Investigation of the nonlinear hydrologic response to precipitation forcing in physically based land surface modeling

摘要

Dans cet article, on s'intéresse à l'effet du forçage des précipitations sur les variables hydrologiques de la surface terrestre prédites par un schéma de surface à référence physique. Les aspects pris en considération sont les différences dans les valeurs d'entrée de précipitation pour un ensemble de mesures acquises par capteur et d'échelles temporelles d'agrégation. On déduit les accumulations de précipitation à des échelles d'intervalle d'une heure, deux heures, trois heures et six heures à partir des mesures standards de précipitation à une résolution de 5 min acquises par pluviomètre, des estimations horaires de précipitation radar WSR-88D étalonnées par rapport au pluviomètre et des extractions horaires de précipitation infrarouge satellitaire étalonnées par capteur micro-ondes passives. La résolution spatiale des estimations de précipitation est fixée par rapport à une grille d'une maille de un degré. Le modèle de surface communautaire (CLM, « community land model ») en mode autonome est utilisé pour simuler les paramètres de surface forcés par des paramètres météorologiques externes. La région d'étude et les données représentent deux sites distincts au niveau de la végétation (couvert de végétation important et faible) en Oklahoma. Les données utilisées comprennent une saison chaude (mai-août 2002) de données météorologiques in situ obtenues du réseau Oklahoma Mesonet. Le modèle CLM est forcé par rapport à trois ensembles différents de données d'entrée de précipitation en fonction d'échelles temporelles variables (aux intervalles d'une heure à six heures).%This paper is concerned with the effect of precipitation forcing on land surface hydrological variables predicted by a physically based land surface scheme. The aspects considered are the differences in precipitation input across varying sensor measurements and temporal scales of aggregation. Precipitation accumulations at 1-, 2-, 3-, and 6-h time scales are derived on the basis of standard 5-min rain gauge rainfall measurements, hourly rain gauge calibrated WSR-88D radar rainfall estimates, and passive microwave calibrated half-hourly satellite infrared rain retrievals. The spatial resolution of the rainfall estimates is fixed to 1° grid boxes. The off-line community land model (CLM) is used to simulate land surface parameters on the basis of external meteorological forcing parameters. The study region and data consist of two vegetation-distinct (high and low vegetation cover) sites in Oklahoma. The data used include one warm season (May-August 2002) of in situ meteorological data from the Oklahoma Mesonet. The CLM is forced with the three different rainfall input datasets for varying temporal scales (1-6 h). Relative difference statistics in terms of rainfall and land surface parameters are presented between the two remote sensing rain retrievals and the gauge rainfall measurements used as reference. Results show that the hydrological response is nonlinear and strongly dependent on the error characteristics of the retrieval (e.g., more temporal correlated rainfall error results in higher error propagation in land surface parameters). We also investigate the temporal lag correlation of the error in rainfall with the error in the various land surface hydrological variables. Time resolution is shown to have an effect on the error statistics of the hydrologic variables. Coarse time resolutions are associated with errors of lower variance and higher correlation.