Influence of Subsurface Hydrodynamics on the Lower Atmosphere at the Catchment Scale

Abstract

Processes (e.g., groundwater flow, evapotranspiration, precipitation) in different compartments of the hydrological cycle (e.g., subsurface, land surface, and atmosphere) show characteristic variability at different space-time scales and interact with each other through complex non-linear feedback mechanisms. In the hydrologic cycle, subsurface hydrodynamics that may be expressed through the presence of a free water table, interact with land surface mass and energy balance components (e.g., shallow soil moisture and evapotranspiration), which may significantly affect atmospheric processes (e.g., atmospheric boundary layer height and convective precipitation). This thesis aims to understand and quantify the feedback mechanisms between groundwater dynamics and the atmosphere via land surface processes at the catchment scale by analyzing the space-time variability of the fluxes and states of the coupled water and energy cycles. Both modeling and observations of various mass and energy balance components of the hydrological cycle are applied in order to achieve this goal. A coupled simulation platform consisting of a subsurface model (ParFlow), a land surface model (CLM3.5), and an atmospheric model (COSMO-DE) is applied over a model domain encompassing the Rur catchment, Germany, to simulate the fluxes from the subsurface across land surface into the atmosphere over multiple years. The coupled model continuously simulates the mass and energy fluxes over space and time for all three compartments of the hydrological cycle. A comprehensive comparison between the model results and observations demonstrates the model’s capability to reproduce the dynamics as well as the absolute values of the mass and energy fluxes (e.g., shallow soil moisture, groundwater table depth, latent heat flux, sensible heat flux, near-surface temperature). Statistical, geostatistical, and spectral analysis techniques are used to explore the inherent variability of the compartmental mass and energy fluxes, which reveals the interconnections of the compartmental processes at various space-time scales. In this thesis, a novel concept of a <em>dual-boundary forcing</em> is introduced to represent and quantify the interactions between the compartmental mass and energy balance components at the relevant space and time scales. According to this concept, atmosphere and groundwater act as the upper and lower boundary conditions, respectively, for the land surface. The dominating boundary condition controlling the variability of land surface processes is determined by space and time localized moisture and energy availability. This concept states that the space-time patterns of land surface processes can be explained by the variability of the dominating boundary condition, which is corroborated by applying continuous wavelet transform and variogram techniques on the model results and observations. In the ensuing step, the proposed <em>dual-boundary forcing </em>concept is tested considering different lower boundary conditions based on groundwater dynamics in a coupled subsurface-land surface model. The results show that there are significant and predictable differences in the variability of land surface processes at monthly to multi-month time scales from the model configurations with different lower boundary conditions, which indicates that the representation of groundwater dynamics in a numerical simulation platform affects the temporal variability of land surface processes. For example, it was demonstrated that the temporal variability of evapotranspiration simulated by a coupled subsurface-land surface model is reduced at monthly to multi-month time scales in case of a simplified representation of groundwater dynamics. Finally, fully integrated simulations of the terrestrial hydrological cycle are performed considering different groundwater dynamics in a subsurface-land surface-atmosphere model of the larger Rur catchment to study the influence of subsurface hydrodynamics on local weather generating processes. The results show that differences in groundwater dynamics in the model affect shallow soil moisture, evapotranspiration, and sensible heat transfer, which influences atmospheric boundary layer height, convective available potential energy, and precipitation especially under strong convective conditions. These results suggest that groundwater dynamics may generate systematic uncertainties in atmospheric simulations in a fully-coupled model. This thesis reveals that the presence of groundwater dynamics is important to take into account in atmospheric simulations and water resources assessments, such as, drought prediction.

Die Prozesse (z.B. Grundwasserströmung, Evapotranspiration, Niederschlag), die in den verschiedenen Kompartimenten des hydrologischen Kreislaufs (z.B. Boden, Landoberfläche und Atmosphäre) stattfinden, zeigen eine charakteristische Variabilität auf verschiedenen Zeit- und Raumskalen. Sie interagieren miteinander durch komplexe nicht-lineare Feedback-Mechanismen. Die Hydrodynamik des Bodens kann beispielsweise durch einen frei beweglichen Grundwasserspiegel formuliert werden und interagiert mittels Komponenten der Massen- und Energiebilanz mit der Landoberfläche (z.B. oberflächennahe Bodenfeuchte und Evapotranspiration). Der Einfluss der Hydrodynamik auf die Landoberfläche kann wiederum signifikante Auswirkungen auf die atmosphärischen Prozesse herbeiführen (z.B. die Höhe der atmosphärischen Grenzschicht und konvektiven Niederschlag). Diese Arbeit fokussiert sich auf diese Feedback-Mechanismen, die zwischen Grundwasserdynamik und Atmosphäreneigenschaften via Landoberflächenprozesse auf der Einzugsgebietsskala entstehen können. Das Verständnis und die Bewertung dieser Mechanismen wird durch die Analyse der Raum-Zeitvariabilität der Zustände und Flüsse des gekoppelten Wasser- und Energiekreislaufes erzielt. Die Verwendung von Beobachtungsdaten und die Modellierung der verschiedenen Komponenten der Massen- und Energiebilanz des hydrologischen Kreislaufs sollen dabei helfen, die entsprechenden Erkenntnisse zu liefern. Eine gekoppelte Simulationsplattform, die aus einem Boden-Grundwassermodell (ParFlow), einem Landoberflächenmodell (CLM3.5) und einem Atmosphärenmodell (COSMO-DE) besteht, wird über das Einzugsgebiet der Rur (Deutschland) angewendet. In diesem gekoppelten System werden die Massen- und Energieflüsse von den untersten Bodenschichten über die Landoberfläche bis in die Atmosphäre über einen Zeitraum von mehreren Jahren durchgängig in Zeit und Raum simuliert. Ein umfassender Vergleich zwischen den Resultaten des Modells und den Beobachtungsdaten demonstriert die Eigenschaft des Modells, die Dynamik und die absoluten Werte des Massen- und Energieflusses (z.B. oberflächennahe Bodenfeuchte, Grundwasserspiegel, latenten und fühlbaren Wärmefluss, bodennahe Temperaturen) zu reproduzieren. Statistische, geostatistische und spektrale Analysetechniken werden genutzt, um die inhärente Variabilität der Massen- und Energieflüsse der entsprechenden Kompartimente zu identifizieren. Durch diese Analysetechniken lassen sich die Zweiwegekopplungen der Prozesse der entsprechenden Kompartimente in verschiedenen Zeit- und Raumskalen bestimmen. In dieser Arbeit wird ein neues Konzept des <em>dual-boundary forcings</em> eingeführt, um die Interaktion zwischen den Komponenten der Massen- und Energiebilanz der entsprechenden Bereiche in den relevanten Raum- und Zeitskalen zu repräsentieren und quantifizieren. Die Atmosphäre und das Grundwasser agieren diesem Konzept entsprechend als obere, respektive untere Randbedingung für die Landoberfläche. Die zeitliche und räumliche Verfügbarkeit von Feuchte und Energie bestimmt hierbei die dominierende Randbedingung bezüglich der Variabilität der Landoberflächenprozesse. Das Konzept des <em>dual-boundary forcings</em> konstatiert im weiteren Verlauf, dass die zeitlichen und räumlichen Strukturen der Landoberflächenprozesse durch die Variabilität der dominierenden Randbedingung erklärt werden kann. Dieser Einfluss der Randbedingung auf die Landoberfläche wird durch die Anwendung der Kontinuierliche Wavelet-Transformation und Variogrammanalysen der Modellresultate und der Beobachtungsdaten gezeigt. Im darauffolgenden Schritt wird unter der Betrachtung verschiedener unterer Randbedingungen, basierend auf der Grundwasserdynamik des gekoppelten Boden-Landoberflächenmodells, das aufgestellte <em>dual-boundary forcing</em> Konzept getestet. Die Ergebnisse der Simulationen mit den verschiedenen unteren Randbedingungen zeigen, dass es signifikante vorhersagbare Unterschiede in der Variabilität von Landoberflächenprozessen im Bereich von monatlichen bis hin zu Zeitskalen von mehreren Monaten gibt. Dies zeigt, dass das Vorhandensein der Grundwasserdynamik in einer numerischen Simulationsplattform die zeitliche Variabilität der Landoberflächenprozesse beeinflußt. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass die zeitliche Variabilität der Evapotranspiration durch ein gekoppeltes Boden-Grundwassermodell simuliert wird monatlich zu mehrmonatigen Zeitskalen bei einer vereinfachten Darstellung der Grunddynamik verringert. In einem letzten Schritt werden unter der Berücksichtigung verschiedener Randbedingungen der Grundwasserdynamik im Boden-Landoberflächen-Atmosphären Modell des erweiterten Rur-Einzugsgebiets komplett integrierte Simulationen des terrestrischen, hydrologischen Kreislaufs durchgeführt, um den Einfluss der Hydrodynamik des Bodens auf lokale, wetterbestimmende Prozesse zu analysieren. Die Ergebnisse zeigen, dass unterschiedliche Grundwasserdynamiken des Modells einen signifikanten Einfluß auf die landoberflächennahe Bodenfeuchte, die Evapotranspiration und fühlbaren Wärmeströme ausüben. Diese weisen wiederum einen Einfluss auf die Grenzschichthöhe, CAPE (convective available potential energy) und den Niederschlag, besonders unter stark konvektiven Konditionen auf. Diese Resultate lassen den Schluß zu, dass die Grundwasserdynamik in vollgekoppelten Modellen systematische Unsicherheiten in atmosphärischen Simulationen generieren können. Unter der Berücksichtigung von Modellresultate und Beobachtungen zeigt diese Arbeit auf, dass das Vorhandensein der Grundwasserdynamik in numerischen Simulationsplattformen die Variabilität der Prozesse durch Massen- und Energieflüsse der entsprechenden Kompartimente an der Landoberfläche beeinflusst. Aufgrund dieser Ergebnisse ist es wichtig, das Vorhandensein der Grundwasserdynamik bei atmosphärischen Simulationen und Anwendungen in der Wasserbewirtschaftung, wie zum Beispiel Vorhersagen von Dürreperioden, zu berücksichtigen.