Evaluating the performance of land surface model ORCHIDEE-CAN v1.0 on water and energy flux estimation with a single- and multi-layer energy budget scheme

Canopy structure is one of the most important vegetation characteristics for land-atmosphere interactions, as it determines the energy and scalar exchanges between the land surface and the overlying air mass. In this study we evaluated the performance of a newly developed multilayer energy budget in the ORCHIDEE-CAN v1.0 land surface model (Organising Carbon and Hydrology In Dynamic Ecosystems - CANopy), which simulates canopy structure and can be coupled to an atmospheric model using an implicit coupling procedure. We aim to provide a set of accept-able parameter values for a range of forest types. Top-canopy and sub-canopy flux observations from eight sites were collected in order to conduct this evaluation. The sites crossed climate zones from temperate to boreal and the vegetation types included deciduous, evergreen broad-leaved and evergreen needle-leaved forest with a maximum leaf area index (LAI; all-sided) ranging from 3.5 to 7.0. The parametrization approach proposed in this study was based on three selected physical processes - namely the diffusion, advection, and turbulent mixing within the canopy. Short-term sub-canopy observations and long-term surface fluxes were used to calibrate the parameters in the sub-canopy radiation, turbulence, and resistance modules with an automatic tuning process. The multi-layer model was found to capture the dynamics of sub-canopy turbulence, temperature, and energy fluxes. The performance of the new multi-layer model was further compared against the existing single-layer model. Although the multi-layer model simulation results showed few or no improvements to both the nighttime energy balance and energy partitioning during winter compared with a single-layer model simulation, the increased model complexity does provide a more detailed description of the canopy micrometeorology of various forest types. The multi-layer model links to potential future environmental and ecological studies such as the assessment of in-canopy species vulnerability to climate change, the climate effects of disturbance intensities and frequencies, and the consequences of biogenic volatile organic compound (BVOC) emissions from the terrestrial ecosystem.Peer reviewe

Contribution of surface temperature measurements from thermal infrared remote sensing in energy and water transfers modeling at the soil vegetation atmosphere interface

La température des surfaces naturelles est un terme clé du bilan d énergie et d eau à l interface entre le sol la végétation et l atmosphère (SVA). Cette variable est accessible par télédétection dans le domaine spectral infrarouge thermique correspondant à une fenêtre atmosphérique pour les mesures spatiales. Dès lors, des mesures fréquentes de celle-ci au niveau du sol ou par satellite comme celles du capteur SEVIRI de MétéoSat8 (MSG) à la résolution du quart d heure, permettent le suivi continu des échanges de surface. La représentation numérique de ces échanges pour les couverts végétaux par des modèles TSVA comme le modèle SEtHyS, utilisé pour cette étude, peut alors être contrainte par l assimilation de la température de surface. La spécificité de ce travail de thèse a été de développer une méthodologie basée sur la dynamique de son cycle diurne pour suivre le bilan d énergie et d eau à l interface SVA au niveau de la parcelle agricole puis à l échelle du paysage hétérogène.The land surface temperature is a key variable of the water and energy budget at the soil vegetation atmosphere (SVA) interface. Such variable is measured by remote sensing in the thermal infrared domain which corresponds to an atmospheric window for satellite measurements. As a consequence, frequently measurements, ground based or acquired from space has achieved by the MeteoSat8 (MSG) SEVIRI sensor at a fifteen minutes temporal resolution, enables the continuous surface exchanges monitoring. Numerical representation of these exchanges over vegetative canopies, like the SEtHyS SVAT model used in this study, can then be constrained with a surface temperature assimilation technique. The originality of this thesis study was to develop a methodology based on the knowledge of temperature diurnal dynamic features in order to monitor the water and energy budget at the SVA interface at agricultural field scale and further at the heterogeneous landscape spatial resolution.VERSAILLES-BU Sciences et IUT (786462101) / SudocSudocFranceF

Interface surface- atmosphère haute résolution : bilans d’énergie, évaporation, transferts, effet de la canopée et couplage sol/plante/atmosphère

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Development and evaluation of the ORCHIDEE land surface model (contribution to the simulation of carbon cycle at high latitude)

L objectif de cette thèse est d'évaluer et de développer le modèle de surface ORCHIDEE (Organizing Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms). Dans la première partie, l évaluation du modèle à différentes échelles est présentée à l aide d une nouvelle méthodologie basée sur une analyse spectrale et des réseaux de neurones. Cette analyse nous a permis de mettre en évidence les erreurs systématiques du modèle, et d ouvrir de nouvelles perspectives pour les développements futurs ORCHIDEE. Dans une seconde étape, afin de mieux comprendre les effets de la neige sur les flux de carbone présents et futurs, différentes études ont été menées. Une analyse de la respiration des écosystèmes d'hiver a étéeffectuée, à l aide de mesures de station de flux eddy covariance . Les résultats démontrent le rôle de la respiration d'hiver dans le bilan annuel de carbone, ainsi que les effets de la neige sur la respiration. L objectif d une troisième étape a été de développer un nouveau module de neige dans ORCHIDEE. Dans ce nouveau modèle, les processus internes de la neige (neige fondante par exemple / regel, infiltration de l'eau entre les couches de neige) sont pris en compte. Par ailleurs, une nouvelle paramétrisation de l albédo des forêts a été testée. Ces développements ont été validés à l échelle locale sur quelques sites instrumentés puis à l aide de produits spatialisés sur les régions des hautes latitudes Nord. Des améliorations significatives ont été mises en évidence en termes de propriétés du couvert nival. Ce nouveau modèle va maintenant permettre de mieux comprendre et modéliser les cycles de l eau et du carbone aux hautes latitudes dans de prochaines études.This thesis is to evaluate and develop a land surface model ORCHIDEE (Organizing Carbon and Hydrology In Dynamic EcosystEms). In the first part, ORCHIDEE on multiple timescales is evaluated by a novel methodology linking Artificial Neural Networks to Singular System Analysis. The joint analysis of observations and simulations uncovers the characteristics of model bias at and across timescales in different plant function types and climate groups, which provide references for future ORCHIDEE developments. To have a throughout understanding of snow effects on present and future carbon fluxes, ORCHIDEE with a decent snow model should be developed. In the second part, a site-synthesis analysis of winter ecosystem respiration and its controls across eddy covariance sites in mid- and high-latitude regions has been conducted. The result corroborates the role of winter respiration in annual carbon budget, and snow effects on winter respiration could be indirectly observed by its insulating effect on soil. The standard ORCHIDEE snow model is a simple bucket model and has been shown to bias snow simulations. In the third part, internal snow processes (e.g. snow melting/refreezing; water infiltration between snow layers) were thus developed in ORCHIDEE. Moreover, a new forest albedo parameterization was also implemented. In the third and final parts, this newly developed snow model has been validated based on both site and continental levels, and a significant improvement has been seen in terms of snow pack properties examined. This new snow model coupled with permafrost will be used to explore high-latitude water and carbon dynamics in the future.VERSAILLES-BU Sciences et IUT (786462101) / SudocSudocFranceF

Characterizing the fire regime evolution and land-use change in the Dry and Wet Chaco between 2001 and 2019

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Using soil moisture and land surface temperature Earth Observations to optimize land surface model performance

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Modélisation des flux de carbone, d'énergie et d'eau entre l'atmosphère et des écosystèmes de steppe sahélienne avec un modèle de végétation global

Compte tenu de la vulnérabilité de la population rurale de la région sahélienne aux aléas pluviométriques, et devant les ambitions de certains acteurs d utiliser le levier de l usage des terres pour contribuer à l atténuation du changement climatique, il est important de comprendre les facteurs contribuant à la variabilité de la couverture végétale au Sahel.Une synthèse de la littérature expliquant l évolution récente de la végétation au Sahel est donc d abord présentée. Les études s intéressant au paradigme qui souligne l impact de l usage des terres sur les précipitations en Afrique de l Ouest évaluent principalement ces effets par le couplage de modèles dynamiques globaux de végétation DGVM avec des modèles de circulation générale. C est à l amélioration d un tel DGVM, ORCHIDEE, développé à l Institut Pierre Simon Laplace, que le reste du travail cherche à contribuer.Comme d autres études ont montré qu il était possible d utiliser en première approximation les steppes pâturées et les jachères pour décrire le comportement global de la surface sahélienne, les écarts entre modèle et mesures sont caractérisés pour une jachère située à proximité de Wankama (Niger). Plus précisément, les forces et faiblesses de la paramétrisation et de la structure par défaut du modèle sont diagnostiqués, et l importance de la réduction d erreur permise par l optimisation de certains des paramètres est donnée. En particulier, l emploi d une résolution aux différences finies de la diffusion de l eau dans la colonne de sol est évalué, dans la mesure où cela permet de mieux simuler la réponse rapide du flux évaporatoire aux événements pluvieux que le schéma conceptuel utilisé par défaut dans ORCHIDEE.Le réalisme du modèle est également mesuré à l échelle régionale, par la comparaison d observations de NDVI GIMMS_3G à la couverture végétale simulée par le modèle en réponse à différents forçages climatiques . Si les modifications introduites au cours du travail ne permettent pas de mieux décrire les tendances de la végétation au cours des dernières décennies, tirer partie des leçons du présent travail pourra se révéler utile. Il en est de même des conclusions de l étude de la transitivité des biais conditionnels du modèle réalisée avec Tao Wang et présentée en annexe B.The evolution of the land-surface conditions is often assessed through the use of dynamic global vegetation models , as is shown in a review of the current understanding of the factors of variability and of the recent evolution of the vegetation cover in the Sahel. Such models are also coupled to atmospheric general circulation models to evaluate the land feedback on precipitation in monsoonal climates.Thus, the improvement of the skills of such surface models to simulate the radiative and turbulent fluxes between the land of surface and the atmosphere in the Sahel over a range of scales from hourly to multi-annual has a potential to have significant implications. This is especially true considering the vulnerability of the rural population of the region, which largely relies on rainfed agriculture and the interest on the evolution of the carbon stocks of ecosystems in the context of climate change. Such a work on the ORCHIDEE model is presented here. In complement to croplands, rangelands and fallows represent a large share of the sahelian landscapes and have intermediate characteristics between erosion glacis and acacia bushes. As such, their evolution (in terms of albedo, roughness length, ) may be used to study the Sahel ecosystem behaviour as a first approximation. Differences between model outputs and field observations are quantified for a fallow close to Wankama (Niger). More precisely, some of the drawbacks of the standard parametrisation and structure of the model are diagnosed, and the range of reduction of the model-observation mismatch that results from optimizing some of the parameters are given (plant phenology, ). In particular, the use of a finite difference resolution of the soil water diffusion is considered as it enables to better simulate the fast response of evaporative fluxes to rainfall than the conceptual scheme routinely used in ORCHIDEE. The benefits of the use of such a physical hydrological scheme on the different outputs of the surface scheme is evaluated.The realism of the model is also measured at the regional scale, through a comparison with GIMMS_3G NDVI time series over West Africa. If the modifications that have been introduced in the model don t improve its ability to describe the vegetation cover trends over the last decades in the region, several lessons can be kept from the analysis that has been realised, especially from the work on the transitivity of state-dependant model biases that has been conducted with Tao Wang and which is presented in annex B.PARIS-AgroParisTech Centre Paris (751052302) / SudocSudocFranceF

High Resolution Tree Height Maps of the Landes Forest (France) based on GEDI, Sentinel-1 and Sentinel-2 data : a Deep Learning Approach

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