vertical displacements after poroelastic correction 42
• 4.1. Introduction 42
• 4.2. Data and Methods 44
• 4.2.1. GNSS 44
• 4.2.2. GRACE-FO Mascons and GLDAS 45
• 4.2.3. CEOF poroelastic correction for GNSS 46
• 4.2.4. TWS estimation 48
• 4.3. Result 48
• 4.4. Discussion 55
• 4.5. Conclusion 58
• Chapter 5. Conclusion 59
• Appendix 62
• Reference 90
• 국문요약 99