Aspectos de Interacción
Atmosfera-Suelo-Vegetación
Arturo Quintanar
Centro 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
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
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)
Grano de suelo
CAPACIDAD DE CAMPO
Agua
PUNTO DE MARCHITEZ
PERMANENTE
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.
Radiación
Cubierta nubosa
Mezclado o intrusión
en el tope de la CLA
Aire seco arriba
de la CLA
Estabilidad atmosférica
por arriba de la CLA
Crecimiento del espesor
de capa límite
Viento
Humedad relativa
Temperatura
Turbulencia
Evapotranspiración
Flujo de calor sensible
SUPERFICIE
Humedad del suelo
CLA: Capa límite atmosférica
Temperatura del suelo
Modificado de Ek and Holstag (2004)
Radiación
Cubierta nubosa
Mezclado o intrusión
en el tope de la CLA
Aire seco arriba
de la CLA
Estabilidad atmosférica
por arriba de la CLA
Crecimiento del espesor
de capa límite
Viento
Humedad relativa
Temperatura
Turbulencia
Retroalimentacion
negativa
Evapotranspiración
Flujo de calor sensible
SUPERFICIE
Humedad del suelo
CLA: Capa límite atmosférica
Temperatura del suelo
Modificado de Ek and Holstag (2004)
Radiación
Mezclado o intrusión
en el tope de la CLA
Cubierta nubosa
Retroalimentación
positiva
Viento
Humedad relativa
Aire seco arriba
de la CLA
Estabilidad atmosférica
por arriba de la CLA
Crecimiento del espesor
de capa límite
Temperatura
Turbulencia
Evapotranspiración
Flujo de calor sensible
SUPERFICIE
Humedad del suelo
CLA: Capa límite atmosférica
Temperatura del suelo
Modificado de Ek and Holstag (2004)
Tomado de V.Brovkin 2002
Et
H
Sout
Sin
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 SUELO
REGIMENES CLIMATICOS
Fracción de evaporación : FE = λE/RN
FE max
FE
0
SECO
Θ
ΘCRIT
ΘPMP
TRANSICION
LIMITADO POR Θ
HUMEDO
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)
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
Conductividad
del suelo en
% por volumen
HIDROLOGIA DEL SUELO
Difusividad del
suelo
Conductividad
del suelo
Discretizacion en la vertical
Un ejemplo del
potencial de la humedad
del suelo para cambiar
el clima regional
• Sensibilidad a la especificación de humedad
del suelo para .
SINGLE DOMAIN
ΔX=30km
THIRD EXAMPLE EXPERIMENTAL DESIGN
With Dr. Sen Roy University of Miami
Soil moisture changed
over green
region
1
March 5 and March
23 experiments
2
3
4
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)
CTRL-DRY15
a
CTRL-WET15
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
March 5
CTRL-DRY15
March 22
CTRL-WET15
March 5
CTRL-WET15
March 22
SENSIBLE HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)
CTRL-DE05
CTRL-WE05
CTRL-DE10
CTRL-WE10
CTRL-DE15
CTRL-WE15
LATENT HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)
CTRL-DE05
CTRL-WE05
CTRL-DE10
CTRL-WE10
CTRL-DE15
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
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Modelacion de la interaccion atmosfera-suelo:Un - pincc