A regional-scale land surface parameterization based on areally-averaged hydrological conservation equations

Abstract

In order to account for subgrid-scale spatial variability (heterogeneity) of land surface characteristics in regional-scale hydrological-atmospheric models, a land surface parameterization of areally-averaged sensible heat and evapotranspiration fluxes which is based upon areally-averaged hydrological soil water flow and soil heat flow equations, was developed. This land surface parameterization is fully coupled in a two-way interaction with the atmospheric boundary layer and the regional atmospheric model's first layer. The Monin-Obukhov similarity theory which is utilized in modelling the atmospheric boundary layer, and the areallyaveraged hydrological conservation equations are strictly valid only over stationary-heterogeneous areas where the fluctuations of the hydrological and boundary layer state variable values, parameter values, and of boundary conditions have spatially invariant means, spatially invariant higher moments and spatially invariant probability distributions. Therefore, the coupled two-way interactive model was run first for the computation of land surface fluxes over stationary-heterogeneous land patches, each corresponding to a single soil texture-vegetation class. Then, utilizing a mosaic scheme, the land surface fluxes over a regional model grid cell were obtained by numerical probabilistic averaging. The application of the regional model with this land surface parameterization to California during April 1989 has produced promising results.

Résumé

Pour tenir compte de la variabilité des caractéristiques de surface d'un territoire à une échelle inférieure à celle du maillage du modèle régional couplant phénomènes hydrologiques et atmosphériques, nous avons développé une paramétrisation des moyennes surfaciques des flux de chaleur sensible et d'évapotranspiration basée sur les équations des flux d'eau et de chaleur dans le sol. Cette paramétrisation de la surface du sol repose sur l'interaction avec la couche limite atmosphérique et la première couche du modèle atmosphérique régional. La théorie de Monin-Obukhov qui a été utilisée pour modéliser la couche limite atmosphérique et les équations de conservation hydrologiques moyennées spatialement ne sont strictement applicables que sur des aires hétérogènes stationnaires où les fluctuations des variables d'état hydrologiques et de celles de la couche limite, les paramètres et les conditions aux limites possèdent des moyennes, des moments et des distributions de probabilité spatialement invariants. Par conséquent, le modèle couplé a d'abord été utilisé pour le calcul des flux sur des parcelles de terrain hétérogènes mais stationnaires correspondant à différentes classes de texture de la végétation. Les flux selon le maillage du modèle régional ont été obtenus en effectuant numériquement une moyenne probabiliste à partir de la mosaïque des classes élémentaires de végétation. L'application du modèle régional utilisant cette paramétrisation des états de surface en Californie pour le mois d'avril 1989 a fourni des résultats satisfaisants.