Cuan importante es conocer el
estado del suelo para simular
el Clima
Arturo Quintanar
Centro de Ciencias de la Atmosfera
UNAM
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Motivación
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Elementos de la interacción atmósfera-suelo
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Memoria del suelo
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Ejemplo del portyencial de la humedad del suelo
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Para cambiar el estado de la atmosfera
La interacción en la interface atmosfera-superficie
es un problema abierto en hidrología, meteorología
y oceanografía.
Representa la parte mas débil en las formulaciones
de acoplamiento entre modelos numéricos de
atmosfera y de superficie
La validez de los pronósticos numéricos a corto y
a largo plazo depende de una estimación correcta de
los flujos de energía, masa y momento en la interface
El grado de acoplamiento atmósfera-suelo-vegetación
determina la tasa de intercambio de masa y energía entre los
diferentes componentes
Humedad del suelo: Cantidad de agua almacenada en la zona
no saturada del suelo
Es fuente de agua para la atmosfera a través de la evaporación
directa del suelo y de la evapotranspiración de la
cubierta vegetal.
Flujo de Masa:
De la precipitación que cae en tierra casi 60% del agua que
regresa a la atmosfera es por evapotranspiración.
Flujo de Energía:
Energía para evaporar 1 gr de agua = 600 x para elevar 1 C, 1 gr de
agua y 2400 veces la que se necesita para elevar 1 C 1 m3 de aire.
Mas de la mitad de la energía solar absorbida en la superficie
DEFINICIONES BASICAS DE HUMEDAD DE SUELO
Humedad de suelo
Multiples escalas
SATURACION
(POROSIDAD) CAPACIDAD DE CAMPO PUNTO DE MARCHITEZ PERMANENTE
Grano de suelo Agua Aire
Humedad de suelo saturado (porosidad) : Θ
SATHumedad de suelo a capacidad de campo : Θ
CCHumedad de suelo a punto de marchitez permanente: Θ
PMPRazón de saturación : Θ
S=Θ/Θ
SATÍndice de humedad de suelo: IHS=(Θ−Θ
PMP)/(Θ
CC−Θ
PMP) (Betts, 2004)
Si Θ > ΘCC el agua no se retiene (gana la gravedad)humedad total utilizable por las plantas =
humedad de suelo a capacidad de campo - humedad de suelo a punto de marchitez
Suelo
Humedad de suelo disponible en mm por
de espesor de suelo (mm/m)
arena 25 a 100
limo
100 a 175
arcilla 175 a 250
Razón de cambio de humedad de suelo ( mm s
-1)
Balance de agua y energía en una capa de suelo
Razón de cambio de energía (W m
-2)
Humedad del suelo y evapotranspiración están acoplados a través del
Las ecuaciones de balance de agua y energía
la humedad del suelo
(Θ )
juega un papel importante en la partición de energía en la superficie
y en los mecanismos de retroalimentación con la atmosfera.
DEPENDENCIA DE LA EVAPORACION CON LA HUMEDAD DEL SUELO
REGIMENES CLIMATICOS
Fracción de evaporación : FE = λE/R
NFE
FE
maxΘ
0
Θ
PMPΘ
CRITSECO
TRANSICION HUMEDOPeriodo de precipitacion intensa => Anomalia positva en humedad de suelo
Disipacion de la anomalia positiva por evaporacion y otros procesos
toma de semanas a meses
Periodo de sequia intensa => Anomalia negativa en humedad de suelo
Disipacion de la anomalia negativa por precipitacion y otros procesos
toma de semanas a meses
El suelo de hecho tiene “memoria” (2 a 3 meses) de los procesos que llevaron
a condiciones anomalas humedos o secos y que la atmosfera ya “olvido”
Dificil problema de cuantificar la persistencia del suelo debido a falta de datos
observacionales excepto quiza en Rusia , Asia , Mongolia e Illinois ,EEUU
W(t)
: Humedad del suelo en la columna
Cs :
Capacidad de retencion de agua
Ep :
Evaporacion Potencial
P:
Precipitacion
Q :
Escorrentia (superficial y sub-superficial)
MODELO DE CUBETA ( BUCKET MODEL, Budyko 1956 and Manabe 1969) Usado por primera vez en modelos de clima globales
NO INCLUYEN LA LIMITACION DE LAS PLANTAS A LA EVAPOTRANSPIRACION (RESISTENCIA ESTOMATAL)
Resistencia aerodinamica
Importancia de aspecto/pendiente
Humedad del suelo en % por volumen
Conductividad
TERMODINAMICA DEL SUELO
Discretizacion en la vertical
HIDROLOGIA DEL SUELO
Conductividad del suelo
Difusividad del suelo
Un ejemplo del
potencial de la humedad
del suelo para cambiar
el clima regional
•
Sensibilidad a la especificación de humedad
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1. Locations of climate surface stations within the region of soil moisture change. 1) Ludhiana (30.93 N, 75.87 E), 2) Bikaner (28.0 N, 73.3 E),
3) Neemuch (24.47 N, 74.9 E), 4) Jhansi (25.45 N, 78.58 E)
THIRD EXAMPLE EXPERIMENTAL DESIGN With Dr. Sen Roy University of Miami
SINGLE DOMAIN ΔX=30km
Soil moisture changed over green
region
March 5 and March 23 experiments
CTRL-DRY15 CTRL-WET15
a b
Differences in 24 h accumulated precipitation (a,b) March 5 and (c,d) March 23 (c,d)
CTRL-DRY15 CTRL-WET15
CTRL-DRY15 CTRL-WET15
Vertical cross seccions of Eq. Potential Temperature (K)
March 5 March 5
SENSIBLE HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)
CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15
LATENT HEAT FLUX DIFFERENCES MARCH 23 (NOON)
CTRL-DE05 CTRL-DE10 CTRL-DE15
