Snowpack, surface energy balance, and soil hydrology in cold regions : integration of process-based modelling and multi-source data
Nousu, Jari-Pekka (2024-11-05)
© University of Oulu, 2024. This publication is copyrighted. You may download, display and print it for your own personal use. Commercial use is prohibited. © Oulun yliopisto, 2024. Julkaisu on tekijänoikeussäännösten alainen. Teosta voi lukea ja tulostaa henkilökohtaista käyttöä varten. Käyttö kaupallisiin tarkoituksiin on kielletty.
https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
https://urn.fi/URN:NBN:fi:oulu-202410086221
Kuvaus
Tiivistelmä
In cold regions, the snowpack profoundly influences Earth's energy balance, while snowmelt has a dominating effect on the hydrological cycle and soil moisture dynamics. Snowmelt is important for recharging groundwater storage and transporting moisture across landscapes. This thesis examines key processes in snow, soil hydrology, and land surface energy balance, and challenges in forecasting and modelling these processes. These topics were tackled sequentially over three research articles. First, understanding turbulent transfer in stable boundary layers and the impact of vegetation on snowpack dynamics is limited. Thus, Paper I compared various turbulence parameterizations of the Crocus snowpack model and vegetation configurations of the ISBA land surface model against surface energy flux, snow depth and soil temperature data from Finnish peatlands and forests. The results underscore the key role that stability corrections play when simulating sensible heat flux over peatland snowpacks, and the necessity of explicit vegetation representation for accurate wintertime forest snowpack and energy balance simulations. Second, precipitation forecasts are uncertain, and snow accumulation exhibits high spatial variability due to vegetation and topography effects, leading to biases in snow forecasts. Paper II employed a statistical post-processing method to correct biases in ensemble forecasts of the height of new snow in the French Alps and Pyrenees, demonstrating improved forecast accuracy from site to regional scales. Finally, soil hydrology is affected not only by vertical processes but also by lateral groundwater movement, a process often overlooked in widely used 1D hydrological models. Paper III used the SpaFHy hydrological model, in-situ soil moisture data, and Sentinel-1 synthetic aperture radar data to explore soil moisture controls in a subarctic headwater catchment. Different conceptualizations of groundwater flow were compared against each other and against in-situ data, revealing the significant impact of groundwater dynamics on soil moisture. Integration of multi-scale observations with spatial hydrological modelling showed promise for future studies. These findings inform land use and water resource management in cold regions facing climate change, and guide model selection for ecohydrological studies.
Lumipeitteellä on merkittävä vaikutus maapinnan energiataseeseen, ja sen vesivarasto on olennainen osa veden kiertokulkua. Lumen sulanta täydentää pohjavesivarastot sekä kuljettaa kosteutta maaperässä. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan lumen, maaperän hydrologian ja pinnan energiataseen kannalta keskeisiä prosesseja ja mallinnusmenetelmiä. Väitöskirja koostuu kolmesta itsenäisestä tieteellisestä artikkelista. Ensimmäisessä artikkelissa tutkittiin Crocus-lumimallin parametrisointia ja ISBA-maanpintamallin kasvillisuuden kuvausten toimivuutta suomalaisilla suo- ja metsäekosysteemeillä vertaamalla mallien tuloksia asemilla tehtyihin maan lämpötilan, energiavuon ja lumensyvyyden mittauksiin. Turbulenttisen lämmönsiirron kuvaaminen stabiilissa rajakerroksessa sekä kasvillisuuden rooli lumipeitteen dynamiikkaan tunnetaan yhä varsin heikosti. Tulosten perusteella turbulenttisen lämmönsiirron parametrisoinnilla on keskeinen rooli lämpövuon simuloinnissa lumipakan yllä. Myös kasvillisuuden kuvauksella on huomattava vaikutus mallinnustuloksiin. Toisessa artikkelissa hyödynnettiin tilastollista jälkikäsittelyä korjaamaan lumiennusteiden virheitä Ranskan Alpeilla ja Pyreneillä. Sademäärän ennusteet ovat epävarmoja ja lumipeite vaihtelee suuresti alueittain kasvillisuuden ja topografian vaikutuksesta, minkä yhteisvaikutus aiheuttaa virheitä ennusteissa. Työssä sovellettu tilastollinen jälkikäsittely paransi merkittävästi ennustetarkkuutta pistetasolta alueelliselle tasolle. Kolmannessa artikkelissa tutkittiin subarktisen valuma-alueen maankosteuden ajallista ja paikallista vaihtelua sääteleviä tekijöitä hyödyntämällä hydrologista mallia (SpaFHy), maankosteusmittauksia sekä tutkasatelliitin dataa. Lateraalinen pohjaveden virtaus vaikuttaa voimakkaasti maankosteuden dynamiikkaan, mutta tämä prosessi jää huomiotta laajasti käytetyissä 1D-malleissa. SpaFHy:n pohjavesikuvausten vertailu paljasti pohjaveden virtauksen merkittävän vaikutuksen maankosteuteen. Monipuolisen datan ja mallintamisen integrointi puolestaan osoitti potentiaalia tuleville tutkimuksille. Väitöskirja luo uutta tietoa lumipeitteen ja maaperän hydrologian sekä maapinnan energiataseen kannalta tärkeistä prosesseista kylmillä alueilla. Tulokset tukevat maankäytön ja vesivarojen hallintaa sekä mallien valintaa ekohydrologisissa tutkimuksissa.
Original papers
-
Nousu, J.-P., Lafaysse, M., Mazzotti, G., Ala-aho, P., Marttila, H., Cluzet, B., Aurela, M., Lohila, A., Kolari, P., Boone, A., Fructus, M., & Launiainen, S. (2024). Modeling snowpack dynamics and surface energy budget in boreal and subarctic peatlands and forests. The Cryosphere, 18(1), 231–263. https://doi.org/10.5194/tc-18-231-2024 https://doi.org/10.5194/tc-18-231-2024
-
Nousu, J.-P., Lafaysse, M., Vernay, M., Bellier, J., Evin, G., & Joly, B. (2019). Statistical post-processing of ensemble forecasts of the height of new snow. Nonlinear Processes in Geophysics, 26(3), 339–357. https://doi.org/10.5194/npg-26-339-2019 https://doi.org/10.5194/npg-26-339-2019
-
Nousu, J.-P., Leppä, K., Marttila, H., Ala-aho, P., Mazzotti, G., Manninen, T., Korkiakoski, M., Aurela, M., Lohila, A., & Launiainen, S. (in press). Multi-scale soil moisture data and process-based modeling reveal the importance of lateral groundwater flow in a subarctic catchment. https://doi.org/10.5194/hess-2024-81 https://doi.org/10.5194/hess-2024-81
Osajulkaisut
-
Nousu, J.-P., Lafaysse, M., Mazzotti, G., Ala-aho, P., Marttila, H., Cluzet, B., Aurela, M., Lohila, A., Kolari, P., Boone, A., Fructus, M., & Launiainen, S. (2024). Modeling snowpack dynamics and surface energy budget in boreal and subarctic peatlands and forests. The Cryosphere, 18(1), 231–263. https://doi.org/10.5194/tc-18-231-2024 https://doi.org/10.5194/tc-18-231-2024
-
Nousu, J.-P., Lafaysse, M., Vernay, M., Bellier, J., Evin, G., & Joly, B. (2019). Statistical post-processing of ensemble forecasts of the height of new snow. Nonlinear Processes in Geophysics, 26(3), 339–357. https://doi.org/10.5194/npg-26-339-2019 https://doi.org/10.5194/npg-26-339-2019
-
Nousu, J.-P., Leppä, K., Marttila, H., Ala-aho, P., Mazzotti, G., Manninen, T., Korkiakoski, M., Aurela, M., Lohila, A., & Launiainen, S. (in press). Multi-scale soil moisture data and process-based modeling reveal the importance of lateral groundwater flow in a subarctic catchment. https://doi.org/10.5194/hess-2024-81 https://doi.org/10.5194/hess-2024-81
Kokoelmat
- Avoin saatavuus [38865]