Monitoring Total Water Storage Changes with GRACE Mission and GLDAS Model and Effect of Climatic Factors on These Changes: Case Study in Konya Basin

Abstract

The climate changes observed in recent years require the efficient use of water resources. In this respect, policies followed for sustainable water management necessitate continuous monitoring of water mobility. In recent years, it is possible to produce maps for the monitoring of water resources, trend estimations and visualization of changes in water areas, with remote sensing technology. Especially with the integration of satellite gravimetry and global hydrological models, these studies can be carried out relatively quickly and at low cost. In this study, water storage changes (TWSA: Total Water Storage Anomaly) in the region of Konya basin were evaluated using the GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) satellite mission and GLDAS (Global Land Data Assimilation System) data. In addition, the short and long term effects of climate changes on the results have been investigated. The results show that between 2002 and 2020, groundwater and, accordingly, the total water storage changes have a negative trend in the long term, in the study area. Additionally, it can be deduced that TWSA and climatological variables including precipitation and temperature have a high correlation at 2- and 3-month lags.

Keywords

• GRACE
• GLDAS
• Climate Change
• Water Storage Changes

GRACE Misyonu ve GLDAS Modeli ile Su Kütlesi Değişimlerinin İzlenmesi ve İklimsel Faktörlerin Değişimlere Etkisi: Konya Havzası Örneği

Abstract

Son yıllarda gözlemlenen iklim değişimleri, su kaynaklarının etkin kullanımını gerektirmektedir. Bu bakımdan sürdürülebilir su yönetimi için izlenen politikalar, su hareketliliğinin sürekli izlenmesini zorunlu kılmaktadır. Su kaynaklarının takibini, trend kestirimlerini ve su alanlarındaki değişimin görselleştirilmesine yönelik harita üretimini, son yıllarda uzaktan algılama teknolojisi ile gerçekleştirilebilmek mümkündür. Özellikle uydu gravimetrisi ve global hidrolojik modellerin entegrasyonu ile bu çalışmalar görece hızlı ve düşük maliyetle yürütülebilmektedir. Bu çalışmada GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment) uydu misyonu ve GLDAS (Global Land Data Assimilation System) kara hidroloji model verileri kullanılarak Konya havzasının bulunduğu bölgede su kütlesi değişimleri (TWSA: Total Water Storage Anomaly) irdelenmiştir. Ayrıca iklim değişimlerinin sonuçlar üzerindeki kısa ve uzun dönemdeki etkileri araştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, 2002-2020 yılları arasında çalışma bölgesindeki yeraltı su kütlesi (YSK) ve buna bağlı olarak toplam su kütlesi değişimlerinin uzun dönemde negatif yönlü trende sahip olduğunu göstermektedir. Bununla birlikte, TWSA ile iklim değişkenlerinden sıcaklık ve yağış faktörlerinin iki ve üç aylık gecikme dönemlerinde yüksek korelasyona sahip olduğu anlaşılmaktadır.

Keywords

• GRACE
• GLDAS
• İklim Değişimi
• Su Kütlesi Değişimleri

References

1. Akyılmaz, O., Üstün A., Aydın C., Arslan N., Yağcı O., Doğanalp S., Güney C., (2016), Yakın Yer Uyduları Yardımıyla Yüksek Çözünürlüklü Gravite Alanı Belirleme ve Bölgesel Kütle Değişimlerinin İzlenmesi, TÜBİTAK ARDEB 1001 Araştırma Projeleri, Proje No: 113Y155, Proje Sonuç Raporu.
2. Bulduk A., Horasan Ö.R., Tekdere M., Solak N., (2008), Konya Kapalı Havzasının 16/2-a Alt Havzasında Yeraltı Suyu ve Seviye Değismeleri, Konya Kapalı Havzası Yeraltı Suyu ve Kuraklık Konferansı, Bildiri Kitabı,11-12 Eylül, Konya, ss.125-134.
3. Doğdu M.S., Toklu M.M., Sağnak C., (2007), Konya Kapalı Havzası’nda Yağış ve Yeraltı Suyu Değerlerinin İrdelenmesi, I. Türkiye İklim Değişikliği Kongresi, Bildiri Kitabı, 11-12 Nisan, İstanbul, ss. 394-402.
4. Famiglietti J.S., Lo M., Ho S.L., Bethune J., Anderson K.J., Syed T.H., Swenson S.C., de Linage C.R., Rodell M., (2011), Satellites measure recent rates of groundwater depletion in California′s Central Valley, Geophys Res Lett, 38(3), L03403, doi: 10.1029/2010GL046442.
5. Frappart F., Ramillien G., (2018), Monitoring groundwater storage changes using the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) Satellite Mission: a review, Remote Sensing, 10(6), 829, doi: 10.3390/rs10060829.
6. Godah W., Szelachowska M., Öztürk E.Z., Krynski J., (2018), On the contribution of physical height changes estimated with the use of GRACE satellite mission data to the modernization of a national vertical system, In AGU Fall meeting abstracts (Vol. 2018, pp. G13B-0525).
7. Göçmez G., Genç A., Karakoca A., (2008), Konya Kapalı Havzası Yeraltısuyu Seviye Değişiminin İstatistiksel Değerlendirilmesi, Konya Kapalı Havzası Yeraltı Suyu ve Kuraklık Konferansı, Bidiri Kitabı, 11-12 Eylül, Konya, ss. 98-107.
8. Jiao J.J., Zhang X., Liu Y., Kuang X., (2015), Increased water storage in the Qaidam Basin, the North Tibet plateau from GRACE gravity data, Plos One, 10(10): e0141442, doi: 10.1371/journal.pone.0141442.

9. Moghim S., (2020), Assessment of water storage changes using GRACE and GLDAS, Water Resources Management, 34(2), 685-697.
10. Öztürk E.Z., Godah W., Abbak R.A., (2018), Analysis of De-correlation filters performance for estimating temporal mass variations determined from GRACE-based GGMs over Konya basin, FIG Congress 2018, Embracing our smart world where the continents connect: enhancing the geospatial maturity of societies, May 6-11, İstanbul, Turkey.
11. Öztürk E.Z., Godah W., Abbak R.A., (2020), Estimation of physical height changes from GRACE satellite mission data and WGHM over Turkey, Acta Geodaetica et Geophysica, 55(2), 301-317.
12. Öztürk E.Z., (2020), Uydu Gravimetrisi İle Fiziksel Yükseklik Değişimlerinin Belirlenmesi ve Analizi: Türkiye ve Grönland Örneği, Doktora Tezi, Konya Teknik Üniversitesi Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Konya.
13. Rodell M., Houser P.R., Jambor U., Gottschalck J., Mitchell K., Meng C.J., Arsenault K., Cosgrove B., Radakovich J., Bosilovich M., Entin J.K., Walker J.P., Lohmann D., Toll D., (2004), The global land data assimilation system, Bull Am Meteorol Soc, 85(3), 381–394.
14. Rodell M., Velicogna I., Famiglietti J.S., (2009), Satellite-based estimates of groundwater depletion in India, Nature, 460(7258), 999–1002.
15. Scanlon B.R., Zhang Z., Save H., Wiese D.N., Landerer F.W., Long D., Longuevergne L., Chen J., (2016), Global evaluation of new GRACE mascon products for hydrologic applications, Water Resour Res, 52(12), 9412–9429.
16. Tapley B.D., Bettadpur S., Ries J.C., Thompson P.F., Watkins M.M., (2004), GRACE measurements of mass variability in the earth system, Science, 305(5683), 503–505.
17. Üstün A., Tusat E. Yalvaç S., (2010), Preliminary Results of Land Subsidence Monitoring Project in Konya Closed Basin Between 2006-2009 by Means of GNSS Observations, Natural Hazards and Earth System Sciences, 10(6), 1151-1157.
18. Wada Y., Beek L.P.H.V., Kempen C.M.V., Reckman J.W.T.M., Vasak S., Bierkens M.F.P., (2010), Global depletion of groundwater resources, Geophys Res Lett, 37(20), 114–122.
19. Yılmaz M., (2010), Karapınar Çevresinde Yeraltı Suyu Seviye Değisimlerinin Yaratmış Olduğu Çevre Sorunları, Ankara Üniversitesi Çevrebilimleri Dergisi, 2(2), 145-163.
20. Yin W., Hu L., Zhang M., Wang J., Han S.C., (2018), Statistical downscaling of GRACE-derived groundwater storage using ET data in the North China plain, J Geophys Res-Atmos, 123(11), 5973–5987.
21. Yin W., Li T., Zheng W., Hu L., Han S.C., Tangdamrongsub N., Sprlak M., Huang Z., (2020), Improving regional groundwater storage estimates from GRACE and global hydrological models over Tasmania, Australia, Hydrogeology Journal, 28(5), 1809-1825.