Improving the hydrology of the Simple Biosphere Model 2 and its evaluation within the framework of a distributed hydrological model

摘要

The hydrological description of the Simple Biosphere Model 2 (SiB2) is improved in three respects. First, the SiB2 three-layer soil model is replaced with a multi-layer soil column coupled to a lumped unconfmed aquifer model. Next, lateral water flows are described in the updated soil model. Finally, the soil hydraulic function in SiB2 is replaced with van Genuchten parameterization, and exponential vertical soil heterogeneity is described. In using observed streamflow to evaluate the hydrologically improved SiB2 (HydroSiB2), a new hydrological model (HydroSiB2-DHM) was developed by embedding HydroSiB2 into the spatial framework of a distributed hydrological model. Three-year fine temporal scale meteorological data from a small river basin were used to drive both HydroSiB2-DHM and SiB2-DHM (the same as HydroSiB2-DHM but with the original SiB2). Sub-grid topography was considered in both model runs, and analyses were based on basin-averaged values to maintain consistency with the regional evaluation using streamflow. The results show that HydroSiB2-DHM performs well in both fine and coarse time-scale runoff simulations; while SiB2-DHM captures inter-annual and seasonal runoff changes, but gives poor results in simulations at finer temporal-scales (daily and hourly). Owing to the treatment of lateral flows and using a multi-layer soil model coupled with a lumped unconfmed aquifer in HydroSiB2, the soil moisture budget is qualitatively improved. In recession periods, the basin-averaged bare soil evaporation reduced by about 0.1 mm/d, resulting in a decrease in the latent heat flux and an increase in sensible heat flux of about 3.9 and 3.2 W/m~2, respectively.%La description hydrologique du Modèle Simple de Biosphère (SiB2) est améliorée à trois égards. D'abord, le modèle de sol à trois couches de SiB2 est remplacé par une colonne de sol multi-couches couplée à un modèle global d'aquifère libre. Puis les écoulements latéraux sont décrits dans le modèle de sol mis à jour. Enfin la fonction hydraulique du sol dans SiB2 est remplacée par la paramétrisation de van Genuchten, et l'hétérogénéité verticale exponentielle du sol est décrite. La version améliorée sur le plan hydrologique de SiB2 (HydroSiB2) étant évaluée compte tenu de l'écoulement observé en cours d'eau, un nouveau modèle hydrologique (HydroSiB2-DHM) a été développé en inscrivant HydroSiB2 dans le cadre spatial d'un modèle hydrologique distribué. Trois ans de données météorologiques fines d'un petit bassin versant ont été utilisées pour piloter HydroSiB2-DHM et SiB2-DHM (similaire à HydroSiB2-DHM mais avec le SiB2 original). La topographie infra-maille a été considérée dans les deux mises en œuvre de simulation, et les analyses ont été basées sur des valeurs moyennes pour le bassin versant afin de conserver la cohérence avec l'évaluation régionale basée sur l'écoulement en cours d'eau. Les résultats montrent que HydroSiB2-DHM a de bonnes performances pour la simulation de l'écoulement aux échelles de temps fines et larges; tandis que SiB2-DHM capture les changements interannuels et saisonniers d'écoulement, mais donne de pauvres résultats de simulation aux échelles de temps plus fines (quotidiennes et horaires). En raison du traitement des écoulements latéraux et de l'utilisation d'un modèle de sol multi-couches couplé à un modèle global d'aquifère libre dans HydroSiB2, le bilan de l'humidité du sol est qualitativement amélioré. En périodes de récession, l'évaporation sur sol nu moyenne pour le bassin versant est réduite d'environ 0.1 mm/jour, ce qui induit une diminution du flux de chaleur latente et une augmentation du flux de chaleur sensible d'environ 3.9 et 3.2 W/m~2 respectivement.