Assessing basin evapotranspiration from aerodynamic resistance analysis at field scale

Surface energy fluxes (sensible and latent heat) and, thus, evapotranspiration, play a key role in the hydrological cycle and in land-atmosphere interaction. For this reason, a correct quantification of these variables is fundamental in several fields of application, both at basin and at filed scales. This study is focused on the impact of the aerodynamic resistance to heat transfer (rah) on surface energy fluxes estimates, both in agricultural and natural landscapes. In particular, different rah parameterizations are used to estimate sensible heat flux (H) and are validated at the field scale, using H measurements from two micrometeorological eddy covariance stations: in a maize crop and a subalpine coniferous forest. Moreover, for the maize canopy, the effect of rah on sensible heat flux estimates is evaluated distinguishing the different growing phases of the crop: from bare soil, through the emergence of the plants and to the full development of vegetation. Results show that all the models overestimate the sensible heat flux and that their performances change in relation to the type of the vegetation coverage, and, in particular, in function of the vegetation height. This local analysis permit to identify the most suitable rah equations, to be implemented in the distributed hydrological model FEST-EWB, aiming at calculating latent and sensible heat at the basin scale. The effect of using different rah parameterizations is evaluated also at distributed scale and the performances of each model are calculated by comparing land surface temperature (LST) maps observed by MODIS satellite with those simulated using each rah equation. Results show that also at the basin scale the behavior of the models is strictly related to the vegetation height. Moreover, from the comparisons between observations and estimations, respectively of H or rah, different multiplicative correction factors are retrieved for each of the selected rah models, and the new resulting models are tested at the distributed scale. Eventually, the whole analysis permits to generate the most adequate combination of rah parameterizations in function of different classes of vegetation height, to be implemented in the distributed hydrological model in order to carry out more precise estimates of surface energy fluxes at the basin scale.

La stima dell’evapotraspirazione (e dei flussi di calore latente e sensibile) gioca un ruolo fondamentale all'interno del ciclo idrologico, e, più in generale, costituisce un tassello cruciale nella modellazione degli scambi di materia ed energia fra la superficie terrestre e l'atmosfera. Per tale motivo, ottenere una stima, che sia il più possibile corretta, di tali variabili è fondamentale in diversi campi di applicazione, sia a livello di bacino che a scala irrigua locale. Questo studio ha l’obiettivo di quantificare l’effetto della resistenza aerodinamica al trasferimento di calore (rah) sulle stime dei flussi energetici superficiali, sia nei paesaggi agricoli che naturali. Nello specifico, sono stati studiati diversi modelli di rah al fine di stimare il flusso di calore sensibile (H) . Tali stime sono state validate utilizzando i dati di calore sensibile misurati da due stazioni micrometeorologiche eddy covariance, collocate rispettivamente in un campo di mais e in una foresta di conifere. In particolare, per quanto riguarda il caso studio relativo al campo di mais, l'effetto della resistenza aerodinamica sulle stime del flusso di calore sensibile è stato valutato distinguendo le diverse fasi di crescita della vegetazione: dalla condizione di assenza di vegetazione fino al raggiungimento della fase di massimo sviluppo della pianta. I risultati mostrano come tutti i modelli confrontati sovrastimino il flusso di calore sensibile e come le loro prestazioni cambino in funzione della tipologia di vegetazione, ed, in particolare, in funzione dell'altezza della vegetazione. Tale analisi a scala locale ha permesso di identificare le equazioni di rah più adatte, da implementare all’interno di un modello idrologico distribuito (FEST-EWB), con l'obiettivo di estendere la stima dei flussi di calore latente e sensibile alla scala di bacino. L'effetto dell'utilizzo di diverse equazioni di rah è stato quindi valutato anche a livello distribuito. Nello specifico, le prestazioni di ciascun modello sono state calcolate confrontando le mappe di temperatura superficiale (LST) osservate da satellite (MODIS) con quelle simulate tramite implementazione delle equazioni di rah selezionate. I risultati mostrano che anche a scala di bacino il comportamento dei modelli è strettamente correlato all'altezza della vegetazione. Infine, ogni modello di rah selezionato è stato successivamente corretto, mediate fattori di correzione moltiplicativi, ricavati sulla base dei confronti tra i valori osservati e stimati di H o di rah, eseguiti alla scala locale. I nuovi modelli risultanti sono stati quindi implementati all’interno del modello idrologico distribuito FEST-EWB e testati a livello distribuito. In conclusione, l’intero studio ha permesso di valutare la combinazione più adeguata di equazioni per la stima di rah, in funzione delle diverse classi di altezza della vegetazione, da implementare nel modello idrologico distribuito al fine di effettuare stime più precise dei flussi di energia superficiale a scala di bacino.