Comparison of different energy-water balance models on a walnut grove

The work carried out within this thesis aims to study different configuration of the water and energy balance schemes into a distributed hydrological model by analyzing them on a case study, a walnut grove characterized by high spatial heterogeneity with the presence of trees and grass/bare soil interrow. The Politecnico di Milano, through campaigns in three different years (2019, 2020 and 2021), installed an Eddy Covariance station in the center of the agricultural field which made it possible to obtain the meteorological variables, energy fluxes and the soil moisture evolution. The time series thus obtained were prepared and used as input to the models or as a comparison for the calibration and validation phases with respect to the simulated values. In addition, vegetation variables were obtained from satellite images. The different water and energy balance schemes studied in the work are: FEST-EWB, FEST-EWB-2layers and FEST-2-EWB. The first is the original energy-water balance model based on the land surface temperature (LST) as a closure of the energy budget, the second one includes a second soil layer while the third considers a two-sources energy scheme considering the soil and vegetation components. After defining the parameters and executing the calibration and validation phases, for each model the results were analyzed and after that it was carried out a comparative analysis between the models. All the models obtained good results of the quantities taken into consideration and in particular the second and third models confirmed the choice made in the hypotheses, providing the results that would have been expected, i.e. a good representation of the dynamics of soil moisture in the superficial layer for the FEST-EWB-2layers and of the distinction in energy fluxes between soil and vegetation components for the FEST-2-EWB.

Il lavoro svolto all’interno di questa tesi si prefigge di andare a studiare diverse configurazioni degli schemi di bilancio idrico ed energetico all’interno di un modello idrologico distribuito attraverso l’analisi condotta su un caso studio, un noceto caratterizzato da elevata eterogeneità spaziale con presenza di alberi e prato/terreno nudo interfilare. Il Politecnico di Milano, attraverso delle campagne in tre anni differenti (2019, 2020 e 2021), ha installato una stazione Eddy Covariance al centro del campo agricolo che ha permesso di ricavare le variabili metereologiche, i flussi energetici e l’evoluzione dell’umidità nel suolo. Le serie temporali così ottenute sono state preparate e usate come input ai modelli o come confronto per la fase di calibrazione e validazione rispetto ai valori simulati. In aggiunta, delle variabili sulla vegetazione sono state ricavate a partire da immagini satellitari. I diversi schemi di bilancio idrico-energetico studiati nel lavoro sono: FEST-EWB, FEST-EWB-2layers e FEST-2-EWB. Il primo è il modello originale di bilancio idrico-energetico basato sull’uso della temperatura della superficie terrestre (LST) come chiusura del bilancio energetico, il secondo include un secondo strato di suolo mentre il terzo considera uno schema energetico a due fonti considerando le componenti del suolo e della vegetazione. Definiti i parametri ed eseguite le fasi di calibrazione e validazione, per ciascun modello si sono analizzati i risultati e successivamente è stata effettuata un’analisi comparativa tra i modelli. Tutti i modelli hanno ottenuto dei buoni risultati delle grandezze prese in esame e in particolare il secondo e il terzo modello hanno confermato la scelta fatta nelle ipotesi, fornendo i risultati che ci si sarebbe aspettati, ossia una buona rappresentazione delle dinamiche dell’umidità nello strato di suolo superficiale per il FEST-EWB-2layers e della distinzione nei flussi energetici tra componente del suolo e della vegetazione per il FEST-2-EWB.