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Aspectos de Interacción Atmosfera-Suelo-Vegetación Arturo Quintanar Centro de Ciencias de la Atmosfera UNAM.

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Presentación del tema: "Aspectos de Interacción Atmosfera-Suelo-Vegetación Arturo Quintanar Centro de Ciencias de la Atmosfera UNAM."— Transcripción de la presentación:

1 Aspectos de Interacción Atmosfera-Suelo-Vegetación Arturo Quintanar Centro de Ciencias de la Atmosfera UNAM

2 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

3 La interacción en la interface atmosfera-superficie es un problema abierto en hidrología, meteorología y oceanografía. Representa la parte mas débil en las formulaciones de 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 de los 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

4 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 la cubierta vegetal. De la precipitación que cae en tierra casi 60% del agua que regresa 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 las masas continentales para evaporar Humedad del suelo es una variable importante de tiempo y clima

5 DEFINICIONES BASICAS DE HUMEDAD DE SUELO Humedad de suelo Multiples escalas (0.150 m 3 de agua)/ (1.0 m 3 de suelo) * 100 = 15 % de humedad de suelo en porciento

6 SATURACION (POROSIDAD) CAPACIDAD DE CAMPO PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE Grano de suelo AguaAire Humedad de suelo saturado (porosidad) : Θ SAT Humedad de suelo a capacidad de campo : Θ CC Humedad de suelo a punto de marchitez permanente: Θ PMP Razón de saturación : Θ S =Θ/Θ SAT Índice de humedad de suelo: IHS=(ΘΘ PMP )/(Θ CC Θ PMP ) (Betts, 2004)

7 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 100 limo 100 a 175 arcilla 175 a 250

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9 Seneviratne et al 2010

10 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 del Las ecuaciones de balance de agua y energía la humedad del suelo (Θ ) juega un papel importante en la partición de energía en la superficie y en los mecanismos de retroalimentación con la atmosfera.

11 SUPERFICIE EvapotranspiraciónFlujo de calor sensible Turbulencia Mezclado o intrusión en el tope de la CLA Radiación Humedad del sueloTemperatura del suelo Temperatura Crecimiento del espesor de capa límite Viento Humedad relativa Cubierta nubosa Modificado de Ek and Holstag (2004) Aire seco arriba de la CLA Estabilidad atmosférica por arriba de la CLA CLA: Capa límite atmosférica

12 SUPERFICIE EvapotranspiraciónFlujo de calor sensible Turbulencia Mezclado o intrusión en el tope de la CLA Radiación Humedad del sueloTemperatura del suelo Temperatura Crecimiento del espesor de capa límite Viento Humedad relativa Cubierta nubosa Modificado de Ek and Holstag (2004) Aire seco arriba de la CLA Estabilidad atmosférica por arriba de la CLA CLA: Capa límite atmosférica Retroalimentacion negativa

13 SUPERFICIE EvapotranspiraciónFlujo de calor sensible Turbulencia Mezclado o intrusión en el tope de la CLA Radiación Humedad del sueloTemperatura del suelo Temperatura Crecimiento del espesor de capa límite Viento Humedad relativa Cubierta nubosa Modificado de Ek and Holstag (2004) Aire seco arriba de la CLA Estabilidad atmosférica por arriba de la CLA CLA: Capa límite atmosférica Retroalimentación positiva

14 Tomado de V.Brovkin 2002

15 S in S out H EtEt

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

17 Importancia de aspecto/pendiente Cortesía : Dr. Chris Watts – Universidad de Sonora –Departamento de Física

18 Tomado de Pielke (2004)

19 DEPENDENCIA DE LA EVAPORACION CON LA HUMEDAD DEL SUELO REGIMENES CLIMATICOS Fracción de evaporación : FE = λE/R N FE FE max Θ 0 Θ PMP Θ CRIT SECO TRANSICIONHUMEDO LIMITADO POR ΘLIMITADO POR Rn

20 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) Resistencia aerodinamica

21 2a Generacion de modelos incluyen resistencia de estomas Jarvis (1976), Sellers et al(1997), Dickinson et al (1984) r s =r smin f(PAR).f(T).f(δe).f(ψ) Radiación Temperatura Déficit de presión atmosférico Potencial Hídrico de hoja

22 Las resistencia estomatal de una hoja se extrapola al dosel mediante el indice de area foliar (IAF) (i.e., la razon de la sombra proyectada por metro cuadrado) r c =r s /IAF g c =g s.IAF

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25 Una opción para definir el acoplamiento es definirla a través de los cambios en humedad relativa (HR) y en la humedad del suelo (HS). Ek and Holstlag (2004), Betts et al (1997), Jarvis et al (1985). Otra opción mas fundamental es la basada en la definición de los flujos turbulentos (bulk) Chen y Zhang (2009)

26 Zilitinkevich (1995) Monin-Obukhov Similarity Theory

27 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 1 x 1 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)

28 Chen & Dudhia (2000)

29 Humedad del suelo en % por volumen Conductividad TERMODINAMICA DEL SUELO Discretizacion en la vertical HIDROLOGIA DEL SUELO Conductividad del suelo Difusividad del suelo

30 Un ejemplo del potencial de la humedad del suelo para cambiar el clima regional Sensibilidad a la especificación de humedad del suelo para.

31 Locations of climate surface stations within the region of soil moisture change. 1)Ludhiana (30.93 N, E), 2) Bikaner (28.0 N, 73.3 E), 3) Neemuch (24.47 N, 74.9 E), 4) Jhansi (25.45 N, E) THIRD EXAMPLE EXPERIMENTAL DESIGN With Dr. Sen Roy University of Miami SINGLE DOMAIN ΔX=30km Soil moisture changed over green region March 5 and March 23 experiments

32 CTRL-DRY15CTRL-WET15 ab Differences in 24 h accumulated precipitation (a,b) March 5 and (c,d) March 23 (c,d) cd

33 CTRL-DRY15CTRL-WET15 CTRL-DRY15 CTRL-WET15 Vertical cross seccions of Eq. Potential Temperature (K) March 5 March 22

34 SENSIBLE HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON) CTRL-DE05CTRL-DE10CTRL-DE15 CTRL-WE05 CTRL-WE10 CTRL-WE15

35 LATENT HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON) CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15 CTRL-WE05 CTRL-WE10 CTRL-WE15

36 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.

37 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.

38 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.

39 Cortesia: Chris Watts Universidad de Sonora Departamento de Fisica


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