Luận án tiến sĩ three dimensional volume averaged soil moisture transport model a scalable scheme for representing subgrid topographic control in land atmosphere interactions

Luận án tiến sĩ về mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D, tập trung vào kiểm soát địa hình ảnh hưởng tương tác giữa đất và khí quyển. Nghiên cứu lược đồ có khả năng mở rộng.

• Tác giả: Hyun Choi
• Trường học: University Of Illinois Urbana-Champaign
• Chuyên ngành: Engineering
• Đề tài: 3-D Volume Averaged Soil-Moisture Transport Model: Scalable Scheme For Representing Subgrid Topographic Control In Land-Atmosphere Interactions
• Loại tài liệu: Dissertation
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Urbana, IIinois

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Mô Hình Độ Ẩm Đất 3D Tác Động Địa Hình

Mô hình hóa độ ẩm đất 3D là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng, đóng vai trò then chốt trong việc hiểu và dự đoán các quá trình tương tác đất-khí quyển. Các mô hình này giúp chúng ta nắm bắt sự phân bố và vận chuyển nước trong đất một cách chi tiết, từ đó cải thiện khả năng dự báo thời tiết, đánh giá tác động của biến đổi khí hậu và quản lý tài nguyên nước hiệu quả hơn. Đặc biệt, địa hình có ảnh hưởng đáng kể đến sự phân bố độ ẩm đất, tạo ra sự phức tạp trong quá trình mô hình hóa. Các khu vực có độ dốc, hướng phơi và độ cao khác nhau sẽ có sự khác biệt lớn về lượng nước giữ lại và tốc độ bay hơi. Việc tích hợp các yếu tố địa hình vào mô hình là yếu tố then chốt để đạt được độ chính xác cao.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Mô Hình Hóa Độ Ẩm Đất Không Gian 3D

Mô hình hóa độ ẩm đất không gian 3D cung cấp cái nhìn toàn diện về sự phân bố nước trong đất, vượt xa các mô hình 1D và 2D truyền thống. Điều này cho phép các nhà khoa học và kỹ sư hiểu rõ hơn về các quá trình thủy văn, sinh thái và khí tượng xảy ra trong hệ sinh thái. Theo Choi (2006), "sự phân bố độ ẩm đất không đồng đều do ảnh hưởng của địa hình và các yếu tố khác có thể tác động lớn đến các quá trình tương tác đất-khí quyển, làm thay đổi cân bằng năng lượng và chu trình vận chuyển nước."

1.2. Ảnh Hưởng Của Địa Hình Đến Sự Phân Bố Độ Ẩm Đất

Địa hình đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát sự phân bố độ ẩm đất. Các khu vực dốc có xu hướng thoát nước nhanh hơn, dẫn đến độ ẩm đất thấp hơn so với các khu vực bằng phẳng hoặc trũng. Hướng phơi của sườn dốc cũng ảnh hưởng đến lượng bức xạ mặt trời nhận được, từ đó ảnh hưởng đến quá trình bốc hơi và độ ẩm đất. Các mô hình độ ẩm đất 3D cần tính đến các yếu tố địa hình này để mô phỏng chính xác sự phân bố độ ẩm đất trong không gian.

II. Thách Thức Mô Hình Vận Chuyển Độ Ẩm Đất 3D Địa Hình

Việc xây dựng mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D tích hợp tác động của địa hình đặt ra nhiều thách thức. Thứ nhất, cần có dữ liệu địa hình có độ phân giải cao để mô tả chính xác sự biến đổi của địa hình. Thứ hai, cần phát triển các phương pháp số học hiệu quả để giải các phương trình mô hình phức tạp. Thứ ba, cần có các phương pháp hiệu quả để đánh giá và hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Các mô hình đơn giản bỏ qua hoặc đơn giản hóa ảnh hưởng của địa hình có thể dẫn đến kết quả sai lệch đáng kể, đặc biệt là trong các khu vực có địa hình phức tạp.

2.1. Yêu Cầu Về Dữ Liệu Địa Hình Độ Phân Giải Cao Để Mô Hình Hóa

Để mô hình hóa chính xác ảnh hưởng của địa hình đến độ ẩm đất, cần có dữ liệu địa hình có độ phân giải cao (ví dụ: Mô hình số địa hình - DEM) từ các nguồn như LiDAR hoặc ảnh vệ tinh. Dữ liệu có độ phân giải thấp có thể bỏ qua các chi tiết quan trọng của địa hình, dẫn đến sai số trong mô hình độ ẩm đất. Choi (2006) nhấn mạnh rằng việc sử dụng DEM có độ phân giải cao là cần thiết để "nắm bắt được sự biến đổi địa hình ở quy mô nhỏ, từ đó cải thiện độ chính xác của mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D."

2.2. Phức Tạp Trong Tính Toán Với Các Phương Trình Mô Hình 3D

Các phương trình mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D, chẳng hạn như phương trình Richards, là những phương trình vi phân đạo hàm riêng phi tuyến phức tạp. Việc giải các phương trình này đòi hỏi các phương pháp số học hiệu quả và khả năng tính toán lớn. Các phương pháp như phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) thường được sử dụng để giải các phương trình này, nhưng cần được tối ưu hóa để giảm thiểu thời gian tính toán và đảm bảo độ chính xác.

III. Phương Pháp Tích Hợp Địa Hình Vào Mô Hình Độ Ẩm Đất 3D

Có nhiều phương pháp để tích hợp tác động của địa hình vào mô hình độ ẩm đất 3D. Một phương pháp phổ biến là sử dụng các tham số hóa phụ thuộc vào địa hình để mô tả sự biến đổi của độ ẩm đất ở quy mô nhỏ hơn độ phân giải của mô hình. Một phương pháp khác là sử dụng các mô hình địa hình phức tạp hơn để mô tả chính xác hình dạng của địa hình. Việc kết hợp cả hai phương pháp có thể mang lại kết quả tốt nhất.

3.1. Sử Dụng Các Tham Số Hóa Phụ Thuộc Địa Hình

Tham số hóa phụ thuộc địa hình là một cách tiếp cận hiệu quả để mô tả sự biến đổi của độ ẩm đất ở quy mô nhỏ hơn độ phân giải của mô hình. Các tham số hóa này có thể sử dụng các thuộc tính địa hình như độ dốc, hướng phơi và độ cong để ước tính độ ẩm đất ở các vị trí khác nhau trong mô hình. Choi (2006) đã phát triển một mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D sử dụng các tham số hóa phụ thuộc địa hình để mô tả sự biến đổi của độ ẩm đất ở quy mô nhỏ.

3.2. Xây Dựng Mô Hình Địa Hình Chi Tiết

Một cách tiếp cận khác để tích hợp tác động của địa hình là sử dụng các mô hình địa hình phức tạp hơn để mô tả chính xác hình dạng của địa hình. Các mô hình này có thể sử dụng các kỹ thuật như triangulated irregular network (TIN) hoặc boundary element method (BEM) để mô tả địa hình một cách chi tiết. Việc sử dụng các mô hình địa hình phức tạp có thể cải thiện độ chính xác của mô hình độ ẩm đất, nhưng cũng có thể làm tăng đáng kể thời gian tính toán.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Dự Báo Độ Ẩm Đất Với Mô Hình 3D

Mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D có nhiều ứng dụng thực tiễn. Chúng có thể được sử dụng để dự báo độ ẩm đất cho mục đích nông nghiệp, thủy văn và quản lý tài nguyên nước. Chúng cũng có thể được sử dụng để đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến độ ẩm đất và các hệ sinh thái. Việc dự báo chính xác độ ẩm đất có thể giúp nông dân đưa ra quyết định tốt hơn về việc tưới tiêu, giúp các nhà quản lý tài nguyên nước lập kế hoạch sử dụng nước hiệu quả hơn và giúp các nhà khoa học hiểu rõ hơn về các quá trình tương tác đất-khí quyển.

4.1. Ứng Dụng Trong Nông Nghiệp Tối Ưu Hóa Tưới Tiêu

Dự báo độ ẩm đất chính xác có thể giúp nông dân tối ưu hóa việc tưới tiêu, giảm thiểu lãng phí nước và tăng năng suất cây trồng. Bằng cách biết được độ ẩm đất hiện tại và dự báo trong tương lai, nông dân có thể quyết định khi nào và bao nhiêu nước cần tưới cho cây trồng. Điều này đặc biệt quan trọng trong các khu vực khô hạn, nơi nước là một nguồn tài nguyên quý giá.

4.2. Ứng Dụng Trong Thủy Văn Quản Lý Tài Nguyên Nước

Mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D có thể được sử dụng để dự báo dòng chảy và lũ lụt, giúp các nhà quản lý tài nguyên nước lập kế hoạch sử dụng nước hiệu quả hơn. Bằng cách hiểu rõ hơn về sự phân bố và vận chuyển nước trong đất, các nhà quản lý có thể đưa ra quyết định tốt hơn về việc xây dựng đập, kênh và các công trình thủy lợi khác. Việc dự báo chính xác dòng chảy cũng có thể giúp giảm thiểu thiệt hại do lũ lụt.

V. Kết Luận Hướng Phát Triển Cho Mô Hình Độ Ẩm Đất 3D

Mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D là một công cụ mạnh mẽ để hiểu và dự đoán các quá trình tương tác đất-khí quyển. Việc tích hợp tác động của địa hình vào mô hình là rất quan trọng để đạt được độ chính xác cao. Trong tương lai, cần có thêm nghiên cứu để phát triển các phương pháp hiệu quả hơn để tích hợp địa hình vào mô hình, cũng như để đánh giá và hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Sự phát triển của các mô hình này sẽ đóng góp quan trọng vào việc quản lý bền vững tài nguyên nước và ứng phó với biến đổi khí hậu.

5.1. Các Hướng Nghiên Cứu Tiềm Năng Trong Tương Lai

Các hướng nghiên cứu tiềm năng trong tương lai bao gồm phát triển các tham số hóa địa hình tiên tiến hơn, tích hợp dữ liệu viễn thám để đánh giá độ ẩm đất, và phát triển các phương pháp hiệu quả hơn để hiệu chỉnh mô hình dựa trên dữ liệu thực nghiệm. Ngoài ra, cần có thêm nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các quá trình tương tác đất-khí quyển và cách chúng bị ảnh hưởng bởi địa hình và độ ẩm đất.

5.2. Tầm Quan Trọng Của Ứng Dụng Mô Hình 3D Trong Bối Cảnh Biến Đổi Khí Hậu

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu, việc dự báo chính xác độ ẩm đất trở nên ngày càng quan trọng. Mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D có thể giúp chúng ta hiểu rõ hơn về tác động của biến đổi khí hậu đến độ ẩm đất và các hệ sinh thái, từ đó đưa ra các giải pháp thích ứng và giảm thiểu tác động. Các mô hình này có thể giúp dự đoán sự thay đổi về lượng mưa, nhiệt độ và các yếu tố khí hậu khác, và cách chúng ảnh hưởng đến độ ẩm đất và các quá trình tương tác đất-khí quyển.

Trích đoạn nội dung tài liệu

3-D VOLUME AVERAGED SOIL-MOISTURE TRANSPORT MODEL: A SCALABLE SCHEME FOR REPRESENTING SUBGRID TOPOGRAPHIC CONTROL IN LAND-ATMOSPHERE INTERACTIONS BY HYUN IL CHOI B., Korea University, 1995 DISSERTATION Submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Civil Engineering in the Graduate College of the University of Illinois at Urbana-Champaign, 2006 Urbana, IIinois UMI Number: 3242821 INFORMATION TO USERS The quality of this reproduction is dependent upon the quality of the copy submitted. Broken or indistinct print, colored or poor quality illustrations and photographs, print bleed-through, substandard margins, and improper alignment can adversely affect reproduction. In the unlikely event that the author did not send a complete manuscript and there are missing pages, these will be noted. Also, if unauthorized copyright material had to be removed, a note will indicate the deletion.

® UMI UMI Microform 3242821 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company. All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P.

Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © 2006 by Hyun Il Choi. All rights reserved. CERTIFICATE OF COMMITTEE APPROVAL University of Illinois at Urbana-Champaign Graduate College September 15, 2006 We hereby recommend that the thesis by: HYUN IL CHOI Entitled: 3-D VOLUME AVERAGED SOIL-MOISTURE TRANSPORT MODEL: A SCALABLE SCHEME FOR REPRESENTING SUBGRID TOPOGRAPHIC CONTROL IN LAND-ATMOSPHERE INTERACTIONS Be accepted in partial fulfillment of the requirements for the degree of: Doctor of Philosophy „CS —. Signatures: DirectoPaRResearch - Prof.

Praveen Kumar Head of Department - Committee on Final Examination* LimoconCo__, ChairperXgn- Prof, Praveen Kumar 10 I4. Corfimlitee Member - of. Valocchi Mt —Con Committee Member - Prof, Ximing Cai Yann bo Committee Mémber - Prof. Tracy Twine Committee Member - Dr.

Xin®&hbng Liang Committee Member - * Required for doctoral degree but not for master’s degree Abstract Climate models, both global and regional, have increased in sophistication and are being run at increasingly higher resolutions. The land surface models (LSMs) coupled to these climate models have also evolved from simple bucket models to the new generation models needed to support sophisticated linkages and process interactions at small scales to assess their cumulative impact at larger scales. This is possible by substantially improving the land-surface parameterization in these models to account for subgrid processes. Although topographic data is one of the most readily available high resolution products with continen- tal and global coverage, heterogeneity induced by topographic characteristics, such as slopes and curvatures, is generally not well represented in the models.

These data offer unprece- dented opportunity for representing the scaling issues of the processes, which are controlled by topographic attributes, such as subsurface moisture transport. In most current LSMs, however, soil-moisture transport equations limited to the vertical soil-moisture transport are unable to capture the spatial variability of soil water induced by topography, and models are thus limited in predictability for land surface fluxes as well. Some recent models use the Topmodel framework based on a basin or catchment scale to overcome these shortcomings, but the underpinning assumptions remain questionable at the scale of regional climate model (RCM) applications. Moreover, although the surface runoff is also one of the important com- ponents for the terrestrial hydrologic cycle, most LSMs simplistically estimate it using the soil water budget without any explicit simulation or routing schemes regarding runoff travel time over the basins.

Even this roughly generated runoff is not used as the boundary condi- tion for the subsurface flow calculation, which may result in a mass balance error in water ili cycle. The model errors, in the absence of appropriate parameterizations, often manifest as non-linear drifts in the dynamical response. For the significant improvement in these crude parameterizations in current terrestrial hydrologic schemes of LSMs, the following research tasks are explored in this study. The 3-dimensional (3-D) volume averaged soil-moisture transport (VAST) formulation is derived from the Richards equation to incorporate the lateral flow and subgrid hetero- geneity due to topographic characteristics.

Parameters characterizing subgrid variability are represented as scale dependent statistical functions, of soil-moisture variability dependence on subgrid topographic attributes, with second order approximations. These parameteriza- tions based on limited data sets serve to illustrate the role of subgrid variability, although they are not meant to serve as a universal model. I hope that this illustration will serve to catalyze a more consistent data collection. I find that the lateral and subgrid flux contri- bution plays a significant role in total soil-moisture dynamics, and the flux due to subgrid spatial variability is as much or larger than grid averaged flux, especially in drier condition.

One of the approximated forms of the Saint-Venant equations is the non-inertia diffusion wave (DW) model, which can account for the downstream backwater effect and is known as an efficient method in accuracy and computational time. I have developed a conjunctive surface-subsurface flow model at a large scale, a 1-D diffusion wave (DW) model for the surface flow interacting with the 3-D VAST model for the subsurface flow, for the compre- hensive terrestrial water and energy predictions in LSMs. This conjunctive flow model can explicitly simulate the surface runoff due to both rainfall excess and soil-surface saturation. A selection of numerical implementation schemes is employed for each flow component.

The 3-D VAST model is implemented using a time splitting scheme applying an explicit method for lateral flow after a fully implicit method for the vertical how. The 1-D DW model is then solved by the MacCormack finite difference scheme with the second-order accuracy in both space and time. iv For the implementation of the new developed model, this study also focuses on the de- velopment and construction of appropriate data sets, especially surface boundary conditions (SBCs) specifically designed for mesoscale RCM applications. The new SBCs development motivated by the limitations and inconsistencies of existing SBCs can be readily incorpo- rated into any RCM suitable for U.

climate and hydrology modeling studies. The primary SBCs are currently presented in a RCM domain for the U.S applications at 30-km spacing. The raw data sources and processing procedures, however, are elaborated in detail, by which the SBCs can be readily constructed for any specific RCM domain anywhere in the world. The new conjunctive surface-subsurface flow model is substituted for the existing hydro- logic scheme in the CLM model, the state-of-the-art LSM, to improve the model predictabil- ity and to understand the topographic impact on the terrestrial water and energy balance.

Model simulations are performed at the time step of 10 minutes for a study domain with a basin size of 450,000 km? around the Ohio Valley region using the North American regional reanalysis (NARR) forcing dataset from 1995 to 2000 in the off-line mode. All model simula- tions are performed using the published model parameter values without calibration, except for the hydraulic conductivity reference depth Z, and anisotropy ratio ¢ which are estimated through the sensitivity analyses. The predicted stream flow hydrographs are compared with the observations at the four United States geological survey (USGS) stream gauges selected within the study domain. The simulation results show that the lateral and subgrid fluxes play a significant role in total the soil-moisture dynamics and the spatial distribution of soil water that has a large impact on the surface energy balance as well.

It is also found from the new coupled model simulations that the interaction between surface and subsurface flows and the flow routing scheme improve the stream flow predictions significantly. Ignoring the role of surface flow depth on the infiltration rate causes errors in both surface and subsurface flow predictions. The new CLM model coupled to the improved terrestrial hydrologic scheme using realistic SBCs provides a full suite of modeling capability to characterize surface water and energy fluxes for regional, continental, and global hydrologic studies. To my parents, my sister, my brother, my wife Eunjin, and my daughter Angela.

vi Acknowledgements I wish to express my sincere appreciation to my advisor, Professor Praveen Kumar, for all of his patient guidance, encouragement, and advice throughout my Ph. He kindly invited me to his distinguished research group, when I was a sort of the ugly duckling in the Hydrosystems Laboratory. I again voice my appreciation to him for giving me this opportunity to make me as I am today. I also wish to express my profound gratitude to my co-advisor and supervisor, Dr.

Xin-Zhong Liang, for his strong guidance, advice, and support. I would not be writing this thesis without his full support and counsel. My advisors have always been my role model of the real accomplished scholars. I greatly appreciate my committee members, Professors Albert J.

Valocchi, Ximing Cai, and Tracy E. Twine, for extensive discussions and helpful comments. I am also very grateful for the support from my ex-supervisor, Dr, Yanqing Lian. I would like to thank my colleagues in the State Water Survey, and several former and current fellow graduate students in the Hydrosystems Laboratory.

Special thanks to Ji Chen for providing the motivation, Min Xu and Mingjian Zeng for providing meteorological data, Kingsley Allen, Amanda White, and Ben L. Ruddell for providing the GIS know-how, and Namrata Batra and Francina Dominguez for providing careful review and assistance, for the thesis. I deeply appreciate Professors Marcelo H. Garcia, Larry Di Girolamo, Praveen Kumar, Chris R.

Valocchi, and Robert Wilhelmson who provide fundamental and advanced knowledge to me through intensive and thorough course work. I also want to thank Mrs. Mary Pearson and Robin Ray for friendly assistance with all the vii paper work required for my course work and graduation. The research work for this thesis was supported by the National Oceanic and Atmospheric Administration Center for Atmospheric Sciences (NCAS) Grant 634554172523 awarded to Dr.

Xin-Zhong Liang of Illinois State Water Survey (ISWS). ISWS also provides several other resources for the completion of the work, including office facilities, GIS assistance and observational data. Any opinions, findings, and conclusions or recommendations expressed in this publication are those of the author and do not necessarily reflect the views of NCAS and ISWS. Model development and experiments were supported by the National Center for Supercomputing Applications (NCSA) supercomputing allocation.

Many thanks beyond description go to my parents and my parents in law in Korea for their care, concern, and trust for me. In their eyes, probably, I am still no more than a little kid on the road. Please be happy and healthy! I owe much to my wife, Eunjin. I will never forget her unconditional support, understanding, and devotion to me and our daughter, Angela (Yoonseo).

In closing allow me to dedicate all of my accomplishment to God. I am always looking for Him at the last moment, but He is always steadfast with unending and prodigal love. This is a new starting point in my life. I will live to pursue the real truth.

"Then you will know the truth, and the truth will set you free." (John 8:32) viii Table of Contents List of Tables. eee xii List of Figures 6. xiii Chapter1 INTRODUCTION .1 Land Surface Models. uc c c c ng c tt g g TA v v v vynt ĩ 1.

c c c Q c Q Q c c cv và Tà vài 8 Chapter 2 3-D Volume Averaged Soil-moisture Transport Model. odoir(icấiicicaaaỶŸÝỶÝỶÝeg 9 VAN: .(( ÁNÁÁSÁÀNằ—ããặắặẽềẽềaaặaaaaẦđẦđũÝđỶŸŸÝŸỶÝỶÝ es 13 2.3 Approximations and Closure Parameterizations. Relative Contribution of Subgrid Variabilty .1 The role of subgrid fluxes .2 VAST model application coupled to CLM .aaTA 38 Chapter 3 Surface Boundary Conditions .2 CWRF Representation of Surface Processes .3 General Considerations for Comprehensive SBCs.4 Construction of the CWRF SBCs .1 Surface Characteristic Identification (SCI) .2 Surface Elevation and Derivatives (HSFC, HSDV, HSLD, and HCVD) 55 3.3 Bedrock, Lakebed, or Seafloor Depth (DBED) .4 Soil Sand and Clay Fraction Profiles (SAND and CLAY) .4ð Bottom Soil Temperature(TBS) .6 Land Cover Category (LCC).7 Fractional Vegetation Cover (FVC) .8 Leaf and Stem Area Index (LAI and SAI) .9 Soil Albedo Localization Factor(SALE).