Aspectos de Interacción Atmosfera-Suelo-Vegetación

Arturo QuintanarCentro de Ciencias de la Atmosfera

UNAM

• Motivación

• Elementos de la interacción atmósfera-suelo

• Modelos de atmósfera y superfice acoplados:

MM5: Mesoscale Model v.5

NOAH:NCEP,OSU,Air Force, Hydrologic Research(Chen & Dudhia 2000).

• Sensibilidad a la humedad del suelo un experimento

• Conclusiones

La interacción en la interface atmosfera-superficie es un problema abierto en hidrología, meteorología

y oceanografía.

Representa la parte mas débil en las formulacionesde acoplamiento entre modelos numéricos de

atmosfera y de superficie

La validez de los pronósticos numéricos a corto y a largo plazo depende de una estimación correcta delos flujos de energía, masa y momento en la interface

El grado de acoplamiento atmósfera-suelo-vegetación determina la tasa de intercambio de masa y energía entre los

diferentes componentes

MOTIVACION

Humedad del suelo: Cantidad de agua almacenada en la zona no saturada del suelo

Es fuente de agua para la atmosfera a través de la evaporación directa del suelo y de la evapotranspiración de lacubierta vegetal.

De la precipitación que cae en tierra casi 60% del agua queregresa a la atmosfera es por evapotranspiración.

Energía para evaporar 1 gr de agua = 600 x para elevar 1 K, 1 gr

Se usa mas de la mitad de la energía solar absorbida en lasmasas continentales para evaporar

Humedad del suelo es una variable importante de tiempo y clima

DEFINICIONES BASICAS DE HUMEDAD DE SUELO

Humedad de suelo

Multiples escalas

(0.150 m3 de agua)/ (1.0 m3 de suelo) * 100 = 15 % de humedad de suelo en porciento

SATURACION(POROSIDAD) CAPACIDAD DE CAMPO PUNTO DE MARCHITEZ

PERMANENTE

Grano de suelo Agua Aire

Humedad de suelo saturado (porosidad) : ΘSAT

Humedad de suelo a capacidad de campo : ΘCC

Humedad de suelo a punto de marchitez permanente: ΘPMP Razón de saturación : ΘS=Θ/ΘSAT

Índice de humedad de suelo: IHS=(Θ−ΘPMP)/(ΘCC−ΘPMP) (Betts, 2004)

humedad total utilizable por las plantas =

humedad de suelo a capacidad de campo - humedad de suelo a punto de marchitez

Suelo Humedad de suelo disponible en mm por de espesor de suelo (mm/m)

arena 25 a 100limo 100 a 175arcilla 175 a 250

Seneviratne et al 2010

Razón de cambio de humedad de suelo ( mm s-1)

Balance de agua y energía en una capa de suelo

Razón de cambio de energía (W m-2)

Humedad del suelo y evapotranspiración están acoplados a través delLas ecuaciones de balance de agua y energía la humedad del suelo(Θ ) juega un papel importante en la partición de energía en la superficiey en los mecanismos de retroalimentación con la atmosfera.

SUPERFICIE

Evapotranspiración Flujo de calor sensible

Turbulencia

Mezclado o intrusiónen el tope de la CLA

Radiación

Humedad del suelo Temperatura del suelo

Temperatura

Crecimiento del espesor de capa límite

VientoHumedad relativa

Cubierta nubosa

Modificado de Ek and Holstag (2004)

Aire seco arribade la CLA

Estabilidad atmosféricapor arriba de la CLA

CLA: Capa límite atmosférica

SUPERFICIE

Evapotranspiración Flujo de calor sensible

Turbulencia

Mezclado o intrusiónen el tope de la CLA

Radiación

Humedad del suelo Temperatura del suelo

Temperatura

Crecimiento del espesor de capa límite

VientoHumedad relativa

Cubierta nubosa

Modificado de Ek and Holstag (2004)

Aire seco arribade la CLA

Estabilidad atmosféricapor arriba de la CLA

CLA: Capa límite atmosférica

Retroalimentacionnegativa

SUPERFICIE

Evapotranspiración Flujo de calor sensible

Turbulencia

Mezclado o intrusiónen el tope de la CLA

Radiación

Humedad del suelo Temperatura del suelo

Temperatura

Crecimiento del espesor de capa límite

VientoHumedad relativa

Cubierta nubosa

Modificado de Ek and Holstag (2004)

Aire seco arribade la CLA

Estabilidad atmosféricapor arriba de la CLA

CLA: Capa límite atmosférica

Retroalimentaciónpositiva

Tomado de V.Brovkin 2002

Sin

SoutHEt

Cortesía : Dr. Chris Watts – Universidad de Sonora –Departamento de Física

Importancia de aspecto/pendiente

Cortesía : Dr. Chris Watts – Universidad de Sonora –Departamento de Física

Tomado de Pielke (2004)

DEPENDENCIA DE LA EVAPORACION CON LA HUMEDAD DEL SUELOREGIMENES CLIMATICOS

Fracción de evaporación : FE = λE/RN

FE

FE max

Θ0

ΘPMP ΘCRIT

SECO TRANSICION HUMEDO

LIMITADO POR Θ LIMITADO POR Rn

MODELO DE CUBETA ( BUCKET MODEL, Budyko 1956 and Manabe 1969)Usado por primera vez en modelos de clima globales

NO INCLUYEN LA LIMITACION DE LAS PLANTAS A LA EVAPOTRANSPIRACION(RESISTENCIA ESTOMATAL)

Resistenciaaerodinamica

2a Generacion de modelos incluyen resistencia de estomasJarvis (1976), Sellers et al(1997), Dickinson et al (1984)

rs=rsmin f(PAR).f(T).f(δe).f(ψ)

Radiación

Temperatura

Déficit de presión atmosférico

Potencial Hídrico de hoja

Las resistencia estomatal de una hoja se extrapola al doselmediante el indice de area foliar (IAF) (i.e., la razon de la sombraproyectada por metro cuadrado)

rc=rs/IAF

gc=gs.IAF

Una opción para definir el acoplamiento es definirla a través de los cambios en humedad relativa (HR) y enla humedad del suelo (HS).

Ek and Holstlag (2004), Betts et al (1997), Jarvis et al (1985).

Otra opción mas fundamental es la basada enla definición de los flujos turbulentos (bulk)Chen y Zhang (2009)

Zilitinkevich (1995)

Monin-Obukhov Similarity Theory

Modelos• Modelo regional atmosferico v.5 (MM5) acoplado a NOAH

Land Surface Model (NCEP,OSU,Air Force,Hydrologic Research Laboratory)

• (4 subcapas: 10, 30, 60 and 100 cm y zona de raiz hasta 100 cm)

• Parametrizacion de cumulus y capa planetaria turbulenta: Kain-Fritsch y MRF respectivamente.

• Todos los experimentos son inicializados con NCEP FNL reanalisis a 1⁰ x 1⁰ cada 6 hours and con valores iniciales de humedad del suelo en las mismas subcapas del Noah.

• Los experimentos de sensibilidad se hacen cambiando el porciento volumétrico de humedad del suelo en todo el dominio computacional ( ±0.05, ±0.1, ±0.15) a partir de los valores en el experimento control (CTRL)

Chen & Dudhia (2000)

Humedaddel suelo en% por volumen

Conductividad

TERMODINAMICA DEL SUELO

Discretizacion en la vertical

HIDROLOGIA DEL SUELO

Conductividaddel sueloDifusividad del

suelo

Un ejemplo delpotencial de la humedaddel suelo para cambiar

el clima regional

• Sensibilidad a la especificación de humedad del suelo para .

1

2

34

1. Locations of climate surface stations within the region of soil moisture change. 1) Ludhiana (30.93 N, 75.87 E), 2) Bikaner (28.0 N, 73.3 E),3) Neemuch (24.47 N, 74.9 E), 4) Jhansi (25.45 N, 78.58 E)

THIRD EXAMPLE EXPERIMENTAL DESIGNWith Dr. Sen Roy University of Miami

SINGLE DOMAIN ΔX=30km

Soil moisture changed over greenregion

March 5 and March 23 experiments

CTRL-DRY15 CTRL-WET15

a b

Differences in 24 h accumulated precipitation (a,b) March 5 and (c,d) March 23 (c,d)

c d

CTRL-DRY15 CTRL-WET15

CTRL-DRY15CTRL-WET15

Vertical cross seccions of Eq. Potential Temperature (K)

March 5 March 5

March 22March 22

SENSIBLE HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)

CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15

CTRL-WE05 CTRL-WE10 CTRL-WE15

LATENT HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)

CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15

CTRL-WE05 CTRL-WE10 CTRL-WE15

Experimento en India. Resultados relevantes

• Sensibilidad en precipitación a las anomalías en humedad del suelo son advectadas viento abajo.

• Las anomalías en humedad del suelo generan circulaciones locales.

Algunas conclusiones y trabajo a futuro• Los cambios en humedad del suelo pueden llevar a

modificaciones importantes del viento y el regimen termodinamico de la capa limite planetaria

• Continua como un problema abierto la magnitud del acoplamiento entre la atmosfera y la superficie aunque es evidente que el estado del suelo ejerce un gran control en el desarrollo del PBL.

• Es necesario incluir en los pronosticos de ensemble regional la incertidumbre en las condiciones del suelo. Parametros como albedo, razon de rugosidades (Zilitinkevich) tendrian que ser incorporados.

Trabajo Futuro

• Uso de WRF acoplado a ROMS y a LIS via los acopladores del Earth System Modeling Framework (ESMF)

• La version 3.2 de WRF esta disenada con ESMF• ROMS esta listo para ser acoplado via ESMF• NASA Land Information System (LIS) es una

serie de modelos de suelo que incluyen Noah, VIC y otros modelos de irrigacion.

Cortesia: Chris Watts Universidad de Sonora Departamento de Fisica