Impacts of Root Hydraulic Redistribu5on on Site, Regional, - PowerPoint PPT Presentation

Impacts ¡of ¡Root ¡Hydraulic ¡Redistribu5on ¡ on ¡Site, ¡Regional, ¡and ¡Global ¡ Evapotranspira5on ¡and ¡Soil ¡Moisture ¡ W.J. ¡Riley ¡ ¡ Jinyun ¡Tang, ¡Jie ¡Niu ¡ ¡ Earth ¡Sciences ¡Division ¡ Lawrence ¡Berkeley ¡Na5onal ¡Laboratory ¡

Root ¡Hydraulic ¡Redistribu5on ¡ • Basic ¡concept ¡ • Lee ¡et ¡al. ¡(2005), ¡Wang ¡(2011) ¡ – RHD ¡increases ¡ET ¡and ¡photosynthesis ¡during ¡dry ¡ season ¡(but ¡of ¡intermediate ¡soil ¡wetness ¡as ¡in ¡Wang?) ¡ – Enhances ¡ground ¡water ¡deple5on/recharge. ¡ ¡ – Modifies ¡seasonal ¡climate ¡ • Amenu-­‑Kumar ¡(2008) ¡ -­‑ ¡Deep ¡roots ¡RHD ¡enhances ¡the ¡connec5on ¡ between ¡surface ¡and ¡ground ¡water ¡ Amenu ¡and ¡Kumar ¡(2008) ¡ ¡

Background ¡ • Lee ¡et ¡al. ¡(2005), ¡Wang ¡(2011) ¡ – Root ¡Hydraulic ¡Redistribu5on ¡(RHD) ¡increases ¡ET ¡ and ¡photosynthesis ¡during ¡dry ¡season ¡ ¡ – Enhances ¡ground ¡water ¡deple5on ¡and ¡recharge ¡ – Modifies ¡regional ¡climate ¡ • Amenu ¡and ¡Kumar ¡(2008) ¡ – Deep ¡root ¡hydraulic ¡redistribu5on ¡enhances ¡the ¡ connec5on ¡between ¡surface ¡and ¡ground ¡water ¡

Objec5ves ¡ • Evaluate ¡impacts ¡of ¡RHD ¡on ¡hydrological ¡ states ¡and ¡fluxes ¡ – Implement ¡RHD ¡in ¡CLM4.5 ¡using ¡the ¡Amenu-­‑ Kumar ¡model ¡ – Test ¡impacts ¡of ¡numerical ¡implementa5on ¡ – Test ¡impacts ¡of ¡roo5ng ¡distribu5on, ¡depth, ¡and ¡ proper5es ¡ – Test ¡impacts ¡of ¡pedotransfer ¡func5on, ¡including ¡ for ¡oxisols ¡ 8/13/14 ¡ 4 ¡

The ¡Amenu-­‑Kumar ¡(2008) ¡Model ¡of ¡RHD ¡ 5 ¡

Sequen5al ¡Coupling ¡vs. ¡Tight ¡Coupling ¡ Sequen&al ¡model ¡ Tightly ¡coupled ¡model ¡ • Process-­‑spli_ng ¡method ¡ • Form ¡and ¡solve ¡ coupled ¡system ¡ Step ¡1: ¡solve ¡Richards’ ¡equa5on ¡ ) , # & ∂ θ ∂ t = ∂ ∂ ψ sm ( ) ∂ z K sh ∂ z − 1 .− K rh , rad ψ sm − ψ rp % ( + $ ' * - Step ¡2: ¡solve ¡root ¡model ¡ ) , # & ∂ ψ rp 0 = ∂ ( ) ∂ z K rh , ax ∂ z − 1 . + K rh , rad ψ sm − ψ rp + % ( $ ' * - 6 ¡

Sequen5al ¡Model ¡(SM) ¡Has ¡Large ¡ Sensi5vity ¡to ¡Time ¡Step ¡ 7 7 CLM4.5RHD − SM ∆ t=10 min vs. CLM4.5RHD − SM ∆ t=1 min CLM4.5RHD − TM ∆ t=1 min vs. CLM4.5RHD − TM ∆ t=30 min CLM4.5RHD − SM ∆ t=30 min vs. CLM4.5RHD − SM ∆ t=1 min CLM4.5RHD − TM ∆ t=10 min vs. CLM4.5RHD − TM ∆ t=30 min 6 6 CLM4.5RHD − SM ∆ t=1 min vs. CLM4.5RHD − TM ∆ t=30 min 5 5 ET (mm day − 1 ) ET (mm day − 1 ) 4 4 3 3 2 2 1 1 SM ¡model ¡bias ¡ (a) (b) 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 ET (mm day − 1 ) from CLM4.5RHD − SM with ∆ t=1 min ET (mm day − 1 ) from CLM4.5RHD − TM with ∆ t=30 min 7 ¡

Sequen5al ¡Coupling ¡vs. ¡Tight ¡Coupling: ¡ Non-­‑Physical ¡Changes ¡in ¡Global ¡ET ¡ (mm ¡d -­‑1 ) ¡ − 1.5 − 1 − 0.5 0 0.5 1 1.5 (b) JJA Coupling ¡biases ¡are ¡as ¡high ¡as ¡3.5 ¡mm ¡day -­‑1 ¡ 8 ¡

Blodgee ¡Forest ¡Site ¡ hep://journalism.berkeley.edu/ ¡ hep://fluxnet.ornl.gov/ ¡

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡ 3.5 CLM4.5 Fluxnet MTE 3 2.5 ET ( mm/day ) 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month 10 ¡

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡ 3.5 CLM4.5 ������������� 3 Fluxnet MTE 2.5 ET ( mm/day ) 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month 11 ¡

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡ 3.5 CLM4.5 ������������� 3 ������������� Fluxnet MTE ET ( mm/day ) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month 12 ¡

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡ 3.5 CLM4.5 ������������� 3 ������������� Fluxnet MTE ET ( mm/day ) 2.5 2 1.5 1 0.5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month 13 ¡

Hydraulic ¡redistribu5on ¡affects ¡ seasonal ¡soil ¡moisture ¡(Blodgee) ¡ CLM4.5HD ¡– ¡CLM4.5 ¡ Prec. (mm day − 1 ) 60 40 20 % 0 20 Weeer ¡ 15 − 0.5 10 − 1 5 Depth (m) 0 − 1.5 − 5 − 2 − 10 Drier ¡ − 2.5 − 15 − 20 14 ¡ 0 50 100 150 200 250 300 350 Ordinal day

Blodgett Soil Moisture @ 10cm CLM4.5 ������������� 35 ������������� Obs 30 Soil Moisture (%) 25 20 15 10 5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month

Tapajos ¡site ¡ From: ¡hep://hydrodictyon.eeb.uconn.edu/ ¡ ¡ From: ¡hep://daac.ornl.gov/LBA ¡

Tapajos ¡Site ¡LH ¡Evalua5on ¡ 4.2 4 3.8 ET (mm/day) 3.6 3.4 3.2 3 2.8 CLM4.5 2.6 ������������� ������������� 2.4 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month

Impacts ¡on ¡Soil ¡Moisture ¡ Tapajos KM83 Soil Moisture @ 10cm 45 Soil Moisture (%) 40 35 30 25 CLM4.5 ������������� �������������������� 20 ������������� ��� 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month

Hydraulic ¡Redistribu5on ¡Affects ¡ Seasonal ¡Soil ¡Moisture ¡(Tapajos) ¡ CLM4.5HD ¡– ¡CLM4.5 ¡ Prec. (mm day − 1 ) 20 10 % 0 4 3 Weeer ¡ − 0.5 2 Drier ¡ − 1 1 Depth (m) 0 − 1.5 − 1 − 2 − 2 − 2.5 − 3 − 4 0 50 100 150 200 250 300 350 Ordinal day

CLM ¡Amazon ¡Hydrology ¡ ¡ • Pedotransfer ¡func5on ¡based ¡on ¡Cosby ¡et ¡al. ¡or ¡ Noihan ¡and ¡Lacarrere ¡(1995) ¡do ¡poorly ¡for ¡ Amazon ¡soils ¡(Delire ¡et ¡al. ¡1997) ¡ • CLM ¡underes5mates ¡clay ¡frac5on ¡in ¡Amazon ¡ • No ¡account ¡in ¡CLM ¡for ¡preferen5al ¡flow, ¡ which ¡can ¡be ¡important ¡ • Differences ¡in ¡climate ¡forcing ¡ 8/13/14 ¡ 20 ¡

Impacts ¡of ¡Oxisols ¡in ¡the ¡Tropics ¡ ∆ ET (mm day − 1 ) − 0.1 − 0.05 0 0.05 0.1 0.15 20 o N 10 o N 0 o 10 o S (b) JJA 20 o S 180 o W 120 o W 60 o W 0 o 60 o E 120 o E 180 o W

Impacts ¡of ¡RHD ¡in ¡CLM4.5 ¡Compared ¡to ¡ FLUXNET-­‑MTE ¡LH ¡Flux ¡ − 0.8 − 0.6 − 0.4 − 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 12 o N 60 o N 6 o N 30 o N 0 o 0 o 6 o S 30 o S 12 o S CLM4.5 ¡NCEP ¡Forcing ¡ 60 o S (a1) (a2) 18 o S 12 o N 60 o N 6 o N 30 o N 0 o 0 o 6 o S 30 o S 12 o S 60 o S CLM4.5 ¡NCEPForcing+RHD ¡ (b1) (b2) 18 o S 12 o N 60 o N 6 o N 30 o N 0 o 0 o 6 o S 30 o S 12 o S CLM4.5 ¡CRUNCEP ¡Forcing+RHD ¡ 60 o S (c1) (c2) 18 o S 180 o W 120 o W 60 o W 0 o 60 o E 120 o E 180 o W 84 o W 72 o W 60 o W 48 o W 36 o W

Summary ¡ • Blodgee ¡Forest ¡ – Correct ¡numerical ¡solu5on ¡gave ¡poorer ¡fit ¡to ¡LH ¡observa5ons ¡ – RHD ¡improved ¡fit ¡to ¡LH ¡but ¡gave ¡poorer ¡soil ¡moisture ¡ predic5on ¡ • Comparable ¡to ¡Amenu ¡and ¡Kumar ¡(2008) ¡results ¡ • Tapajos ¡and ¡Tropics ¡ – Deep ¡roots ¡improved ¡ET ¡seasonal ¡cycle ¡ – Oxisol ¡pedotransfer ¡func5on ¡resulted ¡in ¡~small ¡ET ¡change ¡ • Climate ¡forcing ¡has ¡large ¡impact ¡on ¡interpreta5on ¡of ¡ mechanisms ¡ • For ¡a ¡full ¡hydrological ¡evalua5on, ¡CLM ¡needs ¡ restructuring ¡to ¡account ¡for ¡flexible ¡formula5ons ¡of ¡ pedotransfer ¡func5on, ¡root ¡depth ¡profile, ¡soil ¡resistance, ¡ root ¡water ¡uptake, ¡etc. ¡ 23 ¡

Acknowledgements ¡ • This ¡work ¡was ¡supported ¡by ¡the ¡U.S. ¡DOE ¡ 8/13/14 ¡ 24 ¡

LH ¡Evalua5on ¡Against ¡FLUXNET-­‑MTE ¡ Jinyun: ¡ ¡ 1. what ¡component ¡of ¡ the ¡forcing ¡creates ¡ the ¡~10 ¡W/m2 ¡ difference ¡in ¡LH ¡ between ¡Qian ¡and ¡ CRU ¡forcing ¡around ¡0 ¡ degrees? ¡ 2. HD ¡has ¡higher ¡bias ¡ than ¡default. ¡Why? ¡ How ¡do ¡we ¡argue ¡ about ¡the ¡benefits ¡of ¡ including ¡HD ¡if ¡it ¡ makes ¡the ¡simula5on ¡ worse? ¡ 3. Lee ¡et ¡al ¡get ¡~40% ¡ increase ¡in ¡dry ¡season ¡ LH. ¡Is ¡that ¡about ¡the ¡ same ¡here? ¡ compared ¡to ¡FLUXNET-­‑MTE ¡ 4. Lee ¡et ¡al ¡also ¡argue ¡ 25 ¡ that ¡greater ¡storage ¡ of ¡soil ¡water ¡at ¡depth ¡