Prairie agroclimate boundary‐layer model: A simulation of the atmosphere/crop‐soil interface

Abstract

This paper describes a 1‐D agroclimatic model of the atmosphere/crop‐soil interface. Vertical profiles of wind, potential temperature and water vapour are constructed twice daily for the overnight‐low and maximum temperature times by combining 1200 and 0000 UTC upper‐air standard‐level grid‐point data with climatological observations. The vertical structure of the atmospheric boundary layer has a surface constant‐flux layer that is usually topped by a mixed layer by day but not at night. The crop‐soil boundary layer consists of a shallow top‐zone and a growing root‐zone. Vegetation cover and root depth depend upon crop type and phenological stage. Water‐balance accounting tracks the moisture contents of both the top‐ and root‐zones. Evapotranspiration or the vertical flux of water vapour in the atmospheric boundary layer is tied to the evolution of the crop‐soil boundary layer.

The model was calibrated using field data from the Regional Evaporation Study's primary site in an agricultural area of central Saskatchewan. The evolution of 1991's wheat‐soil boundary layer from the crop's heading to ripe stages was then successfully simulated at two additional sites in the same geographical area.

Résumé

On décrit un modèle agroclimatique à une dimension de l'interface atmosphère/culture‐sol. Les profils verticaux du vent, de la température potentielle et de l'eau vapeur sont construits deux fois par jour, au moment de la température minimale nocturne et de la température maximale, à partir des données aux points de grille des niveaux standard en altitude de 1200 et 0000 UTC combinées aux observations climatologiques. La structure verticale de la couche limite atmosphérique a une couche de surface à flux constant qui est habituellement surmontée par une couche de mélange le jour mais pas la nuit. La couche limite de la surface culture‐sol comprend une zone supérieure peu profonde et une zone de racines qui poussent. Le couvert végétal et la profondeur des racines dépendent du type de culture et du stade phénologique. Le calcul du bilan d'eau suit le contenu d'humidité de la région de surface et de celle des racines. L'évapotranspiration ou le flux vertical d'eau vapeur dans la couche limite atmosphérique est associée à l'évolution de la couche limite culture‐sol.

On a étalonné ce modèle à l'aide de données sur le terrain d'une étude régionale de l'évaporation au site principal d'une région agricole du centre de la Saskatchewan, Canada. L'évolution de la couche limite blé‐sol des cultures murissant a par la suite été simulée avec succès à deux autres sites dans la même région géographique.