Modelling surface energy fluxes and temperatures in dry and wet bare soils

Abstract

A physically‐based numerical model was developed to estimate the temporal course of the surface energy flux densities and the soil temperatures in dry and wet bare soils. Aerodynamic heat, vapour and momentum transfer theory was used to calculate the sensible and latent heat flux densities at the surface under diabatic and adiabatic conditions. A finite‐difference solution of the differential equation describing one‐dimensional heat transfer was used to calculate the surface soil heat flux density and soil profile temperatures. The surface temperature was determined iteratively by the simultaneous solution of equations describing radiative, heat and momentum transfer at the surface. The model was tested with measurements from energy balance studies conducted on a dry, sandy soil and a wet, silt loam soil, and was found to predict accurately the surface energy fluxes and soil temperatures over three‐day periods under conditions of potential and negligible evaporation. The sensitivity of the model to uncertainties in the aerodynamic roughness lengths for momentum (z₀) and heat (z_T) is reported. Values for z₀ and Z₀/Z_T of 0.5 mm and 3.0, respectively, resulted in the best agreement between modelled and measured values of the fluxes and temperatures for both soils.

Résumé

On a mis au point un modèle numérique fondé sur des principes physiques pour estimer le cours temporel des flux à la surface de la densité de l'énergie et des températures de sols secs et humides dénudés. On a recours à la théorie portant sur le transfer de la chaleur, de la vapeur et de la quantité de mouvement aérodynamiques pour évaluer les densités des flux des chaleurs latente et sensible à la surface, dans les conditions diabatiques et adiabatiques. Une solution aux différences finies de l'équation différentielle décrivant le transfer de la chaleur unidimensionnellement a été formulée pour évaluer la densité du flux de la densité de la chaleur ainsi que les profils de la température du sol. La température de la surface a été calculée iférativement à partir de la solution simultanée des équations gouvernant le transfer radiatif, de la chaleur et de la quantité de mouvement à la surface. Le modèle a été testé à l'aide des mesures obtenues à partir des études du bilan énergétique exécutées pour des sols sableux secs et des sols limoneux humides, et s'est avéré capable à prédire les flux de V énergie de la surface et les températures du sol sur une période de trois jours pour les conditions d'evaporation potentielle et négligeable. On note la sensibilité du modèle à l'incertitude associée aux distances de rugosité aérodynamique de la quantité de mouvement (z₀) et de la chaleur (z_T). Les valeurs de z₀ et z₀/z_t de 0,5 mm et 3,0 respectivement produisaient la meilleure concordance entre les flux et températures modélisés et ceux observés dans les deux types de sol.