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Studies on Surface resistance in a hydrological model with the evapotranspiration estimated by Penman-Monteith equation and remote sensing techniuqes in Nahe catchment forest area

Untersuchungen zur Parametrisierung des Oberflächenwiderstandes in einem hydrologischen Modell " Vergleichende Schätzung der Evapotranspiration auf Basis von Penman-Monteith-Gleichung und Fernerkundungsmethoden für die Waldflächen im Nahe-Einzugsgebiet.

  • Evapotranspiration (ET) is one of the most important variables in hydrological studies. In the ET process, energy exchange and water transfer are involved. ET consists of transpiration and evaporation. The amount of plants transpiration dominates in ET. Especially in the forest regions, the ratio of transpiration to ET is in general 80-90 %. Meteorological variables, vegetation properties, precipitation and soil moisture are critical influence factors for ET generation. The study area is located in the forest area of Nahe catchment (Rhineland-Palatinate, Germany). The Nahe catchment is highly wooded. About 54.6 % of this area is covered by forest, with deciduous forest and coniferous forest are two primary types. A hydrological model, WaSiM-ETH, was employed for a long-term simulation from 1971-2003 in the Nahe catchment. In WaSiM-ETH, the potential evapotranspiration (ETP) was firstly calculated by the Penman-Monteith equation, and subsequently reduced according to the soil water content to obtain the actual evapotranspiration (ETA). The Penman-Monteith equation has been widely used and recommended for ETP estimation. The difficulties in applying this equation are the high demand of ground-measured meteorological data and the determination of surface resistance. A method combined remote sensing images with ground-measured meteorological data was also used to retrieve the ETA. This method is based on the surface properties such as surface albedo, fractional vegetation cover (FVC) and land surface temperature (LST) to obtain the latent heat flux (LE, corresponding to ETA) through the surface energy balance equation. LST is a critical variable for surface energy components estimation. It was retrieved from the TM/ETM+ thermal infrared (TIR) band. Due to the high-quality and cloudy-free requirements for TM/ETM+ data selection as well as the overlapping cycle of TM/ETM+ sensor is 16 days, images on only five dates are available during 1971-2003 (model ran) " May 15, 2000, July 05, 2001, July 19, August 04 and September 21 in 2003. It is found that the climate conditions of 2000, 2001 and 2003 are wet, medium wet and dry, respectively. Therefore, the remote sensing-retrieved observations are noncontinuous in a limited number over time but contain multiple climate conditions. Aerodynamic resistance and surface resistance are two most important parameters in the Penman-Monteith equation. However, for forest area, the aerodynamic resistance is calculated by a function of wind speed in the model. Since transpiration and evaporation are separately calculated by the Penman-Monteith equation in the model, the surface resistance was divided into canopy surface resistance rsc and soil surface resistance rse. rsc is related to the plants transpiration and rse is related to the bare soil evaporation. The interception evaporation was not taken into account due to its negligible contribution to ET rate under a dry-canopy (no rainfall) condition. Based on the remote sensing-retrieved observations, rsc and rse were calibrated in the WaSiM-ETH model for both forest types: for deciduous forest, rsc = 150 sm−1, rse = 250 sm−1; for coniferous forest, rsc = 300 sm−1, rse = 650 sm−1. We also carried out sensitivity analysis on rsc and rse. The appropriate value ranges of rsc and rse were determined as (annual maximum): for deciduous forest, [100,225] sm−1 for rsc and [50,450] sm−1 for rse; for coniferous forest, [225,375] sm−1 for rsc and [350,1200] sm−1 for rse. Due to the features of the observations that are in a limited number but contain multiple climate conditions, the statistical indices for model performance evaluation are required to be sensitive to extreme values. In this study, boxplots were found to well exhibit the model performance at both spatial and temporal scale. Nush-Sutcliffe efficiency (NSE), RMSE-observations standard deviation ratio (RSR), percent bias (PBIAS), mean bias error (MBE), mean variance of error distribution (S2d), index of agreement (d), root mean square error (RMSE) were found as appropriate statistical indices to provide additional evaluation information to the boxplots. The model performance can be judged as satisfactory if NSE > 0.5, RSR ≤ 0.7, PBIAS < -±12, MBE < -±0.45, S2d < 1.11, d > 0.79, RMSE < 0.97. rsc played a more important role than rse in ETP and ETA estimation by the Penman-Monteith equation, which is attributed to the fact that transpiration dominates in ET. The ETP estimation was found the most correlated to the relative humidity (RH), followed by air temperature (T), relative sunshine duration (SSD) and wind speed (WS). Under wet or medium wet climate conditions, ETA estimation was found the most correlated to T, followed by RH, SSD and WS. Under a water-stress condition, there were very small correlations between ETA and each meteorological variable.
  • Die Evapotranspiration (ET) ist eine der wichtigsten Variablen in hydrologischen Studien. Beim Prozess der Evapotranspiration finden Energieaustausch und Wasserfluss statt. Die ET setzt sich aus Transpiration und Evaporation zusammen. ET wird durch den Anteil der Pflanzentranspiration dominiert. Insbesondere in Waldregionen ist der Anteil der Transpiration an der ET 80-90 %. Meteorologische Variablen, Vegetationseigenschaften, Niederschlag und Bodenfeuchte sind kritische Einflussgrößen für Ableitung der ET. Das Untersuchungsgebiet ist das Waldgebiet des Nahe-Einzugsgebietes (Rheinland-Pfalz, Deutschland). Das Nahe-Einzugsgebiet weist einen hohen Waldanteil auf: Ungefähr 54,6 % der Fläche sind waldbedeckt, mit Laub- und Nadelwald als die beiden dominierenden Typen. Im hydrologischen Modell WaSiM-ETH wird die potenzielle Evapotranspiration (ETP) über die Penman-Monteith-Gleichung errechnet. Danach wird dieser Wert über den Bodenwassergehalt auf die aktuelle Evapotranspiration (ETA) reduziert. Die Penman-Monteith-Formel wird weithin eingesetzt und empfohlen für die Schätzung der ETP. Die Schwierigkeiten bei der Anwendung dieser Formel liegen in ihrem hohen Bedarf an meteorologischen Eingangsdaten und an der Notwendigkeit den Oberflächenwiderstand (surface resistance) zu bestimmen. In dieser Studie wurde eine weitere Methode zu Schätzung der ETA eingesetzt. Dazu wurden Fernerkundungsdaten mit meteorologischen Messwerten kombiniert. Diese Methode basiert auf Oberflächeneigenschaften wie Oberflächenalbedo, Anteil Pflanzenbewuchs (FVC) und der Oberflächentemperatur (LST). Aus diesen Informationen wird der latente Wärmestrom (LE, entspricht ETA) abgeleitet. Die Oberflächentemperatur ist dabei die kritische Variable für die Schätzung einzelnen Komponenten der Oberflächenenergiebilanz. LST wurde aus dem Thermalkanal von TM/ETM+ abgeleitet. Es wurden nur sehr gute, wolkenfreie Datensätze verwendet, was die verfügbaren Datensätze auf fünf Termine einschränkt. Innerhalb der Periode 1971-2003 (Modelllauf) wurden Werte für den 15.5.2000, den 5.7.2001, den 19.7.2003, den 4.8.2003 und den 21.9.2003 abgeleitet. Die klimatischen Bedingungen waren für die Termine in 2000, 2001 and 2003 nass, feucht und trocken. Das bedeutet, dass die Fernerkundungsdaten zwar nur für wenige Termine vorliegen aber ganz unterschiedliche Feuchtebedingungen abdecken. Der aerodynamische Widerstand und der Oberflächenwiderstand sind die beiden wichtigsten Parameter der Penman-Monteith-Gleichung. Im Wald wird der aerodynamische Widerstand durch eine Funktion derWindgeschwindigkeit ermittelt. Da Transpiration und Evaporation separat gerechnet werden, wird der Oberflächenwiderstand in den Bestandeswiderstand rsc und den Bodenwiderstand rse aufgeteilt. rsc bezieht sich auf die Transpiration rse auf die Verdunstung der unbewachsenen Bodenoberfläche. Die Interzeptionsverdunstung wurde nicht berücksichtigt, da sie unter trockenen Bedingungen (kein Niederschlag) vernachlässigt werden kann. Auf der Basis der Fernerkundungsschätzungen wurden rsc und rse im Modell WaSiMETH kalibriert. Für Laubwald ist rsc = 150 sm−1, rse = 250 sm−1; für Nadelwald ist rsc = 300 sm−1, rse = 650 sm−1. Außerdem wurde eine Sensitivitätsanalyse für rsc und rse durchgeführt mit folgenden Werte-Intervallen: Laubwald [110,225] sm−1 für rsc, [50,450] sm−1 für rse; für Nadelwerte [225,375] sm−1 für rsc und [350,1200] sm−1 für rse. Wegen der Tatsache, dass nur wenige Beobachtungsdaten mit verschiedenen klimatischen Bedingungen vorliegen sind statistische Indices notwendig to sensitiv auf Extremwerte sind. Mit Hilfe von Boxplots konnte die Modellgüte sowohl auf der zeitlichen als auch auf der räumlichen Skale gut dargestellt werden. Es wurden Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE), RMSEobservations standard deviation ratio (RSR), Prozentuale Abweichung (PBIAS), mittlerer Bias-Fehler (MBE), mittlere Varianz der Fehler (S2d), index of agreement (d) und RMSE (root mean square error) als geeignete Kennwerte angesehen um die Modellgüte zu evaluieren. Ein Modell wurde als akzeptabel bewertet, wenn NSE > 0.5, RSR ≤ 0.7, PBIAS < -±12, MBE < -±0.45, S2d < 1.11, d > 0.79, RMSE < 0.97. rsc spielt eine wichtigere Rolle als rse bei Abschätzung von ETP und ETA mittels der Penman-Monteith-Gleichung, was dadurch erklärt werden kann, dass die Transpiration ET dominiert. The Schätzung von ETP ist am stärksten korreliert mit der relativen Feuchte (RH), gefolgt von der Lufttemperatur (T), der relativen Sonnenscheindauer (SSD) und der Windgeschwindigkeit (WS). Unter nassen oder feuchten Bedingungen ist die Schätzung von ETA am stärksten mit der Temperatur korreliert, gefolgt von RH, SSD und WS. Unter Bedingungen mit Wasserstress existieren nur noch geringe Korrelationen zwischen ETA und den einzelnen meteorologischen Variablen.

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Metadaten
Author:Weiwei Bie
URN:urn:nbn:de:hbz:385-9544
Advisor:Markus Casper
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of completion:2015/10/19
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2015/07/24
Release Date:2015/10/19
Tag:Penman-Monteith equation; actual evapotranspiration; canopy surface resistance; remote sensing; soil surface resistance
GND Keyword:Bestandeswiderstand; Bodenwiderstand; Fernerkungung; Penman-Monteith-Gleichung; aktuelle Evapotranspiration
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

$Rev: 13581 $