Mejorando la resolución espacial de los cambios de masa global observados por GRACE(-FO) utilizando aprendizaje profundo desde el agua terrestre hasta el océano

Las soluciones del campo gravitacional del Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE) y su continuación (GRACE-FO) proporcionan una forma esencial de monitorear los cambios de masa en el sistema climático, que comprende anomalías en el almacenamiento de agua terrestre (TWS) y fluctuaciones en la presión del fondo oceánico (OBP). Sin embargo, la gruesa resolución espacial de los campos de GRACE difumina detalles espaciales importantes, como los gradientes de OBP o los flujos de masa en cuencas individuales. Por el contrario, los modelos hidrológicos u oceánicos clásicos proporcionan información de cambios de masa a pequeña escala, pero de dudosa precisión, especialmente para tendencias. Para combinar las fortalezas de ambas fuentes de datos, desarrollamos un algoritmo de asimilación de datos auto-supervisado basado en conceptos de aprendizaje profundo y lo aplicamos con éxito a anomalías globales de TWS y OBP. El diseño específico de la función de pérdida permite que el modelo se optimice sin requerir una verdad de terreno de alta resolución. En su lugar, los parámetros del modelo se optimizan ponderando las entradas mensuales de GRACE(-FO) y del modelo numérico de acuerdo con sus respectivas ventajas (es decir, escalas espaciales donde su fidelidad es mayor). Obtenemos mapas de anomalías de TWS y OBP reducidos a escala con espaciados de cuadrícula de 0.5 y 0.25, respectivamente, preservando un razonable acuerdo a gran escala con los campos mensuales de GRACE(-FO). Validamos nuestros productos reducidos a escala en varias escalas de tiempo contra niveles de agua medidos por altimetría satelital, datos de mareógrafos y mediciones in situ de presión del fondo. Los productos reducidos a escala facilitan análisis más allá de la resolución nominal de GRACE(-FO), incluyendo el cierre de la ecuación de balance hídrico en cuencas pequeñas o el monitoreo de cambios de masa en el océano costero. Sobre el agua terrestre, nuestro producto reducido a escala proporciona una mejora promedio de 0.79 en términos de eficiencia de Nash-Sutcliffe (en relación a los componentes del presupuesto hídrico de ERA5-Land) para las cuencas más pequeñas que la resolución efectiva de las misiones GRACE(-FO). En el océano, nuestro producto reducido a escala concuerda mejor con las mediciones costeras de mareógrafos en más del 78% de las estaciones estudiadas. Anticipamos que nuestro enfoque sea generalmente aplicable a otros productos de nivel 3 de GRACE(-FO) y otros datos de observación de la Tierra en grillas.