Download pdf - Mauro Sulis

Transcript

A  synthesis  of  modeling  and  observa4onal  data  for  an  integrated  assessment  of  the  catchment-­‐scale  

energy  and  water  cycle        Mauro  Sulis    

Meteorological  Ins4tute,  University  of  Bonn  

Workshop  on  Coupled  Hydrological  Modeling  Padova,  September  23-­‐24  2015  

 Collaborators  

Prabhakar  Shrestha  (MIUB)  Sandra  Steinke  (Uni-­‐Köln)  Susanne  Crewell  (Uni-­‐Köln)  Clemens  Simmer  (MIUB)  Stefan  Kollet  (IBG3)  

 Introduc4on  

The   hydrological   and   meteorological   community   have   recently  converged  toward  a  new  integrated  simula5on  paradigm.  

Holis5c  and  physically-­‐based  view  of  the  energy,  water,  and  ma=er  cycle  across  a  range  of  spa5al  and  temporal  scales.    

New  opportuni5es  and  grand  challenges:  

Integrated  diagnosis  of  the  catchment-­‐scale  energy  and  water  cycle  using  fully-­‐coupled  simula5ons  and  observa5ons.  

Mo#va#ons  of  the  work:  

•  Powerful  tools  to  test  scien5fic  hypothesis.  •  Integrated  assessment  of   the  water   cycle   for   long-­‐term  climate  

projec5ons  and  short-­‐  and  medium-­‐term  weather  forecasts.  •  Improved   monitoring   networks   (e.g.,   mul5ple   co-­‐located  

measurements)  that  cover  the  SVA  con5nuum.  

 Outline  

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 Study  area  

North-­‐Rhine  Westphalia  (NRW)  domain  

Land  use  classes:  

Topography:  

Al4tude  range:  15  –  700  m    

•  Cropland  (~34  %)  •  Evergreen  forest  (~14  %)    •  Deciduous  forest  (~17%)  •  Grassland  (~25  %)  

   

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 Observa4onal  dataset  –  descrip4on    

1HD(CP)2  Observa4onal  Prototype  Experiment  (HOPE);2TERrestrial  ENvironmental  Observatories  (TERENO)  3Jülich  ObservatorY  for  Cloud  Evolu4on  (JOYCE);4Transregional  Collabora4ve  Research  Centre  –  32  (TR32)  

Data  sources:   TERENO2,  JOYCE3,  Er`  Verband,  and  TR324    

Time  period:   April  –  May  2013   HOPE1  campaign  

Variables:  

States,  fluxes,  and  diagnos5cs  across   the  subsurface,   land  surface,  and  atmosphere  compartments  of  the  terrestrial  system.  

•  Radia4on  balance  composites  (radiometers)  

•  Energy  fluxes  (eddy  covariance  measurements)  •  Soil  moisture  (cosmic-­‐ray  probes)  

•  Precipita4on  (X-­‐band  composites)  

•  Boundary  layer  height  •  Water  table  depth  

•  Humidity  and  temperature  profiles  (mul4ple  meas.)  

 Observa4onal  dataset  –  temporal  distribu4on    

Average  data  coverage:  70%  

56%  

64%  70%  

67%  

67%  

66%  

67%  

86%  

76%  

76%  

Latent  heat  

Sensible  heat  

2m  humidty  

Incoming  longwave  

Emiged  longwave  

Incoming  shortwave  

Reflected  shortwave  

2m  temperature  

10m  u-­‐wind  

10m  v-­‐wind  

 Observa4onal  dataset  –  spa4al  distribu4on  

     

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 TerrSysMP  

COSMO  Convec4on  permihng  configura4on  (COSMO-­‐DE)  (Baldauf  et  al.  2011).  

CLM  Land  surface  scheme  (Oleson  et  al.  2008).  

ParFlow  Integrated   surface-­‐subsurface   flow   model   with   terrain  following  coordinates  (Kollet  and  Maxwell,  2006;  Maxwell,  2012).  

OASIS3  –  OASIS-­‐MCT  External   coupler   with   mul4ple   executable   approach  (Valcke  2013).  

Model  developments,  improvements,  and  applicaLons:  

Shrestha  et  al.,  2014  MWR;  Gasper  et  al.,  2014  GMD;  Sulis  et  al.,  2015  JHM;  Rahman  et  al.,  2015  AWR    

Shrestha  et  al.,  2014  MWR  

     

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 Model  setup  

SpaLal  resoluLon:  •  COSMO:  ΔX  =  ΔY  =  1000  m      •  ParFlow-­‐CLM:  ΔX  =  ΔY  =  500m    

Temporal  resoluLon:  •  COSMO:  Δt  =  10  sec      •  ParFlow-­‐CLM:  Δt  =  900  sec    

Coupling  frequencies:  •  COSMO-­‐CLM:  CPL1  =  900  sec      •  CLM-­‐ParFlow:  CPL2  =  900  sec    

Boundary  condiLons:  •  COSMO:  Hourly  reanalysis  COSMO-­‐DE  forcing      •  ParFlow:  No-­‐flux  condi4ons    

     

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 Results  –  Radia4on  balance  

*bias    =  (Xsim  —    Xobs)  /  Xobs  

Systema4c  overes4ma4on  of  the  net  shortwave  radia4on  by  TerrSysMP.      Beger  match  of  the  net  longwave,with  the  excep4on  of  Wuestbach.    

 Results  –  Radia4on  balance  

Analysis  of  the  shortwave  radia5on  composites:  

screening  for  “clear-­‐sky”  days    

Overes4ma4on  of  incoming  shortwave:  cloudiness  effect.        Underes4ma4on  of  reflected  shortwave:  albedo  parameterizaLon.        

 Results  –  Radia4on  balance  

Analysis  of  the  longwave  radia5on  composites:  

screening  for  “clear-­‐sky”  days    

Underes4ma4on  of  incoming  longwave:  liquid  water  path.        Good  agreement  in  the  emiged  longwave:  land  surface  temperature.        

 Results  –  Atmospheric  states    

Analysis  of  the  integrated  water  vapor  (IWV):  

Slight   underes4ma4on   of   the   simulated   IWV,   especially   with   respect   to  MWR,  and   late   in   the   a`ernoon.   TerrSysMP   response   is   consistent   with   COSMO-­‐DE  lateral  BCs.        

 Results  –  Energy  fluxes  

TerrSysMP  overesLmates  H,  larger  Bowen  ra4os  for  most  of  the  sta4ons.      

 Results  –  Land  surface  states  

Soil  moisture  dynamics  :  

Soil  porosity  

Underes5ma5on  of  precipita5on  

 Results  –  Land  surface  states  

Soil  moisture  dynamics  :  

     

•  Study  area  •  Observa4onal  dataset  •  TerrSysMP  •  Model  setup  

•  Results  

•  Conclusions  

 Conclusions  

•  Need  of  an  accurate  assessment  of  the  radia4on  balance.    •  Dras4c  influence  of  local  features  in  the  soil  moisture  

dynamics  and  par44oning  of  land  surface  energy  fluxes.  

•  Soil  moisture  dynamics  generally  well  reproduced.  

•  Es4mate  the  integrated  water  balance.  

•  Perform  ensemble  simula4ons  (e.g.,  COSMO-­‐DE-­‐EPS).    

•  Extend  the  simula4on  to  longer  4me  periods.  

Preliminary  results:  

Next  steps:  

•  Coherence  in  observa4ons  and  modeling  results.  

 Acknowledgments  

Alexander  Graf  and  Marius  Schmidt  (IBG3-­‐FZJ)  Roland  Baatz  and  Heye  Bogena  (IBG3-­‐FZJ)  Malte  Diederich  (MIUB)  Stefan  Simon  (Er`  Verband)  Jan  Schween  (Uni-­‐Köln)  Sidney  Marschollek  (MIUB)