Understanding soil moisture in the Northern Areas: Toward an integrated representation of the Arctic Hydrological Cycle

Klimaforskning viser at vi også her i Norge løper større risiko for langvarige perioder med ekstremvær i fremtiden, i form av både nedbør og tørke. PhD-studenten har i sitt doktorgradsarbeid sett på hvordan man best kan bruke data-assimilering til å kombinere satellittobservasjoner av jordfuktighet med modellering av jordfuktighet, og slik potensielt oppnå bedre værvarsling, samt bedre prognoser for flom og tørke. Ved å kombinere informasjon om jordfuktighet fra satellitter og modeller, kan vi redusere usikkerheten som er knyttet til de to datasettene. Dette gjøres ved å kombinere det vi vet om usikkerheten knyttet til observasjoner og modeller i et rammeverk som kalles data-assimilering. Dette kan for eksempel gi oss forbedret informasjon om jordfuktighet i de dypere lagene av bakken. Jordfuktighet er en betegnelse for mengden vann i den umettede delen av bakken, det vil si fra overflaten og ca. 2 meter ned. Selv om jordfuktigheten kun utgjør en liten brøkdel av vannets kretsløp spiller den en fundamental rolle, både i form av andel vann tilgjengelig for planter, og for værvarsling, klima, flom og tørke. Av den grunn er jordfuktighet viktig å overvåke, og denne overvåkningen kan gjøres fra bakkestasjoner, satellitter eller modeller. PhD-studenten har bl.a. benyttet seg av satellittobservasjoner fra Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) satellitten til den Europeiske romfartsorganisasjonen ESA for å overvåke tørken sommeren 2018. Resultatene fra denne avhandlingen åpner for muligheter til å bruke satellittdata direkte til å kartlegge tørke over nordlige breddegrader, men også gjennom data-assimilering av jordfuktighet.

The PhD-student is successfully trained in EO and land DA, resulting in 2 peer-reviewed journal articles, 1 manuscript in preparation and a PhD-thesis, which has been accepted for defense. The 3 articles investigate the error characteristics of SMOS soil moisture observations and land surface models. By applying DA soil moisture information on regional scale has been improved. We have used satellite observations of surface soil moisture and land surface models to map and monitor the 2018 drought in Scandinavia. This study demonstrates the benefits of land surface mapping over northern latitudes. The links between Norwegian research institutions and the international community were strengthen through a three months visit to Princeton University, USA and a shorter visit to KU Leuven, Belgium. This project has provided the foundation for an application to the NRC Mobility Grant, demonstrating transfer of information and knowledge from this project to future projects on coupled DA.

This project funds a PhD studentship to use SMOS and other satellite soil moisture observations to build a novel multi-year data resource that will provide information for land surface mapping of Northern Areas. It will augment SMOS soil moisture data with satellite soil moisture datasets compiled under the Soil Moisture ESA Climate Change Initiative (ESA-CCI): e.g., ASCAT, AMSR-E. The project will use data assimilation (DA) to improve spatio-temporal information provided by satellite soil moisture datasets and provide a soil moisture analysis for Northern Areas in line with user needs for land surface mapping (spatial resolution, c. 5 km; temporal resolution, c. 3 hours). This analysis will incorporate SMOS/ASCAT soil moisture data from Jan 2010 to the present; AMSR-E soil moisture data from Jan 2010 to Oct 2011; and other available data. The DA system will form the basis for an integrated coupled atmosphere-land-ocean DA system to study the Arctic Hydrological Cycle. The student will use cutting-edge DA ideas/techniques. He/she will strongly benefit from being in an experienced, dynamic, well-resourced and well-managed research group at NILU, with access to a state-of-the-art land DA set-up, and strong national/international links to key actors in the hydrological cycle. The project is relevant to the proposal call - it involves: PhD training; validation, SMOS soil moisture observations; use of satellite soil moisture observations for land surface mapping, with potential for climate monitoring, monitoring of environmental threats; networking among Norwegian institutions (NERSC/NILU/UiB), including the NORDFORSK CoE in DA; strong links with international institutions and projects (Soil Moisture/Ocean Colour ESA CCIs). The project is strongly aligned with NFR strategy document "Visjon for 2015-Rom for forskning", notably: (i) research from space; (ii) development of novel algorithms; (iii) key issues for Norway; and (iv) government departments in Norway.