Estimating Evaporation in a Prairie Landscape under Drought Conditions

Abstract

Physically-based atmospheric models of evapotranspiration (ET) that consider the Penman combination energy balance and aerodynamic approach have achieved acceptance as useful tools for obtaining estimates of actual ET from land surfaces. These models have been made applicable to the case of non-saturated conditions through either surface resistance formulations (e.g., Penman-Monteith) or by application of the complementary evaporation theory of feedback between the atmosphere and surface moisture states (e.g., Granger-Gray). Their application becomes complicated under conditions of drought, when extremely low soil moisture availability severely restricts ET from the soil and plants. Under such severe conditions, consideration for the surface water balance and interactions with the balance of available energy and aerodynamic principles are important for accurately estimating actual ET. A modelling application is demonstrated using the Cold Regions Hydrological Model (CRHM) platform to examine the estimation of ET under drought conditions. CRHM allows users to assemble hydrological models by linking a suite of modular physically-based algorithms that describe the individual processes. In this case, the models assembled consider infiltration, evaporation, and soil moisture accounting and are applied to a mixed prairie located at Lethbridge, Alberta, Canada under drought conditions during the growing period in 2000 and 2001. Near surface meteorological and ecological observations used as model input and for evaluating model performance were obtained through the Ameriflux network and the Agriculture and Agri-Food Canada (AFC) Lethbridge Research Centre. Results show that consideration for the effective rooting zone depth of the mixed-prairie at the site is important for estimating actual ET using the Penman-Montieth and Granger-Gray models during severe moisture stress. Relative differences in ET estimates provided by the models are discussed in the context of their contrasting theoretical approaches.

Les modèles atmosphériques physiques de l’évapotranspiration (ET) qui tiennent compte de la formule de Penman combinant le bilan d’énergie et l’approche aérodynamique ont été reconnus en tant qu’outils pratiques pour l’obtention d’estimations de l’évapotranspiration réelle des surfaces terrestres. Ces modèles ont été rendus applicables aux conditions non saturées, soit au moyen des formulations de la résistance de surface (p. ex. Penman-Monteith), soit au moyen de l’application de la théorie de l’évaporation complémentaire par rétroaction entre l’état atmosphérique et l’état d’humidité superficielle (p. ex. Granger-Gray). Leur application devient compliquée dans des conditions de sécheresse, lorsque la disponibilité de l’humidité du sol est extrêmement faible et nuit gravement à l’évapotranspiration par le sol et par les plantes. Dans des conditions aussi extrêmes, il est important de prendre en considération le bilan hydrique des surfaces et les interactions avec le reste de l’énergie disponible ainsi que les principes d’aérodynamique afin d’estimer avec précision l’évapotranspiration réelle. Une application de modélisation est démontrée à l’aide de la plateforme du Modèle hydrologique pour les régions froides / en anglais le " Cold Regions Hydrological Model " (CRHM) pour l’examen de l’estimation de l’évapotranspiration dans des conditions de sécheresse. Le modèle CRHM permet aux utilisateurs d’assembler les modèles hydrologiques en reliant une série d’algorithmes modulaires qui décrivent les processus individuels. En l’occurrence, les modèles assemblés tiennent compte de l’infiltration, de l’évaporation et de l’humidité du sol et sont appliqués à une prairie mixte située à Lethbridge, en Alberta, au Canada, et ce, dans des conditions de sécheresse pendant la saison de croissance en 2000 et en 2001. Des observations météorologiques et écologiques à faible profondeur servant de données d’entrée au modèle et à l’évaluation du rendement du modèle ont été obtenues par l’entremise du réseau AmeriFlux et du Centre de recherches de Lethbridge d’Agriculture et Agroalimentaire Canada (AAC). Les résultats révèlent qu’il est important de considérer la profondeur efficace de la rhizosphère de la prairie mixte au site visé afin d’estimer l’évapotranspiration réelle à l’aide des modèles Penman-Montieth et Granger-Gray lors des épisodes de tension hydrique intense. Les différences relatives dans les estimations de l’évapotranspiration fournies par les modèles sont abordées dans le contexte de leurs approches théoriques opposées.