Soil moisture in process-based modeling in cold environments

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201908223267
Title: Soil moisture in process-based modeling in cold environments
Author: Tyystjärvi, Vilna
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Science
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2019
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-201908223267
http://hdl.handle.net/10138/304813
Thesis level: master's thesis
Degree program: Maantieteen maisteriohjelma
Master's Programme in Geography
Magisterprogrammet i geografi
Specialisation: Luonnonmaantiede
Physical Geography
Naturgeografi
Discipline: none
Abstract: Maaperän kosteus vaikuttaa lukuisiin ympäristöprosesseihin ja ilmastollisiin tekijöihin. Se on tärkeä osa hydrologista kiertoa, mutta sen alueelliseen ja ajalliseen vaihteluun vaikuttavat tekijät ovat monimutkaisia ja toisiinsa kytkeytyneitä. Maaperän kosteus vaikuttaa usein myös itse sitä säätelevien prosessien voimakkuuteen. Nämä tekijät vaikeuttavat maaperän kosteuden havainnointia ja ennustamista. Kylmissä ympäristöissä kosteuden ennustaminen on erityisen hankalaa, sillä sen on osoitettu vaihtelevan hyvin pienillä mittakaavatasoilla sekä vaikuttavan olennaisesti moniin ekosysteemiprosesseihin. Näiden vaihteluiden ja prosessien vaikutusten tarkasteluun on kehitetty lukuisia hydrologisia prosessimalleja, jotka käsittelevät maaperän kosteutta eri tavoin. Mallien erojen ja lähestymistapojen ymmärtäminen on tärkeää, jotta niitä voidaan käyttää oikein. Tätä tutkimusta varten valittiin kolme prosessimallia, jotka kuvailevat maaperän kosteutta eri tavoin ja jotka on kehitetty erilaisia tutkimuskysymyksiä varten. Näillä malleilla simuloitiin maaperän kosteuden alueellista ja ajallista vaihtelua pienellä tutkimusalueella Luoteis-Lapissa. Näistä JSBACH on globaali maanpinnan geofysikaalisia ja -kemiallisia prosesseja kuvaava malli, jota käytetään mallintamaan maanpinnan ja ilmakehän välisen rajapinnan olosuhteita. SpaFHy on hydrologinen valuma-aluemalli, joka on kehitetty kuvaamaan boreaalisten metsien vesitasetta ja haihduntaa. Ecohydrotools puolestaan on hienon spatiaalisen skaalan vaihteluun keskittyvä hydrologinen malli. Mallitulokset osoittavat selkeitä yhteneväisyyksiä sekä eroja verrattuna toisiinsa ja kentällä tehtyihin kosteusmittauksiin. Mallit kykenivät hahmottamaan kosteiden ja kuivien alueiden laajan skaalan sijoittumisen alueella, vaikkakin kosteuden suuruus vaihteli mallien välillä merkittävästi. Kaikilla malleilla oli ongelmia hienon resoluution alueellisen vaihtelun kanssa, erityisesti kuivemmilla alueilla. Ajallinen vaihtelu osoitti enemmän yhteneväisyyksiä mallien välillä, mutta mittausten ja mallien välillä oli myös selkeitä eroja. Nämä tulokset osoittavat, että monet tekijät vaikuttavat mallin kykyyn mallintaa maaperän kosteuden vaihtelua. Vaaditut ympäristömuuttujat, mallien sisältämät kuvailut prosesseista sekä mallien rakenne ja käyttötarkoitus vaikuttavat kaikki lopputuloksiin ja johtavat vaihteleviin arvioihin maaperän kosteudesta. Mallitulosten kehittäminen kylmillä alueilla vaatii parempaa ymmärrystä maaperän kosteuteen vaikuttavista prosesseista sekä yksityiskohtaisempaa tietoa olennaisista ympäristömuuttujista.Soil moisture influences various environmental and climatological processes and is an important part of the hydrological cycle. The processes influencing its spatial and temporal variation are complex and linked with each other as well as influenced by soil moisture itself which makes observing them challenging. This is especially true in cold regions where soil moisture has shown strong fine scale variation and influences numerous ecosystem processes. To test different hypotheses related to soil moisture and to simulate its variation, several hydrological process-based models have been developed. Understanding how these models differ from each other and how they describe soil moisture is crucial in order to use them effectively. For this study, three process-based models representing varying model approaches and answering different research questions were chosen and used to simulate the spatial and temporal variation of soil moisture in a small study area in northwestern Finland. JSBACH is a global-scale land surface model that simulates various geophysical and geochemical processes over land and in the boundary layer between land surface and the atmosphere. SpaFHy is a catchment scale hydrological model developed to simulate water balance and evapotranspiration in boreal forests. Ecohydrotools is a hydrological model used to study fine scale spatial variation in soil hydrology. The model results show clear similarities as well as differences when compared with each other and with field measurements of soil moisture. The strongest similarities are in distinguishing wetter and drier areas in the study area, although the actual moisture content estimations vary between the models. All models show difficulties in simulating finer scale spatial variation, particularly in drier areas. Temporal variation shows more similarities between the models, although there are also clear discrepancies with measurements and the models. These simulations show that there are several things influencing a model’s capability to simulate soil moisture variation. Varying data requirements, included processes as well as model design and purpose all influence the results, leading to varying estimations of soil moisture. Improving model predictions in cold environments requires better understanding of the underlying processes as well as more detailed information on the environmental variables influencing soil moisture.


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
Tyystjarvi_Vilna_Pro_gradu_2019.pdf 15.82Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record