Modeling Land Surface Fluxes from Uncertain Rainfall: A Case Study in the Sahel with Field-Driven Stochastic Rainfields

Autor: Hélène Barral, I. Mainassara, Bernard Cappelaere, Catherine Ottlé, Jérôme Demarty, Théo Vischel, M. Oi, Denis Feurer, Hassane Bil-Assanou Issoufou, J. P. Chazarin, S. Saux-Picart, Benoît Coudert
Přispěvatelé: Hydrosciences Montpellier (HSM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Montpellier 2 - Sciences et Techniques (UM2)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Laboratoire d'étude des Interactions Sol - Agrosystème - Hydrosystème (UMR LISAH), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Centre international d'études supérieures en sciences agronomiques (Montpellier SupAgro)-Institut national d’études supérieures agronomiques de Montpellier (Montpellier SupAgro), Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE), Institut des Géosciences de l’Environnement (IGE), Université Grenoble Alpes (UGA)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université Grenoble Alpes (UGA), Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement [Gif-sur-Yvette] (LSCE), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ), Modélisation des Surfaces et Interfaces Continentales (MOSAIC), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ), Université Dan Dicko Dan koulodo de Maradi (UDDM), Centre national de recherches météorologiques (CNRM), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Météo France-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), IRD, Centre Niamey, Niger, Centre d'études spatiales de la biosphère (CESBIO), Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Université Fédérale Toulouse Midi-Pyrénées-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Météo France-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), INSU-LEFE ALMIP-2, TOSCA SMOS and MISTIGRI, and ANR-Equipex CRITEX (ANR-11-EQPX-0011), ANR-11-EQPX-0011,CRITEX,Parc national d'équipements innovants pour l'étude spatiale et temporelle de la Zone Critique des Bassins Versants(2011), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Université Paris-Saclay-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), ANR-11-EQPX-0011 Institut de Recherche pour le Développement, IRD: INSU-LEFE ALMIP-2, During this study, D.F. was supported by a post-doctorate fellowship from IRD. Additional support by the following French projects is gratefully acknowledged: INSU-LEFE ALMIP-2, TOSCA SMOS and MISTIGRI, and ANR-Equipex CRITEX (ANR-11-EQPX-0011). Field data were collected in the framework of the AMMA-CATCH observatory (www.amma-catch.org)., Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université de Montpellier (UM)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)-Institut Agro - Montpellier SupAgro, Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro)-Institut national d'enseignement supérieur pour l'agriculture, l'alimentation et l'environnement (Institut Agro), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université Grenoble Alpes (UGA)-Institut polytechnique de Grenoble - Grenoble Institute of Technology (Grenoble INP ), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Université de Versailles Saint-Quentin-en-Yvelines (UVSQ)-Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut de Recherche pour le Développement (IRD)-Université Toulouse III - Paul Sabatier (UT3), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Observatoire Midi-Pyrénées (OMP), Université de Toulouse (UT)-Université de Toulouse (UT)-Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Institut national des sciences de l'Univers (INSU - CNRS)-Centre National d'Études Spatiales [Toulouse] (CNES)-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Météo-France -Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-Institut National de Recherche pour l’Agriculture, l’Alimentation et l’Environnement (INRAE)
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2020
Předmět:
Atmospheric Science
010504 meteorology & atmospheric sciences
Scale (ratio)
[SDV]Life Sciences [q-bio]
[SDE.MCG]Environmental Sciences/Global Changes
0207 environmental engineering
land surface model
evapotranspiration
02 engineering and technology
lcsh:QC851-999
Environmental Science (miscellaneous)
[SDV.SA.SDS]Life Sciences [q-bio]/Agricultural sciences/Soil study
Monsoon
Atmospheric sciences
01 natural sciences
South-West Niger
Evapotranspiration
West Africa
020701 environmental engineering
Scaling
Physics::Atmospheric and Oceanic Physics
0105 earth and related environmental sciences
[PHYS.PHYS.PHYS-AO-PH]Physics [physics]/Physics [physics]/Atmospheric and Oceanic Physics [physics.ao-ph]
semiarid
Propagation of uncertainty
Rain gauge
AMMA-CATCH
uncertainty propagation
Field (geography)
Uncertainty coefficient
uncertainty measures
13. Climate action
[SDE]Environmental Sciences
Environmental science
lcsh:Meteorology. Climatology
water and energy fluxes
ensemble simulation
Zdroj: Atmosphere
Atmosphere, MDPI 2020, 11 (5), ⟨10.3390/atmos11050465⟩
Atmosphere, MDPI 2020, 11 (5), ⟨10.3390/ATMOS11050465⟩
Atmosphere, Vol 11, Iss 465, p 465 (2020)
Atmosphere, 2020, 11 (5), ⟨10.3390/atmos11050465⟩
Volume 11
Issue 5
ISSN: 2073-4433
DOI: 10.3390/atmos11050465⟩
Popis: International audience; In distributed land surface modeling (LSM) studies, uncertainty in the rainfields that are used to force models is a major source of error in predicted land surface response variables. This is particularly true for applications in the African Sahel region, where weak knowledge of highly time/space-variable convective rainfall in a poorly monitored region is a considerable obstacle to such developments. In this study, we used a field-based stochastic rainfield generator to analyze the propagation of the rainfall uncertainty through a distributed land surface model simulating water and energy fluxes in Sahelian ecosystems. Ensemble time/space rainfields were generated from field observations of the local AMMA-CATCH-Niger recording raingauge network. The rainfields were then used to force the SEtHyS-Savannah LSM, yielding an ensemble of time/space simulated fluxes. Through informative graphical representations and innovative diagnosis metrics, these outputs were analyzed to separate the different components of flux variability, among which was the uncertainty represented by ensemble-wise variability. Scale dependence was analyzed for each flux type in the water and energy budgets, producing a comprehensive picture of uncertainty propagation for the various flux types, with its relationship to intrinsic space/time flux variability. The study was performed over a 2530 km 2 domain over six months, covering an entire monsoon season and the subsequent dry-down, using a kilometer/daily base resolution of analysis. The newly introduced dimensionless uncertainty measure, called the uncertainty coefficient, proved to be more effective in describing uncertainty patterns and relationships than a more classical measure based on variance fractions. Results show a clear scaling relationship in uncertainty coefficients between rainfall and the dependent fluxes, specific to each flux type. These results suggest a higher sensitivity to rainfall uncertainty for hydrological than for agro-ecological or meteorological applications, even though eddy fluxes do receive a substantial part of that source uncertainty.
Databáze: OpenAIRE
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