Physically-based modelling of surface energy fluxes in Australian ecosystems across an aridity gradient

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2017-01-23

Department

Major/Subject

Vesi- ja ympäristötekniikka

Mcode

R3005

Degree programme

Yhdyskunta- ja ympäristötekniikan koulutusohjelma

Language

en

Pages

59 + 13

Series

Abstract

Evapotranspiration (ET) is one of the main elements of the water balance after precipitation, and it has an essential role interconnecting energy, water and carbon cycles. Energy flow from the surface as a latent heat flux (λE) connects ET to surface energy balance, and thus to sensible heat flux (H). Understanding of energy and water cycles is important for efficient management of water resources, especially under semi-arid regions, where water availability is one of the key controls on ecosystem processes. Australia is generally a dry continent, where evapotranspiration has been examined by local measurements, including eddy covariance (EC) systems. On the other hand, these methods are not suitable for large-scale monitoring. Instead, remote sensing is the most feasible method to cost-effectively obtain surface energy balance (SEB) fluxes over larger scales. However, some of these models require a large amount of parameterization, which is proven to lead in high uncertainties under water-limited areas. The main objective of this study was to use a physically-based single-source SEB model, the Surface Temperature Initiated Closure (STIC1.2), to estimate SEB fluxes in Australia across a wide variety of ecohydrologically different sites. STIC1.2 integrates radiometric surface temperature (TR) measured by thermal infrared remote sensing into a combined Penman-Monteith and Shuttleworth-Wallace equation to analytically retrieve solutions for the SEB fluxes without any land surface parameterization. STIC1.2 was validated against 15 EC towers in Australia over two years 2013 and 2014. The role of ecohydrological differences in determining the errors of the estimated fluxes was identified. The estimates of STIC1.2 were also compared with two SEB models: a modified Priestley-Taylor (PT-JPL) and MODIS global terrestrial evapotranspiration (MOD16) by using MODIS satellite data. The results showed that STIC1.2 is capable to reliably capture the SEB fluxes across a broad spectrum of ecohydrologically diverse ecosystems in Australia. The accuracy in the STIC1.2 SEB estimates was comparable with PT-JPL, but superior against parameterization dependent MOD16. However, the λE estimates from STIC1.2 showed high uncertainty over water-limited sites, where H was found to be predominant. Therefore, H might be a favoured metric to test the performance of any physically-based model under these conditions. However, a large scale application of STIC1.2 would need more precise satellite-retrieved TR data. With the availability of more accurate TR retrieval techniques, e.g. from the recently launched Sentinel-3, an application of STIC1.2 and improvements in the performance over water-stressed ecosystems can be expected.

Haihdunta on yksi tärkeimmistä hydrologisen kierron elementeistä sadannan jälkeen, ja sillä on erityinen rooli energia-, vesi- ja hiilikiertojen yhdistäjänä. Haihdunta voidaan myös käsittää energiavirtana (latenttilämpö, λE), joten se voidaan yhdistää vesitaseen lisäksi energiataseeseen, ja lämmittävään lämpöön (H). Energia- ja vesikiertojen mallintaminen on tärkeää tehokkaalle vesivarojen hallinnalle erityisesti kuivilla alueilla, joissa veden riittävyys on yksi tärkeimmistä ekosysteemin toimintaa rajoittavista tekijöistä. Australia on pääosin kuiva maanosa, jossa haihduntaa on mallinnettu käyttämällä paikallisia mittauksia, kuten eddy covariance (EC) -menetelmää. Nämä paikalliset metodit eivät ole käyttökelpoisia haihdunnan laajamittaiseen monitorointiin. Sen sijaan kaukokartoitus on yksi keino mallintaa energiavirtoja kustannustehokkaasti ja laajamittaisesti. Kuitenkin osa näistä malleista vaatii runsaasti parametrisointia, jonka on osoitettu lisäävän mallin epävarmuutta hyvin kuivilla alueilla. Tämän tutkimuksen tarkoituksena oli käyttää fysikaalisperusteista Surface Temperature Initiated Closure (STIC1.2) -mallia energiavirtojen mallintamiseen Australiassa. STIC1.2-malli perustuu termisen infrapunakaukokartoituksen avulla mitattavan radiometrisen pintalämpötilan (TR) integroimiseen osaksi Penman-Monteith ja Shuttleworth-Wallace -yhtälökombinaatiota, jotta energiavirtoja (λE ja H) voidaan mallintaa analyyttisesti ilman mallin parametrisointia. Työn päätavoitteena oli validoida STIC1.2-malli vuosina 2013 ja 2014 käyttämällä 15 Australiassa sijaitsevaa EC-asematornia sekä tunnistaa miten alueelliset ekohydrologiset erot vaikuttavat energiavirtaestimaattien virhelähteisiin. Lisäksi STIC1.2-mallin tuloksia verrattiin kahteen haihduntamalliin: muunneltuun Priestley-Taylor (PT-JPL) ja MOD16-malleihin käyttämällä MODIS-satelliittidataa. Tulosten perusteella STIC1.2-mallin avulla voidaan luotettavasti mallintaa energiavirtoja ekohydrologisesti erilaisissa Australian ekosysteemeissä. STIC1.2:n mallinnustulosten tarkkuus oli verrattavissa PT-JPL-mallin tuloksiin, mutta oli ylivertainen MOD16-malliin verrattuna. STIC1.2:n avulla mallinnetut kuivien alueiden λE-estimaatit sisälsivät kuitenkin paljon epävarmuutta. Vesiniukoissa ekosysteemeissä H-komponentti oli vallitseva, jolloin sitä voitaisiin näissä olosuhteissa käyttää fysikaalisperusteisten haihduntamallien toiminnan testaamisen λE:n sijaan. Laajamittaisen STIC1.2-sovelluksen käyttöönotto vaatisi kuitenkin tarkempia TR-estimaatteja. Esimerkiksi hiljattain laukaistusta Sentinel3-satelliittista saatava TR-aineisto mahdollistanee STIC1.2-mallin laajamittaisemman hyödyntämisen myös vesiniukoilla alueilla.

Description

Supervisor

Koivusalo, Harri

Thesis advisor

Kokkonen, Teemu
Mallick, Kaniska

Keywords

surface energy fluxes, evapotranspiration, land surface temperature, Australia, ecohydrology, Penman-Monteith

Other note

Citation