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

Impacts ¡of ¡Root ¡Hydraulic ¡Redistribu5on ¡

• n ¡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 ¡

• Process-­‑spli_ng ¡method ¡

Tightly ¡coupled ¡model ¡

• Form ¡and ¡solve ¡

coupled ¡system ¡

6 ¡

∂θ ∂t = ∂ ∂z Ksh ∂ψsm ∂z −1 # $ % & ' ( ) * + ,

• .− Krh,rad ψsm −ψrp

( )

0 = ∂ ∂z Krh,ax ∂ψrp ∂z −1 # $ % & ' ( ) * + ,

• .+ Krh,rad ψsm −ψrp

( )

Step ¡1: ¡solve ¡Richards’ ¡equa5on ¡ Step ¡2: ¡solve ¡root ¡model ¡

1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ET (mm day−1) from CLM4.5RHD−SM with ∆t=1 min ET (mm day−1) (a) 1 2 3 4 5 6 7 1 2 3 4 5 6 7 ET (mm day−1) from CLM4.5RHD−TM with ∆t=30 min ET (mm day−1) (b) CLM4.5RHD−SM ∆t=10 min vs. CLM4.5RHD−SM ∆t=1 min CLM4.5RHD−SM ∆t=30 min vs. CLM4.5RHD−SM ∆t=1 min CLM4.5RHD−TM ∆t=1 min vs. CLM4.5RHD−TM ∆t=30 min CLM4.5RHD−TM ∆t=10 min vs. CLM4.5RHD−TM ∆t=30 min CLM4.5RHD−SM ∆t=1 min vs. CLM4.5RHD−TM ∆t=30 min

Sequen5al ¡Model ¡(SM) ¡Has ¡Large ¡ Sensi5vity ¡to ¡Time ¡Step ¡

7 ¡

SM ¡model ¡bias ¡

−1.5 −1 −0.5 0.5 1 1.5

Sequen5al ¡Coupling ¡vs. ¡Tight ¡Coupling: ¡ Non-­‑Physical ¡Changes ¡in ¡Global ¡ET ¡

8 ¡

Coupling ¡biases ¡are ¡as ¡high ¡as ¡3.5 ¡mm ¡day-­‑1 ¡

(b) JJA

(mm ¡d-­‑1) ¡

Blodgee ¡Forest ¡Site ¡

hep://journalism.berkeley.edu/ ¡ hep://fluxnet.ornl.gov/ ¡

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡

10 ¡

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

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 CLM4.5

• Month

Fluxnet MTE ET ( mm/day ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡

11 ¡

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 CLM4.5

• Month

ET ( mm/day ) Fluxnet MTE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡

12 ¡

0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 CLM4.5

• Month

ET ( mm/day ) Fluxnet MTE 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Sierra ¡(Blodgee) ¡LH ¡Evalua5on ¡

13 ¡

20 40 60

• Prec. (mm day−1)

Ordinal day Depth (m) 50 100 150 200 250 300 350 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 −20 −15 −10 −5 5 10 15 20 %

Hydraulic ¡redistribu5on ¡affects ¡ seasonal ¡soil ¡moisture ¡(Blodgee) ¡

14 ¡

Weeer ¡ Drier ¡

CLM4.5HD ¡– ¡CLM4.5 ¡

5 10 15 20 25 30 35 Blodgett Soil Moisture @ 10cm CLM4.5

• Obs

Month Soil Moisture (%) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

Tapajos ¡site ¡

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

2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 CLM4.5

• 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month ET (mm/day)

Tapajos ¡Site ¡LH ¡Evalua5on ¡

Impacts ¡on ¡Soil ¡Moisture ¡

20 25 30 35 40 45 Tapajos KM83 Soil Moisture @ 10cm CLM4.5

• Month

Soil Moisture (%)

• 1

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

10 20

• Prec. (mm day−1)

Ordinal day Depth (m) 50 100 150 200 250 300 350 −2.5 −2 −1.5 −1 −0.5 −4 −3 −2 −1 1 2 3 4 %

Hydraulic ¡Redistribu5on ¡Affects ¡ Seasonal ¡Soil ¡Moisture ¡(Tapajos) ¡

CLM4.5HD ¡– ¡CLM4.5 ¡

Weeer ¡ Drier ¡

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 ¡

20oS 10oS 0o 10oN 20oN (b) JJA ∆ET (mm day−1) −0.1 −0.05 0.05 0.1 0.15 180oW 120oW 60oW 0o 60oE 120oE 180oW

Impacts ¡of ¡RHD ¡in ¡CLM4.5 ¡Compared ¡to ¡ FLUXNET-­‑MTE ¡LH ¡Flux ¡

60oS 30oS 0o 30oN 60oN (b1) 18oS 12oS 6oS 0o 6oN 12oN (b2) 60oS 30oS 0o 30oN 60oN (a1) 18oS 12oS 6oS 0o 6oN 12oN (a2) 180oW 120oW 60oW 0o 60oE 120oE 180oW 60oS 30oS 0o 30oN 60oN (c1) 84oW 72oW 60oW 48oW 36oW 18oS 12oS 6oS 0o 6oN 12oN (c2) −0.8 −0.6 −0.4 −0.2 0.2 0.4 0.6 0.8

CLM4.5 ¡NCEP ¡Forcing ¡ CLM4.5 ¡NCEPForcing+RHD ¡ CLM4.5 ¡CRUNCEP ¡Forcing+RHD ¡

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 ¡

25 ¡

compared ¡to ¡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? ¡

• 4. Lee ¡et ¡al ¡also ¡argue ¡

that ¡greater ¡storage ¡

• f ¡soil ¡water ¡at ¡depth ¡