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

NOAH:NCEP,OSU,Air Force, Hydrologic Research 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 MOTIVACION 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

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

DEFINICIONES BASICAS DE HUMEDAD DE SUELO Multiples escalas (0.150 m3 de agua)/ (1.0 m3 de suelo) * 100 = 15 % de humedad de suelo en porciento

Humedad de suelo saturado (porosidad) : ΘSAT SATURACION (POROSIDAD) PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE CAPACIDAD DE CAMPO 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 100 limo 100 a 175 arcilla 175 a 250

Seneviratne et al 2010

Balance de agua y energía en una capa de suelo Razón de cambio de humedad de suelo ( mm s-1) 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.

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

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

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

Tomado de V.Brovkin 2002

Sin Sout H Et

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)

Fracción de evaporación : FE = λE/RN DEPENDENCIA DE LA EVAPORACION CON LA HUMEDAD DEL SUELO REGIMENES CLIMATICOS Fracción de evaporación : FE = λE/RN FE max FE Θ 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 Resistencia aerodinamica NO INCLUYEN LA LIMITACION DE LAS PLANTAS A LA EVAPOTRANSPIRACION (RESISTENCIA ESTOMATAL)

rs=rsmin f(PAR).f(T).f(δe).f(ψ) 2a Generacion de modelos incluyen resistencia de estomas Jarvis (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 dosel mediante el indice de area foliar (IAF) (i.e., la razon de la sombra proyectada 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 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)

Monin-Obukhov Similarity Theory Zilitinkevich (1995)

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)

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

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

Soil moisture changed over green region SINGLE DOMAIN ΔX=30km Soil moisture changed over green region March 5 and March 23 experiments THIRD EXAMPLE EXPERIMENTAL DESIGN With Dr. Sen Roy University of Miami 1 2 4 3 1. Locations of climate surface stations within the region of soil moisture change. 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)

CTRL-DRY15 CTRL-WET15 a b c d Differences in 24 h accumulated precipitation (a,b) March 5 and (c,d) March 23 (c,d)

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

SENSIBLE HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON) CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15 CTRL-WE05 CTRL-WE10 CTRL-WE15 C4 shf

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