Comparison of root water uptake modules using either the surface energy balance or potential transpiration
Comparaison de modules d`extraction racinaires dans les modèles TSVA s`appuyant sur une transpiration potentielle ou résolvant le bilan d`énergie en surface
Résumé
Numerical models simulating changes in soil water content with time rely on accurate estimation of root water uptake. This paper considers two root water uptake modules that have a compensation mechanism allowing for increase root uptake under conditions of water stress. These models, proposed by Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) use a potential transpiration weighted, for each soil layer, by a water stress and a compensation function in order to estimate actual transpiration. The first objective of the paper was to assess the accuracy of the proposed root extraction models against two existing data sets, acquired under dry conditions for a winter wheat and a soybean crop. In order to perform a fair comparison, both modules were included as possible root water extraction modules within the Simple Soil Plant Atmosphere Transfer (SiSPAT) model. In this first set of simulations, actual transpiration was calculated using the solution of the surface energy budget as implemented in the SiSPAT model. Under such conditions, both root extraction modules were able to reproduce accurately the time evolution of soil moisture at various depths, soil water storage and daily evaporation. Results were generally improved when we activated the compensation mechanisms.When water balance models are run at larger scales or on areas with scarce data, actual transpiration is often calculated using models based on potential transpiration without solving the surface energy balance. The second objective of the paper was to assess the loss of accuracy in such conditions for the Lai and Katul (2000) and Li et al. (2001) models. For this purpose we compared results from the SiSPAT model solving the surface energy balance with those of a degraded version where only potential evapotranspiration was imposed as input data. We found that actual transpiration and evapotranspiration were in general underestimated, especially for the Lai and Katul (2000) model, when we used the potential evapotranspiration as calculated from FAO standards. The use of crop coefficients improved the simulation although standard values proposed by the FAO were too small. The definition of the potential evapotranspiration was the major source of error in simulating soil moisture and daily evaporation rather than the choice of the root extraction models or the inclusion of a compensation mechanism. When used for water management studies, a sensitivity to the definition of potential evapotranspiration used to run the models is therefore advisable.
Les modèles numériques simulant les variations du contenu en eau des sols dépendent d`une estimation précise de l`extraction racinaire. Cet article considère deux modules d`extraction racinaire, comprenant un mécanisme de compensation permettant une extraction racinaire accrue en cas de stress hydrique. Ces modèles, proposés par Lai and Katul (Adv. Wat. Res., 23, 2000) and Li et al. (J. Hydrol., 252, 2001) utilisent une évapotranspiration potentielle, pondérée, pour chaque couche, par une function de stress et une fonction de compensation, afin d`estimer la transpiration réelle. Le premier objectif de cet article était d`évaluer la précision de ces modules d`extraction racinaire par comparaison avec deux jeux de données, acquis dans des conditions de stress hydrique pour un blé d`hiver et un champ de soja. Afin de les comparer dans les mêmes conditions, les deux modules ont été introduits comme modules d`extraction racinaire dans le modèle SiSPAT. Dans ce premier jeu de simulations, la transpiration réelle était calculée à partir de la résolution du bilan d`énergie de surface. Dans ces conditions, les deux modules se sont montrés capables de reproduire avec précision les évolutions temporelles de la teneur en eau des sols à différentes profondeurs, le stock d`eau dans le sol et l`évaporation journalière. Les résultats étaient en général meilleurs quand on prenait en compte le mécanisme de compensation. Quand les modèles de bilan hydrique sont utilisés à grande échelle ou sur des zones avec peu de données, la transpiration réelle est souvent estimée à partir d`une transpiration potentielle, sans résoudre le bilan d`énergie. Le second objectif de cet article était de quantifier la perte de précision dans de telles conditions pour les modules de Lai et Katul (2000) et Li et al. (2001). Pour cela, nous avons comparé les résultats de SiSPAT, résolvant le bilan d`énergie, avec ceux d`une version dégradée où on ne considérait qu`une transpiration potentielle en entrée des modules d`extraction racinaire. Nous avons obtenu une sous-estimation de la transpiration réelle, plus particulièrement pour le modèle de Lai et Katul (2000), lorsque nous utilisions une evapotranspiration potentielle calculée selon la méthode de la FAO. L`utilisation de coefficients culturaux permet d`améliorer les résultats, même si les valeurs standard proposées par la FAO étaient trop faibles. La définition de l`évapotranspiration potentielle apparaît donc comme la source majeure d`incertitude pour la simulation de l`évolution du contenu en eau du sol et de l`évapotranspiration journalière, par rapport au choix du module d`extraction racinaire ou d`un mécanisme de compensation. Quand l`évapotranspiration potentielle est utilisée pour des études de bilan en eau, une étude de sensibilité à sa valeur de est donc recommandée.