Aggregation of parameters for the land surface model CLASS

Abstract

Abstract Land surface schemes are used in climate and weather forecasting models at various resolutions requiring the use of effective or aggregated parameters to adequately represent each grid square. In this study we investigate the rules for aggregating the surface parameters for the Canadian Land Surface Scheme (CLASS). The method consists of running a one‐dimensional version of CLASS over a period of 105 days in summer using meteorological data observed at an agricultural site near Quebec City. The aggregation of parameters is tested by successively running the model with two homogeneous values (usually a small one and a large one) of a chosen parameter and then with a mean or aggregated value of that parameter; the results of the latter run are then compared with the area‐averaged results of the two homogeneous runs. Vegetation coverage, rooting depth, soil texture and roughness lengths are the input parameters thus tested. Heterogeneity of soil moisture content due to uneven distribution of precipitation is also discussed. The results indicate that the sub‐areas of CLASS must have their own soil variables, that roots must occupy full soil layers and not part of a layer, and that the aggregating rule for the roughness lengths (zo for momentum and zot for heat and moisture) should be changed from the current logarithmic averages to the blending height method for zo and to a new formula involving both roughness lengths for zot. The surface‐layer scheme in CLASS was found inadequate and replaced. Results for soil texture aggregation are not as clear; it seems difficult to obtain simultaneously a good averaging of atmospheric energy fluxes and a good averaging of soil moisture contents, runoff and drainage. Horizontal variability of soil moisture due to uneven distribution of rainfall generates an overestimate of evapotranspiration and an underestimate of runoff in an aggregated model lacking this effect. Preliminary results indicate that, in order to effectively parametrize this effect in CLASS, both surface ponding capacity and ground infiltration rate must be reduced over the grid square when convective precipitation occurs. Résumé Les schémas de surface sont utilisés dans les modèles de prévision du temps et de climat pour différentes résolutions, mais celles‐ci requièrent des paramètres efficaces et agrégés afin de représenter adéquatement chaque maille. Dans cette étude, on recherche, pour le schéma CLASS (≪Canadian Land Surface Scheme≫), les règles pour l'agrégation des paramètres de surface. La méthode consiste à exécuter une version unidimensionnelle de CLASS pour une période d'été de 105 jours, en utilisant les données météorologiques observées à une station de météorologie agricole près de la ville de Québec. L'agrégation des paramètres est vérifiée par l'exécution successive du modèle, comprenant d'abord deux valeurs homogènes (d'habitude une petite valeur et une grande) d'un paramètre choisi et puis dans un deuxième temps comprenant une valeur moyenne ou agrégée de ce paramètre. Les résultats de cette dernière exécution du modèle sont alors comparés avec les résultats pondérés des deux passes d'exécution avec des valeurs homogènes. La fraction de végétation, la profondeur des racines, la texture du sol et les longueurs de rugosité sont autant de paramètres qui ont été testés. On a discuté aussi du contenu de l'hétérogénéité de l'humidité du sol dû à la distribution aléatoire des précipitations. Les résultats indiquent que les sous domaines de CLASS doivent posséder leurs paramètres de sol respectifs, que les racines doivent occuper des couches entières du sol et non une fraction de la couche. Ils indiquent aussi que la règle d'agrégation pour les longueurs de rugosité (zopour la quantité de mouvement et zot pour la chaleur et l'humidité) devrait être modifiée, c ‘est‐à‐dire qu ‘il faudrait remplacer les moyennes logarithmiques usuelles par la méthode de hauteur de mélange pour zo et par aussi une nouvelle formule impliquant à la fois les deux longueurs de rugosité pour zot. On a trouvé que le schéma de couche de surface dans CLASS était inadéquat et on l'a remplacé. Les résultats pour l'agrégation de la texture du sol ne sont pas aussi clairs. Il semble difficile d'obtenir simultanément une bonne moyenne des flux énergétiques de l'atmosphère et une bonne moyenne du contenu de l'humidité du sol, de l'écoulement et du drainage. La variabilité horizontale de l'humidité du sol en raison de la distribution aléatoire des précipitations génère une surestimation de l'évapotranspiration et une sous‐estimation de l'écoulement dans un modèle agrégé qui ne tient pas compte de cet effet. Les résultats préliminaires indiquent que pour paramétriser efficacement cet effet dans le schéma CLASS, la capacité de rétention de la surface et le taux d'infiltration du sol, doivent à la fois être réduits sur la maille pour des cas de précipitation de convection. Notes *